Выбор пенообразователя и стабилизатора при получении материалов ячеистой структуры

В статье приводятся экспериментальные данные по влиянию пенообразователей и стабилизаторов на технологические свойства пены при получении материалов ячеистой структуры. После проведенного сравнительного анализа пенообразователей и стабилизаторов, осуществлен выбор пенообразователя марки ПБ-2000, а наиболее эффективным стабилизатором из исследуемого ряда сульфат алюминия, полиакриламид (ПАА) и карбамидно-формальдегидная жидкость, оказался полиакриламид.

Ключевые слова: пенообразователь, стабилизатор, кратность и устойчивость пены, ячеистые материалы

При изготовлении ячеистых материалов традиционно применяются пенообразователи на основе на основе гидролизатов белков, а также пенообразователи на основе анионных синтетических поверхностно-активных веществ.

В данной работе исследовано влияние пенообразователя ПБ-2000 и ПО-6ТС на кратность и устойчивость пены (табл. 1 и рис. 1). По результатам исследований для получения пенокерамобетона ними был выбран ПБ-2000.

Рис. 1. Влияние концентрации пенообразователей на кратность пены: 1– ПБ-2000; 2 — Пеностром; 3 — ПО-6ТС

Для обеспечения набора прочности ячеистого сырца при получении пенокерамобетона до обжига предполагается использование ШПЦ. Предполагалось, что, несмотря на существующую закономерность снижения прочности цементных композиций при их нагреве до температур, соответствующих обжигу керамической составляющей материала [1,2,3], относительно высокая остаточная прочность дегидратированного цементного камня на ШПЦ будет способствовать получению ПКБ с оптимальными механическими показателями. Кроме аддитивного влияния цементной составляющей на прочность ПКБ предполагалось также, что присутствие в шлаке большого количества стеклообразующих окислов позволит интенсифицировать процесс образования прочной керамической составляющей разрабатываемого ячеистого материала и уменьшить расход тепловой энергии на обжиг.

Таблица 1

Влияние пенообразователей на водоотделение пены

Однако, как показали предварительные исследования, пенобетонная смесь, включающая шлакопортландцемент, оказалась недостаточно стабильной. Например, как видно из табл. 2 и рис. 2, добавка шлакопортландцемента значительно ухудшает свойства пены: кратность пены снижается, водоотделение возрастает.

Таблица 2

Влияние минеральных добавок на кратность пены

Рис. 2. Влияние ШПЦ на водоотделение пены, полученной из 1 % водного раствора пенообразователя: 1 — ПБ-2000; 2 — ПБ-2000+10 % ШПЦ; 3 — ПО-6ТС; 4 — ПО-6ТС+10 % ШПЦ

Для повышения устойчивости пены обычно используют различные стабилизаторы. Известно [5,6], что в качестве стабилизаторов используют добавки известкового молока, сернокислого алюминия, сернокислого железа и других веществ. Поскольку кроме поверхностно-активного вещества в состав технических пенообразователей входят другие компоненты (серная и сернистая кислоты, антифризы, гидрофильные коллагены и т. д.), в каждом конкретном случае необходимо проводить дополнительные экспериментальные исследования для обоснования выбора вида и количества стабилизатора. С этой целью было изучено влияние некоторых минеральных и органических стабилизаторов на устойчивость пен, получаемых из пенообразователей ПБ-2000 и ПО-6ТС. В качестве стабилизаторов использовали сульфат алюминия, полиакриламид и карбамидно-формальдегидную жидкость. Результаты экспериментов представлены на рис. 3…6. и табл. 3. Концентрации ПБ-2000 и ПО-6ТС даны без пересчёта на сухое вещество.

