апрель 2019

Пористий міцний і термостійкий матеріал на основі склобою кварцового скла


Рябова Олена Анатоліївна Рябова О. А. , Племянніков М. М.
Химия и современные технологии
Abstract / Full Text

Пористий міцний і термостійкий матеріал на основі склобою кварцового скла / Химия и современные технологии : Метериалы ІХ Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Химия и современные технологии», 2019. – C. 76-77


Склоуламки кварцового скла є відходами заводів газорозрядних ламп.

Перший напрямок можливої їх утилізації пов’язаний з тим, що це скло має найменший серед промислових стекол лінійний коефіцієнт термічного розширення. Отже, воно буде вкрай добре протистояти термічному удару. Але кварцове скло є і найбільш тугоплавким склом. Звідси – і друга позитивна якість, − висока вогнетривкість. Може бути отримання пористого спеченого матеріалу на основі гранул кварцового скла.

Для того, щоб сполучити тугоплавкі зерна кварцового скла в жорсткий каркас при відносно невисоких температурах потрібні евтектичні (флюсуючі) домішки – плавні. Такою домішкою може бути силікат натрію розчинний.

Робочою гіпотезою було те, що система Na2O‑SiO2 схильна до утворення метастабільної ліквації При певній температурній обробці, витримці при температурі порядку 700ºС, має відбутися фазове розшарування скловидних перешийків між гранулами кварцового скла. Одна з двох фаз збагатиться лужним, інша − кремнеземистим компонентом. Лужний компонент має перейти у розчин і видалитися під час вилуговування, висококремнеземистий – залишитися скріплюючою перетинкою між зернами кварцового скла. Полегшити отримання бажаного продукту має напівсухе пресування заготовок сировинної суміші.

Другий напрямок можливої утилізації згадуваних вище відходів кварцового скла може полягати у наступному. Якщо такий композиційний матеріал матиме відкриту і наскрізну пористість, він може знайти застосування як матеріал для виготовлення фільтрів, як носій сорбентів, каталізаторів. У нагоді стане висока хімічна стійкість матриці.

Технологічні параметри

Гранулометрія була представлена поліфракційним складом. Використовувалися всі частки кварцового скла, що проходили скрізь сито з діаметром комірок 0,5 мм. Домішкою для утворення евтектик був силікат натрію розчинний – промисловий силікатний клей: Na2O·nSiO2·mH2O. Модуль n=2,5. Вологість шихти приймалася ~5%. Ця сполука додавалася у кількості, що у перерахунку на кінцеву суміш складала: 7, 10, 13%. Зразки формувалися у вигляді циліндрів (висота – 20 м, діаметр –20 м) і таблеток (висота – 10мм, діаметр –20мм).

Тиск пресування дорівнював 30 МПа. Температура випалу дорівнювала 1100ºС. Час випалу становив 2, 4 і 6 годин. Фазове розшару-вання провадилось при температурі 700ºС на протязі 2-х годин. Кислота для вилуговування HCl, концентрація – 5Н. Температура вилуговування становила 100ºС (на водяній бані). Час вилуговування також становив 2, 4 і 6 годин.

В роботі передбачалось дослідити такі основні експлуатаційні характеристики кінцевого продукту, як: об’ємна маса, пористість і водопоглинання (усі: до і після вилуговування), а також термостійкість і міцність на стискання (кінцевий продукт, після вилуговування). Міцність на стискання досліджувалася на циліндрах, термостійкість – на таблетках.

Результати технологічних досліджень

Домішка‑ силікат натрію

Силікат натрію розчинний при всіх розглянутих концентраціях забезпечує достатньо пористу і міцну структуру зразків, як після випалу, так і після вилуговування. При цьому, пористість після випалу слабо залежить від терміну випалу і концентрації домішки, залишаючись на рівні 34‑36%.

Після вилуговування водопоглинання слабо залежить від терміну вилуговування (розкид кривих в межах похибки експерименту), але відчутно залежить від концентрації силікату натрію. Найкраще водопо-глинання, порядку 34%, спостерігається при вмісті силікату натрію 10%.

Термостійкість зразків залежить від концентрації домішки. На жаль, оптимальна з точки зору пористості і водопоглинання концентрація 10%, дає найгірший результат. Найкращі випадки для 7 і 13% домішки.

Кінцева міцність зразків переважно зростає із збільшенням концентрації домішки. В усіх випадках вона дає задовільні значення.

З точки зору досягнення оптимальних значень пористості після випалу, водопоглинання після вилуговування, термостійкості і міцності можуть бути рекомендовані наступні параметри: концентрація домішки – 10%, термін випалу і вилуговування – 2-4 години.

Саме в цьому разі пористість після випалу і водопоглинання після вилуговування складає 33-34%. Для цієї комбінації параметрів термо-стійкість може досягати 900ºС, а міцність на стискання 16-17 МПа.