состав смеси для получения теплоизоляционного материала

Формула изобретения

Состав смеси для получения теплоизоляционного материала, подвергаемой грануляции в растворе CaCl₂, включающий жидкое стекло, тонкоизмельченный минеральный наполнитель и воду, отличающийся тем, что смесь в качестве наполнителя содержит брусит - Mg(OH ₂) при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%:

Жидкое стекло	67-92
Тонкоизмельченный брусит	7-30
Вода	1-3

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при изготовлении изделий, применяемых для тепло- и звукоизоляции жилых, административных и промышленных зданий.

Известны составы для получения легких теплоизоляционных материалов на основе жидкого стекла, содержащие, кроме щелочных силикатов, добавки, регулирующие структуру твердой пены и повышающие ее химическую стойкость. В качестве таких добавок используются порошкообразные оксиды, карбонаты, силикаты или алюмосиликаты, золы, поверхностно-активные вещества и др.

Известна смесь, содержащая 93 95% жидкого стекла плотностью 1400-1450 кг/м³ , 7 5% тонкодисперсного наполнителя с удельной поверхностью 2000 3000 см²/г и 0,5 1,0% гидрофобизирующей добавки - кремнийорганической жидкости ГКЖ-94, ГКЖ-10 или ГКЖ-11 [Горлов Ю.П. и др. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М., 1989, с.178, 179].

Недостатком этой смеси является низкий коэффициент вспенивания при термическом нагреве и неравномерность пористой структуры получаемых изделий.

Наиболее близким по сути к предлагаемому изобретению является состав [Патент RU 2268248 С1, кл. С04В 28/26, С04В 38/00, С04В 111/40 20.01.2006], содержащий жидкое стекло, тонкодисперсный наполнитель и гелеобразователь, отличающийся тем, что сырьевая смесь содержит в качестве тонкодисперсного наполнителя мраморную муку или гидроксиапатит, в качестве гелеобразователя - бихромат калия и дополнительно воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

жидкое стекло	87-94
мраморная мука или гидроксиапатит	3-10
бихромат калия	0,1-1,0
вода	1-2

Недостатком этого состава является малая степень вспенивания при его термической поризации как в свободном объеме, так и в замкнутом объеме формы. Введение в качестве гелеобразователя бихромата калия даже в небольших количествах нецелесообразно, так как данное вещество по степени воздействия на организм относится к веществам 1-го класса опасности. Вводимые в состав жидкостекольной смеси мраморная мука или гидроксиапатит являются нейтральными к жидкому стеклу и не участвуют в процессе гелеобразования, а при температурах поризации от 450 до 700°С не принимают участие в процессе вспучивания, так как их температуры разложения выше указанных: температура разложения мраморной муки (СаСО₃) с выделением углекислого газа - 850-900°С, температура разложения гидроксиапатита более 800°С. Таким образом, данные вещества не участвуют в процессе поризации, а выступают только как структурообразующая добавка.

Задачей настоящего изобретения является разработка состава жидкостекольной смеси с высокой поризационной способностью, которая при термическом нагреве в замкнутом объеме формы образует теплоизоляционный материал с небольшой плотностью, заданными геометрическими размерами и однородной, равномерной пористой внутренней структурой.

Поставленная задача достигается тем, что в сырьевую смесь, содержащую жидкое стекло и тонкоизмельченный минеральный наполнитель, в качестве наполнителя вводится тонкомолотый брусит (Mg(OH ₂)) и вода, при следующем соотношении компонентов в смеси (мас.%):

Жидкое стекло - 67-92;

Тонкоизмельченный брусит - 7-30;

Вода - 1-3.

Тонкоизмельченный брусит и вода предварительно смешиваются с жидким стеклом и далее, смесь перемешивается в смесителе в течение 5-7 минут и гранулируется в водном растворе хлоридов кальция или магния плотностью 1350-1390 кг/м³. Полученный при гранулировании исходной смеси жидкостекольный бисер высушивается до остаточной влажности 35-38% при температуре до 90°С. Затем гранулы в количестве, необходимом для получения изделия заданной плотности, засыпаются в форму с замкнутым объемом и подвергаются термическому или СВЧ-нагреву. При вспенивании материал заполняет собой свободный внутренний объем формы, поверхностные слои уплотняются, а поризуемый материал приобретает заданные геометрические размеры и форму.

