КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 21-79-10422
НазваниеРазработка и внедрение энергоэффективных экологически чистых строительных материалов с высокой максимальной температурой эксплуатации, термической и химической стойкостью, полученных на основе кремнистых и карбонатных пород и добавок отечественного производства за один нагрев исходного сырья
Руководитель Родин Александр Иванович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва" , Республика Мордовия
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова Пористая стеклокерамика, теплоизоляционные огнеупорные материалы, энергоэффективность, кремнистые породы, термическая стойкость, химическая стойкость, прочность
Код ГРНТИ67.09.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Пористые стеклокерамические материалы в большом объеме используются в строительной отрасли. Стеклокерамические материалы обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокой стойкостью к химическим агрессивным средам, широким диапазоном рабочих температур и др. Их используют в качестве утеплителя при строительстве промышленных и гражданских объектов, атомных электростанций, предприятий газовой и нефтяной промышленности. Данные материалы поставляются в Россию в основном из-за рубежа и используется только на особо ответственных промышленных (АЭС, ВПК и др.) и социально значимых объектах. Самой крупной транснациональной корпорацией, а также самым крупным поставщиком высококачественной теплоизоляционной продукции на основе пористой стеклокерамики и пеностекла в Россию является «Pittsburgh Corning», которая имеет ряд заводов в США и Европе. С конца 90-х годов прошлого века вопрос создания производства пеностекла и пористых стеклокерамических материалов в России встал особенно остро, причиной этому являются суровые климатические условия, ужесточение теплотехнических требований к ограждающим конструкциям, рост цен на данный вид теплоизоляционных материалов и др. Именно в этот период в России возобновляется производство пеностекла на заводах: «СТЭС-Владимир» (г. Владимир), «Пеноситал» (г. Пермь), «PENOSTEK» и «SAiTAX» (Московская область) и др.
Производят пеностекло и пористые стеклокерамические материалы как в России, так и за рубежом, в основном по двухстадийной технологии. На первом этапе производят варку стекла. Затем, остывшую массу размалывают с газообразующими добавками и повторно нагревают с последующим отжигом полученного материала. Использование данной технологии привело к значительному удорожанию стоимости конечного продукта, отказу от использования в производстве дешевого сырья. Максимальная температура эксплуатации таких материалов не превышает +600°С. Все больший интерес представляет внедрение в производство одностадийной технологии получения пористых стеклокерамических материалов. Данная технология основана на использовании в качестве сырья дешевых кремнистых пород. Запасы сырья в России огромны. С использованием данной технологии стало возможным получение пористых стеклокерамических материалов с высокой максимальной температурой эксплуатации, что значительно расширит рынок сбыта продукции.
Несмотря на огромные запасы кремнистых пород (диатомит, трепел, опока) в России, использование их в качестве сырья для получения обожженных теплоизоляционных огнеупорных материалов также ограничено. Основной проблемой стала низкая термическая стойкость полученной керамики (высокий коэффициент линейного температурного расширения). Отмеченный эффект является следствием большого количества температурных превращений модификаций кремнезема в материале (кристобалита, кварца, тридимита). Известно, что кремнистые породы совместно с карбонатными можно использовать в качестве сырья для получения силиката кальция (волластонита). Данный минерал имеет низкий коэффициент линейного температурного расширения, высокую температуру плавления. В последние годы его все больше используют при производстве огнеупорных энергоэффективных материалов. Данные материалы имеют низкую плотность, и, как следствие, теплопроводность, безвредны для человека, не содержат вредных химических волокон, не выделяют токсические вещества и удовлетворяют экологическим требованиям. Максимальная температура эксплуатации достигает +1100°С. Качественные материалы на основе силиката кальция на российском рынке, как правило импортные: Silca (Германия), Skamol (Дания), Promat (Бельгия).
Получают кальций силикатные теплоизоляционные огнеупорные материалы в основном методом прессования предварительного синтезированного, либо добытого волластонита. Запасы данного минерала в России ограничены, а современные технологии синтеза основаны в основном на гидротермальном способе. Данный способ достаточно технологически сложен, трудоемок. Получение готовой продукции занимает достаточно большой период времени. Перспективным является получение экологически чистых теплоизоляционных огнеупорных материалов на кальций силикатной связке на основе кремнистых и карбонатных пород, добавок отечественного производства и легких огнеупорных заполнителей.
Разработка энергоэффективных экологически чистых строительных материалов с высокой максимальной температурой эксплуатации (для пористой стеклокерамики - не менее +900°С, для обожженных теплоизоляционных огнеупорных материалов на кальций силикатной связке - не менее +1100 °С), термической и химической стойкостью, полученных на основе кремнистых и карбонатных пород и добавок отечественного производства за один нагрев исходного сырья является актуальной.
