Ученые ТПУ и ТГАСУ разрабатывают отечественные стеклянные микросферы для строительства и нефтянки

Ученые двух вузов — Томского политеха и Томского государственного архитектурно-строительного университета — разрабатывают технологию получения полых стеклянных микросфер в пропано-воздушном факеле. Этот материал находит активное применение в качестве добавки в композитные материалы, сухие строительные смеси, лакокрасочные покрытия, тампонажные растворы. В ТГАСУ собрана газопламенная установка для организации процесса сфероидизации частиц порошка стекла.

Полые стеклянные микросферы — это легкосыпучий порошок белого цвета, состоящий из сферических частиц диаметром не более 200 мкм. Состав и форма микросфер обеспечивают высокую прочность и низкую плотность.

Практика взаимодействия со строительными и промышленными компаниями показала существенно возрастающие требования к изделиям из композитных материалов. Один из серьезных вызовов к материалам — получение легких и в то же время прочных композитов. Благодаря комплексу физических и механических свойств полые стеклянные микросферы являются перспективным наполнителем для получения таких материалов.

Исследователи отмечают, что полые стеклянные микросферы уже активно применяются в строительной и нефтегазовой отраслях. Однако с уходом ряда зарубежных компаний встал вопрос об импортозамещении как самого материала, так и оборудования для его производства.

«На российском рынке работала американская компания «3М», которая в этом году свернула свою деятельность в нашей стране. Она поставляла порядка 80 процентов ПСМ в «Газпром», «Роснефть», другие компании. Сейчас рынок таких материалов остался, а поставщиков практически нет. Наша задача — разработать технологию производства отечественных ПСМ, по эксплуатационным качествам не уступающим зарубежным аналогам»,

— говорит руководитель молодежной лаборатории «Новые строительные материалы» ТГАСУ, ведущий научный сотрудник Валентин Шеховцев .

Томский политех в проекте представляют исследователи Научно-образовательного центра Н.М. Кижнера Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ. Они занимаются синтезом стеклогранулята для получения стеклянных сфер.   

«Составы стекол, которые используются для получения полых стеклянных микросфер, разнообразны и зависят от выбранного способа получения микросфер и области их применения. На первоначальном этапе исследования мы работали с боросиликатным стеклом: оно отличается относительной легкоплавкостью и высокими физико-механическими свойствами. Для получения прочных и относительно легких микросфер, с учетом диаметра и толщины стенки предпочтительны составы с высоким содержанием SiO 2 , с ростом количества которого прочность стекла увеличивается, а плотность уменьшается.

Процесс стекловарения осуществляли в лабораторной печи при температуре 1350 °С. Для получения стеклогранулята сваренная стекломасса сливается в холодную воду, затем сушится и измельчается в планетарной мельнице до среднего размера частиц 10 мкм. В результате получается стеклопорошок», — рассказывает профессор Научно-образовательного центра Н.М. Кижнера Ольга Казьмина .

Специалисты ТГАСУ занимались плазменной обработкой порошка для получения полых микросфер. Однако в процессе исследования установлено, что в плазме материал сгорал. Поэтому, томские ученые предложили обработку порошка газопламенным методом.

«Мы собрали газопламенную установку. Получили образцы полых стеклянных микросфера на этой установке. Сейчас масштабируем технологию обработки микросфер, доводим до нужных параметров отдельные узлы установки. Например, задача нашего магистранта Романа Бакшанского, участвующего в проекте, — установить оптимальные параметры процесса получения полых стеклянных сфер в пламени пропано-воздушной горелки с заданным диаметром и толщиной оболочки», — рассказывает Валентин Шеховцов.

Исследования проводятся на базе молодежной научной лаборатории «Новые строительные материалы», созданной в ТГАСУ по программе «Приоритет 2030». Первые результаты исследования направлены в журнал «Стекло и керамика».