Розділ 2
Характеристика методів і об’єктів досліджень
2.1. Теоретичні засади вибору компонентів сировинної суміші
Одержання теплоізоляційного конструкційно-оздоблювального матеріалу з високими
експлуатаційними властивостями (коефіцієнт теплопровідності, міцність на згин,
вогнестійкість, нетоксичність тощо) зумовлює розробку технології їх отримання з
вихідних компонентів відповідної якості.
Згідно результатів попередніх лабораторних і виробничих досліджень, а також
літературних даних, встановлено вирішальний вплив на властивості таких
матеріалів структурних та фізико-хімічних характеристик вихідних матеріалів.
Найбільш повно цим вимогам відповідають силікатні в’яжучі (рідке скло) з
високими значеннями в’яжучих властивостей, можливістю затвердівати при
невисоких температурах нагрівання і здатністю утворювати міцні зв’язки з
пористими мінеральними наповнювачами.
Для мінеральних наповнювачів необхідні висока хімічна сумісність із в’яжучим,
низький коефіцієнт теплопровідності, нетоксичність та негорючість. До таких
наповнювачів належать спучені вермикуліт та перліт.
2.2. Характеристика та властивості основних компонентів сировинної суміші
Розчинним склом називається технічний продукт, що складається з лужних
силікатів. Склад розчинного скла виражається формулою R2O·nSiО2, де R – Літій,
Натрій або Калій, n – число молекул SiО2, що припадають на одну молекулу лужних
оксидів. За фізичним станом воно поділяється на силікат-брилу, що складається з
твердих грудок різної форми і величини, і водний розчин силікат брили – рідке
скло [20]. В більшості випадків на практиці використовують натрієве рідке скло
[47,49].
За видом сировини розчинне скло класифікується на содове, содово-сульфатне і
сульфатне [19], за способом одержання – автоклавне [46] та одностадійне,
безавтоклавне [126,127]. Рідке скло характеризується силікатним модулем (М),
тобто величиною молярного відношення SiО2 до лужних оксидів. У більшості
випадків використовується розчинне скло з
М = 2,5...3,0. Іноді готують змішане чи подвійне скло, що містить одночасно
Na2O і K2О.
Рідке скло є густим, в’язким розчином. Добре приготовлені розчини рідкого скла
звичайно мають жовтувате забарвлення і бувають прозорими. У тих випадках, коли
колоїдної суспензії міститься багато, розчини рідкого скла мутні сірого
кольору. Модуль рідкого скла можна понизити, якщо додавати луг, а густину –
розбавляючи водою. При нагріванні розчину відбувається його розкладання з
виділенням аморфного кремнезему [52].
Рис. 2.1. Дифрактограма висушеного рідкого скла
Підтвердженням цього є результат РФА висушеного рідкого скла (рис. 2.1). На
дифрактограмі відсутні будь-які ознаки наявності кристалічної фази,
спостерігається лише аморфне гало в області 2и = 15...35є.
Аналіз спектру натрієвого рідкого скла виявив інтенсивне поглинання в області
1100...900 см-1 з максимумом при 1020 см-1, характерні для зв‘язку
Si–O і поглинання, що відноситься до коливань ОН- груп (широка смуга в області
3650...3300 см-1) з максимумом при 3440 см-1 (рис. 2.2).
Слід відмітити ще одну характерну лінію поглинання при 1630 см-1, характерну
для молекулярної води і вільних ОН- груп в системі.
Рис. 2.2. ІЧ-спектр висушеного рідкого скла
Розчини рідкого скла мають в’яжучі властивості. Усі кислоти розкладають рідке
скло з утворенням колоїдних драглистих осадів ? гелів силікатної кислоти.
Розчинні у воді солі також викликають розкладання рідкого скла. Воно реагує з
основами, спиртами, ацетоном, етерами тощо [53].
Рідке скло – це, залежно від модуля, складна суміш силікатів різного ступеня
полімеризації. Технічні розчинні силікати натрію включають ортосилікат,
метасилікат, дисилікат і більш висококремнеземисті продукти.
У роботі використовувалось натрієве рідке скло (ГОСТ 13078-81) з
М = 2,96 різної густини та в‘язкості
Вермикуліт ? мінерал з групи гідрослюд [126,129], здатний спучуватися при
нагріванні.
Згідно Ейтеля [130] для слюд характерна шарувата структура: два елементарних
шари силіцийоксигенових тетраедрів і шар, що складається з гідроксильних груп і
іонів магнію і заліза (у біотиту), утворюють міцно зв‘язаний слюдяний пакет
(рис. 2.3). У результаті заміщення іона Si4+ іоном А13+ кожен пакет має
надлишковий негативний заряд, що врівноважується двома катіонами К+,
розташованими між пакетами. Загальна формула вермикуліту може бути записана
так:
Mg 0,3?0,5 (H2O)3?5 (Mg, Fe, Al)2,8?3·[(Si, Al)4O10].
а)
б)
Рис. 2.3. Розтин структури вермикуліту з міжшаровим розташуванням води:
а) у зразку після видалення половини міжпакетної води за температури 200...300
°С; б) у природному мінералі.
Причиною спучення вермикуліту є виділення пари води, тиск якої спрямований
перпендикулярно площини спайності. У результаті силового впливу пари води
слюдяні пластинки розсовуються, утворюючи сполучені пори неправильної
витягнутої форми, при цьому обсяг зерна вермикуліту збільшується в 13...15
разів.
Вода, що міститься у вермикуліті, має різні форми зв’язку з основною речовиною
мінералу. У природному вермикуліті розрізняють наступні види води:
конституційну (гідратну), що входить до складу молекулярної структури
матеріалу; міжпакетну, що міститься між пакетами слюди і міцно адсорбовану на
площинах спайності; цеолітну, що знаходиться в мінералі у вигляді твердого
розчину, і гігроскопічну, механічно утримувану на поверхні зерен мінералу.
Основним чинником [131], що забезпечує спучення вермикуліту при нагріванні,
вважають виділення міжпакетної води. Початок її виділення
(рис. 2.4) спостерігається при температурі 170...200 °С, а максимальна
кількість – при 270...300 °С. Остаточна втрата міжпа
- Київ+380960830922