Пенокерамика

Пенокерамика — это класс пористых керамических материалов с ячеистой структурой, характеризующихся высоким содержанием воздушных пор (обычно от 70 до 95 % объёма) и обладающих уникальным сочетанием свойств: лёгкостью, низкой теплопроводностью, высокой огнеупорностью, химической стойкостью и прочностью. По своей сути пенокерамика является аналогом пенопласта или пенобетона, но изготавливается из неорганических керамических масс и обжигается при высоких температурах, что придаёт ей термостойкость и твёрдость, несвойственные полимерным пеноматериалам.

История

Первые попытки создания пористых керамических материалов относятся к началу XX века, когда были разработаны технологии получения фильтров из шамота и диатомита. Однако систематические исследования в области пенокерамики начались в 1930-х годах в США и Германии в связи с потребностями авиационной и химической промышленности в лёгких теплоизоляторах. В СССР активные работы по созданию пенокерамики велись с 1950-х годов в Институте керамики (Ленинград) и на предприятиях Министерства строительных материалов. Первые промышленные образцы пенокерамики на основе глин и шамота были получены в 1960-х годах и использовались для теплоизоляции промышленных печей и тепловых агрегатов.

В 1970–1980-х годах были разработаны технологии получения пенокерамики с открытыми порами для фильтрации расплавов металлов и газов, а также с закрытыми порами для теплоизоляции. Современный этап развития пенокерамики (с 1990-х годов) связан с созданием материалов на основе оксида алюминия, карбида кремния, циркония и других высокотехнологичных керамик, что позволило расширить диапазон рабочих температур до 1600–1700 °C.

Классификация

Пенокерамику классифицируют по нескольким признакам:

По типу пористости

• С закрытыми порами — поры изолированы друг от друга, материал обладает низкой теплопроводностью и высокой механической прочностью. Используется для теплоизоляции.
• С открытыми порами — поры сообщаются между собой, материал обладает высокой проницаемостью для жидкостей и газов. Применяется для фильтрации и в качестве носителей катализаторов.

По химическому составу

• На основе природных глин и шамота — наиболее дешёвые и распространённые, рабочая температура до 1000–1100 °C.
• На основе оксида алюминия (Al₂O₃) — высокая огнеупорность (до 1700 °C), химическая стойкость.
• На основе карбида кремния (SiC) — высокая твёрдость, износостойкость, теплопроводность, рабочая температура до 1600 °C.
• На основе диоксида циркония (ZrO₂) — высокая термостойкость, устойчивость к термоударам.
• На основе муллита, кордиерита, форстерита — специальные составы для конкретных применений.

По способу получения

• Пенокерамика, полученная методом вспенивания — в керамическую суспензию вводят пенообразователь (органический или неорганический), затем массу сушат и обжигают.
• Пенокерамика, полученная методом пропитки полимерной матрицы — полимерную пену (например, пенополиуретан) пропитывают керамическим шликером, затем полимер выжигают, а керамику спекают.
• Пенокерамика, полученная методом добавления выгорающих добавок — в массу вводят органические частицы (опилки, уголь, полимерные гранулы), которые при обжиге выгорают, оставляя поры.

Технология производства

Основные этапы производства пенокерамики включают:

1. Приготовление керамической суспензии (шликера) — смешивание порошка керамического материала (глины, оксида алюминия, карбида кремния и т. д.) с водой, пластификаторами и связующими добавками до получения однородной массы.
2. Введение пенообразователя — в суспензию добавляют органическое поверхностно-активное вещество (например, мыльный корень, алкилсульфаты) или неорганический пенообразователь (например, пероксид водорода, карбонат кальция), вызывающий газовыделение при нагреве.
3. Вспенивание — суспензию тщательно перемешивают с пенообразователем до образования стабильной пены, объём которой увеличивается в 5–10 раз.
4. Формование — пенную массу заливают в формы или наносят на поверхность.
5. Сушка — при температуре 50–100 °C в течение нескольких часов или суток для удаления влаги.
6. Обжиг — при температуре 900–1700 °C в зависимости от состава, в результате которого происходит спекание керамических частиц и формирование прочной структуры.

При производстве пенокерамики с открытыми порами методом пропитки полимерной матрицы этапы отличаются: сначала изготавливают полимерную пену с заданной структурой пор, затем пропитывают её керамическим шликером, после чего полимер выжигают при 400–600 °C, а керамику спекают при высокой температуре.

