Окончательные физико-механические и эксплуатационные свойства вспученный и отвержденный материал приобретает после отжига в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в электропечах типа СНОЛ по определенной программе после достижения порога инициирования СВС в интервале температур 650-850оС.
Полный технологический цикл создания вспученного композиционного материала состоит из следующих стадий.
Первоначальной стадией создания материала с нужными свойствами является целенаправленный выбор компонентного состава шихты, состоящей из высокодисперсных сухих порошков различной физико-химической природы. Для получения легкого пористого материала с заявленными свойствами в качестве основных компонентов шихты использовались, мас. %
| Минеральный наполнитель | 56-65 |
| Углеродсодержащий материал | 21-25 |
| Порошок алюминия марки АСД-1 | 14-19 |
Выбор минеральных компонентов весьма широк и включает в себя природные вещества (кварцевый песок, глина, кварцит, перлит, вермикуллит), строительные материалы (шамот, динас, цемент и т.п.)и промышленные отходы (зола-унос, шлаки).
Главным требованием при выборе минерального сырья служит обязательное содержание в нем диоксида кремния (SiO2). При выборе углеродсодержащего компонента предпочтение было отдано шунгиту, который представляет собой природную углеродсиликатную композицию, в которой углеродная и минеральная фаза равномерно распределены по объему. Физико-механические характеристики шунгитовых пород определяются соотношением и структурой шунгитового углерода и силикатного компонента, прочностью и развитием межфазного взаимодействия.
В предлагаемом изобретении был использован шунгит, в состав которого входит 57,2% SiO2, 28,6% углерода, остальное окислы – Al2O3, MgO, TiO2, Fe2O3, K2O. Отношение минеральной и углеродной фаз составляет 3,6. Для шунгитовых пород подобного типа (30мас.% углерода) характерны следующие свойства:
| Плотность | 2310кг/м3 |
| Пористость (после термообработки в диапазоне 20-380оС) | 18,8% |
| Прочность на сжатие | 155МПа |
| Твердость по шкале Мооса | 4,5ед. |
По сравнению с графитовыми материалами шунгитовые породы обладают существенно более высокими значениями модулей Юнга, сдвига и всестороннего сжатия, что предопределяет их большую прочность в условиях сложного нагружения т.е. шунгит выполняет роль упрочняющей добавки. Помимо улучшения прочностных характеристик использование шунгита в качестве углеродсодержащего компонента улучшает коррозионную стойкость материала, особенно в условиях воздействия соляной и серной кислоты.
Введение в шихту добавки высокодисперсного порошка алюминия, в роли которого была выбрана пудра марки АСД-1 с удельной поверхностью 177,2см2/г (эффективный размер частиц 91,5 мкм), преследует двойную цель: во-первых добавка Al снижает окисление углерода в поверхностных слоях материала при эксплуатации его в окислительной среде при температуре более 500оС, т.е. добавка Al играет роль антиоксиданта, и во-вторых, при обжиге вспененного отвержденного материала в режиме СВС алюминиевый порошок выполняет роль активного восстановителя.
Выбранные компоненты шихты загружаются в смеситель в указанных соотношениях и подвергаются перемешиванию в течении 15-20 мин.
Полученную смесь затворяют натриевым жидким стеклом (ЖС) и жидковязкую массу шликера разливают в специальные разборные формы, которые перфорированы по боковым поверхностям для выхода влаги в процессе вспучивания и отверждения. Форма имеет также ограничительную съемную перфорированную крышку для предотвращения выхода вспененной массы наружу при высоких значениях коэффициента вспучивания.
Газообразователь – порошок кристаллического кремния может быть внесен в реагирующую систему по двум вариантам. Для уменьшения времени вспенивания минеральной массы и её отверждения кремний вводят в ЖС до затворения шихты, если в этом нет необходимости Si вводят одновременно с шихтой, что приводит к затягиванию процесса вспучивания (см. табл1).
В предлагаемом варианте создания вспученного углеродсодержащего композиционного материала в качестве газообразователя использовался кристаллический кремний марки КР-00, который состоит из 98,5-99мас%Si, 0,3%Fe, 0,2%Al и0,25%Cа. Кремний подвергался измельчению в вибромельнице до дисперсности менее 100мкм. Поскольку реакция взаимодействия кремния со щелочной средой носит гетерогенный характер, то размер частиц Si, на поверхности которых и развивается реакция, играет очень большую роль в процессе газообразования и тепловыделения в реагирующей системе. Влияние размера частиц кремния на характеристики процесса вспучивания приводится в табл2. Введение тонкодисперсного порошка кристаллического кремния приводит к более сильному вспениванию шихтовой смеси, чем грубодисперсного, в связи с выделением большого объема водорода и водяного пара. При введении тонкодисперсного порошка кремния материал имеет, как правило, мелкопористую структуру, а при грубодисперсном – ноздреватую.
