Синтактовые материалы (СМ) представляют собой полые микросферы, скрепленные связующим компонентом. В связи с повышенными физико-механическими и теплофизическими характеристиками представляют значительный интерес для использования в качестве теплоизоляционных и теплозащитных материалов с высокими эксплуатационными показателями [1-3]. В ряде случаев синтактовые материалы наряду с высокой термостойкостью характеризуются высокими диэлектрическими свойствами [4]. Цель исследования Создание синтактовых материалов с использованием полых керамических микросфер (ПКМ) и керамообразующего кремнийорганического связующего – олигооксиметилгидридсилметиленсилоксисилана.
Матералы и методы исследования
ОГСМС получают реакцией этерификации высококипящей фракции прямого синтеза метилхлорсиланов и используют в виде растворов в органических растворителях (ТУ 6-02-4-58-85) [5]. В качестве наполнителя использовались полые керамические микросферы, часто называемые ценосферами. ПКМ получают флотационной обработкой дымовых выбросов теплоэлектростанций, работающих на твердом топливе. В работе были использованы ценосферы от теплоэлектростанций, работающих на каменном угле. Использованные ценосферы имели следующий состав: 57 % SiO2, 28 % Al2O3, остальное оксиды СаО, МgO, Na2O, Fe2O3 Технология приготовления образцов заключалась в смешении связующего и ПКМ до достижения консистенции “влажного песка”, последующего формования композиции при давлении 0,3 МПа и последующей термообработке до температуры 1073 К. Скорость подъема температуры 5 град/мин. При таком режиме повреждений образцов газообразными продуктами деструкции кремнийорганического связующего не наблюдалось.
Результаты исследования и их обсуждение
Исходя из теоретических предпосылок [6], можно предположить, что интенсивные процессы термодеструкции, сопровождаемые существенным изменением физико-механических и теплофизических свойств полимера и переходом его в керамообразное состояние, будут происходить при температурах выше 673 K. Можно ожидать, что силанольные группы на поверхности микросфер [7] будут способствовать деструкции ОГСМС по основной цепи, что и подтверждается термогравиметрическим анализом, проведенным с использованием термовесов TGA-400. Термогравиметрические кривые, представленные на рисунке, показывают, что наибольшие потери массы наблюдаются при наименьшем содержании связующего и не превышают 33 % (кривая IV).
Зависимость потери массы от температуры и от содержания связующего в синтактовом материале
Для исследования процессов происходящих в СМ при высокой температуре и нахождении области образования стабильной структуры был использован рентгенодифрактометрический анализ, проведенный на дифрактометре D8 ADVANCE. При температурах до 673 К преобладает аморфная фаза. При дальнейшем увеличении температуры начинаются процессы термодеструкции, сопровождающийся значительным увеличением кристаллической фазы в СМ. При температуре 1073 К образовывается кристаллическая фаза, представляющая собой в основном a-кварц и муллит. При дальнейшем повышении температуры состав кристаллической фазы материала существенно не изменяется.
После процесса термообработки изменяются как физико-механические, так и теплофизические характеристики СМ (таблица).
Свойства синтактового материала с содержанием связующего 15 % (об) ОГСМС
|
Характеристики синтактового материала |
Показатель |
Метод |
|
1. Прочность при сжатии, не менее |
4,5 МПа |
ГОСТ 4651-82 |
|
2. Коэффициент теплопроводности, не более |
0,2 Вт/м К |
ГОСТ 23630.2-79 |
|
3. Кажущаяся плотность |
350 кг/ м3 |
ГОСТ 409-77 |
Выводы
Использование в качестве связующего ОГСМС позволяет получать синтактовые материалы конструкционного назначения, которые могут найти применение в различных отраслях промышленности, в частности, на предприятиях черной и цветной металлургии, объектах атомной энергетики. Дополнительно решаются и экологические проблемы, связанные с необходимостью утилизации дымовых выбросов ТЭС.
Работа выполнена в рамках государственного задания ВлГУ № 936/14 «Обеспечение проведения научных исследований».