способ получения гранулированного теплоизоляционного материала

Формула изобретения

Способ получения гранулированного теплоизоляционного материала для строительных изделий, включающий перемешивание аморфного кремнезема с дисперсностью 1-100 мкм с кремнеземсодержащим сыпучим наполнителем, таким, как песок с дисперсностью 5-70 мкм, в течение 3-10 мин до получения однородной сыпучей массы, введение в сухую сыпучую массу щелочесодержащего компонента, предварительно разбавленного водой либо в виде кремнеземсодержащего вяжущего с плотностью 1,5-1,7 г/см³ при соотношении его от 1:1 до 4:1, либо в виде водного раствора едкого натра или каустической соды при соотношении от 1:0,2 до 1:0,5, перемешивание сухой сыпучей массы с этим щелочесодержащим компонентом в течение 3-5 мин до получения однородной пастообразной массы, продавливание этой массы через фильеры диаметром 3-8 мм, резку образующейся на выходе из фильеры нити на куски размером не более 5-6 мм, последующее гранулирование с одновременным вспучиванием гранул при сушке их во вращающейся сушильной камере при температуре до 250°С и при следующем соотношении исходных компонентов, мас.%:

аморфный кремнезем	23,0-34,0
указанный сыпучий наполнитель	49,0-58,0
указанный щелочесодержащий компонент	4,0-13,0
вода	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения строительных материалов, конкретно получения гранулированных теплоизоляционных материалов, в том числе легких пористых заполнителей, и может найти применение в строительстве при утеплении и звукоизоляции различных конструкций и элементов зданий и сооружений - стен, перегородок, мансард, лоджий, полов, потолков непосредственно на строящемся объекте в том числе на основе неорганических, несгораемых и экологически чистых эффективных материалов.

Известны способы получения теплоизоляционных материалов на основе кремнистых пород, к которым относятся кремнистые породы осадочного происхождения, такие как диатомиты, трепелы и опоки. Это природные гидратные кремнеземы в аморфном состоянии (аморфные кремнеземы), относящиеся к группе опала.

Эти известные способы получения теплоизоляционных материалов на основе кремнистых пород могут быть подразделены, в частности, на две группы, в зависимости от вида поризации:

- пенопоризация шликера с последующей сушкой и обжигом изделий;

- термохимическое вспучивание за счет использования выгорающих добавок (кокса), диссоциирующих добавок (известняка) или удаления гидратной воды.

Первая группа представлена технологией получения пенодиатомитовых изделий (Майзель И.Л., Сандлер В.Г., Технология теплоизоляционных материалов. - М.: Высшая школа, 1988), которая заключается в тонком измельчении диатомита, приготовлении пенодиатомитовой массы и формовании изделий, стабилизации пористой структуры изделий посредством сушки и образования пористого керамического черепка обжигом высушенного сырца. Очень высокая влажность пеномассы, достигающая 200-250%, является причиной больших усадочных деформаций при сушке (20-25%), что ухудшает качество готовых изделий. Сушка пенодиатомитовых изделий производится в формах, что предопределяет неблагоприятные условия для удаления влаги, так как ее испарение может происходить только с поверхности. Это обстоятельство, а также значительные сушильные усадки пеномассы определяют большую (48-96 ч) продолжительность процесса сушки. Обжигают изделия в туннельных печах при максимальной температуре 800-900°С в течение 18-22 часов.

Согласно другой известной монографии (Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных акустических материалов и изделий. - М.: Высшая школа, 1989, с.197-207) изделия имеют плотность 450-600 кг/м³, прочность 0,6-0,9 МПа. Таким образом, недостатком данного способа является повышенная плотность, высокие энергозатраты, связанные с длительными тепловыми процессами и высоким водосодержанием, значительная усадка полученного материала.

В частности, известен способ изготовления теплоизоляционного материала, включающий смешивание кремнистой породы из группы: трепел, диатомит, опока и щелочного компонента, укладку смеси в формы и ее термическую обработку (RU 2053984 С1, Кл. С04В 38/02, 10.02.1996).

