ДОМ БЕЗ ОТОПЛЕНИЯ - СЛОЖНАЯ ЗАДАЧА - НО ВОЗМОЖНА!!

Главная » Технологии будущего. » Получение эффективных водостойких утеплителей путем холодного вспенивания композиций жидкого стекла

Получение эффективных водостойких утеплителей путем холодного вспенивания композиций жидкого стекла

Получение эффективных водостойких утеплителей путем холодного вспенивания композиций жидкого стекла с некоторыми минеральными вяжущими, как построить дом своими руками.

В.И. Сидоров, д-р хим. наук, проф. 

Н.И. Малявский, канд. хим. наук, доц. (Московский государственный строительный университет)

Б.В. Покидько, асп. (Московская государственная академия тонкой химической технологии)

Изучена возможность использования самотвердеющих сырьевых смесей натриевого жидкого стекла с недорогими и недефицитными отвердителями (портландцемент и его компоненты, гипс, каустический магнезит) для получения водостойких утеплителей методом холодного вспенивания. В качестве поризатора использовании водный раствор перекиси водорода.

На основе проведенных исследований разработаны составы сырьевых смесей, позволяющие получать водостойкие утеплители холодного вспенивания с кажущейся плотностью 250-350 кг/м3 и теплопроводностью 0,10-0,13 Вт.м-1 К-1.

Неорганические утеплители холодного вспенивания (ячеистый бетон, газобетон, газосиликат, щелочно-силикатные утеплители и др.) получили широкое применение в строительстве при возведении ограждающих и несущих конструкций, в значительной степени благодаря сочетанию таких полезных свойств, как низкая теплопроводность, малая энергоемкость, экологическая и пожарная безопасность, легкость получения в плитной форме.

Существенным недостатком многих таких пеноматериалов, прежде всего изготовленных на основе воздушных вяжущих, является пониженная химическая стойкость, в первую очередь, водо - и паростойкость.

Преодолевается этот недостаток, как правило, путем термообработки (автоклавирования) либо введением модифицирующих добавок, или гидрофобизаторов.

Особенно перспективными представляются утеплители на основе щелочных силикатов (жидкого стекла), которые из-за большей однородности стенок ячеек пены могут быть вполне технологичны и при таких низких плотностях, как 120 кг/м3 и ниже. В предыдущей работе авторов  была показана возможность получения водостойких щелочно-силикатных пеномате-риалов путем холодного вспенивания жидкого стекла, модифицированного алюминием и цинком с помощью золь-гель метода.

При этом использовавшийся поризатор - алюминиевая пудра - одновременно играл роль водоупрочняющего отвердителя, так как продукты его взаимодействия с жидким стеклом дополнительно модифицировали щелочно-силикатную матрицу, повышая ее водостойкость. Такой подход, по всей вероятности, позволяет достичь наилучшего сочетания плотности и водостойкости, однако, с точки зрения технологии, имеет ряд недостатков. Главные из них - чрезвычайно сильная зависимость кинетики газовыделения от рН сырьевой смеси и от состояния поверхности поризатора, а также дефицитность и дороговизна модификаторов (алюмината натрия и особенно гидроксида тетраамминцинка).

Целью данного исследования было изучение возможности получения легких и водостойких пеноматериалов на основе жидкостекольных композиций, не включающих дорогих или дефицитных компонентов, что в дальнейшем позволило бы разработать весьма простую и недорогую технологию производства соответствующих утеплителей.

В качестве щелочно-силикатного компонента сырьевых смесей использовали натриевое жидкое стекло с молярным модулем 2 (ЖС-2, массовая концентрация 43,6%) или 3 (ЖС-3, массовая концентрация 41,4%), в качестве отвердителей - готовый портландцемент (ПЦ) Воскресенского завода (марка 500), доломитовая мука (ДМ, Киржач, Владимирская обл.), гипс (тех., Воскресенск),β-Са2SiO4 (С2S, ч., РХТУ), каустический магнезит (КМ, тех.). Ввиду слишком интенсивной реакции с жидким стеклом гипса и отсутствия реакции у доломита перед использованием их подвергали термообработке (60 мин при 700°С) с целью дезактивации первого и активации второго (отвердители гипс-700 и ДМ-700). Все отвердители, кроме ПЦ и ДМ, были подвергнуты помолу и просеиванию через сито 46 мкм.