Полученные материалы могут быть использованы в качестве теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного материала как в промышленном (утепление АЭС, трубопроводов, промышленных установок, плавильных печей, котельного оборудования и т.п.), так и в жилищно-гражданском строительстве (утепление каминов, печей и т.д.). Расшириться сырьевая база для получения энергоэффективных экологически чистых строительных материалов с высокой максимальной температурой эксплуатации, термической и химической стойкостью. Упростится технология получения таких материалов. Разработанные материалы будут полностью безопасны для человека, экологически безвредны, не будут иметь химически вредных примесей, при нагревании не будут выделять опасных веществ, а значит, их с уверенностью можно использовать в жилых помещениях. Себестоимость полученных материалов будет минимум на 30 % меньше чем у аналогов. Увеличатся межремонтные периоды работы оборудования, в следствии использования разработанных материалов с высокими показателями химической и термической стойкости.
- Научная новизна исследований:
1. Будет разработана технология и предложены оптимальные составы компонентов для получения энергоэффективных экологически чистых строительных материалов (пористой стеклокерамики) на основе кремнистых пород и добавок отечественного производства за один нагрев исходного сырья плотностью 180-400 кг/м3, прочностью при сжатии 2,5-8 МПа и более, теплопроводностью 0,060 Вт/м∙К и более, с максимальной температурой эксплуатации материала не менее +900°С, стойких в условиях агрессивного воздействия химических сред и переменной влажности.
2. Будет разработана технология и предложены оптимальные составы компонентов для получения энергоэффективных экологически чистых строительных материалов (пористой стеклокерамики) на основе кремнистых пород и добавок отечественного производства за один нагрев исходного сырья плотностью 140-180 кг/м3, прочностью при сжатии до 2,5 МПа и более, теплопроводностью менее 0,060 Вт/м∙К, с максимальной температурой эксплуатации материала не менее +800°С, стойких в условиях агрессивного воздействия химических сред и переменной влажности.
3. Будет установлен механизм действия функциональных добавок (корунд, боксит, каолинит, магнезит, доломит и др.) на изменение пористости, максимальную температуру эксплуатации, термическую и химическую стойкость стеклокерамических материалов.
4. Будут получены качественные и количественные зависимости изменения фазовых превращений, происходящих при нагревании в шихте на основе кремнистых пород, от вида и количества модифицирующей добавки (корунд, боксит, каолинит, магнезит, доломит и др.), режима механохимической активации и обжига шихты.
5. Планируется выявить основные зависимости в системе состав–технология–структура–свойства энергоэффективных экологически чистых строительных материалов (пористой стеклокерамики) на основе кремнистых пород и добавок отечественного производства от содержания его составляющих компонентов, особенностей механохимической активации шихты и ее термообработки.
6. Будут получены количественные зависимости изменения стойкости энергоэффективных экологически чистых строительных материалов (пористой стеклокерамики) на основе кремнистых пород и добавок отечественного производства после экспонирования в стандартных средах мицелиальных грибов, водных растворах кислот и щелочей различной концентрации, условиях повышенных температур и переменной влажности.
7. Будет разработана технология и предложены оптимальные составы компонентов для получения кальций силикатной керамики методом твердофазного синтеза из шихты, полученной посредством совместной механохимической активации кремнистых и карбонатных пород, а также добавок отечественного производства с максимальной температурой эксплуатации не менее +1100 °С, а также высокими показателями термической стойкости.
8. Планируется получить количественные зависимости влияния режима механохимической активации шихты, химического и минералогического состава компонентов (кремнистых пород - диатомит, трепел, опока; карбонатных пород - мел, доломит и др.; добавок отечественного производства), а также режимов термической обработки образцов на технологические особенности получения, дисперсность и фазовые изменения в шихте, а также фазовый состав, физико-механические, теплофизические, гидрофизические и другие свойства кальций силикатной керамики.
9. Будет разработана технология и предложены оптимальные составы компонентов для изготовления энергоэффективных экологически чистых обожженных строительных материалов на кальций силикатной связке на основе кремнистых и карбонатных пород, добавок отечественного производства и легких огнеупорных заполнителей (вспученный вермикулит и др.) плотностью 300-500 кг/м3, прочностью при сжатии 0,3-1 МПа и более, теплопроводностью 0,075 Вт/м∙К и более, с максимальной температурой эксплуатации материала до +1100°С, высокими показателями термической стойкости.
10. Будут получены количественные зависимости влияния состава и технологических особенностей получения энергоэффективных экологически чистых обожженных строительных материалов на кальций силикатной связке на её технологические, физико-механические и другие свойства.
11. Планируется установить количественные зависимости изменения технологических, физико-механических, теплофизических и физико-химических свойств энергоэффективных экологически чистых обожженных строительных материалов на кальций силикатной связке от гранулометрического состава заполнителя, соотношения «шихта/заполнитель», вида и количества функциональных добавок, режимов обжига.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