Полученные изделия не отличаются хорошей водостойкостью. К тому же данным способом не получают гранулированный теплоизоляционный материал.

Из RU 2293073, 10.02.2007 известен способ изготовления негорючего утеплителя, который включает приготовление сырьевой смеси путем совместного помола кварцевого песка и кремнефтористого натрия, смешения с жидким стеклом, предварительного приготовленным водным раствором пенообразователя ПО-6К и заливку полученной сырьевой смеси между наружным и внутренним слоями строительной конструкции, осуществляют совместный помол кварцевого песка и кремнефтористого натрия при их соотношении 9-10:1 вес. ч. Соответственно в течение 5-6 ч с получением продукта помола с удельной поверхностью 1700-2500 см²/г, жидкое стекло смешивают в течение 5-7 мин с предварительно приготовленным водным раствором пенообразователя ПО-6К в соотношении пенообразователя ПО-6К и воды 1:50 вес.ч. при соотношении указанного водного раствора и жидкого стекла 1:1,5 вес.ч. с получением сырьевой смеси непосредственно перед ее заливкой.

Однако данный способ также не предназначен для получения гранулированного теплоизоляционного материала.

Из SU 1548178, 07.03.1990 известен способ получения теплоизоляционного легкого пористого заполнителя путем смешения силикатного свяжующего (60-80 мас.%), представляющего собой продукт плотностью 1,5-1,72 г/см³, полученный в результате обработки раствором щелочи тонкомолотого туфа с тонкодисперсным туфом 11-25 мкм и газообразователем в виде сажи или технического углерода 0,5-1,5, силикатом калция 2,5-4,5, метасиликатом натрия 6-9. Теплоизоляционный материал имеет следующие свойства: средняя плотность 300-600 кг/м³, прочность при сжатии 2-6 МПа, термостойкость 680-820°С, температуроустойчивость 750-900°С, гидролитический класс 2-3-й, кислотостойкость минеральных кислот 80-99%, водопоглащение по объему 1,5-12%, теплопроводность 0,080-0,115 Вт/м·град, температура предварительной тепловой обработки 120-135°С.

Однако способ достаточно сложен, так как основан на использовании многокомпонентного состава и является неэкономичным.

Из RU 2177921 известен способ получения гранулированного теплоизоляционного материала, включающий приготовление жидкого стекла гидротермальной обработки суспензии микрокремнезема в растворе гидросиликата натрия при атмосферном давлении, грануляцию и термообработку сырцовых гранул, при этом в качестве микрокремнезема используют отход производства кристаллического кремния аморфной структуры с размером частиц (0,01-0,1)×10^-6 м следующего химического состава: 83-93 мас.% SiO₂ и 6-16 мас.% углеродистых примесей - углерод (С) и карборунд (SiC), соотношение жидкой и твердой фаз в суспензии Ж/Т=0,94-1,008, гидротермальную обработку суспензии осуществляют 68-73°С в течение 5-10 мин с получением высокомодульного жидкого стекла с силикатным модулем 4-7, а термообработку сырцовых гранул проводят при 350-400°С в течение 20-30 мин.

Данный известный способ также отличается определенной сложностью и неэкономичен.

Из RU 2274620 известен способ получения гранулированного теплоизоляционного материала, включающий приготовление суспензии из компонентов смеси, гидротермальную обработку ее при 80-90°С и атмосферном давлении в течение 10-15 мин, грануляцию и последующую термообработку сырцовых гранул при 350-400°С в течение 10 мин.

Сырьевая смесь для гранулированного теплоизоляционного материала включает, мас.%: микрокремнезем - 41,37, «карамель» - остаточный продукт при переработке древесины по сульфатному способу, содержащий 91,8 мас.% нерастворимых в 72%-ной H₂SO₄ веществ в пересчете на сухое вещество - 0,21, раствор гидроксида натрия с концентрацией 54,22% в пересчете на Na₂O - 21,97, воду - 36,45.