Таблица 1. Сравнение свойств поризаторов, используемых для холодного вспенивания жидкостекольных композиций

Поризатор

Легкость диспергирования в ЖС

Зависимость газообразования от Ph

Водоупрочняющее действие

Газообразование,л

На 1кг поризатора

На 1 руб. стоимости поризатора

Si

  +

  +

   -

1600

40

Al

  +

  +

  +

1250

17

CO2

   -

   -

  +

510

25

CaS2

   -

   -

  +

340

38

H2O2

  +

   -

   -

330

18

CH2Cl2

   -

   -

   -

260

18

Эмульсия ГКЖ-94

  +

   -

  +

150

0,8

В качестве поризатора использовали концентрированный водный раствор перекиси водорода (тех. пергидроль, массовая концентрация 37%). Такой выбор был сделан в результате анализа важнейших химических, технологических и технико-экономических характеристик, используемых для жидкого стекла поризаторов (табл.1).

Легко заметить, что H2O2 по экономической эффективности (газовыделение на 1 руб. стоимости) уступает только кремнию, карбиду кальция и сухому льду, значительно превосходя последние два по легкости диспергирования в ЖС (и отсутствию необходимости помола) и имея важные преимущества перед первым - недефицитность и практическая независимость скорости газообразования от pH среды (в щелочной области).

Кроме того, в отличие от других поризаторов, кроме сухого льда, H2O2 при разложении выделяет кислород - газ абсолютно нетоксичный и негорючий. В качестве катализатора разложения H2O2 использовали технический пиролюзит (МпО2).

Пеноматериалы готовили путем смешения компонентов сырьевых смесей в пластиковых контейнерах, в которых они вспенивались и затем сушились при 30°С в течение 2 суток. Водостойкость образцов (Н, %) оценивали по методу, использованному в работах путем измерения процента потери нелетучих компонентов в результате 5-минутного кипячения в 100-кратном количестве дистиллированной воды. Для сравнения водостойкости образцов с различной кажущейся плотностью и различным содержанием остаточной воды использовали величину эффективной водостойкости, рассчитываемой по формуле [2]

Q = 0,01 · r ·(1 - W / 100) · H,

где Q - эффективная водостойкость (мг/см3);

r - кажущаяся плотность (кг/м3);

W- содержание летучих компонентов (%).

Часть приготовленных образцов исследовали методами рентгенофазового анализа (РФА, рентгендифрактометр Jeol JDS-10 PA) и кинетико-спектрофотометрического молибдатного анализа (МА, спектральный колориметр Спекол-10). Результаты последнего подвергались ко-личественной обработке с помощью специальной компьютерной программы SIKIM, в ре-зультате которой рассчитывались основные параметры молекулярно-массового распределения (ММР) силикатных анионов в образце (средняя основность анионов, массовые доли четырех основных фракций: мономера, димера, олигомеров и полимеров, а также средние основности олигомерной и полимерной фракций).

Оксиды, гидроксиды и соли (в т.ч. силикаты) щелочноземельных металлов и ранее ис-пользовались в качестве водоупрочняющих добавок к жидкому стеклу с целью получения во-достойких пеноматериалов, главным образом, горячего вспенивания. В отличие от атомов Al или Zn, чье водоупрочняющее действие основано на их способности замещать атомы крем-ния в кремне-кислородных тетраэдрах с образованием кислотного центра со связанным катио-ном натрия, неспособным к гидролитическому выщелачиванию, атомы Са и Мg выступают в качестве модификаторов стеклообразной матрицы, замещая натрий и образуя нерастворимые в воде силикаты или гидросиликаты.

На рис.1 показаны зависимости эффективной водостойкости безводных пеноматериалов (после термообработки при 550°С) от содержания кальцийсодер-жащих модификаторов в сырьевых смесях с жидким стеклом модуля 3. Видно, что модифика-торы повышают водостойкость щелочно-силикатного пеностекла в 5-100 раз (для вспененного трисиликата натрия величина Q приблизительно равна 200) и во всех случаях, кроме СаО, с повышением содержания добавки водостойкость возрастает. Что касается СаО, то процесс мо-дификации им жидкого стекла осложнен из-за быстрой гидратации с образованием пленок обезвоженных гидросиликатов кальция и натрия, препятствующих полному протеканию реакции.

