Пеностекло из несортированных отходов стекла
На стыке отраслей науки и техники возникают новые направления, такие как нанотехнологии, вакуумная техника, технологии в области сверхнизких температур – все они требуют применения эффективной теплоизоляции, способной выдерживать достаточно высокие нагрузки, воздействие агрессивных химических сред и экстремальную температуру.
Очевидно, что ни один из существующих теплоизоляционных материалов не является оптимальным. Органическая теплоизоляция на основе пенопластов пожароопасна, недолговечна и химически нестабильна. Минераловатные изделия обладают высоким влагопоглощением, а использование органического связующего резко снижает максимальную температуру их применения. К значимому недостатку таких материалов относится саморазрушение волокон, что небезопасно для здоровья человека и ведет к потере теплоизолирующей способности. Легкие бетоны обладают низкой прочностью при достаточно большой плотности.
Материалом, в наибольшей степени способным удовлетворить требования безопасности, долговечности и эффективности, является пеностекло. В отличие от органической и волокнистой теплоизоляции пеностекло – пожаростойкий материал с неограниченным сроком службы, из которого возможно изготавливать изделия различной конфигурации. В строительстве плиты из пеностекла применяются для тепловой изоляции наружных и внутренних стен, фасадов и цоколей зданий, полов с повышенными нагрузками, чердаков и чердачных перекрытий, террас «зеленая крыша», паркингов на крышах, скатных крыш. Кроме изоляции стен, кровли, пола зданий и сооружений пеностекло используется в промышленных холодильниках, на кораблях и морских нефтяных терминалах, в качестве фундамента в условиях вечной мерзлоты, в атомной энергетике, где требования к пожаробезопасности особенно жесткие и т. д.
Однако несмотря на широкие возможности пеностекла как строительного и теплозвукоизоляционного материала, его производство не получило широкого развития из-за сравнительно высокой стоимости. Так, технология получения качественного пеностекла предусматривает варку специального состава, его грануляцию путем резкого охлаждения до температуры около 20оС. В результате куски затвердевшей стекломассы саморазрушаются. Это облегчает дальнейший помол, но вместе с тем приводит к совершенно бесполезному расходованию тепловой энергии, так как для последующего вспенивания то же самое стекло в смеси с газообразователем приходится нагревать еще раз до температуры 780–930оС. Таким образом, вопросы экономики выпуска пеностекла прямо затрагивают чисто технологические моменты.
В конце ХХ века собственное производство пеностекла утратили Германия, Чехия и Польша. Потеряла его и Россия. Несмотря на наличие более полутора десятков инвестиционных проектов, все они пока остаются на бумаге. Причиной тому принято считать несовершенство применяемых технологий и, как следствие, высокие издержки производства. Ведь порошковая технология получения пеностекла предполагает жесткую привязку к сырью – стеклу строго определенного химического состава.
В настоящее время крупнейшим производителем пеностекла в мире является американская корпорация «Питтсбург Корнинг», разместившая свои предприятия также в Германии, Бельгии, Чехии.
Вопреки всем существующим сложностям в Беларуси на ОАО «Гомельстекло» сумели сохранить собственное производство пеностекла, которое в свое время было создано здесь при участии сотрудников «Институт НИИСМ» под руководством Б. К. Демидовича, внесшего значительный вклад в исследования по оптимизации химических и физических процессов его производства.
Казалось бы, пеностекло можно получить из стекла любого химического состава при использовании соответствующим образом подобранного пенообразователя и при работе в определенном диапазоне температур. Однако попытки обеспечить производство пеностекла отходами стекла неопределенного состава не увенчались успехом. Практика работы отдельных производств показала, что отходы стекла могут использоваться лишь в том случае, когда они поступают с одного предприятия, то есть обладают постоянным химическим составом. К тому же количество боя стекла даже на больших стеклозаводах недостаточно для ритмичного обеспечения работы цеха пеностекла средней мощности.
Отметим, что получение углеродистого пеностекла из несортированных отходов является трудноразрешимой задачей по причине того, что отходы стекла весьма неоднородны по своему химическому составу. Это затрудняет получение пеностекла со стабильными свойствами. В настоящее время получение его с высокими эксплуатационными характеристиками и замкнутопористой структурой основывается на применении углеродистых газообразователей и использовании специально навариваемого стекла определенного химического состава, приближенного к составу листового оконного стекла, полученного методом вертикального вытягивания (ВВС). Только при этих условиях обеспечивается возможность получения пеностекла с низким объемным весом и замкнутыми ячейками. Стекло состава, близкого к составу оконного стекла ВВС, наиболее соответствует характеру вспенивания углеродистых газообразователей для получения качественного материала благодаря отсутствию кристаллизации, оптимальным значениям вязкости, величине поверхностного натяжения в температурном интервале вспенивания. Ранее предпринимались попытки получения высококачественного пеностекла из тарного стекла и флоат-стекла, однако они также не увенчались успехом по тем или иным причинам.
На конечные свойства пеностекла оказывают влияние технологические параметры подготовки пенообразующих смесей, их состав и физико-химические свойства, определяемые условиями синтеза, теплообмен в дисперсной среде, пиропластическом спеке и пеностекле на различных стадиях его формирования, динамика фазовых превращений, реакции взаимодействия между газообразователями и компонентами стекла, условия стабилизации структуры и отжига пеностекла.
В результате проведенных в ГП «Институт НИИСМ» исследований, разработана технология получения качественного пеностекла, в которой сырьем является несортированный бой стекла, накапливающийся в сфере бытового потребления. Исключение операций варки и выработки специального стеклогранулята позволяет существенно снизить себестоимость получения пеностекла за счет экономии топлива на варочные процессы при получении стеклогранулята, а также дефицитного и дорогого сырья, в первую очередь соды. За счет использования несортированного стеклобоя в производстве пеностекла решается также проблема его утилизации, тем самым улучшается экология.
