Проект доцента кафедры «Общая химия и технология силикатов» к.т.н. Б.М. Гольцмана «Исследование процессов структурообразования пористых стекломатериалов, инкорпорированных углеродной нанофазой» был поддержан грантом Российского научного фонда (Соглашение № 21-79-00004).

Учёный вместе со своей командой обратил внимание на самый эффективный, долговечный и безопасный теплоизоляционный материал изо всех известных– пеностекло. Этот теплоизоляционный материал представляет собой вспененную стекломассу, которая не боится воды (в отличие от минеральной ваты) и не горюча (в отличие от пенопластов, которые быстро воспламеняются и при горении выделяют крайне вредные вещества).

Немного науки: Чтобы изготовить пеностекло, нужно знать особенность силикатных стёкол при нагревании снижать вязкость постепенно, без резкого расплавления. Если в порошок стекла добавить вещество, которое будет при нагревании образовывать газ, то получится такая картина: нагреваемое стекло перейдёт из твёрдого состояния в пластичное, а образовавшийся газ раздует вязкую массу, создав в ней поры. Резкое охлаждение повысит вязкость стекла и зафиксирует полученную пористую структуру. А у нас в руках останется пеностекло – материал, обладающий отличными теплоизоляционными свойствами, экологически и гигиенически безопасный. В набор исключительных свойств пеностекла входят его высокая прочность, низкая плотность, долговечность, высокая морозостойкость, негорючесть, удобство обработки и простота монтажа, а также способность сохранять эти свойства постоянными на протяжении длительного времени!

- Пеностекло устойчиво ко всем обычно применяемым кислотам и их парам, не подвержено поражению бактериями и грибками, непроходимо для грызунов, не поддерживает горения, не выделяет дыма и токсичных веществ, - рассказывает Борис Гольцман. – Подобного сочетания свойств нет ни у одного из теплоизоляционных материалов.

Итак, преимущества пеностекла налицо. Но как же сделать этот материал максимально качественным? Для этого нужно обратить внимание на его структуру, а значит – на образование пор одного размера и их равномерное распределение. И здесь на первый план выступают порообразующие добавки. Обычно это карбонатные материалы (мел, известняк, доломит) и углеродные материалы (сажа, антрацит, графит). Сложность работы с ними в том, что необходимо ультратонкое измельчение частиц, а это энергозатратно и дорого.

Наши учёные сосредоточили своё внимание на другом виде порообразователей - органических жидкостях, которые распределяются равномерно в порошке стекла в виде тонких плёнок, что в результате способствует получению качественного пористого материала.

- На крупных предприятиях по производству пеностекла в качестве такой жидкости используют глицерин, - рассказывает Борис Михайлович. – Однако до настоящего времени никто не рассматривал физико-химические процессы разложения порообразователя и его взаимодействия с другими компонентами сырьевой смеси. Эти исследования и были целью нашего гранта. А главный итог работы – создание модели, которая описывает все процессы, происходящие внутри трёхкомпонентной смеси: стекло, глицерин, стабилизатор вспенивания (силикат натрия). Оказалось, что процессы происходят не только между стеклом и глицерином, но и внутри самой порообразующей смеси.

Итак, можно выделить три основных результата, которые были достигнуты нашими химиками и до проведённого исследования никогда не публиковались в открытой печати:

1. Состав стекла не важен. Было установлено, что именно сульфатный компонент обеспечивает вспенивание стекла, и его нужно очень мало – менее 0,3%. Таким образом, в качестве сырья при производстве пеностекла можно использовать любое стекло, в том числе некондиционные отходы.
2. Вид порообразователя не оказывает существенного влияния на вспенивание, так как оно происходит за счёт остаточного углерода (сажи). Вывод: в качестве порообразователя можно использовать технический глицерин, побочные продукты глицерина и другие дешёвые аналоги.
3. Было доказано, что самого порообразователя в смесь нужно добавлять не более 1%, поскольку самый важный процесс – образование сажи, и для её формирования такого количества глицерина вполне хватает.

- Таким образом, - подытоживает Борис Михайлович, - наши исследования дают ценную научную информацию для оптимизации производства пеностекла: понимание, что можно снизить количество самого дорогого компонента сырьевой смеси – глицерина, заменить его на более дешёвые аналоги, а также использовать различные отходы стекла в качестве сырья.

Помимо этого, есть и важный практический результат. Отечественные производства могут стать более конкурентоспособными за счёт повышения качества изделий из пеностекла: регулировать скорость и интенсивность физико-химических процессов и оптимизировать состав сырьевой смеси.

По мотивам проведённых исследований были защищены две магистерские диссертации, одна диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, и опубликован ряд научных статей, включая статью в высокорейтинговом международном научном журнале Journal of Cleaner Production (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652623031529).

Оригинал статьи смотреть здесь: https://npi-tu.ru/press-center/news/glavnye/pogruzhenie-v-poristyy-mir-penostekla/