Свойства

Основные свойства пенокерамики зависят от её состава, пористости и структуры пор:

• Плотность — от 0,2 до 1,5 г/см³ (для сравнения, плотность обычной керамики 2,0–2,5 г/см³).
• Теплопроводность — от 0,05 до 0,5 Вт/(м·К) в зависимости от пористости и состава. Для материалов с закрытыми порами теплопроводность может быть ниже 0,1 Вт/(м·К), что сравнимо с минеральной ватой.
• Огнеупорность — рабочая температура от 1000 до 1700 °C, в зависимости от состава. Пенокерамика на основе оксида алюминия и карбида кремния выдерживает температуры до 1700 °C.
• Механическая прочность — предел прочности на сжатие от 1 до 20 МПа, что достаточно для большинства теплоизоляционных и фильтровальных применений, но ниже, чем у плотной керамики.
• Химическая стойкость — высокая устойчивость к кислотам, щелочам, расплавам металлов и солей, особенно у материалов на основе оксида алюминия и карбида кремния.
• Термостойкость — способность выдерживать резкие перепады температур без разрушения (до 100–200 °C/мин для некоторых составов).
• Звукоизоляция — благодаря пористой структуре пенокерамика обладает хорошими звукопоглощающими свойствами.

Применение

Пенокерамика находит применение в различных отраслях промышленности благодаря сочетанию лёгкости, термостойкости и химической стойкости.

Теплоизоляция

Пенокерамика с закрытыми порами используется для теплоизоляции промышленных печей, тепловых агрегатов, трубопроводов, каминов и дымоходов. Она превосходит минеральную вату по огнеупорности и долговечности, а пенополистирол — по термостойкости. В России пенокерамические блоки применяются для футеровки вращающихся печей цементной промышленности и для изоляции нагревательных колодцев металлургических заводов.

Фильтрация

Пенокерамика с открытыми порами используется для фильтрации расплавленных металлов (алюминия, меди, железа) для удаления неметаллических включений. Она также применяется для очистки горячих газов (до 1000 °C) в химической и металлургической промышленности, для фильтрации воды и агрессивных жидкостей.

Носители катализаторов

Благодаря высокой пористости и химической стойкости пенокерамика используется как подложка для катализаторов в химических реакторах, в установках нейтрализации выхлопных газов, в процессах окисления и восстановления.

Акустические экраны

Пенокерамика применяется для звукоизоляции и звукопоглощения в промышленных помещениях, а также в качестве акустических панелей в строительстве.

Огнезащита

Пенокерамические плиты и маты используются для огнезащиты стальных и бетонных конструкций, для устройства противопожарных преград и перегородок.

Прочие применения

• Изготовление тиглей и форм для литья металлов.
• Создание лёгких бронепанелей (в сочетании с другими материалами).
• Изготовление электродов для электрохимических процессов.
• Использование в качестве носителей для биологических фильтров.

Примеры

• Пенокерамика марки ПК-1 (Россия) — на основе шамота, плотность 0,4–0,6 г/см³, теплопроводность 0,12–0,18 Вт/(м·К), рабочая температура до 1100 °C. Применяется для теплоизоляции печей.
• Пенокерамика на основе оксида алюминия (Al₂O₃) — плотность 0,5–0,8 г/см³, теплопроводность 0,15–0,25 Вт/(м·К), рабочая температура до 1700 °C. Используется в высокотемпературных печах и для фильтрации расплавов.
• Пенокерамика на основе карбида кремния (SiC) — плотность 0,6–1,0 г/см³, высокая теплопроводность (до 10 Вт/(м·К)), рабочая температура до 1600 °C. Применяется для фильтрации горячих газов и в качестве носителя катализаторов.
• Пенокерамика «Керамопор» (Германия) — на основе муллита, используется для теплоизоляции в автомобильной промышленности.

Интересные факты

• Пенокерамика может быть изготовлена из отходов керамического производства (бой шамота, брак кирпича), что делает её экологически и экономически эффективным материалом.
• В 1960-х годах в СССР были разработаны технологии получения пенокерамики на основе глин, которые использовались для теплоизоляции зданий в условиях Крайнего Севера.
• Пенокерамика с открытыми порами может быть использована для создания искусственных костей и имплантатов в медицине благодаря биосовместимости некоторых составов (например, на основе гидроксиапатита).
• В аэрокосмической промышленности пенокерамика применяется для теплозащиты космических аппаратов при входе в атмосферу.

Источники

• Будников П. П., Хавкин Л. Л. «Технология керамики и огнеупоров». — М.: Стройиздат, 1965.
• Гузман И. Я. «Химическая технология керамики». — М.: Высшая школа, 2003.
• Справочник по огнеупорным материалам / Под ред. К. К. Стрелова. — М.: Металлургия, 1985.
• Патент РФ № 2155721 «Способ получения пенокерамики» (2000).
• Материалы конференции «Пористые керамические материалы: получение и применение» (Новосибирск, 2018).