Пінокераміка

Пінокера́міка (англ. ceramic foam) — спечений матеріал на мінеральній основі з піноподібною структурою. Пінокерамічні матеріали отримують змішуванням керамічної шихти з водою та стійкою піною із закріпленням структури, що утворилася, сушінням та випалюванням[1].

Отримання

Структура матеріалу складається з бульбашок повітря (або іншого газу), оточених тонкими оболонками, що утворюють своєрідний каркас. Пінокераміка зазвичай створюється на основі високодисперсних мінеральних порошків (наприклад, Al₂O₃, MgO, ZrO₂) та рідких пін.

Такі піни є колоїдними системами з рідинною поверхнею розділу. Їх попередньо створюють, використовуючи смолосапоніновий, клеєканіфольний, алюмосульфонафтеновий або інший піноутворювач[1]. Дисперсійним середовищем є рідина, а дисперсною фазою газ у вигляді бульбашок, відокремлених один від одного плівками рідини. На відміну від інших дисперсних систем, у пінах середовище також стає дисперсною фазою. Розміри бульбашок і співвідношення фаз у піні можуть змінюватися у широких межах.

Піни, як дисперсні системи зі значно розвиненою міжфазною поверхнею є термодинамічно нестійкими. Для підвищення їх стійкості а, отже, зміцнення плівкового каркаса застосовуються спеціальні добавки — стабілізатори, так як чисті рідини достатньо стійких пін не утворюють. Стабілізуючий вплив на піну роблять багато органічних поверхнево-активних сполук та деякі інші речовини. Введення в піну високодисперсного мінерального порошку, що змочується рідкою фазою, призводить (при перемішуванні) до утворення трифазної піни — піномаси. При цьому тверді частинки розподіляються у плівках, і бульбашки виявляються оточеними двофазними оболонками.

При сушінні піномаси рідка фаза випаровується й утворюється двофазна «тверда» піна. Слабкий зв'язок між мінеральними частинками в утвореному ними пінно-ніздрюватому каркасі обумовлює низьку механічну міцність висушеної піномаси. Для її зміцнення застосовується звичайний випал, при якому відбувається розкладання (піроліз) органічних складових — стабілізаторів рідкої піни та спікання матеріалу зі збереженням його структури, успадкованої від вихідної піни. Тому розміри бульбашок і співвідношення між газовою і твердою фазами у пінокераміці (отже, питома вага її та інші властивості) можуть змінюватися у широких межах. Вони залежать від складу рідкої піни, хіміко-мінералогічної природи і питомої поверхні порошку, від його кількості у трифазній піномасі, а також від умов її приготування. Отже, для пінокераміки, що виготовляється з одного і того ж мінерального порошку, потрібні властивості досягаються зміною співвідношення фаз (тверда, рідка, газоподібна) у піномасі, тобто регулюванням її фазового складу.

Властивості

Властивості пінокераміки за інших рівних умов залежать від будови каркаса, тобто від кількості та розмірів бульбашок, від характеру розподілу їх в матеріалі, а також від співвідношення розмірів бульбашок і товщини оболонки навколо них. Чим тонша оболонка у порівнянні з розміром бульбашок, тим вищими є теплофізичні властивості пінокераміки, чим міцнішою є оболонка, тим вищими є механічні властивості.

Матеріали цього класу можуть вироблятися навіть із 94…96%-ним газовим наповненням за об'ємом та із жаротривкістю до 1700 °C[2]. Середня густина пінокераміки залежить від пористості, наприклад у пінокераміки на основі Al₂O₃ з пористістю 30 % вона дорівнює 1200 кг/м³, а з пористістю 85 % — 600 кг/м³[3].

Границя міцності при розтягуванні для пінокераміки на основі Al₂O₃ (пінокорунду ПК-1) при об'ємній масі 0,8 г/см³ становить 3,7 МПа, границя міцності на згин того ж піноматеріалу 14,8 МПа. Теплопровідність пінокераміки знижується зі збільшенням її пористості. З підвищенням температури пінооксидів теплопровідність їх зменшується, так як при нагріванні спадає теплопровідність спечених оксидів.

Використання

Пінокераміка має низьку теплопровідність та високу жаротривкість, завдяки чому застосовується переважно як теплоізоляційний матеріал чи матеріал теплового захисту в металургії.

Високопористі вогнетривкі матеріали застосовують у гарячих фільтрах, газорозподільниках та каталізаторах у високотемпературних технологічних процесах.

Якщо розмір окремо взятої пори менший за 100 нм, то таку кераміку називають нанопористою. Її застосовують у капілярних насосах, фільтрах, амортизаторах тощо[4].

Див. також

• Вогнетриви
• Керамзит

Примітки

1. Піноматеріали [Архівовано 19 листопада 2016 у Wayback Machine.] // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
2. Novel Ceramic Foam Is Safe And Effective Insulation. Science Daily^[en]. 18 травня 2001. Архів оригіналу за 24 жовтня 2018. Процитовано 11 листопада 2011.
3. Пенокерамика // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / главн. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : «Советская энциклопедия», 1969—1978. (рос.)
4. Мотиль Р. Я. Кераміка [Архівовано 18 серпня 2016 у Wayback Machine.] // Енциклопедія сучасної України / ред. кол.: І. М. Дзюба [та ін.] ; НАН України, НТШ. — К. : Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2001­–2024. — ISBN 966-02-2074-X..

Джерела

• Китайцев В. А. Технология теплоизоляционных материалов. Учебник для вузов. — М.: Издательство литературы по строительству, 1970. — 384 с.
• Будников П. П., Полубояринов Д. Н. (ред.) Химическая технология керамики и огнеупоров: Учебник для студентов химико-технологических специальностей вузов. — М.: Издательство литературы по строительству, 1972. — 553 с.
• Горлов Ю. П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий: Учебник для вузов по специальности «Пр-во строит. Изделий и конструкций». — М.: Высшая школа, 1989. — 284 с. — ISBN 6-06-000155-5