Высокая активность такого способа вспенивания позволяет получить пену с минимальной толщиной разделительных стенок, близкой к толщине бимолекулярного слоя. X. Вагнер и К. Фишер [350] также указывают на возможность взбивания «сухой» пены, обладающей наибольшей устойчивостью, которую авторы объясняют структурным эффектом, возникающим вследствие ослабления сил, вызываемых поверхностным натяжением.

Согласно работам [349, 351], получение предельно насыщенной пены при высокой температуре расплава возможно. Однако по мере насыщения расплава газами теплопроводность новой дисперсной системы снижается в 15—18 раз, что затрудняет ее стабилизацию в большом массиве [352]. Поэтому такой способ вспенивания применяется в основном для получения кускового пеноматериала из дешевых силикатных расплавов [353—379].

Таким образом, качественное пеностекло с упорядоченной структурой многогранной пены из-за сложности процесса ее стабилизации легче получить путем вспенивания высоковязких пиропластических спеков из порошкообразных смесей стекла и химически активного газообразователя в области температур, близких к самосохранению сформировавшейся системы. При этом процесс коалесценции, вызываемый высоким значением поверхностного натяжения расплава и неодинаковым давлением газов в ячейках различных размеров, будет заторможен повышенной вязкостью расплава.

Анализируя причины отклонений в развитии структуры пеностекла, И. И. Китайгородский и Л. М. Бутт [47] пришли к выводам, которые, однако, противоречат данным X. Вагнера и К. Фишера [350], изучавших подвижность других пен. Так, согласно работе [350], увеличение поверхности жидкости при образовании пены повышает общую энергию системы, которая прямо пропорциональна поверхностному натяжению жидкости и величине пограничной поверхности между жидкой и газообразной фазами. Отсюда следует, что чем больше свободная энергия системы, тем менее устойчивой является пена, и поэтому жидкости с большим поверхностным натяжением либо вообще не образуют пену, либо образуют ее с незначительной устойчивостью. Все это верно лишь для некоторого частного состояния жидкости, когда ее вязкость при вспенивании может оставаться постоянной.

Согласно взглядам П. А. Ребиндера [380] и Э. Манегольда [55], структурный фактор вносит существенные поправки в наши представления об устойчивости дисперсных систем тина жидкость - газ.

В частности, указывается на значительное влияние вязкости, которая повышается одновременно с увеличением поверхности раздела фаз и, следовательно, с уменьшением толщины разделительных стенок ячеек. Это подтверждается также повышением устойчивости элементарной пластинки жидкости, продолжительность «жизни» которой увеличивается с приближением толщины ее к бимолекулярному слою данной жидкости [264]. Поэтому выводы, к которым пришли И. И. Китайгородский и Л. М. Бутт [47], справедливы лишь для случая высокотемпературного вспенивания, например, методом механического взбивания пены, когда стремление поверхностной энергии жидкости к минимальной площади не тормозят противодействующие силы, вызываемые повышением ее вязкости. Поскольку, по данным В. Харди [381], воздушные пузырьки имеют наибольшую продолжительность «жизни» в области крутого падения поверхностного натяжения, то, очевидно, для силикатных расплавов следует рекомендовать низкотемпературное вспенивание, где проявление сил, вызываемых поверхностным натяжением, будет минимальным.

Получению равномерной ячеистой структуры способствуют наличие в начальный момент вспенивания закрытых пор и присутствие в них веществ, вступающих в химическое взаимодействие, сопровождающееся выделением газов (см. гл. IV). В связи с этим однородность пенообразующей смеси (стекла и газообразователя) имеет большое значение, поскольку формирование спека, удовлетворяющего требованиям, невозможно без соблюдения этих условий. Однако структура спекшейся «идеальной» по однородности пенообразующей смеси на протяжении всего периода вспенивания представляет собой гетерогенную систему, в которой обычно присутствуют все три фазы: твердая — газообразователь и нерасплавившиеся частицы стекла и примесей, жидкая — расплав и газообразная — пузырьки воздуха или других газов. По мере повышения температуры в системе происходит сдвиг в сторону уменьшения твердой фазы и накопления жидкой и газообразной фаз. Исходя из данной зависимости, можно заключить, что меньшее количество дефектов формирующейся структуры будет в том случае, когда значение t_mах вспенивания будет соответствовать такой вязкости расплава, при которой возможно «самозалечивание» образующихся при вспенивании пеностекла дефектов.

И. Катлер [382] и Д. Кучинский [383] установили зависимость скорости накопления жидкой фазы в спеках от характера кривых вязкости и поверхности натяжения стекол. По их мнению, процесс спекания происходит за счет диффузии в вязком состоянии, скорость которой, согласно уравнению Я. И. Френкеля [384], пропорциональна вязкости и среднему радиусу спекаемых частиц.

И. К. Матвеев [385] отмечает взаимосвязь скорости спекания частиц и формирования структуры спека. Более однородное спекание, по его мнению, достигается при незначительной скорости усадки, что легче достичь при низком значении поверхностного натяжения.

Выполненное нами исследование процесса формирования спеков из смесей с различной исходной плотностью при нагревании их в атмосфере азота, воздуха и водяных даров позволило увеличить количество факторов, влияющих на скорость спекания и однородность формирующейся новой системы (спека). Так, скорость спекания повышается с увеличением плотности образцов, очевидно, в результате уменьшения расстояния между частицами стекла и повышения концентрации водяных паров в самом спеке. Согласно уравнению (5.1), форма образца является более выгодной в том случае, когда ее поверхность является максимальной, что обеспечивает наибольшее тепловосприятие нагреваемого образца.

В недостаточно уплотненных образцах наряду со снижением скорости спекания происходит образование пустот, снижающих на последующих стадиях однородность структуры пеностекла. Необходимо также отметить, что скорость реакций газообразования и объемы образующихся газообразных продуктов будут различными при изменяющейся плотности спеков (см. рис. 5.4 и 5.5). Поэтому приведенные нами в параграфе 5.2 дефекты структуры являются результатом термической и фазовой неоднородности спеков, образующихся на различных этапах термообработки.

По мнению В. И. Шелюбского и Т. М. Моисеевой [386], из двух факторов, определяющих спекание (вязкость и поверхностное натяжение), главным является вязкость, так как она изменяется в интервале температуры спекания на несколько порядков, в то время как поверхностное натяжение в том же интервале температуры остается прежним. X. Оел [387] также отмечает, что движущей силой процесса спекания является сокращение поверхности, определяемое поверхностным натяжением, а деформация, которая сопровождается переносом вещества, определяется вязкостью. Поэтому ускорению спекания стеклянных порошков способствует проведение процесса в среде с повышенным парциальным давлением водяных паров, что подтверждено экспериментально и согласуется с результатами исследований И. Катлера [388] и М. А. Безбородова [389].

Введение примесных анионов S", F' и ОН' в стекло вместо кислорода вызывает уменьшение поверхностного натяжения, так как при этом снижается энергия связи между анионами и катионами [390—394]. Поэтому сульфиды можно рассматривать как «смачивающие средства», когда они скапливаются на поверхности стекломассы, подобно легкополяризующимся катионам. Г. Тамман и X. Рабе [393] также отмечают, что поверхностное натяжение стекломассы в атмосфере водяного пара снижается из-за скопления Н₂0 на поверхности.