Пеностекло из вторсырья: температура, поры и свойства

Вторичное стекло и ячеистая структура

Компания «Рециклинг» планировала создать в Губахе комплекс по переработке вторсырья с выпуском гранулированного пеностекла для строительства и производства строительных материалов. Объявленный объём инвестиций составлял 735 млн рублей, срок реализации — 2027 год. Эти параметры относятся к плану, опубликованному 6 августа 2024 года. У пеностекла есть отдельная технологическая задача: стеклянный порошок должен превратиться в устойчивую систему тонких стенок и газовых ячеек. Свойства такой системы определяются составом смеси, нагреванием, выдержкой и охлаждением.

Стекло после использования и отход производства синтетического текстиля стали сырьём для отдельной лабораторной серии, опубликованной 19 февраля 2023 года. Её подготовили Лука Коццарини (Luca Cozzarini), Лоренцо Де Лоренци (Lorenzo De Lorenzi), Николо Бараго (Nicolò Barago), Орфео Сбайцеро (Orfeo Sbaizero) и Паоло Бевилаква (Paolo Bevilacqua). Образцы различались температурой обработки и продолжительностью выдержки; состав исходной смеси оставался одинаковым. Их испытали на сжатие, теплопроводность и звукопоглощение, а внутреннее устройство исследовали рентгеновской микротомографией. Эта серия позволяет рассмотреть получение пористого материала, но её рецептура не является установленной технологией губахинского проекта.

Описание иллюстрации

• Исследование и промышленный план
• 19 февраля 2023
• Публикация лабораторной работы
• 6 августа 2024
• Сообщение о проекте в Губахе
• 2027 — план
• Намеченный срок реализации

Пеностекло сочетает твёрдую стеклянную фазу с газом внутри пор. При изготовлении порошковые частицы нагреваются выше температуры размягчения, соединяются при спекании, а газообразующий компонент формирует пузырьки в вязкой массе. После охлаждения стенки удерживают ячеистую структуру. Для теплоизоляции существенно, что газовые объёмы разделены тонкими перегородками, однако само наличие большого количества пустот ещё не задаёт все характеристики материала. В испытаниях отдельно определяют плотность, размеры ячеек, механическое сопротивление, передачу тепла и поглощение звука. Эти показатели описывают разные стороны одной структуры и не заменяют друг друга при сравнении образцов.

Как подготовили смесь

Стеклянную составляющую получили из смешанного потока использованной тары, включая бутылки и пищевые ёмкости. Стекло не разделяли по цвету, типу или составу. Сырьё промыли, раздробили в щековой дробилке и цилиндрической мельнице, затем просеяли. На этой промежуточной стадии размер гранул составлял 1,5–2,8 мм. Такой материал ещё не был готовой шихтой для вспенивания: последующее совместное измельчение делало смесь значительно тоньше. Поэтому размер исходного стеклобоя, размер подготовленного порошка и размер пор в конечном продукте относятся к трём разным этапам и не должны смешиваться в одной характеристике.

Вторым вторичным компонентом служил шлам с предприятия синтетического текстиля. Речь шла о технологическом отходе производства, а не о кусках ткани или использованной одежде. Шлам высушивали при 110–120 °C в течение суток и превращали в порошок. Инфракрасная спектроскопия позволила исследователям идентифицировать его органическую составляющую как соль терефталевой кислоты, связанную с производством ароматических полиэфиров. В смеси этот отход обеспечивал углеродсодержащую составляющую для газообразования. Переносить такую характеристику на любые текстильные отходы нельзя: состав подготовленного шлама был частью конкретного эксперимента, вместе с выбранным стеклом и добавленным окислителем.

Массовая рецептура включала 96,5% вторичного стекла, 1% высушенного текстильного отхода и 2,5% диоксида марганца. Последний представлял собой реактивный компонент, поэтому доля вторичных материалов составляла 97,5%, а не всю массу шихты. Смесь измельчали 70 секунд. Медианный размер частиц находился в диапазоне 18–20 мкм, а показатель D90 — в диапазоне 85–95 мкм. Эти значения характеризовали распределение размеров подготовленного порошка: отдельная частица не обязана иметь размер, равный медиане. Тонкий помол объединял стеклянную основу, органическую добавку и окислитель в шихту для дальнейшего прессования и термообработки.

Порцию смеси массой 125 г помещали в квадратную стальную форму со стороной 80 мм. Сначала порошок выравнивали и слегка уплотняли верхней частью формы, затем прикладывали нагрузку 255 кН в течение трёх минут. Получалась необожжённая заготовка размером 80 × 80 × 11 мм. Это геометрия до вспенивания; она не совпадала с размерами всех последующих испытательных образцов. Прессование входило в последовательность подготовки наряду с сушкой отхода, дозированием компонентов и помолом. Одинаковая рецептура и порядок подготовки сохранялись при сравнении разных температурных режимов, тогда как основными изменяемыми параметрами стали температура и время выдержки.