Данный известный способ также не экономичен, длителен и конечный продукт не обладает всем комплексом необходимых свойств, в частности не обладает необходимой водостойкостью.

Из RU 2290379, 27.12.2006 известен способ получения гранулированного теплоизоляционного материала из сырьевой смеси, который включает приготовление суспензии из компонентов смеси, гидротермальную обработку ее при 80-90°С и атмосферном давлении в течение 10-15 мин, грануляцию и последующую термообработку сырцевых гранул при 350-400°С в течение 10 мин. Сырьевая смесь для получения гранулированного теплоизоляционного материала содержит, мас.%: микрокремнезем - 41,4, «карамель» - отход сульфатно-целлюлозной переработки древесины - 0,2-0,8, раствор гидроксида натрия с концентрацией 45,22% в пересчете на Na₂O - 21,5, воду - остальное.

Данный способ также не экономичен, а полученные гранулы не обладают необходимой прочностью и водостойкостью.

Из RU 2329986, 27.07.2008 известен еще один способ получения гранулированного теплоизоляционного материала, который включает приготовление сырьевой смеси, содержащей кремнистую породу типа диатомита, или опоки, или трепела, щелочной компонент в виде гидроксида натрия или калия с добавлением воды в количестве, необходимом для удобства формования массы, перемешивание, формование массы и термообработку. При приготовлении смеси в водный раствор гидроксида натрия или калия вводится этилсиликат, содержащий 40,5% двуокиси кремния, 14% тетраэтоксисилана, затем порциями вводят отдозированные кремнистую породу и гидроксид натрия или калия, добавляют воду в указанном количестве. Полученные после формования гранулы опудривают измельченной кремнистой породой. Термообработку осуществляют при температуре 300-500°С в течение 5-15 минут или при температуре 501-900°С в течение 1-5 минут. Соотношение компонентов сырьевой смеси составляет, мас.%: указанная кремнистая порода 69-91,5, гидроксид натрия или калия 8-30, указанный этилсиликат 0,5-1.

Получают гранулы экологически чистого теплоизоляционного материала из местного природного сырья с повышенной прочностью и водостойкостью.

Однако данный способ не экономичен, включает использование достаточно дефицитных компонентов.

Технической задачей заявленного изобретения является упрощение процесса, снижение себестоимости готового продукта, а также получение гранулированного продукта с пониженной теплопроводностью, повышенной водостойкостью и морозостойкостью.

Поставленная техническая задача достигается способом получения гранулированного теплоизоляционного материала для строительных изделий, включающим перемешивание аморфного кремнезема с дисперсностью 1-100 мкм с кремнеземсо держащим сыпучим наполнителем, таким как песок с дисперсностью 5-70 мкм в течение 3-10 мин до получения однородной сыпучей массы, введение в сухую сыпучую массу щелочесодержащего компонента, предварительно разбавленного водой либо в виде кремнеземсодержащего вяжущего с плотностью 1,5-1,7 г/см³ при соотношении его от 1:1 до 4:1, либо в виде водного раствора едкого натра или каустической соды при соотношении от 1:0,2 до 1:0,5, перемешивание сухой сыпучей смеси с этим щелочесодержащим компонентом в течение 3-5 мин до получения однородной пастообразной массы, продавливание этой массы через фильеры диаметром 3-8 мм, резку образующейся на выходе из фильеры нити на куски размером не более 5-6 мм, последующее гранулирование с одновременным вспучиванием гранул при сушке их во вращающейся сушильной камере при температуре до 250°С и при следующем соотношении исходных компонентов, мас.%:

аморфный кремнезем	23,0-34,0
указанный сыпучий наполнитель	49,0-58,0
указанный щелочесодержащий компонент	4,0-13,0
вода	остальное

В качестве аморфного кремнезема используют аморфий кремнезем как природного происхождения (трепел, диатомит, опоки), так и промышленного происхождения (микрокремнеземы).

