неорганический бинарный гранулированный пеноматериал и способ его получения
Классы МПК: | C04B38/00 Пористые строительные растворы, бетон, искусственные камни или керамические изделия; получение их C03C11/00 Пеностекло C03B19/08 вспениванием |
Автор(ы): | Куликов Юрий Андреевич (RU), Никонов Сергей Юрьевич (RU), Андреевская Людмила Васильевна (RU), Крюковский Виктор Борисович (RU) |
Патентообладатель(и): | ООО "Научно-производственное объединение "Трансполимер" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-07-26 публикация патента:
20.01.2009 |
Изобретение относится к неорганическому бинарнону гранулированному пеноматериалу НБГП и способу его получения. Технический результат - создание НБГП низкой плотности, высокой паропроницаемости. Способ получения НБГП включает получение «Компонента А» интенсивным последовательным смешиванием при температуре 92-98°С следующих компонентов, мас.ч.: воды 27,0 и натриевой щелочи сухой 1,4 или воды 9,0 и 40%-ного водного раствора натриевой щелочи 19,0 с трепелом, 11,6-12,0 и далее с жидким натриевым стеклом 60, «Компонента Б» интенсивным последовательным смешиванием при температуре 92-98°С следующих компонентов, мас.ч.: воды 42,4 и натриевой щелочи сухой 28,0 или 40%-ного водного раствора натриевой щелочи 70,4 с порошкообразной гидроокисью алюминия 29,6, синтез и гранулирование двухкомпонентной гелеобразной системы путем интенсивного смешивания «Компонента А» и «Компонента Б» в соотношении 100:(18-25) по объему, выдавливания полученного геля в виде жгутов, опудривания жгутов трепелом и/или тальком, каолином, тонкомолотым стеклобоем, песком, образование гранул нарезкой жгутов и их обкаткой в галтовочном барабане, вспенивание полученных гранул тепловым способом путем интенсивного нагрева и выдержки при температуре от 380 до 800°С, которую устанавливают исходя из требуемой плотности вспененных гранул. НБГП получен указанным выше способом. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.
Формула изобретения
1. Способ получения неорганического бинарного гранулированного пеноматериала включает получение «Компонента А» интенсивным последовательным смешиванием при температуре 92-98°С следующих компонентов, мас.ч.: воды 27,0 и натриевой щелочи сухой 1,4 или воды 9,0 и 40%-ного водного раствора натриевой щелочи 19,0 с трепелом 11,6-12,0 и далее с жидким натриевым стеклом 60; «Компонента Б» интенсивным последовательным смешиванием при температуре 92-98°С следующих компонентов, мас.ч.: воды 42,4 и натриевой щелочи сухой 28,0 или 40%-ного водного раствора натриевой щелочи 70,4 с порошкообразной гидроокисью алюминия 29,6, синтез и гранулирование двухкомпонентной гелеобразной системы путем интенсивного смешивания «Компонента А» и «Компонента Б» в соотношении 100:(18-25) по объему, выдавливания полученного геля в виде жгутов, опудривания жгутов трепелом и/или тальком, каолином, тонкомолотым стеклобоем, песком, образование гранул нарезкой жгутов и их обкаткой в галтовочном барабане, вспенивание полученных гранул тепловым способом путем интенсивного нагрева и выдержки при температуре от 380 до 800°С, которую устанавливают, исходя из требуемой плотности вспененных гранул.
2. Неорганический бинарный гранулированный пеноматериал, который содержит двойную аморфно-кристаллическую физико-химическую структуру, характеризующийся смешанной закрыто-открытоячеистой структурой и низкой плотностью, полученный способом по п.1.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к созданию неорганического бинарного гранулированного пеноматериала (далее для краткости - НБГП), к способу его получения на основе доступного силикатсодержащего минерального сырья и к способу использования НБГП современными технологиями переработки, использования в качестве теплозвукоогнезащитного средства в строительных и технических конструкциях, а также как наполнителя реакционных, в том числе вспенивающихся, систем для получения материалов и изделий с широким диапазоном эксплуатационных свойств и доступных широкому кругу потребителей, благодаря невысокой стоимости.
Поскольку заявляемый НБГП включает в себя одновременно две физико-химические структуры и эксплуатационные показатели, присущие в отдельности пеностеклу и пеноекрамике (керамзиту) отметим, что и тот и другой известный неорганический гранулированный пеноматериал (далее для краткости - НГП) находят промышленное применение в строительстве и технике благодаря относительной дешевизне, доступности сырьевой базы, биостойкости, длительном сроке службы и высоких теплозвукоогнезащитных свойств, экологической безопасности.