Возможность получения пеностекла плотностью 140–200 кг/м3 с замкнутоячеистой структурой из несортированного стеклобоя достигается применением в качестве газообразователя карбида кремния и введения добавки хлорида щелочного металла. Мелкодисперсная шихтовая смесь (удельной поверхностью 6000–8000 см2/г) из несортированных отходов стекла с газообразователем и добавкой, подвергается вспениванию в формах, закалке с последующим отжигом (Заявка BY № а20111100. Способ изготовления блоков из пеностекла). При вспенивании шихт с использованием карбида кремния образуется такая же, как и при применении углеродистых газообразователей, замкнутопористая равномерная структура изделия, непроницаемая для влаги. По-видимому, это связано с тем, что карбид кремния работает подобно углеродистым газообразователям (антрацит, кокс, газовая сажа и пр.), т. е. вспенивание вязкой стекломассы обеспечивается за счет окисления углерода соединениями серы, содержащимися в стекломассе. Об этом свидетельствует то обстоятельство, что для пеностекла с карбидом кремния так же, как и для углеродистого, при его распиловке ощущается характерный запах сероводорода Н2S. Таким образом, получение развитой структуры пеностекла с карбидом кремния в качестве газообразователя при обычно практикуемой в технологии температуре вспенивания достигается в первую очередь реакцией карбида со стекломассой. Предположили, что карбид кремния, применяемый в качестве газообразователя при получении пеностекла, по механизму взаимодействия с порошком стекла при вспенивании является более вариабельным к химическому составу порошка стекла и менее чувствителен даже к смеси стекольных порошков, отличающихся по химсоставу.
В процессе вспенивания, как правило, полное химическое разложение газообразователя не наступает; при его разложении остаются твердые остатки. Поэтому в процессе образования пеностекла наряду с жидкой (стеклообразной) и газообразной фазами, всегда присутствует определенное количество твердой фазы. Неразложившийся твердый остаток пенообразователя диффузно переносится в сторону вновь образовавшейся поверхности стекловидной фазы. Неокислившиеся частицы углеродистых газообразователей, по своей химической природе имеющие малое сродство к стеклофазе и нерастворяющиеся в последней, накапливаются на поверхности раздела фаз, тем самым, способствуя стабилизации пены и закреплению ячеистой структуры пеностекла. Однако в то же время, как инородные включения на поверхности стекломассы они являются затравкой-стимулятором для образования и роста кристаллов новой фазы с поверхности стекла. Рекристаллизация стекла приводит, во‑первых, к увеличению вязкости стекла при температуре вспенивания и, как следствие, к замедлению скорости роста пузырьков газовой фазы, во‑вторых, образование кристаллов в стенке пузырька при пенообразовании, сохраняющей способность к растяжению, вызывает локальное изменение в ней вязкости и, соответственно, деформацию или разрушение ее при последующем растяжении.
Меньшая чувствительность к химическому составу стекломассы при вспенивании шихтовых смесей с карбидом кремния объясняется, по-видимому, более плавным и постепенным высвобождением углерода при разложении карбида кремния в расплавленной стекломассе. Тогда процесс окисления углерода менее чувствителен к химическому составу стекла. Соответственно выделяющиеся при окислении углерода и восстановлении сернистых соединений стекла газы равномернее вспенивают массив при оптимально подобранной температуре и времени выдержки при вспенивании, независимо от состава стекла.
Введение в состав пенообразующей смеси добавки хлорида щелочного металла позволило повысить структурную однородность пеностекла и снизить температуру вспенивания с 850-860оС до 780-820оС, что позволило увеличить срок службы технологической оснастки в печи вспенивания.
Пеностекло с использованием в качестве газообразователя карбида кремния отличается равномерной замкнутопористой структурой, имеет приятный светло-зеленый цвет.
На ОАО «Гомельстекло» проведен выпуск опытной партии блоков пеностекла из шихтовой смеси на основе несортированного боя стекла, карбида кремния в качестве газообразователя и добавки. В работе применяли карбид кремния производства компании «Saint-Gobain» (Франция), а также карбид кремния производства ОАО «Запорожабразив» (Украина). В качестве несортированного боя стекла использовалось зеленое бутылочное стекло. Для получения шихты стекло совместно с газообразующей добавкой измельчается путем помола в агрегате типа шаровой мельницы до тонкодисперсного состояния с удельной поверхностью частиц S=6000–8000 см2/г. Режим вспенивания шихтовой смеси с карбидом кремния в качестве газообразователя соответствовал принятому на заводе режиму вспенивания пеностекла с антрацитом.
Пеностекло отличается низким объемным весом и замкнутой ячеистой структурой, определяющей малое водопоглощение материала, и по своим техническим характеристикам во многом соответствует углеродистому пеностеклу, выпускаемому в настоящее время на ОАО «Гомельстекло» по СТБ 1322–2002 «Блоки теплоизоляционные из пеностекла. Технические условия».
Таким образом, предложенные составы шихтовых смесей на основе возвратного боя стеклотары (бутылка) с карбидом кремния в качестве газообразователя позволяют получать качественное пеностекло строительного назначения, удовлетворяющее требованиям СТБ 1322–2002. Внедрение предложенной технологии позволит получить существенный экономический эффект за счет исключения технологических переделов наваривания специального состава стеклогранулята и использования дефицитной соды, увеличения срока службы технологической оснастки.
Нели СТАХОВСКАЯ, канд. техн. наук, заведующий НИЛ теплоизоляционных материалов,
Александр ЧЕРВОНЫЙ, ст. науч. сотрудник НИЛ теплоизоляционных материалов, Государственное предприятие «Институт НИИСМ»