способ получения пеностекла

Формула изобретения

Способ получения пеностекла, включающий приготовление порошкообразной смеси стекла, силиката натрия, оксида кремния, газообразователя и последующий нагрев смеси до пенообразования полученной композиции, отличающийся тем, что на стадии приготовления смесь затворяют водой до образования пасты, полученную пасту нагревают со скоростью 5-10 град./мин до 750-850°С, выдерживают при этой температуре 4-5 ч и охлаждают в печи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства строительных материалов, а именно к производству пеностекла.

Пеностекло является неорганическим силикатным материалом, содержащим в своем объеме значительные количества газовой фазы. Процесс его получения заключается в изготовлении шихты, состоящей на 95-97% из стекла и на 5-3% из газообразователей (карбонатных, например, известняка или углеродных, например, древесного угля, кокса, сажи), нагревании шихты до температуры 850-875^oC. При этой температуре зерна стекла спекаются, а образовавшиеся в результате разложения газообразующих добавок газы вспучивают высоковязкую стекломассу. После отжига и охлаждения получается пористый материал с высокими теплоизоляционными свойствами и большой механической прочностью (Краткая химическая энциклопедия //Советская энциклопедия. - М., 1965, т. 4, с. 1033-1034).

Из патентной литературы известен ряд технических решений по повышению качества пеностекла, основанные на введении в композицию гидроксида натрия. Наиболее очевидно проведение такого процесса описано в авторском свидетельстве [1] . Авторы предлагают очищенный бой стекла дробить до 5-30 мкм. Далее готовят пенообразующую смесь в виде шлама влажностью 30% путем затворения порошка стекла 20%-ным раствором гидроксида натрия с добавлением необходимого количества воды. Расход гидроксида натрия составляет 1-4% от веса порошка стекла. После выдержки смеси в течение 50-70 часов ее сушат до влажности 5-8%. Для получения сырцовых гранул смесь дробят до кусков 5-10 мм, которые после обработки раствором азотной кислоты сушат и вспенивают при 825-900^oC во вращающейся печи.

Сущность данного способа заключается в частичном выщелачивании порошка стекла водным раствором гидроксида натрия, образовании монолитной заготовки при сушке композиции. Причем в данный стеклообразный монолит уже включен газообразователь. Полученную высушенную массу далее вспенивают при температурах обычно выше 800^oC. Аналогичные решения можно найти в ряде других патентов. Отличия касаются использования различных силикатных материалов, режимов выщелачивания и обработки композиции. В качестве исходного силикатного материала можно использовать не только стекло, но и различные кремнийсодержащие горные породы: перлит [2, 3], отходы перлита [4], вулканическое стекло [5], вулканическое стекло и диатомит или трепел [6, 7], вулканический пепел и отходы добычи вулканического пепла [8], щелочные алюмосиликатные отходы [9], туф [10], трепел [11], цеолитсодержащую породу [12].

При обработке силикатных стеклообразных материалов, особенно при повышенных температурах, водным раствором щелочи происходит растворение части оксида кремния с образованием в растворе силиката натрия. Именно силикат натрия обладает вяжущими свойствами и способен скреплять силикатные порошки в прочные композиции. Поэтому логическим развитием описанной выше идеи является непосредственное добавление силиката натрия для скрепления композиции силикатного порошкового материала и газообразователя. В этом случае отпадает необходимость дополнительной гидротермальной обработки силиката в щелочном растворе, т. к. необходимый продукт этой обработки вводится в композицию в готовом виде. Кроме того, силикат натрия имеет более низкую стоимость, чем гидроксид натрия.

Типичное описание такого технического решения дано в авторском свидетельстве [13] . Щелочные алюмосиликаты смешивают с водным раствором метасиликата натрия, гранулируют влажную массу, сушат, и вспенивают полученную композицию при 980^oC.

В авторском свидетельстве [14] жидкое стекло не смешивают специально с силикатным порошком, а наносят непосредственно на ленту шлакостекломассы или на защищенную несмачивающуюся поверхность рабочего органа, формующего нижнюю поверхность изделия в процессе выработки. Авторы отмечают, что сам раствор жидкого стекла, отдавая часть воды при высоких температурах, служит пенообразователем.

Авторы [15] нашли интересное решение по внесению в композицию стекла. В описанном методе силикат натрия с добавками буры и нитрата калия склеивает не частицы стекла, а готовые плоские монолитные стекла. Указанный состав наносят на стекло, подсушивают до потери текучести и накладывают второе стекло. После чего прокаливают изделие. Получается слой пеностекла между двумя плоскими стеклами.

Помимо обычного стекла можно использовать и иные силикатные материалы. Например, авторы [16] смесь тонкомолотого туфа, газообразователя (сажи или технического углерода), породы с содержанием оксида щелочноземельного металла и борной кислоты затворяют водным раствором метасиликата натрия, перемешивают, гранулируют и вспенивают во вращающейся печи.