Вместе с тем, дальнейшему расширению сферы использования известных НПГ, повышению их конкуретноспособности на рынке неорганических гранулированных пеноматериалов мешают присущие им недостатки:
- относительно высокая плотность (не менее 100-140 кг/м3, малый диапазон гранулометрического состава - так для пеноперлита он равен 1,5 мм, для керамзита и пеностекла он равен 5-20 мм);
- указанные известные НГП не обладают свойством паропроницаемости, требуют использования специальных органических вспенивателей, ограничены в использовании современных методов переработки, требуют больших энергетических затрат.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В литературе и промышленной практике не известны неорганические бинарные гранулированные пеноматериалы, сочетающие в себе двойную аморфно-кристаллическую физико-химическую структуру и такие их эксплуатационные свойства, как смешанная открыто/закрыто пористость, практическая паропроницаемость, малая плотность вне зависимости от размера гранул от 0,2 мм до 20 мм и более, возможность использования для их применения всех современных методов переработки, простота технологии изготовления и ее высокая воспроизводимость. Известные НГП, такие как пеностекла (патенты РФ №№2255057, 2255058, 02255059, 02272005, 2087447, 2096376, 2064910) и керамзит не обладают такими структурами и свойствами.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание неорганического гранулированного пеноматериала, который унаследовал бы положительные качества, присущие двум типам известных неорганических гранулированных пеноматериалов - пеностеклу и пенокерамике, и одновременно получал новое качество:
а) низкую плотность, равную от 25 кг/м3 ;
б) возможность технологического регулирования плотности в пределах от 25 кг/м3 до 140 кг/м 3 и более;
в) возможность технологического регулирования размеров вспененных гранул в пределах от 0,2 мм до 20 мм и более (по среднему диаметру сферических гранул);
г) высокую паропронициемость, обусловленную определенным сочетанием открытых и закрытых пор;
д) упрощение технологии производства, исключение использования каких-либо органических добавок (порофоров);
е) возможность применения для переработки современных технологических достижений.
По изобретению способ получения неорганического бинарного гранулированного пеноматериала включает получение:
«Компонента А» интенсивным последовательным смешиванием при температуре 92-98°C следующих компонентов, мас.ч.: воды 27,0 и натриевой щелочи сухой 1,4 (рецептура 1) или воды 9,0 и 40%-ного водного раствора натриевой щелочи 19,0 (рецептура 2) с трепелом 11,6-12,0 и далее с жидким натриевым стеклом 60,
«Компонента Б» интенсивным последовательным смешиванием при температуре 92-980C следующих компонентов, мас.ч.: воды 42,4 и натриевой щелочи сухой 28,0 (рецептура 1) или 40%-ного водного раствора натриевой щелочи 70,4 (рецептура 2) с порошкообразной гидроокисью алюминия 29,6,
синтез и гранулирование двухкомпонентной гелеобразной системы путем интенсивного смешивания «Компонента А» и «Компонента Б» в соотношении 100:(18-25) по объему, выдавливания полученного геля в виде жгутов, опудривания жгутов трепелом и/или тальком, каолином, тонкомолотым стеклобоем, песком, образование гранул нарезкой жгутов и их обкаткой в галтовочном барабане,
вспенивание полученных гранул тепловым способом путем интенсивного нагрева и выдержки при температуре от 380 до 800 0 С, которую устанавливают исходя из требуемой плотности вспененных гранул
По изобретению неорганический бинарный гранулированный пеноматериал, полученный указанным выше способом, содержит двойную аморфно-кристаллическую физико-химическую структуру, характеризуется закрыто-открытоячеистой структурой и низкой плотностью.
НБГП сочетает в себе двойную аморфно-кристаллическую физико-химическую структуру, образованную взаимодействием двух начал - кремнийсодержащего компонента - «Компонента А» и алюмосодержащего компонента - «Компонента Б», и характеризуется смешанной открыто-закрытоячеистой структурой и низкой плотностью, равной от 25 кг/м3 .
Способ получения НБГП включает в себя нижеследующие технологические операции и режимы их осуществления:
а) Вначале синтезируют оригинальную систему, состоящую из «Компонента-А» и «Компонента-Б». При этом «Компонент-А» получают путем интенсивного (число оборотов дисковой мешалки составляет до 6000 об/мин) последовательного смешивания при температуре, например, 95о С и атмосферном давлении нижеследующих компонентов указанных выше компонентов по рецептурам 1 или 2. «Компонент Б» получают путем интенсивного (число оборотов дисковой мешалки до 6000 об/мин) последовательного смешивания при температуре 95±3°C и атмосферном давлении указанных выше компонентов по рецептурам 1 или 2.
