способ получения пеностекла

Формула изобретения

Способ получения пеностекла, включающий предварительную термообработку при температуре ниже температуры вспенивания исходной смеси, получаемой из порошка стеклобоя, углеродсодержащего газообразователя и водного раствора силиката натрия и/или калия, нагрев до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение, отличающийся тем, что исходную смесь получают при температуре не выше 70°С путем последовательного перемешивания водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия, порошка стеклобоя и углеродсодержащего газообразователя, затем смесь обрабатывают при температуре 450-550°С до полного удаления воды, в том числе и химически связанной, полученный продукт после охлаждения измельчают, а затем нагревают до температуры вспенивания из диапазона 750-830°С, при этом ингредиенты при получении исходной смеси выбирают в соотношении, мас.%:

Водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия 30-70

Порошок несортированного стеклобоя 25-65

Углеродсодержащий газообразователь 4-9.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности, в частности касается производства блочного пеностекла, применяемого в качестве эффективного теплоизолирующего материала в различных строительных конструкциях, и может быть применено при получении пеностекла из переработанного боя стекла безотносительно к его химическому составу.

Среди строительных материалов с хорошими тепло- и звукоизоляционными характеристиками пеностекло отличается малым объемным весом, низкой теплопроводностью и высоким звукопоглощением; это негорючий, теплостойкий, высокотермостойкий и химически устойчивый материал. Пеностекло представляет собой легкий пористый материал, получаемый путем спекания и вспенивания при высоких температурах смеси порошкообразного исходного стекла или других стеклообразных материалов с газообразователями (тонкоизмельченными известняком, мелом, сажей, коксом).

Пеностекло можно получать многими способами при использовании композиций на основе различного стекла и вспенивающих агентов. Стеклопорошок получают либо из специально сваренных стекломасс, либо из боя оконного, тарного, оптического и других стекол. Традиционная технология производства пеностекла включает варку стекла специального состава, его помол с газообразователем для получения тонкодисперсной шихты, вспенивание формованной шихты в процессе отжига при температуре не менее 700°С (US, 4192664, кл. С 03 В 19/00, 1980 г., US, 3403990, кл. 65-22, 1968 г.). Стекло обычно используют в порошкообразном виде. Применение известной технологии позволяет получать пеностекло достаточно высокого качества с однородной структурой, обеспечивающей его эксплуатационную стабильность, однако пеностекло имеет высокую себестоимость за счет высокой трудоемкости операции получения стекла требуемого состава.

Известно, что для получения пеностекла с постоянными физическими свойствами (объемной массой меньше 280 кг/м³, водопоглощением меньше 5% и относительно упорядоченной структурой) разработаны технологии применительно к исходному стеклу строго определенного состава. Именно поэтому выбор исходного сырья имеет большое значение. Сырье для получения пеностекла должно быть пригодным с учетом себестоимости его производства, для чего уделяется внимание к времени и температуре вспенивания.

В патенте US, 4198224, кл. С 03 В 19/08, 1980 г. раскрыт способ получения пеностекла из стеклобоя, включающий нагрев порошкообразной шихты до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение. Пеностекло, производимое фирмой Pittsburgh Corning Corporation, получают из тонкодисперсного порошка стекла и газообразователя. Шихту для производства пеностекла готовят из стекла, подлежащего утилизации (так называемого стеклобоя), и газообразователя. Стекло строго определенного состава и газообразователь, находящиеся в твердой фазе, тщательно перемалывают и перемешивают в шаровой мельнице до среднего размера зерна 3-10 мкм. При этом помол компонентов осуществляют раздельно и в несколько стадий: сначала осуществляют раздельный помол стекла и газообразователя, затем проводят их совместный помол. Перемешивание тонкодисперсных компонентов сырьевой смеси осуществляют в твердой фазе. Полученную порошкообразную смесь затем спекают в два этапа при температуре ниже температуры вспенивания, а затем охлаждают. К сожалению, известный способ осложнен тем, что он также связан с проблемой перемешивания исходных компонентов в состоянии твердой фазы, что не обеспечивает их высокого уровня однородности распределения в объеме смеси. Кроме того, помол в металлических мельницах приводит к загрязнению смеси металлом шаров и футеровки, что, как уже указывалось выше, в дальнейшем нарушает условия порообразования на стадии производства пеностекла. К сожалению, в условиях резкого подъема цен на энергоносители использование известной порошкообразной шихты и способа ее получения приводит к удорожанию пеностекла. Это требование налагает ограничения на выбор подвергаемой вспениванию композиции.

Из патента RU, 2109700, кл. С 03 С 11/00, 1998 г. известна технология изготовления гранулированного пеностекла на основе стекольных отходов путем приготовления порошкообразной шихты из стекольного боя и газообразователя. В документе WO 00/61512, С 03 С 11/00, 2000 г. раскрыт способ получения гранулированного пеностекла с использованием отходов стекла с одно- или двухстадийной обработкой гранулята при температуре 200-300°С или 400-800°С в течение времени не более 15 минут.

Жидкое стекло достаточно широко известно как добавка при производстве гранулированного пеностекла, необходимая в качестве связующего для гранул (например, DE, 2010263, С 03 С 11/00, 1979 г.). В патенте RU, 2162825, кл. С 03 С 11/00, 2001 г., раскрыт способ изготовления пеностекла из разобранного стеклобоя определенного состава, включающий приготовление шихты путем совместного помола стеклобоя и карбонатного газообразователя, гранулирование шихты с орошением ее водным раствором растворимого стекла, сушку гранул и термообработку при температуре вспенивания 780-820°С с последующим отжигом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному способу является способ получения пеностекла, включающий предварительную термообработку при температуре ниже температуры вспенивания исходной смеси, получаемой из тонкодисперсного порошка стеклобоя, углеродсодержащего компонента и силиката натрия, нагрев смеси до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение (RU, 2187473, кл. С 03 В 19/08, 2000 г.). Известный способ позволяет получать качественное блочное пеностекло на основе щелочных алюмосиликатных стеклообразных отходов. В известном способе смешивают диспергируемый стеклобой и вспенивающую смесь, содержащую кремнезем, углеродсодержащий компонент, сульфат металла и жидкое натриевое стекло в количестве 0,5-5,0 мас.%. Затем полученную смесь сначала спекают, затем вспенивают при температуре 790-860°С и проводят закалку и отжиг. Вспенивающую добавку готовят путем перемешивания кремнезема, жидкого стекла в сухом либо смоченном водой состоянии, сажи, сульфата и борной кислоты. Полученную смесь подвергают грануляции в присутствии жидкого стекла для улучшения собирания материала в гранулы. Для улучшения грануляции материала смесь увлажняют, если жидкое стекло вводится сухим порошком. Заполняют металлические формы гранулированным материалом и направляют в печь для спекания, вспенивания и отжига. Получаемое по известной технологии пеностекло характеризуется высокой себестоимостью, связанной с необходимостью долгого и достаточно сложного механического перемешивания компонентов до очень равномерного распределения частиц пенообразователя в стеклопорошке. Кроме того, помол в металлических мельницах приводит к загрязнению шихты металлом шаров и футеровки, что в дальнейшем нарушает условия порообразования в спекаемой шихте. Это в свою очередь сказывается на устойчивости, равномерности и воспроизводимости структуры закрытых пор пеностекла. Коэффициент однородности такого пеностекла не достаточно высокий. Технологические режимы известного способа отработаны применительно к конкретному составу стеклобоя, что делает их неприемлемыми при использовании стеклобоя произвольного состава. Нестабильность и сложность состава стеклобоя, обусловленные зависимостью от функционального назначения произведенного технического стекла, состава исходных ингредиентов, а также режимов его варки, приводят и к нестабильности качеств производимого из него пеностекла.

В рамках данной заявки решается задача расширения сырьевой базы и разработки такой технологии, которая позволила бы производить пеностекло безотносительно к химическому составу стеклобоя, т.е. из несортированного стеклобоя, и с малой энергоемкостью производства. Имеется потребность в разработке способа получения пеностекла с использованием различных по химическому составу типов технических стекол - бой оконного, тарного, химическая посуда и их смеси в различных пропорциях по отношению друг к другу. Кроме того, решается задача повышения воспроизводимости структуры пеностекла с гомогенной мелкопористой структурой, содержащей поры замкнутой формы.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения пеностекла, включающем предварительную термообработку при температуре ниже температуры вспенивания исходной смеси, полученной из порошка стеклобоя, углеродсодержащего компонента и силиката натрия, нагрев до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение, исходную смесь получают при температуре не выше 70°С путем последовательного перемешивания водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия, порошка стеклобоя и углеродсодержащего компонента, затем смесь обрабатывают при температуре 450-550°С до обезвоженного состояния, полученный продукт термообработки после охлаждения измельчают, а затем нагревают до температуры вспенивания из диапазона 750-830°С, при этом ингредиенты при получении исходной смеси выбирают в соотношении, мас.%:

водный раствор силиката натрия и/или калия 30-70

порошок несортированного стеклобоя 25-65

углеродсодержащий газообразователь 4-9.

Поскольку несортированный стеклобой, т.е. искусственные технические стекла, представляют собой системы, содержащие различные оксиды, то процесс взаимодействия водного раствора щелочного металла и неразобранного стеклобоя потребовал изучения его термодинамических режимов. Данные оптимальные соотношения ингредиентов и температурные режимы были установлены авторами экспериментально на основе изучения термодинамики процесса синтеза исходной смеси на базе водного раствора щелочного металла и несортированного стеклобоя, т.е. стеклобоя произвольного химического состава. Растворенный в воде до определенной концентрации силикат натрия и/или калия представляет собой щелочной раствор, который необходим для протекания необходимых физико-химических процессов, сопровождающих его взаимодействие с оксидами стеклобоя безотносительно к их составу, включая содержание в стекле щелочных оксидов.

Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между физико-химическими свойствами пеностекла, термодинамическими режимами получения сырьевой смеси, включая состав исходных ингредиентов и температуру ее получения, последовательностью смешения ингредиентов и режимами ее термообработки. При отсутствии общеизвестных закономерностей физико-химического состояния вещества после его обработки при температуре вспенивания и исходным составом при получении сырьевой смеси авторами экспериментально были найдены те оптимальные значения содержания водного раствора силиката щелочного металла, порошка стеклобоя и углеродсодержащего газообразователя, которые позволяют после их последовательного перемешивания и последующей обработки при температуре из диапазона 450-550°С получить требуемые параметры пеностекла. Наиболее приемлемый силикатный модуль водного раствора силиката щелочного металла составляет 2-3,5 при плотности раствора 1,3-1,5 г/см³.

В данном способе получения пеностекла перемешивание силиката щелочного металла, порошка технического стекла произвольного химического состава и углеродсодержащего газообразователя осуществляют не в твердом состоянии, а в водном растворе силиката щелочного металла, представляющем собой вязкотекучую жидкость с водородным показателем среды рН>7 и являющемся таким компонентом, который обеспечивает как однородность распределения порошкообразных добавок по объему шихты, так и протекание необходимых физико-химических процессов при перемешивании, а затем при нагревании до температуры 450-550°С, связанных, в том числе, с обезвоживанием смеси и удалением химически связанной воды. Перемешивание исходных компонент смеси в состоянии жидкой фазы без предварительного нагрева при температуре не выше 70°С позволяет в дальнейшем получить равномерную по объему пеностекла структуру закрытых газонаполненных пор при низкой энергоемкости производства безотносительно к химическому составу технического стекла.

Пример

Сущность изобретения поясняется способом получения пеностекла. Исходную смесь готовят из следующих компонентов. В качестве стеклообразующего компонента используют 150 кг коммерчески доступного, т.е. имеющегося в продаже водного щелочного раствора силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1), изготовленного на Рязанском заводе из трепела автоклавным или безавтоклавным методом гидротермального выщелачивания оксида кремнезема в щелочной среде (рН>7) при температуре 90-100°С. Водный раствор силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1) при температуре окружающей среды сначала перемешивают в течение 10-15 минут с тонкомолотым порошком нерассортированного, неразобранного стеклобоя разных марок и химического состава, взятого в количестве 65 кг. Данный стеклобой готовят из боя оконного, тарного любого цвета и химической посуды в произвольных пропорциях по отношению друг к другу. Затем в процессе перемешивания полученной вязкотекучей композиции в нее добавляют 20 кг углеродсодержащего газообразователя. В процессе перемешивания композиции происходит связывание свободной воды и щелочи, негативно влияющих на водорастворимость конечного продукта - пеностекла. Полученная смесь имеет серый цвет. После перемешивания всех компонент сырьевой смеси проводят ее термообработку при температуре 530°С в течение 65 минут. При термообработке происходят дальнейшие физико-химические процессы, сопровождающиеся удалением свободной гидратной и химически связанной воды и увеличением вязкости смеси, после чего она приобретает темно-серый цвет. Вес охлажденной до температуры окружающей среды сырьевой смеси составляет около 60% от веса исходных компонент. Затем осуществляют помол смеси до величины зерна 15-20 мкм. Измельченную сырьевую смесь засыпают в металлические формы, обработанные специальным составом, и термообрабатывают при температуре вспенивания 780°С не менее 90 минут.

В таблице 1 приведены результаты сравнительных испытаний пеностекла, получаемого по данной технологии, в сравнении с пеностеклом "FOAMGLAS"^R производства компании Pittsburgh Corning Europe (Бельгия).

Табл.1
Наименование показателей	Результаты испытаний данного пеностекла	Результаты испытаний пеностекла "FOAMGLAS R
Кажущаяся плотность, кг/м3	218-188	253-226
Коэффициент теплопроводности, Вт/м К	0,062-0,065	0,072-0,082
Коэффициент теплоемкости, кДж/кгК	0,80-0,81	0,84-0,89
Гигроскопичность, мас.%	0,3-0,5	0,3-0,2
Потеря массы после кипячения в воде в течение 3 часов, %	0	0
Водопоглощение, %	1,2-1,00	0,7-0,68
Прочность при сжатии при 10% линейной деформации, кг/см2	1,61-2,7	1,83-2,23
	(16,1-27)	(18,3-22,3)
Горючесть	не горит	не горит

Сравнительный анализ результатов испытаний данного пеностекла и пеностекла FOAMGLAS^R показывает значительное совпадение в свойствах между ними.

Изобретение может быть использовано при получении пеностекла с воспроизводимой мелкопористой структурой из стеклобоя произвольного химического состава. Изобретение предусматривает использование водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и химически активных к нему добавок, одной из которых является порошок стеклобоя произвольного химического состава, позволяющих получать после их перемешивания с углеродсодержащим газообразователем и термообработки при температуре 450-550°С обезвоженную композицию, пригодную для получения пеностекла с высокими теплотехническими характеристиками, но с малой энергоемкостью производства за счет исключения варки специального по химическому составу стекла при высоких температурах.