Водосодержащие материалы, полученные путем сушки композиций жидких стекол с добавками и термообработки гидрогелей при 20-150° С, также обладают повышенной водостойкостью по сравнению с не модифицированными натрий силикатными гидрогелями и водными стеклами. Однако, как и в случае, алюминий и цинкосодержащих модификаторов, вода упрочняющее действие модифицирующих элементов с ростом содержания воды снижается.

На рис.2 показана эффективная водостойкость жидко стекольно-цементных композиций, вспененных перекисью водорода, в зависимости от содержания воды. Сравнение с аналогичными зависимостями для жидко стекольных гидрогелей, модифицированных атомами В, Al и Zn, показывает, что при содержании воды 15-20% исследованные здесь гидрогели более водостойки, чем модифицированные по золь-гель технологии, а при содержании воды меньше 12%- менее водостойки. В то же время образцы с влажностью 10% и ниже демонстрируют приемлемую водостойкость, не хуже безавтоклавного газобетона (Q=48 при W= 10,4%) или безводных пеносиликатов, приготовленных из жидкого стекла и молотого стеклобоя (Q=40). Интересно также, что при всех величинах W, кроме минимальной W=0.5%, водостойкость образцов, приготовленных на ЖС-2, выше, чем образцов, приготовленных на ЖС-3.

Такой результат соответствует рекомендации, содержащейся во многих патентах, использовать для составления известково-жидкостекольных и цементно-жидкостекольных композиций жидкое стекло пониженного модуля (2-2,5) для более полного прохождения катонообменной реакции и во избежание коагуля-ции смеси на поверхности зерен модификатора.

В результате анализа зависимости водостойкости вспененных образцов от содержания от-вердителя и воды было установлено, что в условиях сушки пеноматериалов при температурах не выше 35°С приемлемую водостойкость (Q < 70) можно получить при содержании ПЦ не ни-же 60% от жидкого стекла, гипса - 700 - не ниже 80%, доломита ДМ-700- не ниже 120%. Для этих критических концентраций отвердителей время потери текучести составляло: ПЦ- 25 мин. (ЖС-2) и 10 мин. (ЖС-3), гипс - 700 - соответственно 1,6 и 0,6 мин., ДМ-700 - соответственно 200 и 120 мин. Исходя из совокупности данных по водостойкости и кинетики отверждения, наиболее перспективной системой была признана система ПЦ - ЖС-2. Другая перспективная система с двухкомпонентным отвердителем была получена заменой части доломита в системе ДМ-700 - ЖС-3 на гипс -700, что позволяет значительно сократить сроки схватывания и не-сколько повысить водостойкость. Параметры лучших по водостойкости и реологии вспененных образцов естественной сушки приведены в табл. 2.

Таблица 2. Показатели лучших образцов пеноматериалов естественной сушки, полученные в системах ЖС + отвердитель + H2O2 + МпО2

Показатели

Системы

ПЦ+ ЖС-2

ПЦ+ ЖС-3

Гипс+ ЖС-2

ДМ+ ЖС-3

ДМ+Гипс+ ЖС-3

Содержание отвердителя,% от ЖС

90

 80

80

150

100+15

Время потери текучести,мин

 12

 5

 2

90

5,5

Плотность,кг.м3

320

 253

 323

647

340

Прочность на сжатие,МПа

1,2

 0,8

 0,7

1,0

0,8

Влажность,%

12,4

  13,7

  12,6

16,1

17,5

Эффективная водостойкость,мг/см3

  45

  52

  69

 55

44

Согласно большинству исследований, взаимодействие оксидов и силикатов кальция и магния с жидким стеклом происходит через промежуточную стадию образования гидроксидов Ca(ОН)2 и Мg(ОН)2 [3,8,9]. В свою очередь, реакция гидроксида кальция с силикатом натрия изучена достаточно хорошо и служит одним из способов получения кристаллических и аморфных силикатов кальция. Это касается, однако, только разбавленных растворов.

