Зола в качестве наполнителя для пластических масс

Используемые в настоящее время наполнители для пластических масс (тонкодисперсные порошкообразные оксиды металлов, силикаты, в том числе алюмосиликаты, карбонаты, сульфиды и сульфаты) сравнительно дороги. Поэтому актуальным является применение доступной и дешевой летучей золы и выделенных из нее фракций (микросфер).

Применяемые в ротационной отрасли красители  являются пигментами, представляющие собой мелкодисперсные порошки. Сажа / зола так же является порошком, пригодная для окрашивания ротационных марок линейного полиэтилена.

В зависимости от свойств и условий сжигания угля химический состав и содержание элементов в летучей золе значительно различаются. В основном она состоит из алюмосиликатов. По составу летучая зола делится на три вида:

- кремниевая с содержанием >40 % силикатов (Si02),

- кремниевая с содержанием <30 % соединений алюминия (AI2O3),

- кремниевая с содержанием  <10% известняка (СаО) и < 1% соединений серы (S03);

- алюминиевая с содержанием >40% Si02,

- алюминиевая с содержанием  <30% А1203,

- алюминиевая с содержанием  >10% СаО,

- алюминиевая с содержанием  <3% S03;

- кальциевая с содержанием <30% А1203, >10% СаО и >3% S03.

Летучая зола является смесью аморфных и кристаллических компонентов с добавкой углеродистых веществ. Среди минералов наиболее часто встречаются муллит, гематит, ильменит, магнетит, кварц и ангидрит.

От размера и формы образующихся зерен летучей золы существенно зависят вид угля, способ его подготовки к сжиганию и процесс сжигания. Известно от 8 до 11 морфологических форм зерна — от игольчатой и кусковой до шаровидной. С уменьшением размера частиц золы содержание шаровидных зерен (микросфер) возрастает. В зернистых фракциях, проходящих через сито с размером ячеек 40 мкм, доля таких зерен превышает 90 %. Размер зерен летучей золы колеблется в очень широких пределах — от 0 до 850 мкм и зависит не только от вида золы, но и от применяемого обеспыливающего оборудования и способа ее получения. В ряде случаев летучая зола содержит >95 % зерен размером <63 мкм. Содержание в летучей золе фракций размером <10 мкм составляет 6—80 %; 10—20 мкм — 2—50 %; 20— 30 мкм — 4—35 %; 30—60 мкм — 1—27 %; 60—90 мкм — 0— 23%; 90—200 мкм — 0—15%; 200—850 мкм —0—9%.

В промышленном масштабе выпускаются: легкие микросферы, состоящие из шаровидных зерен, наполненных азотом и углекислотой, диаметром 40—400 мкм и плотностью > 550 кг/м3; тяжелые микросферы, состоящие из шаровидных зерен диаметром <63 мкм и плотностью ~2200 кг/м3; магнетитовая пыль, являющаяся ферромагнитной фракцией золы, с размером зерен <300 мкм и плотностью 3800—4200 кг/м3; гидрофобизованная пыль, представляющая собой летучую золу, поверхность которой обработана нефтяными продуктами или кремнийорганическими соединениями.

В легких микросферах содержание Si02 составляет 49—61 %, А1203 — 26—30 %, Fe203 — 4—10 %, СаО — 0,2—4,5 %, MgO — 1,1—1,6 %, Na20 — 0,3—1,8 %, К20 — 0,2—4,2 %, количество С02 внутри микросфер — 0,17—0,31 см3/г, N2 — 0,03—0,13 см3/г, фракций с размером частиц <60 мкм — 5—20 %,60— 400 мкм — 80—95 %. Их насыпная плотность равна 250— 400 кг/м3, толщина оболочки —2—20 мкм, теплопроводность — 0,07—0,10 Вт/м. В состав минеральной оболочки тяжелых микросфер входят 54—55 % Si02, 25—31 % А1203, 0,5—18 % Fe205, 1,5—9% СаО, 1,5—7% MgO, 0,8—2,8 % Na20, 0,2—3,5 % КгО, 85—95 % фракций с размером зерен <60 мкм и 5,15—40 % фракций с размером зерен 60—400 мкм. Их насыпная плотность равна 700—1100 кг/м3, теплопроводность — 0,16—0,20 Вт/м.