Нагревание, выдержка и охлаждение

Заготовки нагревали со скоростью 10 градусов в минуту. Максимальные температуры составляли 800, 850, 875 и 900 °C, продолжительность выдержки — 30, 45 и 90 минут. Таким образом, серия включала двенадцать сочетаний температуры и времени. Обозначение 800_30 относилось к образцу, обработанному при 800 °C с получасовой выдержкой, а 850_45 — к обработке при 850 °C в течение 45 минут. Число после подчёркивания обозначало именно выдержку при заданной температуре, а не полную длительность цикла вместе с нагреванием и охлаждением. Это различие существенно при обсуждении режима получения материала.

Описание иллюстрации

• Два параметра термообработки
• Температура
• 800 / 850 / 875 / 900 °C
• Выдержка
• 30 / 45 / 90 минут

После выдержки образцы быстро извлекали из печи, снижая температуру до 550–600 °C. Затем следовало медленное охлаждение в горячем воздухе внутри выключенной печи, занимавшее ещё два-три часа до комнатной температуры. Быстрое снижение температуры увеличивало вязкость стеклянной массы и помогало сохранить вспененную структуру. Более медленная завершающая стадия уменьшала опасность разрушения из-за напряжений при температурном сокращении. Поэтому охлаждение не было простым ожиданием после окончания опыта: его разделили на две стадии с разными функциями. Приведённая последовательность относится к этим лабораторным заготовкам и не задаёт готовую программу для промышленной линии другого размера.

Плотность и размеры пор

Для определения плотности вспененные заготовки разрезали на образцы правильной формы: с квадратным основанием либо цилиндрические. Линейные размеры измеряли штангенциркулем, каждый размер определяли трижды. Массу получали взвешиванием, а объём рассчитывали по геометрии. Отношение массы к внешнему объёму давало плотность пористого тела вместе с содержащимися в нём пустотами. Плотность самого исходного стеклянного порошка определяли отдельно пикнометрическим методом; она составляла 2510 ± 7 кг/м³. Эти две величины относятся к разным объектам измерения: стеклянному веществу и ячеистому образцу, занимающему значительно больший объём при той же массе твёрдой фазы.

При температуре 800 °C плотность последовательно составляла 299, 292 и 275 кг/м³ для выдержек 30, 45 и 90 минут. При 850 °C соответствующие значения были 212, 208 и 213 кг/м³. В первом случае увеличение времени сопровождалось снижением плотности, во втором однонаправленной последовательности уже не получалось. Образцы остальных более высокотемпературных режимов также оставались сравнительно лёгкими: например, для 900 °C значения составляли 209, 211 и 219 кг/м³. Поэтому общее выражение «дольше нагревали — получили меньшую плотность» не описывает всю серию. Температуру и выдержку необходимо сохранять вместе с каждым результатом.

Описание иллюстрации

• Одна смесь — разная плотность
• 800 °C · 30 минут
• 299 ± 6 кг/м³
• 850 °C · 45 минут
• 208 ± 4 кг/м³

Для микротомографии из центральной части представительных образцов извлекали фрагмент размером 15 × 15 × 15 мм. Пространственное разрешение составляло 8 мкм. Рентгеновские данные позволяли реконструировать срезы и трёхмерные объёмы, после чего изображения обрабатывали программно. Такой подход давал сведения о внутренней геометрии, дополнявшие обычное взвешивание и измерение внешних размеров. Он также задавал масштаб наблюдения: анализировался выделенный центральный фрагмент, а не каждая точка всей заготовки. Процент пустот, найденный в этом объёме, следует связывать с методом исследования, особенно при сравнении с оценками, полученными через отношение плотностей.

Внутри материала присутствовали крупные первичные поры, а в разделяющих их стеклянных стенках — меньшие вторичные. У образца 800_30 средний размер первичных пор составлял 707 ± 95 мкм, вторичных — 104 ± 26 мкм, толщина стенок — 91 ± 14 мкм. Для 850_45 соответствующие величины были 1716 ± 239, 163 ± 35 и 69 ± 10 мкм. Следовательно, два материала с одной рецептурой различались сразу по нескольким геометрическим показателям. Размер крупной ячейки не описывал все пустоты, а толщина перегородки характеризовала ещё один элемент структуры, существенный при рассмотрении её механического поведения.

Пористость по микротомографии варьировалась от 81,1% у 800_30 до 89,9% у 900_45. Для 850_45 она составляла 88,8%. Отдельная оценка через плотность стекла и плотность образца давала другой диапазон пустотности; она не была той же самой процедурой, что анализ реконструированного объёма. При сопоставлении результатов важно сохранить это различие. Сам процент пор также не сообщает, как они соединяются между собой: одинаковая суммарная доля пустот допускает разную геометрию стенок и каналов. В этой серии размеры первичных и вторичных пор, толщина перегородок и объёмная доля пустот были представлены отдельными характеристиками.

Описание иллюстрации

• Два уровня пористой структуры
• Первичные поры
• Крупные ячейки
• Вторичные поры
• Пустоты в стенках

Что показало сжатие

Механические испытания проводили на машине с датчиком нагрузки до 10 кН, задавая скорость перемещения 1,5 мм в минуту. Для каждой точки использовали пять образцов. Получали не одну общую оценку «прочности», а несколько показателей: модуль при сжатии, максимальное сопротивление сжатию и энергию, поглощённую при деформировании. Модуль описывает жёсткость, прочность связана с достигаемым напряжением, а энергия определяется площадью под кривой нагрузки и деформации в принятой процедуре. Эти показатели нельзя подменять друг другом: материал с определённой жёсткостью не получает автоматически такое же численное значение предельного сопротивления или поглощённой энергии.

Образец 800_30 сочетал модуль 74,8 ± 6,4 МПа с прочностью при сжатии 2,95 ± 0,21 МПа. У 850_45 модуль составлял 62,0 ± 7,4 МПа, а прочность — 1,43 ± 0,07 МПа. Более плотный низкотемпературный вариант выдерживал большее напряжение, но сравнение относится к указанным режимам и одной смеси. Оно не устанавливает универсальную зависимость для любого пеностекла. Внутри серии механические свойства менялись вместе с размерами пор и толщиной стенок; оценивать их только по внешнему виду или одному значению плотности было бы недостаточно для воспроизведения полученных результатов.

Поглощённая при сжатии энергия для 800_30 составляла 22,0 ± 1,1 Дж, для 800_45 — 12,1 ± 1,6 Дж, для 850_45 — 5,2 ± 2,0 Дж. Исследователи связывали характер деформирования с последовательным разрушением отдельных ячеек: стеклянные стенки оставались хрупкими, хотя весь пористый образец мог разрушаться постепенно. Такое поведение отличает описание ячеистого тела от характеристики сплошного стекла. При этом результаты испытаний небольших образцов не являются расчётной несущей способностью строительной конструкции. Геометрия элемента, условия приложения нагрузки и требования конкретного применения в приведённых значениях автоматически не учитываются.

Передача тепла через ячеистый материал

Теплопроводность определяли на приборе с измерением теплового потока при средней температуре 25 °C. Для каждого режима использовали три квадратных образца размером 100 × 100 × 18 мм; процедура была связана со стандартом ASTM C518. Значения в таблице выражались в милливаттах на метр-кельвин. Например, 87,6 мВт/(м·К) соответствует 0,0876 Вт/(м·К): это перевод единиц, а не другое испытание. Теплопроводность характеризует сам материал в заданных условиях измерения. Она отличается от теплового сопротивления слоя определённой толщины и от общего энергопотребления здания, для которых требуются дополнительные исходные данные.

У 800_30 теплопроводность составляла 97,1 ± 2,2 мВт/(м·К), у 850_30 — 86,6 ± 1,7 мВт/(м·К), у 850_45 — 87,6 ± 1,1 мВт/(м·К). Увеличение выдержки при 850 °C до 90 минут сопровождалось значением 91,7 ± 0,9 мВт/(м·К). При 800 °C после 90 минут получали 104,3 ± 1,2 мВт/(м·К). Таким образом, более длительная обработка не обеспечивала последовательного улучшения теплоизоляционной характеристики. В этих сопоставлениях сохраняются и режим получения, и условия измерения; отдельное минимальное число без них не характеризует всю группу материалов, изготовленных из вторичного стекла.

Звукопоглощение и связность пор

Акустические испытания проводили в импедансной трубе с двумя микрофонами по процедуре ISO 10534-2. Для каждого режима исследовали три цилиндрических образца диаметром 44 мм и толщиной 18 мм. Коэффициент звукопоглощения рассматривали как функцию частоты: один и тот же материал по-разному взаимодействовал со звуком в разных частотных диапазонах. Такие измерения относятся к конкретным образцам и их толщине. Они не являются испытанием готовой стены, фасада или перегородки и не дают сами по себе величину ослабления проходящего через конструкцию звука. Звукопоглощение необходимо отличать от звукоизоляции всей системы ограждения.

Описание иллюстрации

• Разные испытания — разные свойства
• Сжатие
• Модуль и прочность
• Тепловой поток
• Теплопроводность
• Импедансная труба
• Звукопоглощение

На низких частотах все исследованные варианты поглощали звук сравнительно слабо. У более высокотемпературных образцов коэффициент возрастал с частотой; для группы, изготовленной при 800 °C, максимум располагался выше, примерно в области 1600–2000 Гц. Исследователи связывали худшее звукопоглощение этой группы с большей закрытостью ячеистой структуры. Это интерпретация совокупности наблюдений, а не непосредственно измеренный процент открытых пор. Микротомографическая доля пустот, размеры ячеек и акустическая кривая остаются разными результатами. Вместе они позволяют обсуждать строение материала, но не дают основания считать любую лёгкую стеклянную пену одинаково эффективной во всём звуковом диапазоне.

Показатель NRC составлял 0,15 у всех трёх вариантов, обработанных при 800 °C. Для большинства остальных сочетаний он был равен 0,35, а у 900_90 достигал 0,40. Эти значения не выражены в децибелах и не означают снижение громкости на 15, 35 или 40 децибел. Они относятся к характеристике звукопоглощения испытанных образцов. Сопоставление с механическими данными выявляет разные предпочтительные режимы: наиболее прочный вариант 800_30 не обладал наибольшим NRC. Поэтому акустический показатель, прочность и теплопроводность сохраняют самостоятельное значение, даже когда все три измеряются у материала с одинаковым составом исходной смеси.

Как сопоставлять режимы

Температура и продолжительность выдержки меняли не только конечную плотность. В серии одновременно различались размеры первичных пор, вторичная пористость стенок, сопротивление сжатию и частотный характер звукопоглощения. Более высокая температура снижает вязкость размягчённого стекла; формирование и объединение пузырьков зависят от того, насколько текучей становится масса во время газообразования. В обсуждении этой серии исследователи связывали структуру при 800 °C с более вязким состоянием стекла и меньшими ячейками. Такие связи помогают описать наблюдаемые различия, однако не устанавливают отдельный оптимальный размер пор, пригодный сразу для теплоизоляции, акустики и максимальной прочности.

Для сочетания тепловых и акустических характеристик исследователи выделили режим 850 °C с выдержкой 45 минут, а для сопротивления сжатию — 800 °C и 30 минут. Первый выбор не был результатом полноценного расчёта себестоимости промышленного предприятия: в работе не приведён энергетический баланс линии, транспортная схема или стоимость очистки отходов. Второй выбор также относится к этой рецептуре и изученному набору условий. Разные требования приводили к разным предпочтительным образцам. Увеличение температуры до 900 °C и времени до 90 минут не обеспечивало одновременного максимума всех измеренных показателей, несмотря на более продолжительную высокотемпературную обработку.

Вторичное происхождение 97,5% массы смеси характеризует её сырьевую базу, но не заменяет проверку готового продукта. В лабораторной серии установлены плотность, геометрия пор и результаты конкретных испытаний. За её пределами остаются долговременная работа в конструкции, поведение при иных температурах измерения, водопоглощение, устойчивость к циклическим воздействиям и воспроизводимость при промышленном масштабе. Такие характеристики нельзя получить простым переносом одного результата сжатия или теплопроводности. Аналогично предложенное применение в строительстве не означает наличия у экспериментального материала подтверждённого допуска для любой несущей детали или готовой теплоизоляционной системы.

Пеностекло в этой серии представляло собой результат последовательной подготовки сырья, прессования и управляемой термообработки. Для точного сравнения вариантов необходима связка характеристик, а не отдельное рекордное значение. Материал 800_30 был плотнее и прочнее, тогда как 850_45 сочетал меньшую плотность с более низкой теплопроводностью и большим NRC. Эти различия сохраняют смысл вместе с рецептурой, геометрией образцов и методами испытаний. При рассмотрении следующей смеси или другой установки полезно сохранять тот же порядок описания: от исходных компонентов и режима получения к структуре, затем к измеренным свойствам и условиям их определения.

• Состав шихты: происхождение стекла, вид подготовленного отхода, массовые доли и добавленный диоксид марганца.
• Режим изготовления: размеры порошка и заготовки, прессование, скорость нагрева, максимальная температура, выдержка и две стадии охлаждения.
• Структура: плотность пористого тела, метод определения пустотности, размеры первичных и вторичных пор, толщина стенок.
• Испытания: геометрия образца, температура измерения теплопроводности, условия сжатия, частотная зависимость звукопоглощения и отдельный показатель NRC.

Исторический промышленный контекст — РБК Пермь, 06.08.2024. Техническая часть — самостоятельная русскоязычная адаптация работы Луки Коццарини (Luca Cozzarini), Лоренцо Де Лоренци (Lorenzo De Lorenzi), Николо Бараго (Nicolò Barago), Орфео Сбайцеро (Orfeo Sbaizero) и Паоло Бевилаквы (Paolo Bevilacqua), опубликованной 19.02.2023; DOI: 10.3390/ma16041721, лицензия CC BY 4.0. Структура и формулировки изменены; исходные иллюстрации не воспроизводятся.