Реакции же в высококонцентрированных системах жидкое стекло - твердый Ca(ОН)2 до сих пор слабо ис-следованы, что связано с аморфным характером и плохой сформированностью большинства продуктов. Считается, что наряду с аморфными силикатами, гидросиликатами и гидроксосиликатами кальция при реакции образуется гель низкоосновного кальциевого гидросиликата с адсорбированным на нем Ca(ОН)2 [3,9].

Для выяснения химического механизма взаимодействия использованных отвердителей с жидким стеклом продукты взаимодействия в модельных системах были исследованы методами РФА и МА. Для этого были приготовлены 33%-е суспензии отвердителей (С2S, КПЦ, СаSO4. и МgO) в ЖС-2. После трехсуточного нахождения в закрытых контейнерах смеси выгружали из них и сушили на открытом воздухе 20 ч. при 30°С.

Результаты анализа рентгенограмм показали, что в образцах практически отсутствуют кристаллические новообразования. Почти все интенсивные пики соответствуют не прореагировавшим кристаллическим фазам отвердителей (С2S, С3S, С4AF, СаSO4, MgO). Единственными кристаллическими продуктами реакций, на существование которых с определенной достоверностью указывает слабые пики дифрактограмм, являются: гиллебрандит и гидрат дувухкальциевого силиката С2SH(A) в системе ЖС-С2S, сульфосиликаты кальция Сa3(SiO4)SO4 и Сa10(SiO4)3(SO4)3(OH)2 в системе ЖС-СaSO4 и сипеолит Mg4(Si6O15)(OH)2*6H2O в системе ЖС-MgO. Кристаллического портландита Сa(OH)2 в заметных количествах нигде не обнаружено. Кроме того, имеются мощные гало, свидетельствующие о присутствии значительных количеств аморфных гидросиликатов натрия и кальция (4-100 и 24-360), а также магния (32-400 и 57-630). Значительно большую информацию о составе продуктов взаимодействия, в том числе и аморфных, дают результаты молибдатного анализа.

Таблица 3. Параметры ММР продуктов взаимодействия в модельных системах (ЖС-2 + 50% отвердителя)

Параметры ММА

Отвердитель

Нет

β-C2S

ПЦК

CaSO4

MgO

Содержание мономера, масс.%

  12,3

  91,9

 50,8

62,6

17,3

Содержание димера, масс.%

  0

  0

 5,5

0

  0

Содержание олигомеров, масс.%

 10,2

  0

 17,9

13,9

36,4

Средняя основность олигомеров

 1,23

  -

 1,13

1,24

1,12

Содержание полимеров,масс.%

 77,5

  8,1

  25,8

23,5

46,3

Средняя основность полимеров

 0,75

 0,74

 0,82

0,72

0,82

Средняя основность в образце

0,95

1,90

 1,51

1,59

1,13

Репрезентативность,%

14,5

16,1

 19,6

1,7

30,5

В табл.3 приведены основные параметры ММР модельных систем: статистические веса gi и основности xi (мольные отношения H2О/SiO2 в соответствующих кремнекислотах) четырех фракций сили-катных анионов, а также средние основности силикатных анионов образцов Х и процент ки-слоторастворимого кремнезема (репрезентативность анализа). Там же для сравнения даны ре-зультаты для высушенного в тех же условиях гидрогеля ЖС-2, не содержавшего добавок.

Данные табл. 3 свидетельствуют о существенных различиях в химической структуре продуктов взаимодействия (в основном аморфных гидросиликатов) в исследованных модельных системах.

1. В отсутствие добавок раствор дисиликата натрия при сушке образует гидросиликат линейно-полимерного строения:

Na2Si2O5 + H2O = 2NaHSiO3 (1)

2. В системе С2S-ЖС основную долю гидрогеля составляют силикаты и гидросиликаты мономерного строения. Очевидно, что большая часть их представлена непрореагировавшим С2S, однако представляется весьма правдоподобным, что, как минимум, 15-20% мономера со-ответствует аморфным и кристаллическим гидросиликатам кальция, аналогичным С2SН(А), проявившимся на рентгенограмме. Натрий-силикатный гидрогель при этом обезвоживается и полимеризуется:

Сa2SiO4 + Na2Si2O5 + 2H2O = Сa2SiO4 · H2O + Na4H2Si4O15 (2)

3. В системе КПЦ-ЖС основную роль во взаимодействии с жидким стеклом играет, несомненно, С2S. Среди продуктов так же, как и в предыдущем случае, превалирует мономер, но основу его, вероятно, составляют непрореагировавшие С3S и С2S. В то же время заметно существенное увеличение отношения олигомеры /полимеры по сравнению с гидрогелем без добавок. Очевидно, при взаимодействии С3S с ЖС, возможно через промежуточную стадию образования портландита, образуются аморфные гидросиликаты кальция (или кальция-натрия) со структу-рой анионов, близкой к линейно-полимерной, напрмер, тоберморито- или дженнитоподобной:

Сa3(SiO4)О + Na2Si2O5 + H2O = [Сa(OН)]2 SiO3 + Na2Са(SiO3)2 (3)

4. В системе СaSO4 - ЖС главными продуктами реакции являются мономеры (очевидно, обнаруженные на рентгенограмме сульфосиликаты) и высокополимеры (основная часть нерас-творившегося в кислоте силиката):

3СaSO4 + 2Na2Si2O5 + H2O = Сa3(SiO4) · SO4 + 2Na2SO4 + H2Si2O5 (4)

5. Наконец, в системе MgO-ЖС продукты взаимодействия заметно обогащены по сравнению с гидрогелем без добавок олигамерами (судя по основности, достаточно длинными фрагментами волластонитовой цепочки). Кроме того, имеются высококонденсированные гидросиликаты магния (обнаружены на рентгенограмме). Суммарное взаимодействие может быть записано следующим образом:

4MgO + 6Na2Si2O5 + H2O = Mg4(Si6O15)(OH)2 + 6Na2SiO3 (5)

Кроме того, в этом случае не исключено образование мономерных аморфных силикатов или гидросиликатов магния, например, с форстеритоподобной структурой, что тем более вероятно, если учесть, что форстерит ранее был обнаружен среди продуктов реакции MgO с жидким стеклом.

Результаты проведенных исследований показывают, что на основе сырьевых смесей, состав-ленных из натриевого жидкого стекла, недифицитного неорганического отвердителя и технологичного поризатора H2O2 путем холодного вспенивания можно получить легкие и недорогие пеноматериалы, пригодные для создания эффективных плитных утеплителей. На основе опи-санных выше систем ПЦ-ЖС-Н2О2 и ДМ-гипс-ЖС-Н2О2 на кафедре общей химии МГСУ были разработаны составы многокомпанентных сырьевых смесей, включающие также инертный на-полнитель и суперпластификатор, позволяющие получать утеплители холодного вспенивания с кажущейся плотностью 250-350кг/м3, коэффициентом теплопроводности 0,10-0,13 Вт·м-1·К-1, прочностью на сжатие 0,8-2,0 МПа и эффективной водостойкостью до 30 мг/см3.

Главный редактор

Сидоров Владимир Николаевич,

советник РААСН, профессор, доктор технических наук

тел.: +7 (499) 183-59-94, 183-33-01; факс: +7 (499) 183-59-94,

e-mail: sidorov.vladimir@gmail.com.

Адрес редакции 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, дом 26

Контактные телефоны / факс+7 (499) 183-56-83, 183-59-94 

Адрес электронной почты iasv@mgsu.ru

Комментарии

 ВСЕ БЕСПЛАТНО КРОМЕ МОЗГОВ

 Соломенные матрасы, маты, утеплитель

ВИДЕО РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ

  СОЛОМА в СТРОИТЕЛЬСТВЕ
В селе Таптыково
Рес. Башкортостан построен энергоэффективный дом из клееного бруса с утеплителем, построенный инженером Альфредом Файзуллиным.
Это первый в республике Башкортостан дом, соответствующий «Зеленым стандартам».