К недостаткам летучей золы относится наличие пылевидной фракции и большой разброс гранулометрического состава. При переработке материалов, содержащих алюминиевую летучую золу, возрастает износ оборудования. При наполнении полипропилена 20—92 % летучей золы повышаются механическая прочность, сопротивление истиранию и стойкость к действию кислот и щелочей. Разрушающее напряжение при сжатии полипропилена с содержанием летучей золы 20—25 % составляет 38,5—35,6 МПа. Из такого материала изготовляются напольные покрытия, кровля, канализационные трубы, а также детали для автомобилестроения. В производстве напольных и автомобильных звукопоглощающих покрытий также применяются исходная и рассеянная летучая зола. Напольные покрытия содержат 70—90 % летучей золы и 30—10 % акриловых смол. В производстве звукопоглощающих покрытий для легковых автомобилей пригодны композиции, состоящие из 40—80 % летучей золы, 60—20 % асфальта, 0,5—5 % тяжелого масла и других добавок. Кремниевая летучая зола служит наполнителем фенольных и поливинилхлоридных пластиков, а также резин.

Для снижения расхода смол и повышения качества термоизоляционных изделий в качестве наполнителей широко используются микросферы. Применение микросфер в качестве наполнителей винильных полимеров, дублируемых полиэфирными тканями, позволяет повысить их огнестойкость. Изоляционные ленты из такого материала применяются для обмотки электрических кабелей высокого напряжения, которые работоспособны даже при непосредственном воздействии пламени (температура до 980 °С). Это объясняется тем, что при высокой температуре из микросфер выделяется диоксид углерода, который тормозит процессы окисления. Из этого материала изготавливают также защитную одежду (для сталеваров, сварщиков и т. п.), термические экраны и другие изделия.

Из винильных полимеров, которые содержат микросферы, получают застывающие и жидкие композиции для звукоизоляции машин и оборудования. Так, наполнение кожуха дробилки композицией из жидкой смолы и микросфер обеспечивает снижение шума работающей дробилки с 95—100 до 90 дБ. Микросферы применяют также в производстве шпаклевок на основе винильных смол.

Освоено производство материала, состоящего из 70 % микросфер и 30% эпоксидных смол, так называемой синтактической ленты для глубоководных аппаратов. Синтактическую ленту применяют также в приборо- и судостроении, электротехнике, в производстве мебели и звукопоглощающих материалах, а также для изготовления литейных форм.

Применение микросфер в производстве полиуретанов позволяет снизить их стоимость и повысить качество изделий. Такой материал используется для теплоизоляции трубопроводов. Разработанная композиция MIX-3 в 3 раза прочнее теплоизоляции из стекловаты и примерно в 10 раз — теплоизоляции из шлаковой ваты. Ее коэффициент теплопроводности примерно в 2 раза ниже, чем волокнистой теплоизоляции. Материал MIX-3 характеризуется низкой кажущейся плотностью (100— 350 кг/м3), высокой механической прочностью и низким коэффициентом теплопроводности (0,04—0,10 Вт/м-К). С использованием материала MIX-3 в ПНР изолировано около 2500 м трубопроводов.

Микросферы вводят также в карбамидофурановую смолу. В зависимости от температуры (150—200°С) -разрушающее напряжение при сжатии полимеров составляет 0,4—0,8 МПа, при изгибе — 0,3—0,5 МПа и при растяжении —0,1—0,2 МПа. Эти пластические массы обладают свойствами не только теплоизоляционного, но и конструкционного материала.

Из полиэфирных смол, наполненных микросферами, изготавливают сложные орнаменты для отделки квартир и другие изделия.

Микросферы применяются в производстве лаков и красок. Одним из примеров термостойких красок является композиция, состоящая из 9—20 % микросфер, хлорированных каучука и парафина, оксида титана, спиртов и бензина, обладающая тиксотропными свойствами.