Помимо самого размера частиц кремния огромную роль в реакциях взаимодействия со щелочной средой играет механическая активация их поверхности, которое достигается в процессе измельчения. Наибольшую активность проявляют свежеприготовленные порошки кремния.
Многолетняя практика работы с порошками кремния позволяет сделать вывод, что долгое хранение порошков кремния без их герметизации на воздухе в естественных условиях воздействия кислорода и влажности окружающей среды приводит к образованию на поверхности частиц кремния тонкой пленки SiO2, и полной потере способности порошка к газообразованию.
Согласно литературным данным (см.Low J.T. Francis E.E.J.Phys.Chem.,.,60,№3.p353-358,1956) при 300оК окисная пленка кремния толщиной 24оА образуется всего за 1 час.
После завершения процесса вспучивания за счет выделения водорода (реакции 1-2) и испарения несвязанной воды, находящейся в ЖСБ, и полного отверждения высокопористой массы производят разборку формы и полученное изделие помещают в термошкаф для контрольной сушки на 1-2 часа при температуре 120-150°С. Потеря веса изделия в процессе сушки не превышает, как правило, 5%.
Теплоизоляционные материалы в зависимости от их предназначения (условий эксплуатации) производятся либо в виде готовых формованных изделий (кирпич, блок, плита, брус, скорлупа), либо используются для создания теплоизоляционной или тепловой защиты непосредственно на производственном объекте с применением опалубки.
Пример1
Изготавливали изделие в виде кирпича стандартных размеров 230х115х65мм. В качестве минерального наполнителя использовался кварцевый песок марки С-070-1 с содержанием 99,3 масс % SiO2 Для изготовления шихты отбирали фракцию <63 мкм, которую затем смешивали с алюминиевой пудрой марки АСД-1 и порошком шунгита, содержащего 30% по массе твердого углерода и с размером частиц 100-250 мкм в течении 20-30 мин в смесителе планетарного типа. Для затворения шихты использовались натриевое жидкое стекло, соответствующее ГОСТ 13078-81 с плотностью 1,45 г/см3, модулем 2,8 и составом 29,6 мас. % SiO2, 10,6 мас. %Na2O, остальное вода. В качестве газообразователя применялся порошок кристаллического кремния марки КР-00 с размером частиц <63 мкм. Перед совмещением кремния с ЖС его подвергали механической октивации в специальных мельницах.
Результаты испытаний изделий из вспененного углеродсодержащего композиционного материала представлены в табл3.
Полученные свойства испытанных рецептур составов теплоизоляционного материала показали, что ограничительным содержанием компонентов является первая рецептура, так как в этом случае саморазогрев и увеличение объема находятся на очень низком уровне (разогрев системы составляет всего 30-40°С в течении 3-4 часов.
Состав седьмой рецептуры является также запредельным, поскольку при большом содержании кремния образуется не пористая, а ноздреватая, с большими (до 10мм) дырками и очень тонкими перегородками масса, обладающая низкими механическими характеристиками.
Включение в состав материала углеродсодержащий фазы с высокой тепло и электропроводностью в этих композициях не сказывается на эффективные характеристики материала, поскольку частицы этой фазы изолированы друг от друга и по причине высокой пористости (поры обладают высоким тепло и электросопротивлением) и в силу умеренного содержания (21-25%) углеродсодержащей фазы в материале, исключающего прямой контакт между частицами и образование сквозных проводящих мостиков.
Анализ теплофизических свойств заявленного материала показывает, что по уровню теплоизоляции, он не уступает волокнистым материалам, а по простоте технологии его создания значительно их превосходит.
Пример2
Способность предлагаемого материала создавать высокопористую и быстро затвердевающую теплоизоляционную массу при комнатной температуре без предварительного подогрева привлекает к себе особое внимание специалистов по теплозащите различных тепловых установок, в том числе и в теплоэнергетике. Рецептуры составов, имеющих после отверждения плотность 250-600 кг/м3 , находят широкое применение при ремонте футеровых котлов типа ДЕ, НВТМ, ДКВР. На примере ремонта трубчатого теплового котла ДЕ-25, где для заливки в зазоры между трубами был использован вспененный материал, близкий к рецептурам 4 и 5 в табл. 3, а заливку межтрубного расстояния производили материалом, сходным с рецептурой 2, была продемонстрирована эффективность предлагаемого материала (повышение КПД котла на 2 %, сокращение удельного расхода топлива).