Перспективные направления применения жидкого стекла и водных растворов высокомодульных силикатов в строительстве и промышленности

Применение жидкого стекла и водных растворов силикатов в ракетно-космической технике

Научно-технический прогресс связан с разработкой и широким внедрением новых конструкционных материалов, среди них важное место занимают волокнистые композиционные материалы. Непрерывная силовая намотка — один из наиболее распространенных и высокоэффективных методов создания композиционных оболочек вращения. Технологической оснасткой при их изготовлении методом намотки являются формообразующие конструкции или оправки. При этом лента, образованная системой нитей, пропитывается полимерным связующим и с заданным первоначальным натяжением укладывается на оправку. Уникальные свойства неметаллических композиционных материалов позволили не только существенно повысить качество конструкции РДТТ уменьшением пассивной массы, но и уменьшить стоимость и трудоемкость изготовления. Для обеспечения технологичности конструкций, изготавливаемых из стеклопластиков (или углепластиков) методом намотки, обычно используются многоразовые оправки — металлические и пластмассовых.

Оправка, в свою очередь, должна обеспечивать заданную форму и размеры изготавливаемой конструкции в условиях контактного давления со стороны формирующейся оболочки. Она должна быть простой формы с минимальным числом разъемов и накладных или дополнительных вкладышей, а также позволять снимать отвержденную деталь; обеспечивать осесимметричную форму детали без резких перепадов по толщинам, что обеспечивает однородную усадку и исключает коробления;

Конструкция корпуса РДТТ с ее элементами должна позволять применение таких оправок, на которых разгрузочные манжеты зарядов (законцовки, уменьшающие концентрации напряжений по концам твердотопливного заряда) и внутренние ТЗП могут изготавливаться в едином технологическом процессе изготовления корпуса РТДД, т. е. не требуют отдельной приклейки перечисленных элементов на готовый корпус.

При этом следует всегда учитывать, что в отличие от металлических конструкций, где обнаруженные после изготовления дефекты (например, в сварных швах) могут устраняться, качество готового стеклопластикового корпуса изменить уже нельзя. Это предъявляет исключительные требования к намоточным технологическим процессам, применяемому оборудованию, оснастке технологического процесса. При создании материала для оправки следует учитывать усадочные характеристики материала силовой оболочки и теплозащитных покрытий, так как в процессе длительного (до 30 суток) теплового (50ч70°С) и силового (2,0ч3,0 МПа) воздействии при изготовлении корпуса двигателя происходит их усадка [46−48].

Такие требования могут быть обеспечены только оправками, изготавливаемыми из композиционных материалов. При этом они должны обладать уникальным объединенным комплексом химических и физико-механических свойств, таких как высокая прочность, высокая упругость, малые коэффициенты термического расширения и одновременно легкая растворимость в воде, после проведения всех технологических процессов, для удаления оправки из готового корпуса типа «кокон».

Наибольшее развитие на российских предприятиях получили оправки на основе композиционного материала из кварцевого песка и связующего поливинилового спирта. Однако их существенным недостатком являлось то, что после термического воздействия во время технологического процесса изготовления корпуса РДТТ происходила частичная деструкция поливинилового спирта, результатом которой являлось значительное снижение его растворимости в воде. При этом слабо помогало повышение температуры при размывании оправки струей перегретого водяного пара. Иногда процесс размывания оправки затягивался почти на неделю.

Решить эту проблему удалось путем создания композиционного материала на основе жидкого стекла, отверждаемого при нормальных условиях за счет удаления влаги.

Для различных формовочных смесей применяли натриевое жидкое стекло следующих характеристик: высокомодульное жидкое стекло с силикатным модулем n=2.7ч3,0 и выше, плотность стекла 1400ч1420 кг/м³. Процесс отвердевания жидкого стекла сопровождался проявлением адгезионных свойств к наполнителю кварцевому песку и осуществлялся при естественном (на воздухе) или искусственном (нагревом, продувкой теплого воздуха) высушивании смеси. В отличие от изготовления литейных форм [49−51], в данном процессе старались максимально избежать разрушения жидко-стекольной основы, чтобы в дальнейшем не уменьшить растворимость его в воде.

Кроме этого, для достижения высокой прочности системы, прежде всего, необходимо добиваться наиболее плотной упаковкой зерен песка, что, помимо давления формования, требует определенного распределения зерен по размерам и оптимальной вязкости жидкого стекла. При этом зависимость прочности от содержания стекла в системе проходит через острый максимум.

Для снижения содержания жидкого стекла в композиции и сохранения ее прочностных свойств были применены дополнительные действия для увеличения плотности композиции. Максимальная плотность была достигнута применением полидисперсной песчаной смеси, снижением концентрации жидкого стекла и применением метода прессования сырой смеси при давлении 1,0−1,2 МПа. Данные действия позволили снизить содержание жидкого стекла в композиции.

Таким образом, была разработана композиция следующего состава: кварцевый песок 87%, молотый кварцевый песок 8%, жидкое стекло 5%. Прочность полученного композиционного материала, после высушивания, составила 5ч8 МПа, при испытании на изгиб. После изготовления корпуса РДТТ, оправку удавалось вымыть за несколько часов.

Основным способом улучшения разрушаемости жидко стекольных оправочных композиций является снижение содержания жидкого стекла в исходной смеси. Опыт производства показал, что улучшения разрушаемости таких смесей становится заметным при снижении массовой доли жидкого стекла в смеси от 6—8 до 3% и менее. Такое снижение содержания связующего в смеси без ухудшения ее прочностных свойств возможно при условии повышения вяжущих свойств связующего или разработке новых вяжущих композиций на его основе. Основными путями снижения содержания жидкого стекла в композициях являются:

• — повышение стабильности состава и свойств жидкого стекла;
• — повышение качества формовочных песков, прежде всего с позиций содержания пылевидных фракций;
• — применение специальных приемов активации поверхности зерен кварцевого песка, обеспечивающих проявление высокопрочных адгезионных контактов на границе «жидкое стекло — кварц»;
• — оптимизация технологических приемов приготовления смесей с позиций обеспечения полного и своевременного взаимодействия компонентов смеси (последовательность введения компонентов, способ введения и др.); совершенствование агрегатов, обеспечивающих тщательное смешение компонентов смеси при низком содержании жидкого стекла и низкой влажности смеси;
• — обеспечение условий равномерного распределения давления при прессовании изделий;
• — направление улучшения разрушаемости жидкостекольных композиций включает принципиальное изменение состава и физико-химической природы жидкого стекла. Это возможно за счет перехода в область высокомодульных жидких стекол (полисиликатов) со значением силикатного модуля 4ч40 и снижения содержания примесей кальция и алюминия.

В качестве перспективной модифицирующей добавки для создания композиционных материалов на жидком стекле предложены технические лигносульфонаты [52]. Наши исследования показали, что лигносульфонаты существенное воздействие на процессы твердения и структурирования жидкостекольных композиций. Они улучшают прочностные показатели материала.

Введение

в состав жидкого стекла 3% лигносульфонатов с повышенными молекулярными массами приводит к получению тонкопористой структуры формирующегося геля, высокой водонепроницаемости, прочности материала и достижению высоких эксплуатационных показателей.