Пример. Для изготовления материала было приготовлено семь составов смесей с различным содержанием компонентов. При приготовлении смесей использовалось жидкое стекло с модулем m=3 и плотностью 1450 кг/м³ , которое смешивалось с тонкоизмельченным бруситом и водой в соответствующих пропорциях. Исходные смеси тщательно перемешивались в течение 5-7 мин и подвергались жидкостной грануляции в растворе хлорида кальция плотностью 1350 кг/м³. Извлеченные через 15-20 мин из раствора гранулы высушивались до остаточной абсолютной влажности 35-38%. Гранулированная жидкостекольная смесь засыпалась в разборную металлическую форму с внутренним объемом 100 см³ в необходимом количестве, которое рассчитывалось по формуле:

m= ·V·(1+Wa),

где m - масса гранул, кг;

- заданная плотность изделий, кг/м³;

V - внутренний объем формы, кг/м³;

Wa - абсолютная влажность гранул, отн.ед.

Поризация материала в форме осуществлялась в муфельной печи при температуре 450°С в течение 15-30 минут.

Коэффициент вспучивания гранул исследованных составов определялся по отношению объема вспененных при 450°С к первоначальному объему гранул.

Данные по составам смесей и свойствам полученных материалов представлены в табл.1.

Результаты испытаний подтверждают возможность изготовления из предлагаемых составов смеси вспененных материалов с широким диапазоном свойств как по плотности и прочности, так и по теплопроводности.

В табл.2 представлены сравнительные характеристики материалов, изготовленных по составу, предложенному в патенте RU 2268248 С1, кл. С04В 28/26, С04В 38/00, С04В 111/40 20.01.2006 (состав 1) и по данному изобретению (состав 2). Коэффициент вспенивания в прототипе не приводится, но для сравнения характеристик материалов этот показатель был определен из отношения объема гранул до вспучивания и после термической обработки. Коэффициент вспучивания жидкосткольных гранул предлагаемого состава определялся аналогично.

Преимуществом предложенного состава смеси является возможность сохранения силиката натрия в гидратированном состоянии внутри гранул жидкостекольной смеси, упрочнение которых происходит за счет гелеобразования в поверхностном слое гранул. Гелеобразование происходит в результате протекания обменных реакций между силикатом натрия и раствором хлорида кальция, по следующей схеме:

Na₂O·3SiO₂·nH₂O+CaCl ₂=CaO·SiO₂·mH₂O+2Si(OH) ₄+2NaCl

Образующиеся в поверхностном слое в результате этого взаимодействия гидросиликаты кальция и гель кремневой кислоты образуют водонепроницаемую, упрочняющуюся во времени оболочку, которая надежно блокирует дальнейшее взаимодействие жидкого стекла с хлоридом кальция. Гидрооксид магния (брусит), так же как и мраморная мука или гидроксиапатит в прототипе, обладает небольшой растворимостью в воде и поэтому, находясь в составе жидкостекольной композиции, не разрушает структуру жидкого стекла. Мраморная мука (или гидроксиапатит) в составе смеси разлагается при температуре более 800°С и не оказывает влияния на процесс поризации смеси, которая протекает в интервале температур 130-450°С. Брусит дегидратируется при 350-450°С и температура его разложения совпадает с интервалом температур поризации жидкостекольной смеси. Объем водяного пара, выделяемого 1 г брусита при нормальных условиях, составляет 0,38 л, а при температуре 450°С - 1 л. Выделяемые пары воды способствуют более длительному пребыванию поризуемой смеси в пиропластичном состоянии и интенсифицируют процесс ее поризации. При этом оказывается положительное влияние на формирование равномерной пористой структуры изделий с преобладающим размером пор 1-3 мм и более низкой плотностью.

Изготавливаемый по предлагаемому составу теплоизоляционный вспененный материал в виде плит, блоков или другой заданной формы можно использовать для целей тепло- и энергосбережения на различных объектах жилищного и промышленного назначения.

Таблица 1
Компоненты смеси и свойства полученного материала	Содержание компонентов (мас.%) и уровень свойств
1 состав	2 состав	3 состав	4 состав	5 состав	6 состав	7 состав
Жидкое стекло	92	85	80	75	73	70	67
Брусит	7	13,5	18	22,5	24	27	30
Вода	1	1,5	2	2,5	3	3	3
Плотность, кг/м3	110	160	190	220	230	255	300
Прочность при сжатии, МПа	0,25	0,35	0,38	0,45	0,52	0,87	1,05
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·°С	0,045	0,057	0,062	0,068	0,070	0,073	0,081
Коэффициент вспучивания гранул в свободном объеме	48	40	37	34	29	24	20
Средний размер пор, мм	1-3	1-3	1-3	1-3	1-3	1-3	1-3

Таблица 2
Свойства полученного материала	Состав 2	Состав 1
Плотность, кг/м 3	160	150
Прочность при сжатии, МПа	0,75	0,5
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·°С	0,062	0,124
Коэффициент вспучивания	19,5/40*	11/20*
Средний размер пор, мм	1-3	2-5
* вспучивание в замкнутом объеме/вспучивание в свободном объеме.