Известно, что даже вода способна выщелачивать стекло. При повышенной температуре в гидротермальных условиях из стекла может выщелачиваться большее, чем при обычных условиях количество гидроксида натрия, поэтому мелкодисперсный порошок стекла в таких условиях способен самопроизвольно агрегировать с образованием монолитной композиции. Это свойство также можно использовать для создания силикатных композиций, способных вспениваться при температуре размягчения стекла. Например, в авторском свидетельстве СССР [17] авторы предлагают подвергнутое помолу стекло затворять водным раствором азотной кислоты или нитрата калия или натрия и подвергать гидротермальной обработке при 4 атм. и 143^oC в течение 4 часов. После выгрузки из автоклава агломерат дробят и вспенивают при 800-830^oC в течение 20-25 мин.

Аналогично решают задачу в авторском свидетельстве СССР [18]. Только авторы используют для выщелачивания стеклянного порошка температуры ниже 100^oC, но зато вынуждены значительно увеличивать время такого процесса. Так, сырцовые гранулы подвергают гидротермальной обработке. Для этого размалывают стекольное сырье, и порообразователь размалывают в сырьевую массу, увлажняют ее водой и выдерживают в течение 1-30 суток при 18-90^oC. Только после этого гранулы, значительно увеличившие прочность за счет агломерации массы, подвергают термообработке при высоких температурах для вспенивания.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является решение, описанное в патенте США [19]. "Способ получения пеностекла". Способ изготовления пеностекла предусматривает приготовление порошкообразной смеси стекла, силиката натрия и газообразователя и диоксида кремния в виде песка, и нагрев смеси до пенообразования, причем обязательно механическое уплотнение смеси перед спеканием.

Недостатки прототипа. Описанный способ получения пеностекла требует обязательного механического уплотнения перед сушкой смеси. Это усложняет процесс, требует дополнительных производственных мощностей. Кроме того, по прототипу предусмотрено получение искусственной пемзы с размерами частиц 1-3 см (пункт 3 формулы изобретения), т.е. способ не предусматривает получения крупных изделий размером более 30 см.

Задачей создания изобретения является упрощение процесса.

Задача решается с помощью признаков, изложенных в формуле изобретения, общих с прототипом, таких как способ получения пеностекла, включающий приготовление порошкообразной смеси стекла, силиката натрия, оксида кремния, газообразователя и последующий нагрев смеси до пенообразования полученной композиции, и отличительных существенных признаков, таких как на стадии приготовления смесь затворяют водой до образования пасты, полученную пасту нагревают со скоростью 5-10 град/мин до температуры 750-850^oC, выдерживают при температуре 4-5 часов и охлаждают в печи.

При уменьшении скорости нагрева ниже указанного интервала, структура пены не образуется, т. к. выделяющиеся газы успевают диффундировать через слой материала.

При увеличении скорости нагрева выше указанного интервала, происходит интенсивное выделение газов и материал разрывается.

При использовании температуры ниже 750^oC материал спекается без вспенивания, т.к. при этом температура оказывается недостаточной для обеспечения необходимой вязкости стекла и для протекания процесса газовыделения с заданной скоростью.

При увеличении температуры выше 850^oC происходит интенсивное газовыделение, что нарушает равномерную структуру материала и может привести к разрыву и разрушению блоков.

Выдержка в печи в течение 4-5 часов обусловлена необходимостью взаимодействия оксида кремния с аморфной фазой и образованием необходимого количества кристаллической фазы в стекле. При уменьшении или увеличении данного интервала структура типа ситалла не образуется либо образуется избыточное количество кристаллофазы. Причем оба этих фактора ведут к снижению потребительских свойств материала.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Готовят композицию, состоящую из порошков, полученных помолом в шаровой мельнице бутылочного стекла в количестве 1000 г, 150 г песка, 150 г силиката натрия, 5,0 г угля древесного и затворяют 500 мл воды, смесь тщательно перемешивают. При этом в смесь одновременно вводят силикат натрия и оксид кремния в виде песка. Полученную пасту нагревают со скоростью 5 град/мин до температуры 750-850^oC, выдерживают при этой температуре 5 часов и охлаждают в печи. Полученные образцы пеностекла имеют плотность 500 кг/м³.

Пример 2.

Готовят композицию, состоящую из порошков, полученных помолом в шаровой мельнице бутылочного стекла в количестве 1000 г, 80 г песка, 90 г силиката натрия, 8,0 г кокса и затворяют 450 мл воды, смесь тщательно перемешивают. При этом в смесь одновременно вводят силикат натрия и оксид кремния в виде песка. Полученную пасту нагревают со скоростью 10 град/мин до температуры 750-850^oC, выдерживают при этой температуре 4 часа и охлаждают в печи. Полученные образцы пеностекла имеют плотность 300 кг/м³.

Пример 3.

