способ получения шихты для производства пеностекла

Формула изобретения

Способ получения шихты для производства пеностекла, включающий перемешивание стеклообразующего компонента и порошкообразных добавок, содержащих в том числе углеродсодержащий газообразователь, отличающийся тем, что в качестве стеклообразующего компонента используют водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия, содержание которого составляет 50-70 мас.%, в качестве порошкообразной добавки – тонкоизмельченный стеклобой, перемешивание осуществляют при температуре не выше 70°С, полученную вязкотекучую смесь термообрабатывают при температуре 450-550°С до полного удаления воды, в том числе химически связанной, затем охлаждают и измельчают в порошок с размером зерна не более 60-70 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности, в частности к способу получения шихты для производства пеностекла, имеющего гомогенную мелкопористую структуру пор.

Предметом большинства исследований в данной области техники в условиях резкого подъема цен на энергоносители является разработка материалов с высокими теплотехническими характеристиками, но с малой энергоемкостью производства. Среди строительных материалов с хорошими тепло- и звукоизоляционными характеристиками пеностекло привлекает внимание вследствие комплекса термо- и звукоизоляционных свойств при высокой прочности и низкой плотности.

Известно, что объемная плотность, теплоизоляционные и механические свойства имеют наилучшие показатели для пеностекла, в структуре которого преобладают закрытые поры, т.е. замкнутые, не сообщающиеся между собой полости, разделенные прослойками материала. Наличие в структуре пеностекла закрытых пор делает изделие непроницаемым для жидкостей, в том числе и для воды, водяных паров и газов. Твердые пены, типичным представителем которых является пеностекло, образуются в результате дисперсии газообразной фазы в вязкой жидкости (дисперсионной среде) в процессе охлаждения дисперсионной системы. При снижении температуры вязкая жидкость затвердевает и образовавшаяся таким образом пена стабилизируется.

Получают пеностекло, как правило, порошковым способом, спеканием смеси стекольного порошка с газообразующими добавками. Стеклопорошок получают либо из специально сваренных стекломасс, либо из боя оконного, тарного и других стекол. Для вспенивания стекломассы в состав стекольной шихты вводят в количестве 1-5% газообразователи - углеродистые (кокс, антрацит, сажу, карбиды кальция и кремния), обеспечивающие получение материала с замкнутой пористостью, либо карбонатные (известняк, мел, мраморную крошку).

В качестве примеров наиболее эффективных способов получения шихты можно привести два: первый - это специальная варка стекла требуемого химического состава, а второй - использование композиции на основе стекольного порошка из стеклобоя (стеклоотходов) однородного химического состава и газообразователя с последующим вспениванием в процессе нагревания всей спекшейся массы стекла. Стеклопорошок получают либо из специально сваренных стекломасс (US, 4192664, кл. С 03 В 19/08, 1980 г., US, 3403990, кл. 65-22, 1968 г.), либо из боя оконного, тарного и других стекол (US, 4198224, кл. С 03 В 19/08, 1980 г.). В некоторых случаях для получения пеностекла применяют гранулят специально сваренного стекла (DE, 2010263, кл. С 03 С 11/00, 1979 г.).

Технология производства пеностекла включает этап приготовления шихты путем варки стекла специального химического состава и его грануляции (или подготовки стеклобоя), помола и перемешивания порошков стекла и газообразователя и последующий этап вспенивания шихты в процессе термообработки и отжига пеностекла. Процесс вспенивания осуществляют при температуре 800-950°С в течение 20-30 минут, после чего пеностекло резко охлаждают для стабилизации структуры (US, 4192664, кл. 65-22, 1980, US, 3951632, кл. 65-22, 1976 г.). Шихту для изготовления пеностекла можно получать многими способами при использовании композиций на основе различного стекла и газообразователей. Так, известны композиции стекла, включающие отходы стекла, натриево-кальциево-силикатное стекло, боросиликатное или алюмосиликатное стекло (например, US, 4119422, кл. 65-22, 1978 г., и US, 4075025, кл. 501-66, 1978 г.) и газообразователи, такие как карбонаты и сульфаты различных щелочных и щелочноземельных металлов (например, US, 5516351, кл. 65-17.4, 1996 г.).

Анализ литературных данных показывает, что известна технология приготовления шихты для изготовления гранулированного пеностекла, включающая дробление и сушку стекла, весовое дозирование и совместный помол стекла и карбонатного газообразователя в шаровой мельнице, подачу молотой шихты в накопительный бункер, гранулирование шихты на тарельчатом грануляторе, куда в качестве связующего для гранул подают раствор жидкого стекла. Для получения пеностекла полученную шихту сушат и вспенивают с молотым кварцем в качестве разделяющей среды при температуре 780-820°С.