б) Синтез и гранулирование гелеобразной системы (массы) путем интенсивного (число оборотов дисковой мешалки от 1500 об/мин) смешивания, в соотношении 100:(18-25) по объему, «Компонента-А» и «Компонента-Б»; загеливание композиции в течение 120-240 сек; формование полученного геля в виде жгутов или таблеток диаметром от 0,2 до 10 мм (смотри таблицу 1); опудривание трепелом; образование гранул нарезкой жгутов и их обкаткой в галтовочном барабане, где образуются сферические гранулы-заготовки.
в) Гранулы-заготовки вспениваются тепловым способом путем интенсивного нагрева при температуре от 380 до 800°С, которую устанавливают в зависимости от требуемой плотности вспененных гранул НБГП, так, например, для получения плотности 25 кг/м 3 устанавливают температуру 800оС. Вспенивание можно проводить в электрической, газовой или СВЧ-печах горизонтального, наклонного или вертикального типов.
Благодаря достигнутым свойствам и показателям полученных гранул НБГП, их использование и переработку стало возможным проводить нижеследующими методами:
а) засыпку вспененных гранул неорганического бинарного пеноматериала в полости изолируемых сторительных и технических конструкций, исходя из требуемого коэффициента сопротивления теплозвукопередаче устанавливают гранулометрический состав засыпки (плотность гранул - от 25 до 140 кг/м и их размер - от 0,2 до 20 и более мм).
б) засыпку вспененных гранул неорганического бинарного пеноматериала в форму, в том числе, непрерывно движущуюся, и их (гранулы) заливку или напыление (опыление) или обрызгивание отверждающимся, в том числе вспенивающимся, связующим, устанавливая гранулометрический состав засыпки (плотность, размер гранул и их количество в единице объема формы), исходя из требуемых физико-механических и теплозвукофизических свойств производимого изделия, и/или
в) замешивание вспененных гранул неорганического бинарного пеноматериала с отверждающимся, в том числе вспенивающимся связующим и образование заливочной, напыляемой или набрызгиваемой системы (смеси) и последующее ее использование, исходя из заданных свойств получаемых изделий. В рамках заявленных технических решений:
- в качестве тонкодисперсного силикатного минерального сырья можно использовать известные минералы, содержащие аморфный кремнезем. Вместе с тем, по экономическим соображениям и данным проведенных исследований наиболее предпочтительным является использование трепела месторождений Владимирской области (ст.Желдыбино Кольчугинского района), который требуют лишь некоторой подготовки (дробление, подсушка и рассев на сите 008) для активации взаимодействия с указанными в рецептурах 1 и 2 компонентами;
- в качестве жидкого натриевого стекла можно использовать состав с силикатным модулем 2,0-3,5 и плотностью 1,3-1,5, что отвечает ГОСТ 13078-81;
- в качестве гидроокиси алюминия используют порошкообразный продукт, соответствующий ГОСТ 11841-76;
- в качестве отверждающегося связующего, когда производят в него замешивание НБГП с образованием заливочной (или напыляемой, или набрызгиваемой) массы, можно использовать известные реакционные (высокореакционные - в случае напыления) жидкие, в том числе вспенивающиеся, системы, как органического, так и неорганического типа. Среди них - олигомерные композиции, в том числе, многокомпонентные: полиуретановые, эпоксидные, феноло-формальдегидные, карбамидные. Можно использовать, и это предпочтительно, неорганические связующие типа цемента, извести, их смесей, бетонов а также пористых материалов на основе ферросилиция, алюмосиликата кальция и жидкого натриевого стекла. Последние образуют пористое неорганическое связующее малой плотности в результате смешивания нижеследующих компонентов (мас.ч.):
- ферросилиций с содержанием кремнезема 30-70% (ГОСТ 50422-92) | - 22-25 |
- едкий натрий (сухой) | - 10-20 |
- алюмосиликат кальция (ГОСТ 19607-80) | - 12-17 |
- жидкое натриевое стекло (ГОСТ 13078-81) - на сухой кремнезем | - 21-23 |
- кремнефтористый натрий (ГОСТ 87-77) | - 5-7 |
В результате осуществления изобретения получают НГБП, имеющий высокие эксплуатационные и технологические показатели:
- плотность, кг/м3 | от 25 до 200 |
- размер гранул (средний диаметр), мм | от 0,2 до 20 |
- паропроницаемость (диффузия паров воды), см2/сек | от 0,100 до 0,198 |
- водостойкость при кипячении, мин | от 5 до 10 |
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
На чертеже приведена возможная технологическая схема опытно-промышленной установки по производству заявляемого НБГП с использованием трепела.
1 - приемный бункер трепела,
2 - молотковая дробилка,
3 - сушильный шкаф,
4 - вибросито для отсева фракции на сите 008,
5 - емкость-мерник для р-ра натриевой щелочи,
6 - емкость-мерник для натриевого жидкого стекла,
7 - автоклав для синтеза «Компонента А»,
8 - емкость для хранения «Компонента А»,
9 - емкость-мерник для водного раствора натриевой щелочи,
10 - бункер-питатель для порошкообразной гидроокиси алюминия,
11 - автоклав для синтеза «Компонента Б»,
12 - емкость для хранения «Компонента Б»,
13 - кассеты для гелеобразования и выдавливания жгутов,
14 - вибропитатель для трепела,
15 - транспортер для жгутов,
16 - резка жгутов,
17 - галтовочный барабан,
18 - печь для вспенивания гранул (электрическая, газовая или СВЧ).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для осуществления изобретения в опытном и опытно-промышленном масштабе по технологической схеме, приведенной на фиг.1, имеются все необходимые материалы, компоненты и основное оборудование.
Проведенные экспериментальные работы и исследования показали достаточную воспроизводимость положительных свойств получаемого НВГП на основе трепела Владимирского месторождения.
На чертеже приведена возможная технологическая схема опытно-промышленного производства НБГП с использованием трепела производительностью до 2 м/час. Основные узлы этой схемы прошли опытную проверку в ходе наработки опытных образцов с осуществлением примеров по изобретению способа получения НБГП и его использования в составе заливочной композиции на основе ферросилиция, известково-цементного молочка и фенолоформальдегидного пенопласта типа АРП.
Ниже приводятся конкретные примеры по осуществлению изобретения в опытном масштабе.
Исходное силикатное сырье - трепел получали из Владимирского карьера (ст.Желдыбино Кольчугинского района), дробили на молотковой дробилки, подсушивали в сушильном шкафу при температуре 60-80°С и с помощью вибросита отбирали рабочую фракцию на сите 008.
Получение «Компонента А» проводили по двум указанным выше рецептурам в автоклаве объемом 120 литров с дисковой мешалкой (число оборотов 3000 об/мин) при атмосферном давлении и температуре 92-98°С.
Получение «Компонента Б» проводили также по двум указанным рецептурам в том же автоклаве также при атмосферном давлении и температуре 95±3°С.
Получение гелеобразной массы проводили в капсуле объемом 40 литров с дисковой мешалкой с числом оборотов 3000 об/мин. Капсула снабжена дюзой с диаметром отверстий 8 мм и поршнем. Выдавливание геля проводили на движущийся транспортер с одновременным опудриванием и разделением жгутов на гранулы длиной до 10 мм. Гранулы опудренные трепелом помещали в галтовочный барабан (диаметр 200 мм с числом оборотов барабана 20 об/мин), где они через 30 с приобретали округлую форму. Меняя формовочную дюзу получали гранулы размером от 0,2 до 20 мм.
Полученные гранулы вспенивали в муфельной печи при температуре 380, 400, 500 и 600°С.
Заливочные композиции на основе полученных опытных образцов НБГП и связующих осуществляли в емкости с лопастной мешалкой (число оборотов до 3000 об/мин). Из полученных систем в деревянной форме емкостью 20 литров получали бинарный пеноматериал с высокими эксплуатационными показателями.
Данные экспериментов и показатели полученных продуктов приведены в Таблице №1.
Как можно видеть из данных Таблицы №1, в соответствии с изобретением получены репрезентативные образцы заявляемого НБГП и заливочного пеноматериала на его основе, воспроизводимо показывающие высокие эксплуатационные показатели.
Таблица №1 | |||||||
Данные экспериментов и показатели полученных продуктов - НБГП и заливочных пеноматериалов на их основе. | |||||||
Наименование показателей и единицы измерения. | Примеры | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
1. Получение «Компонента А», состав рецептур: | |||||||
- вода, мас.частей (м.ч.) | 27,0 | 9,0 | 27,0 | 27,0 | 27,0 | 9,0 | |
- натриевая щелочь (сухая), м.ч. | 1,4 | - | 1,4 | 1,4 | 1,4 | - | |
- 40% водный раствор натриевой щелочи, м.ч. | - | 19,0 | - | - | - | 19,0 | |
- жидкое натриевое стекло, м.ч. | 60,0 | 60,0 | 60,0 | 60,0 | 60,0 | 60,0 | |
- трепел (силикатный минерал) м.ч. | 11,6 | 12,0 | 11,6 | 11,6 | 11,6 | 12,0 | |
2. Показатели свойств «Компонента А»: | |||||||
- плотность, кг/м3 | 1243 | 1234 | 1225 | 1259 | 1243 | 1234 | |
- вязкость, сП | 1,3 | 1,23 | 1,2 | 1,38 | 1,31 | 1,23 | |
3. Получение «Компонента Б», состав рецептур: | |||||||
- вода, м.ч. | 42,4 | - | 42,4 | 42,4 | 42,4 | - | |
- натриевая щелочь (сухая) м.ч. | 28,0 | - | 28,0 | 28,0 | 28,0 | - | |
- 40% раствор натриевой щелочи, м.ч. | - | 70,4 | - | - | - | 70,4 | |
- гидроокись алюминия (порошок), м.ч. | 29,6 | 29,6 | 29,6 | 29,6 | 29,6 | 29,6 | |
4. Показатели свойств «Компонента Б»: | |||||||
- плотность, кг/м3 | 1185 | 1185 | 1185 | 1152 | 1154 | 1192 | |
- вязкость, сП | 1,2 | 1,2 | 1,2 | 1,12 | 1,18 | 1,32 | |
5. Получение гелеобразного продукта: | |||||||
- соотношение компонентов А:Б | 4:1 | 4:1 | 4:1 | 4:1 | 4:1 | 4:1 | |
- время загеливания, с | 120 | 120 | 120 | 120 | 120 | 240 | |
6. Получение гранул-заготовок (выдавливание жгутов, резка, опудривание трепелом, или тальком, коалином, песком, обкатка в галтовочном барабане): | |||||||
- время получения, мин | 10 | 8 | 10 | 10 | 10 | 12 | |
7. Показатели свойств гранул-заготовок: | |||||||
- плотность, кг/м3 | 1200 | 1250 | 1200 | 1113 | 1116 | 1285 | |
- средний диаметр гранул, мм | 5-8 | 3-10 | 4-8 | 4-8 | 2-9 | 2-9 | |
8. Вспенивание гранул-заготовок в муфельной печи: | |||||||
- температура вспенивания, оС | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 400 | |
9. Показатели свойств гранул НБГП: | |||||||
- насыпная плотность, кг/м 3 | 25 | 75 | 80 | 140 | 200 | 50 | |
- средний диаметр гранул, мм - прочность на сжатие в цилиндре, кгс/см 2 | 10-16 | 6-20 | 5-14 | 7-12 | 4-13 | 4-20 | |
1,2 | 2,5 | 2,7 | 3,4 | 4,6 | 3,5 | ||
- водостойк. при кипячении, мин | 5 | 6 | 8 | 10 | 15 | 12 | |
- коэффициент теплопроводности, Вт/м· оС | 0,035 | 0,040 | 0,045 | 0,048 | 0,052 | 0,038 | |
10. Получение заливочной системы на | |||||||
основе НБГП и связующего: | |||||||
- количество введенных гранул, об.% | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | |
- количество связующего: | |||||||
- на основе ферросилиция, об.% | 40 | 40 | - | - | - | - | |
- на основе ФРП-1 (пена), об.% | - | - | 40 | 40 | - | - | |
- на основе известково-цементного молочка, об.% | - | - | - | - | 0,5 | 0,5 | |
11. Показатели свойств полученных пеноматериалов: | |||||||
- плотность, кг/м 3 | 95 | 126 | 80 | 116 | 250 | 90 | |
- прочность на сжатие, кгс/см2 | 1.2 | 2.8 | 2.5 | 2.6 | 4.8 | 1.1 | |
- коэффициент теплопроводности, Вт/м· оС | 0,045 | 0,048 | 0,043 | 0,046 | 0,052 | 0,040 | |
- паропроницаемость (диффузия паров воды), см 2/с | 0,198 | 0,198 | 0,198 | 0,198 | 0,198 | 0,198 | |
- горючесть, класс | НГ | НГ | Г-1 | Г-1 | НГ | НГ |
Класс C04B38/00 Пористые строительные растворы, бетон, искусственные камни или керамические изделия; получение их