Неорганический бинарный гранулированный пеноматериал и способ его получения

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.

 

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/м³ 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 ⁰С, 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, 95^оС 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/м³ устанавливают температуру 800^оС. 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/м3	25	75	80	140	200	50
- средний диаметр гранул, мм - прочность на сжатие в цилиндре, кгс/см2	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/м3	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), см2/с	0,198	0,198	0,198	0,198	0,198	0,198
- горючесть, класс	НГ	НГ	Г-1	Г-1	НГ	НГ

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.