В качестве кремнеземсодержащего сыпучего наполнителя используют различные пески (кварцевые, намывные речные и морские), отходы добычи и обработки гранита и других горных пород, высушенные глины, супеси, суглинки, шлакозольные отходы от сжигания различных углей (бурых, антрацитов), вспученные гидрослюды (вермикулит, перлитовый песок), вулканические породы (пемзы, туфы), доменные и металлургические шлаки с дисперсностью 5-70 мкм

В качестве щелочесодержащего компонента используют едкий натр (калий) (водный раствор) или каустическую соду, а также кремнеземсодержащее вяжущее (связующее) с плотностью 1,5-1,7 г/см³, полученное в частности по патентам RU 2236374, 20.09.2004; RU 2283818, 20.09.2006.

Предлагаемая технология основывается на свойстве вспучивания аморфных кремнеземов, затворенных водным раствором щелочного компонента и подвергнутого термообработке при температуре до 250°С. При этом в зависимости от состава шихты степень вспучивания регулируется от 2 до 6-кратного. При этом полученные гранулы в два раза легче и обладают более низкой теплопроводностью, чем керамзит, получаемый при температурах выше 950°С, и не уступают керамзиту по несущей способности. Реализация данной технологии осуществляется в следующем порядке. Кварцевый песок дисперсностью 5-70 мкм перемешивается в смесителе с аморфным кремнеземом дисперсностью 1-10 мкм до получения однородной сухой массы в течение 3-10 минут, затем в сухую массу вводится щелочной элемент в виде кремнеземсодержащего вяжущего, разбавленного водой в соотношении от 1:1 до 4:1, или водный раствор щелочного компонента в соотношении от 1:0,2 до 1;0,5. Производится перемешивание до получения однородной пастообразной массы в течение 3-5 минут. Полученная масса продавливается, например, через фильеры с отверстиями диаметром 3-8 мм, на выходе из фильеры происходит резка образующейся нити, например струнная, на куски не более 5-6 мм, которые попадают в гранулятор, где приобретают форму, близкую к шару. Из гранулятора они направляются во вращающуюся сушильную камеру с температурой 250°С. Проходят ее в постоянном движении. За время прохождения сушильной камеры происходит их вспучивание. Готовая продукция из сушильной камеры попадает в бункер - накопитель готовой продукции.

Полученные гранулы имеют сплошную гладкую поверхность без открытых пор.

Гранулы могут использоваться как засыпной утеплитель или из них изготавливают стеновые блоки.

Ниже приведены примеры составов для получения гранул с использованием кремнеземсодержащего вяжущего и без него (в качестве щелочесодержащего компонента), которые однако только иллюстрируют изобретение, но не ограничивают его.

Пример 1.

На вяжущем из песка 1,59 г/см³ (на кремнеземсодержащем вяжущем по патенту RU2283818).

Состав: вяжущее - 12,0 мас.%

Кремнезем (микрокремнезем) - 23,8 мас.%

Вода-7,1 мас.%

Песок - 57,1 мас.%

Пример 2.

Этот же материал без использования вяжущего.

Состав: песок - 49,6 мас.%

Кремнезем (трепел) - 33,1 мас.%

Вода-12,4 мас.%

Едкий натр - 4,9 мас.%

При М350 он имеет следующие характеристики:

Теплопроводность - 0,087

Предел прочности на сдавливание - 2,4 МПа.

Изготовление блоков с использованием полученных гранул может осуществляться двумя способами, или с использованием кремнеземсодержащего вяжущего, или путем их спекания.

При получении их с использованием вяжущего.

Гранулы обволакиваются вяжущим, засыпаются в форму и подвергаются термообработке при 250°С. Блоки имеют плотность 1200 кг/м³, теплопроводность 0,158, прочнсть-М-150, морозостойкость- F -50.

При получении их спеканием.

Гранулы засыпаются в форму и подвергаются термообработке при 750-850°С. Блоки имеют плотность 700-800 кг/м³, теплопроводность 0,093, прочнсть-М-100, морозостойкость- F 45.