Таким образом, процесс формирования и развития структуры пеностекла того или иного типа является многофакторным, объединяющим комплекс явлений, протекающих в исходном стекле, пенообразующей смеси, в пиропластическом спеке и сформировавшемся пеностекле [290—338].

Деформационо-упругие свойства пиропластического пеностекла связаны, несомненно, с реологическими свойствами исходного стекла и давлением газов внутри ячеек. Взаимная связь этих параметров определяет, очевидно, интервал температуры, в котором возможно формование пеномассы.

Как видно из работ [26, 28, 29, 290—295], основной задачей при формовании изделий из пеностекла является определение температурных полей в зоне формующих устройств и самом изделии. Точное аналитическое решение задачи о распределении температур в области формования пеностекла практически невозможно из-за трудностей получения исходных данных для составления условий задачи. В связи с этим избран расчетно-экспериментальный путь исследования тепловой стороны процесса формования пеностекла.

1. Процессы, протекающие в пенообразующей смеси на стадии формирования спеков и пеностекла

Согласно существующим представлениям о механизме формирования силикатных пен [3, 7, 12, 14, 50, 268, 270], максимум замкнутых ячеек образуется при вспенивании гомогенных с оптимальной вязкостью расплавов, в которых обеспечиваются, с одной стороны, плавное и беспрепятственное пенообразование, с другой — высокая устойчивость сформировавшейся пены за счет ее структурно-механического фактора. Как известно [3, 7, 12, 13], эти условия достигаются при синтезе пиропластических систем на основе некристаллизующихся стекол, имеющих наименьший градиент вязкости в области температур вспенивания. Вторым обязательным условием при синтезе спеков пенообразующих смесей является обеспечение изотермии в порошкообразной смеси и ее спеках в области температуры формирования пеностекла.

Чтобы полнее представить механизм формирования спеков и ход процесса вспенивания пеностекла в зависимости от их термической однородности, рассмотрим динамику явлений, происходящих в идеализированной грануле из порошкообразной смеси, обладающей минимальным значением теплопроводности.

При быстром нагреве (~40°С/мин) такой гранулы (рис. 5.1) в интервале температур 650—800 °С в результате малого (0,183 ккал/(м*ч*°С)) значения λ рыхлой порошкообразной массы (λ = 700—800 кг/м3) и возникшего вследствие этого большого температурного градиента на поверхности ее формируется газонепроницаемая пленка расплава.

Образовавшаяся пленка оказывает давление на внутренние слои массы гранулы, а сама испытывает растяжение. При повышении температуры более нагретые поверхностные слои начинают вспениваться, в то время как более холодные внутренние слои продолжают спекаться, т. е. уменьшать свой объем, в результате чего между ними возникают усилия растяжения, которые приводят к частичному или полному разделению массы на два слоя и могут явиться причиной образования пустот.

Схема распределения усилий сжатия и растяжения в идеализированной грануле из порошкообразной пенообразующей смеси на стадиях формирования спека и вспенивания пеностекла

Рис. 5.1. Схема распределения усилий сжатия и растяжения в идеализированной грануле из порошкообразной пенообразующей смеси на стадиях формирования спека и вспенивания пеностекла [61].

Их образование объясняется, очевидно, тем, что находящаяся в переходной зоне вязкая стекломасса под действием противоположных по направлению сил растягивается в неправильные нитевидные и перепончатые формы. Выделяющиеся при спекании слоя В газы оказывают давление на эти предварительно оформленные пустоты — раздувают их, увеличивают и взаимно соединяют, в результате чего формируются крупные раковины. С повышением температуры, когда область В переходит от спекания к вспениванию и газовыделение возрастает, в слое Б увеличивается размер раковин, а для слоя А характерна неравномерная пористость. Можно допустить также и образование в слое А плотной слабовспененной массы. Это свидетельствует о чрезвычайно большом влиянии теплопроводности пенообразующей смеси на процесс формирования структуры пеностекла и его свойств главным образом структурно-механической прочности. Повышение λ смеси, наоборот, позволяет свести до минимума усилия растяжения или сжатия, возникающие между слоями А, Б и В, что дает возможность процесс нагрева смеси до температуры максимума вспенивания вести с большой скоростью без ущерба для качества структуры пеностекла.

Анализ закономерностей формирования спеков из пенообразующей смеси и структуры пеностекла показывает, что при разработке теоретической температурной кривой вспенивания необходимо учитывать взаимосвязь между физическим состоянием смеси на каждом технологическом этапе и динамикой изменения ее теплофизических свойств.

Из рассмотренной нами схемы формирования спека наиболее сложный характер температурной кривой, очевидно, должен быть для порошкообразной смеси, обладающей минимальным значением λ. Процесс формирования спеков из нее осложнен усадочными явлениями, возникающими при спекании частиц стекла, что в меньшей мере свойственно уплотненной смеси.

Процесс формирования спеков из нее осложнен усадочными явлениями, возникающими при спекании частиц стекла, что в меньшей мере свойственно уплотненной смеси

Быстрое нагревание рыхлой пенообразующей смеси приводит к образованию трещин (рис. 5.2, б), на поверхности которых выгорает газообразователь. При вспенивании таких спеков в пеностекле образуются уплотнения, затрудняющие процесс развития структуры (рис. 5.2, в), или участки с неравномерной структурой (рис. 5.2, г). Эти дефекты снижают прочностные характеристики пеностекла.

Вспенивание предварительно уплотненных образцов смеси позволяет значительно улучшить структуру пеностекла; размеры и количество дефектов уменьшаются по мере повышения исходной плотности пробы. Для выяснения причин, вызывающих повышение качества пеностекла, была изучена взаимосвязь между динамикой теплофизических свойств пенообразующей смеси различной исходной плотности и характером формирования температурного поля при нагревании.

СТРАНИЦЫ: