Термостойкие теплоизолирующие композиционные материалы на основе полых микросфер и твердых фосфатных связующих: разработка и исследование

  • Наталья Сергеевна Апанасевич Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Алексей Анатольевич Сокол Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Александр Николаевич Кудлаш Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0001-6794-7424
  • Константин Николаевич Лапко Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Алеся Юрьевна Сёмуха Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Александра Максимовна Ероховец Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-257X-2022-2-70-82

Аннотация

Предложены новые термостойкие теплоизолирующие композиционные материалы на основе твердых магний-фосфатных и кальций-фосфатных связующих, зольных и стеклянных полых микросфер. Изучены термические и фазовые превращения, определены прочностные характеристики исходных композитов и продуктов их термообработки при температуре до 1000 °С. Показано, что полученные фосфатные композиты являются термически стабильными в интервале температур 20–1000 °С, имеют плотность 0,4 – 0,6 г/см3 , теплопроводность 0,11– 0,19 Вт/(м ⋅ К), а также обладают достаточно высокими прочностными свойствами (σсж = 1,4 –3,2 МПа).

Биографии авторов

Наталья Сергеевна Апанасевич, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник лаборатории химии конденсированных сред

Алексей Анатольевич Сокол, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории неорганической и общей химии кафедры неорганической химии химического факультета

Александр Николаевич Кудлаш, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

старший преподаватель кафедры общей химии и методики преподавания химии химического факультета

Константин Николаевич Лапко, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат химических наук, доцент; ведущий научный сотрудник лаборатории химии конденсированных сред Научно-исследовательского института физико-химических проблем БГУ, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории неорганической и общей химии кафедры неорганической химии химического факультета БГУ

Алеся Юрьевна Сёмуха, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студентка химического факультета. Научный руководитель – К. Н. Лапко

Александра Максимовна Ероховец, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студентка химического факультета. Научный руководитель – К. Н. Лапко

Литература

  1. Khabibullin YuKh, Barysheva OB. Energysaving coverages based on mineral microspheres. Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel’nogo universiteta. 2014;2:144–148. Russian.
  2. Bykova EV, Korshunova GKh, authors; Vserossiiskii NII eksperimental’noi fiziki, inventors. Heat-insulating composition. Russian Federation patent RU2098379C1. 1997 December 10.
  3. Kudlash AN, Lapko KN. [Preparation of heat-insulating materials based on hollow microspheres and silicate binders]. Sviridovskie chteniya. 2004;1:122–126. Russian.
  4. Duderov YuG, Fekhretdinov FA, Ivanova VB, Melnikov EV. [High-temperature lightweight heat-insulating material based on corundum microspheres and phosphate binder]. In: Fiziko-khimicheskie issledovaniya fosfatov. Tezisy dokladov V Vsesoyuznoi konferentsii; Leningrad, SSSR [Physico-chemical studies of phosphates. Abstracts of the 5th All-union conference; Leningrad, USSR]. Leningrad: LenNIIGiprokhim; 1981. p. 125–126. Russian.
  5. Lapko KN, Vrublevskaya ON. [Heat-resistant composite materials with inorganic hollow microspheres as a filler]. Belorusskii stroitel’nyi rynok. 2001;7:18–19. Russian.
  6. Lapko KN, Vydumchik GN, Vrublevskaya ON, Kudlash AN. [Thermoresistant heat-insulating materials based on phosphate binders and inorganic hollow microspheres]. In: Il’yushchenko AF, editor. Novye materialy i tekhnologii: poroshkovaya metallurgiya, kompozitsionnye materialy, zashchitnye pokrytiya, svarka. Materialy dokladov 6-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii; 6–7 aprelya 2004 g.; Minsk, Belarus’ [New materials and technologies: powder metallurgy, composite materials, protective coatings, welding. Proceedings of the 6th International scientific and technical conference; 2004 April 6–7; Minsk, Belarus]. Minsk: Tonpik; 2004. p. 318. Russian.
  7. Yehab Mohamed Hossni Ragab. Zharostoikiye liogkiye bietony na kompozitsionnykh viazhushchikh s polymi zolnymi mikrosferami [Heat-resistant lightweight concretes based on composite binders with hollow ash microspheres] [dissertation]. Moscow: Moscow State University of Civil Engineering; 2005. 119 p. Russian.
  8. Skripnikova NK, Grigorevskaya DK, Semenovykh MA. The influence of ash microspheres on ceramic properties. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel’nogo universiteta. 2020;22(2):112–119. Russian. DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-2-112-119.
  9. Lapko KN, Apanasevich NS, Kudlash АN, Sokal АА, Kliaulin YuD, Siomukha AYu. Thermostable heat-insulating materials based on solid phosphate binders and hollow microspheres. In: Vorobyova TN, Vasilevskaya EI, editors. Sviridov Readings – 2021: 9 th International conference on chemistry and chemical education; Minsk, Belarus; 2021 April 13–14. Minsk: Belarusian State University; 2021. p. 26.
  10. Qi Wang, Jun Chen, Bingqiang Gui, Tong Zhai, De’an Yang. Fabrication and properties of thermal insulating material using hollow glass microspheres bonded by aluminum-chrome-phosphate and tetraethyl orthosilicate. Ceramics International. 2016;42(4):4886 – 4892. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.12.003.
  11. Junjie Ding, Qiang Liu, Biao Zhang, Feng Ye, Ye Gao. Preparation and characterisation of hollow glass microsphere ceramics and silica aerogel/hollow glass microsphere ceramics having low density and low thermal conductivity. Journal of Alloys and Compounds. 2020;831:154737. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.154737.
  12. Lapko KN, Kudlash AN, Boyba DN, Lappo DV, Zhurikho LA. [Development and research of thermoresistant heat-insulating composite materials based on solid binders]. In: Vorobyova TN, Vasilevskaya EI, editors. Sviridov Readings 2018: 8 th International conference on chemistry and chemical education; Minsk, Belarus; 2018 April 10 –13. Minsk: Krasiko-Print; 2018. р. 63–65. Russian.
  13. Zin Min Khtiet. Kompozitsionnye materially na osnovie zhidkostiekolnogo sviazuyushchiego dlia tieploizoliatsii [Composite materials based on a liquid glass binder for thermal insulation] [dissertation]. Moscow: D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia; 2020. 146 p. Russian.
  14. Kopeikin VA, Kliment’eva VS, Krasnyi BL. Ogneupornye rastvory na fosfatnykh svyazuyushchikh [Refractory solutions based on phosphate binders]. Moscow: Metallurgiya; 1986. 240 p. Russian.
  15. Kingery WD. Fundamental study of phosphate bonding in refractories: IV, mortars bonded with monoaluminum and monomagnesium phosphate. Journal of the American Ceramic Society. 1952;35(3):61–63. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1952.tb13069.x.
  16. Sudakas LG. Fosfatnye vyazhushchie sistemy [Phosphate binding systems]. Saint Petersburg: Kvintet; 2008. 260 p. Russian.
  17. Wagh AS. Chemically bonded phosphate ceramic. Twenty-first century materials with diverse applications. 2nd edition. Amsterdam: Elsevier; 2016. 422 p. DOI: 10.1016/C2014-0-02562-2.
  18. Morris JH, Perkins PG, Rose AEA, Smith WE. The chemistry and binding properties of aluminium phosphates. Chemical Society Review. 1977;6(2):173–194. DOI: 10.1039/CS9770600173.
  19. Luz AP, Lopes SJS, Gomes DT, Pandolfelli VC. High-alumina chemically bonded refractory castables containing liquid or powdered binders. Refractories WORLDFORUM. 2018;10(2):68–73.
  20. Yan-Shuai Wang, Yazan Alrefaei, Jian-Guo Dai. Improvement of early-age properties of silico-aluminophosphate geopolymer using dead burnt magnesia. Construction and Building Materials. 2019;217:1–11. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.05.050.
  21. Xin Xu, Junyi Zhang, Pan Jiang, Desheng Liu, Xin Jia, Xiaolong Wang, et al. Direct ink writing of aluminum-phosphate-bonded Al2O3 ceramic with ultra-low dimensional shrinkage. Ceramics International. 2022;48:864–871. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.09.168.
  22. Apanasevich NS, Sokal АА, Lapko KN, Kudlash АN, Lomonosov V, Plyushch A, et al. Phosphate ceramics – carbon nanotubes composites: liquid aluminum phosphate vs solid magnesium phosphate binder. Ceramics International. 2015;41(9 part B):12147–12152. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.06.033.
  23. Apanasevich NS, Lapko KN, Kudlash АN, Sokal АА, Kliaulin YuD, Vishnevskii KV. Preparation and study of thermostable composites based on solid magnesium and calcium phosphate binders. Journal of the Belarusian State University. Chemistry. 2021;2:50–61. Russian. DOI: 10.33581/2520-257X-2021-2-50-61.
  24. Karapuzov EK, Lutts G, Gerol’d Kh, Tolmachev NG, Spektor YuP. Sukhiye stroitelnye smiesi [Dry building mixes]. Kyiv: Tekhnika; 2000. 226 p. Russian.
  25. Lapko KN, Apanasevich NS, Shulga TN, Kudlash AN, Galeyeva NN. Dry building mixtures based on solid phosphate binders for thermostable functional composite materials. ALITinform: Cement. Concrete. Dry Mixtures. 2015;2–3:78–83. Russian.
  26. Aslanova MS, Stetsenko VYa, Shustrov AF. [Hollow inorganic microspheres]. In: Patrikeeva NI, Koren’kov GL, Krichevskii IE, Barabanova AV, Osipova LV, Shvartina NM et al., editors. Khimicheskaya promyshlennost’ za rubezhom. Vypusk 9 [Chemical industry abroad. Issue 9]. Moscow: NIITEKhIM; 1981. p. 33–51. Russian.
  27. Budov VV. [Physical and chemical processes in the technology of hollow microspheres]. Steklo i keramika. 1990;3:9–10. Russian.
  28. Verweij H, With GD, Veeneman D. Hollow glass microspheres composites: preparation and properties. Journal of Materials Science. 1985;20:1069–1078. DOI: 10.1007/BF00585751.
  29. Krasnii BL, Tarasovskii VP, Krasnii AB, Galgonova AL, Reznichenko AV. [Heat-insulating refractory material based on hollow corundum microspheres]. Novye ogneupory. 2014;12:29–31. Russian. DOI: 10.17073/1683-4518-2014-12-29-31.
  30. Shumenko VN, Tauk TV, Shumenko VV. [Wet pressing in liquid of hollow microspheres]. In: Antsiferov VN, Baglyuk GA, Vityaz PA, Dorofeev VYu, Ilyushchenko AF, Kaptsevich VM et al., editors. Poristye pronitsayemye materialy: tekhnologii i izdeliya na ikh osnove. Materialy dokladov 4-go Mezhdunarodnogo simpoziuma; 27–28 oktyabrya 2011 g.; Minsk, Belarus’ [Porous permeable materials: technologies and products based on them. Materials of reports of the 4th International symposium; 2011 October 27–28; Minsk, Belarus]. Minsk: Institute of Powder Metallurgy; 2011. p. 394–398. Russian.
  31. Osnovin VN, Shulyakov LV. Stroitel’nye materialy i izdeliya [Building materials and products]. Minsk: Vyshjejshaja shkola; 2009. 224 p. Russian.
Опубликован
2022-09-22
Ключевые слова: термостойкие композиты, теплоизолирующие материалы, твердые фосфатные связующие, магний-фосфатное связующее, кальций-фосфатное связующее, зольные полые микросферы, стеклянные полые микросферы
Поддерживающие организации Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования Республики Беларусь (задание 2.1.07.02 государственной программы научных исследований «Химические процессы, реагенты и технологии, биорегуляторы и биооргхимия»). Авторы выражают благодарность заведующему лабораторией радиационнoконвективного теплообмена Института тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси доктору физико-математических наук П. С. Гринчуку за проведение исследований по измерению теплопроводности полученных материалов.
Как цитировать
Апанасевич, Н. С., Сокол, А. А., Кудлаш, А. Н., Лапко, К. Н., Сёмуха, А. Ю., & Ероховец, А. М. (2022). Термостойкие теплоизолирующие композиционные материалы на основе полых микросфер и твердых фосфатных связующих: разработка и исследование. Журнал Белорусского государственного университета. Химия, 2, 70-82. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2022-2-70-82
Выпуск
№ 2 (2022): Журнал Белорусского государственного университета. Химия
Раздел
Оригинальные статьи

Copyright (c) 2022 Журнал Белорусского государственного университета. Химия

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).