Способ получения пеностекла

Изобретение относится к производству строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности. Способ получения пеностекла включает 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. Исходную смесь получают при температуре не выше 70⁰С путем последовательного перемешивания водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия, порошка стеклобоя и углеродсодержащего газообразователя, затем смесь обрабатывают при температуре 450-550⁰С до полного удаления воды, в том числе и химически связанной, полученный продукт после охлаждения измельчают, а затем нагревают до температуры вспенивания из диапазона 750-830⁰С, 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. Технические результат: получение качественного пеностекла с низкими трудо- и энергозатратами. 1 табл.

 

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 "FOAMGLASR
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.

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.