Известен способ получения шихты для производства гранулированного пеностекла, имеющего гомогенную структуру закрытых пор (WO 00/61512 A₁, кл. С 03 С 11/00, С 03 В 19/08, 2001 г.). Способ включает приготовление порошка стекла, в качестве которого используют стеклобой, синтезированное стекло, природное стекло или их смесь. Порошок стекла перемешивают с жидким стеклом при температуре 60-120°С при нормальном давлении или в автоклаве. Полученный продукт охлаждают до получения гранул. Гранулированную шихту подвергают двустадийной термообработке: сначала при температуре 200-300°С не более 15 минут, а затем при температуре 400-800°С также не более 15 минут.

Из патента RU, 2087432, кл. С 03 В 19/08, 1997 г., известен способ получения шихты для производства пеностекла, при котором стекло в порошкообразном виде и вспенивающий агент смешивают, после чего смесь нагревают до температуры вспенивания 765-960°С и охлаждают. Стекло обычно выбирают из группы, включающей отходы стекла, натриево-силикатное стекло, боросиликатное стекло, алюмосиликатное стекло и их смеси, а вспенивающий агент выбирают из группы, включающей карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, технический углерод, серу, доломит и их смеси. В полученную порошкообразную смесь вводят связующее и воду. Дополнительно в состав шихты можно вводить шлам пемзы в количества 25 мас.% от массы смеси.

Из патента US, 5516351, кл. С 03 В 19/06, 1996 г., известен способ получения шихты для производства пеностекла, включающий перемешивание измельченного стекла и пенообразователя заданного гранулометрического состава, в качестве которого используют карбонат кальция или сульфат кальция.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ получения шихты для производства пеностекла, включающий перемешивание стеклообразующего компонента и порошкообразных добавок, содержащих в том числе и газообразователь (US, 4198224, кл. С 03 В 19/08, 1980 г.). Шихту готовят из стекла, подлежащего утилизации, и газообразователя. Стекло и газообразователь, находящиеся в твердофазном состоянии, тщательно перемалывают и перемешивают в шаровой мельнице до среднего размера зерна 3-10 мкм. В известном способе помол компонентов осуществляют раздельно и в несколько стадий до достижения требуемой степени дисперсности. Полученную порошкообразную смесь затем спекают при температуре ниже температуры вспенивания, затем подвергают термообработке при температуре вспенивания до завершения процесса пенообразования, а затем охлаждают. Использование известной шихты позволяет получать качественное пеностекло, однако способ получения шихты связан с проблемой энерго- и трудоемкости операции варки стекла специального состава и помола. При этом перемешивание исходных компонентов проводят в состоянии твердой фазы, что не позволяет добиться высокой однородности распределения по объему шихты добавок, содержащих в том числе и газообразователь. Поскольку перемешивание компонентов происходит в состоянии твердой фазы, то даже высокая степень дисперсности порошка и длительность перемешивания не могут обеспечить требуемую степень уровня однородности, что на стадии термообработки шихты при температуре вспенивания не дает нужной степени гомогенности и однородности физико-химической структуры получаемого пеностекла. Кроме того, длительный помол и перемешивание, требующий больших трудо- и энергозатрат, сказывается на себестоимости пеностекла. Следует также отметить, что помол в металлических мельницах приводит к загрязнению шихты металлом шаров и футеровки, что в дальнейшем на стадии производства пеностекла нарушает условия порообразования. Производство качественного пеностекла требует, чтобы кроме специально вводимого газообразователя порошкообразная сырьевая смесь не содержала никаких веществ, при нагревании которых могли бы выделяться газы. Это требование накладывает ограничения на выбор подвергаемой вспениванию шихты.

В рамках данной заявки решается задача разработки такого способа получения шихты, который позволил бы производить пеностекло с высокими теплотехническими характеристиками, но с малой энергоемкостью производства. Кроме того, имеется потребность в повышении воспроизводимости структуры пеностекла с гомогенной мелкопористой структурой, содержащей поры закрытой формы. Имеется также необходимость в достижении равномерного распределения по объему пеностекла мелких пор закрытого характера.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения шихты для производства пеностекла, включающем перемешивание стеклообразующего компонента и добавок, содержащих в том числе углеродсодержащий газообразователь, в качестве стеклообразующего компонента используют водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия, а в качестве добавок используют химически активные по отношению к нему вещества, перемешивание осуществляют при температуре не выше 70°С, полученную вязкотекучую смесь термообрабатывают при температуре 450-550°С до получения обезвоженной композиции, а затем охлаждают до температуры окружающей среды и перемалывают в порошок.

Кроме того, содержание водного раствора силиката щелочного металла при перемешивании составляет 30-70 мас.%, а перемешивание водного раствора силиката с добавками осуществляют при температуре не выше 70°С, преимущественно при температуре окружающей среды. Обезвоженную композицию перемалывают в порошок с размером зерна не более 60-70 мкм, преимущественно 4-5 мкм.

В способе преимущественно используют водный раствор силиката щелочного металла плотностью 1,3-1,5 г/см³ с величиной силикатного модуля 2-3,5.

Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между такими характеристиками шихты, как использование при ее синтезе водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия, представляющего собой вязкотекучую жидкость, смешанную с добавками, измельчение обезвоженной после термообработки смеси до тонкодисперсного состояния и свойствами пеностекла. Вес получаемой массы шихты после термообработки составляет около 62-63% от массы исходных компонентов.

В данном способе получения шихты перемешивание исходных компонентов осуществляют не в твердом состоянии, а в водном растворе силиката щелочного металла, представляющем собой вязкотекучую жидкость и являющемся компонентом, обеспечивающим как однородность распределения порошкообразных добавок по объему шихты, так и протекание определенных физико-химических процессов при нагревании до температуры 450-550°С, связанных в том числе с обезвоживанием смеси и созданием предпосылок для последующего вспенивания смеси в порошкообразной форме. Перемешивание исходных компонентов смеси в состоянии жидкой фазы позволяет в дальнейшем получить равномерную по объему пеностекла структуру закрытых газонаполненных пор.

Авторами экспериментально были определены содержание водного раствора щелочного металла при перемешивании, температурные режимы на стадии перемешивания исходных компонентов и на стадии обработки полученной смеси до операции вспенивания исходя из условия получения пеностекла требуемой плотности, однородности при максимальной прочности, термо- и влагостойкости. Наиболее приемлемый силикатный модуль жидкого стекла составляет 2,0-3,5 при плотности раствора 1,3-1,5 г/см ³. Получаемое из данной шихты пеностекло имеет стойкость к атмосферным воздействиям, когда применяется во влажной окружающей среде.

Пример.

Сущность изобретения поясняется способом получения шихты. В качестве основного компонента используют 120 кг водного щелочного раствора силиката натрия, изготовленного на Рязанском заводе из трепела автоклавным или безавтоклавным методом гидротермального выщелачивания оксида кремнезема в щелочной среде при температуре 90°С. Водный раствор силиката натрия плотностью 1,9 г/см³ сначала перемешивают при температуре окружающей среды с добавками в виде тонкомолотого порошка стеклобоя, взятого в количестве 60 кг в течение 10-15 минут. Затем при перемешивании вязкотекучей композиции в него добавляют 30 кг углеродсодержащего газообразователя. В процессе перемешивания композиции происходит связывание свободной воды и щелочи, находящихся в жидком стекле и негативно влияющих на водорастворимость конечного продукта - пеностекла. Снижение вязкости получаемой композиции в процессе перемешивания и последующей термообработки свидетельствует о протекании реакций физико-химического взаимодействия ее компонентов. После перемешивания осуществляют термообработку полученной смеси серого цвета при температуре 480°С в течение 70-85 минут. При термообработке происходят физико-химические процессы, сопровождающиеся удалением свободной гидратной воды, после чего смесь приобретает темно-серый цвет. Вес охлажденной до температуры окружающей среды сырьевой смеси составляет около 60% от веса исходных компонентов. Затем осуществляют помол охлажденной смеси до величины зерна 15-20 мкм. Шихту, представляющую собой охлажденную после термообработки при температуре ниже температуры вспенивания до температуры окружающей среды и измельченную сырьевую смесь, засыпают в металлические формы, обработанные специальным составом, и термообрабатывают при температуре из диапазона 770-830°С. Термообработка сопровождается вспениванием порошкообразной шихты с образованием пеностекла.

В таблице приведены результаты его химического анализа в сравнении с пеностеклом "FOAMGLAS"", производства компании "Pittsburg Coming Еurоpе"(Бельгия).

Определяемый ингредиент	Метод определения	Пеностекло “FOAMGLAS” Массовая доля, %	Пеностекло Массовая доля, %
Fe2O3	Фотометрический	3,78	0,39
Al2O 3	Комплексонометрический	6,25	1,58
K 2O	Атомно-эмиссионный	1,91	0,14
Na 2O	Атомно-эмиссионный	12,67	18,10
СaО	Комплексонометрический	4,96	4,22
МgО	Комплексонометрический	4,44	2,39
SiO 2	Гравиметрический, фотометрический	63,45	72,23

Изобретение может быть использовано при получении шихты, которая может находить применение в качестве недорогого исходного материала для производства пеностекла с воспроизводимой гомогенной мелкопористой структурой. Это приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая способность получения пеностекла с высокими теплотехническими характеристиками, но с малой энергоемкостью производства.