Готовят композицию, состоящую из порошков, полученных помолом в шаровой мельнице бутылочного стекла в количестве 1000 г, 50 г песка, 30 г силиката натрия, 10,0 г сажи газовой и затворяют 400 мл воды, смесь тщательно перемешивают. При этом в смесь одновременно вводят силикат натрия и оксид кремния в виде песка. Полученную пасту нагревают со скоростью 10 град/мин до температуры 750-850^oC, выдерживают при этой температуре 4,5 часа и охлаждают в печи. Полученные образцы пеностекла имеют плотность от 150 кг/м³.

Предлагаемый способ получения пеностекла является простым по исполнению, технологичным, позволяющим утилизировать отходы стекольной промышленности.

Используемая литература

1. А. С. СССР N 1033465. МКИ C 03 C 11/00. Способ получения гранулированного пеностекла. Б.К. Демидович, Е.С. Новиков, С.С. Иодо, В.А. Петрович. Опубл. 07.08.83. Бюл. N 29.

2. А. С. СССР N 1056894. МКИ C 03 C 11/00. Способ получения пеностекла. Кальман Тот, Иозеф Матрай, Лайош Тарьяни, Бела Тот. Опубл. 23.11.83. Бюл. N 43.

3. А. С. СССР N 1089069. МКИ C 03 C 11/00. Шихта для получения пеностекла. З.Р. Саакян. Опубл. 30.04.84. Бюл. N 16.

4. А. С. СССР N 1654279. МКИ C 03 C 11/00. Способ получения декоративно-облицовочных плит. А.А. Григорян, Г.С. Мелконян, Ю.Г. Игитханян. Опубл. 07.06.91. Бюл. N 21.

5. А.С. СССР N 1359259. МКИ C 03 C 11/00. Пеностекло и способ его получения. Э.Р. Саакян. Опубл. 15.12.87.

6. А.С. СССР N 1073199. МКИ C 03 C 11/00. Смесь для изготовления пеностекла. Э.Р. Саакян, Н.В. Месропян, А.С. Даниелян. Опубл. 15.02.84. Бюл. N 6.

7. А.С. СССР N 1265161. МКИ C 03 C 11/00. Состав для получения пористых гранул. Э. Р. Саакян, М. Г. Бадалян, А.С. Даниелян, Н.В.Месропян. Опубл. 23.10.86. Бюл. N 39.

8. А. С. СССР N 1318565. МКИ C 03 C 11/00. Сырьевая смесь для гранулированного пеностекла. А.Н. Сипливый, Г.Н. Пименов. Опубл. 23.06.87. Бюл. N 23.

9. А.С. СССР N 1470692. МКИ C 03 C 11/00. Состав для получения пористых гранул. Э. Р. Саакян, Г.Г. Бабаян, С.А. Даштоян, Э.А. Госинян, Р.Н. Язычян, Л.Э. Казарян. Опубл. 07.04.89. Бюл. N 13.

10. А.С. СССР N 1571014. МКИ C 03 C 11/00. Способ получения пенотуфа. А. А. Григорян, Г.С. Мелконян, А.А. Саркисян, А.С. Григорян. Опубл. 15.06.90. Бюл. N 22.

11. А. С. СССР N 1640129. МКИ C 03 C 11/00. Способ получения пористых гранул. А.А. Григорян, Г.С. Мелконян, А.А. Саркисян. Опубл. 07.04.91. Бюл. N 13.

12. А. С. СССР N 1805109. МКИ C 03 C 11/00. Способ получения гранулированного ячеистого материала. Э.Р. Саакян, Г.Г. Бабаян, В.Г. Михаэлян, Р.Н. Язычян, Р.Р. Саакян. Опубл. 30.03.93. Бюл. N 12

13. А.С. СССР N 1616866. МКИ C 03 C 11/00. Композиция для получения пористых гранул. А. А. Григорян, Г.С. Мелконян, Л.А. Элиазян, А.А. Саркисян. Опубл. 30.12.90. Бюл. N 48.

14. А. С. СССР N 337354. МКИ C 03 C 11/00. Способ получения пеношлакостекла. М.И. Козьмин. Опубл. 15.05.72. Бюл. N 15.

15. А.С. СССР N 1211235. МКИ C 03 C 11/00. Газообразующий состав для декоративной отделки многослойного листового стекла. Б.К. Демидович, Б.Н. Милешкевич. бюл. N 21, 1987 г.

16. А.С. СССР N 1571015. МКИ C 03 C 11/00. Способ получения пеностекла. А.А. Григорян, Г.С. Мелконян, А.А. Саркисян. Опубл. 15.06.90. Бюл. N 22.

17. А.С. СССР N 1169952. МКИ C 03 C 11/00. Способ получения пеностекла. Б.К. Демидович, Е.С. Новиков, С.С. Иодо, П.В. Шипук. Опубл. 30.07.85. Бюл. N 28.

18. А.С. СССР N 958362. МКИ C 03 C 11/00. Способ приготовления гранулированного пеностекла. М. И. Роговой, Л.Н. Волочиенко, А.Я. Ванин. Опубл. 15.09.82. Бюл. N 34.

19. Патент США N 4933306, кл. C 03 C 11/00, 12.06.90 г. - прототип.