Рис. 3. Влияние добавки Al₂(SO₄)₃ на устойчивость пены: 1–1 % ПБ-2000; 2 –1 % ПБ-2000+1 % Al₂(SO₄)₃;3–1 % ПО-6ТС; 4–1 % ПО-6ТС+ 1 % Al₂(SO₄)₃

Рис. 4. Влияние добавки КФЖ на водоотделение пены(0,5 % раствор ПБ-2000): 1 — без добавок; 2–0,25 %; 3–0,5 %

Рис. 5. Влияние добавки ПАА на водоотделение пены (0,5 % раствор ПБ-2000) через: 1–2 мин; 2–4 мин; 3–6 мин; 4–8 мин; 5–10 мин

Рис. 6. Влияние количества стабилизатора на кратность пены (0,5 % раствор ПБ-2000): 1 — ПАА; 2 — КФЖ

Таблица 3

Влияние концентрации пенообразователя и стабилизатора на водоотделение пены

Анализ экспериментальных данных показывает, что все использованные стабилизаторы значительно изменяют основные свойства пены, полученной из растворов ПБ-2000 и ПО-6ТС. Как следует из рис. 3…6. и табл. 3, добавки карбамидно-формальдегидной жидкости и полиакриламида улучшают свойства пены по показателям устойчивости и кратности, а добавки сульфата алюминия ухудшают устойчивость и кратность пены. Например, добавки 0,5 % ПАА и КФЖ снижают водоотделение пены (через 8 минут), полученной из 0,5 % раствора ПБ-2000, соответственно на 43,5 и 29,7 %, тогда как введение 1 % добавки сульфата алюминия через 8 минут почти в 4 раза повышает водоотделение пены, полученной из 1 % раствора ПБ-2000. Последнее обстоятельство объясняется, по-видимому, реакциями взаимодействия добавки сульфата алюминия с составляющими компонентами используемых пенообразователей. Кроме того, сульфат алюминия, являясь солью слабого основания и сильной кислоты, создаёт в водном растворе вследствие гидролиза кислую среду:

Al₂(SO₄)₃+2H₂OÛ2AlOHSO₄+H₂SO₄

2AlOHSO₄+2H₂OÛ [Al (OH)₂]₂SO₄+H₂SO₄

Это приводит к снижению водородного показателя (рН) раствора пенообразователя и переводу растворимых солеобразных ПАВ в менее растворимые органические кислоты, что приводит к ухудшению свойств получаемой пены:

2R–OSO₃Na + H₂SO₄ ® 2R–OSO₃H + Na₂SO₄

На рис. 7. показано влияние добавок стабилизаторов КФЖ и ПАА на устойчивость пеномассы, содержащей пенообразователь и ШПЦ. Экспериментальные данные показывают, что в присутствии стабилизатора пеномасса становится более устойчивой, процесс водоотделения значительно замедляется, особенно в том случае, когда стабилизатором является полиакриламид. Например, если через 10 мин водоотделение пеномассы без добавки стабилизатора составляет 69 %, то с добавками КФЖ и ПАА, соответственно, 47 и 30 %.

Как показали исследования, улучшение технологических свойств пены в присутствии добавок стабилизаторов ПАА и КФЖ связано, в основном, с их способностью увеличивать вязкость пены за счёт образования пространственных сетчатых структур [4], а также с преимущественной адсорбцией стабилизатора на поверхности минеральных компонентов.

Рис. 7. Влияние добавок стабилизаторов на водоотделение пеномассы (0,5 % раствор ПБ-2000, 10 % ШПЦ):1 — без добавок; 2–0,5 % КФЖ; 3–0,5 % ПАА

Литература:

1.        Горлов, Ю. П. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы [Текст] / Ю. П. Горлов, Н. Ф. Ерёмин, Б. У. Седунов. — М.: Стройиздат, 1976. — С. 192.

2.        Некрасов, К. Д. Лёгкие жаростойкие бетоны на пористых заполнителях [Текст] / К. Д. Некрасов, М. Г. Масленникова. — М.: Стройиздат, 1982. — С. 94–106.

3.        Некрасов, К. Д. Развитие технологий жаростойких бетонов [Текст] / К. Д. Некрасов // Новое в технологии жаростойких бетонов. — М., НИИЖБ, 1981. — С. 3–11.

4.        Николаев, А. Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе [Текст] / А. Ф. Николаев. — Ленинград: «Химия», 1966. — 768 с.

5.        Петров, Г. С. Нефтяные сульфокислоты и их техническое применение [Текст] / Г. С. Петров, А. Ю. Рабинович. — М., 1932.

6.        Розенфельд, Л. М. Алюмосульфонатный пенообразователь для производства пенобетона и пеносиликата [Текст] / Л. М. Розенфельд, А. Т. Баранов / В кн. Сборник материалов по обмену опытом. Новое в производстве строительных материалов. Дориздат, 1954.