Дом нового поколения: горячая вода от солнца, а экономия на отоплении за счет утепления.
Несмотря на экономичность, дом сочетает в себе энергоэффективность, экологичность и современный стиль.

Утром солнце освещает весь дом с южной стороны, а вечером - с западной. Расположение окон здесь продумано до мелочей. Пятикамерные окна - тоже часть энергосберегающей технологии.
Стекла изготовлены с применением серебра, которое позволяет отражать тепло.

Особенностью такого дома является отсутствие необходимости отопления традиционными методами и малое энергопотребление.
Здесь используются источники альтернативной энергии – солнечный коллектор и тепловой насос.

Применение системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла создает благоприятный микроклимат в помещении. В доме использованы окна и двери с высоким тепловым сопротивлением. Технология сборки «Сити-угол» обеспечивает отсутствие «мостиков холода» по всему периметру дома, благодаря сплошной прослойке утеплителя. Все это исключает большие потери тепла и существенно снижает затраты на отопление (в два-три раза по сравнению с газовым отоплением). Стоимость такого дома «под ключ» варьируется от 30 тысяч рублей за один квадратный метр в зависимости от площади дома, его комплектации, отделочных материалов.

«Это очень интересный, современный и своевременный проект, технологии завтрашнего дня.
Этот механизм - лишь часть энергоэффективного частного дома в Таптыково.
Хозяин этого уникального строения и его изобретатель. Он рассказывает, что при строительстве «зеленого дома» использовался пассивный клеёный брус, который позволяет удерживать тепло. Материал, из которого он изготавливается, теперь производит и Учалинское предприятие.

Применение теплового насоса вместо электрического котла. Он эффективно использует тепло окружающей среды для отопления и горячего водоснабжения дома и позволяет экономить потребление энергии до 29 раз.
В жаркие дни такая технология служит для охлаждения помещений.

Таких домов в России пока единицы.
При его проектировании Альфред Файзуллин использовал японские и немецкие технологии.
Он отмечает, что при эксплуатации и утилизации дома никакой нагрузки на природу строение не окажет.
Умный частный дом в дальнейшем планируют совершенствовать.
Проектировщики хотят использовать гидроаккумулятор, а также создать аккумулятор тепла.
Температура воды в емкости объемом 300 м³ даже в пасмурную погоду не падает ниже 40 градусов
В качестве источника тепловой энергии инженер приобрел тепловой насос фирмы Viessmann, мощностью 9,7 кВт.
За тепловой насос пришлось заплатить 424000 рублей.
Вертикальные зонды были размещены в двух скважинах, глубиной по 63 метра каждая.
Бурение обошлось в 1600 рублей за погонный метр
Сразу оговоримся: Альфред Файзуллин строил дом для себя и не скупился на технологии, выбирая самое лучшее. В итоге стоимость квадратного метра «под ключ» составила 45000 рублей. Общая площадь дома 180 м2.

Пассивный дом должен потреблять не более 10% от традиционного, насос мощностью 9,7 кВт. многовато для такого дома.
Норма пассивного дома 15 кВт. на м2 международные требование для сурового климата за сезон отопления.
15 кВт/213 дней * 180 м2= 12,7кВт/м2 норма на день или 380 кВт на 30 дней.

Как построить самому, недорогой теплый дом, своими руками, у нас есть ответ, вы по адресу, узнай подробности, как самому сделать солнечное отопление.

Умный не тот, у кого больше возможностей, а тот, у кого много идей в голове.

Счастлив не тот человек, у кого полно денег, а тот, у кого больше мудрости.

Самый богатый не тот человек, у кого больше денег, а тот, кому меньше требуется.

Умный не тот, кто зарабатывает на жизнь, а мудрый на кого работает умный.

Век бизнеса сегодня, сильный отбирает у слабых, умный отбирает у сильных.

Счастлив человек не тогда, когда больше добра, а кому хватает и меньшего.

Деньги правят миром, чем больше их, тем больше прав.

Есть идея, нет средства на ее реализацию, нужны мудрые решения для умных мыслей.

Успешен не тот, у кого больше денег, а тот, у кого больше притворенных в жизнь идей.

Знать можно, но уметь сложнее, между ними большая пропасть.