Огнестойкий пористый теплозвукоизоляционный материал и способ его получения

Изобретение относится к области получения легких пористых огнестойких теплозвукоизоляционных материалов на основе волокнистых материалов, которые найдут применение в строительстве, судостроении, авиационной и энергетической промышленности, в криогенной технике и других отраслях. Технический результат: улучшение теплофизических и звукоизолирующих характеристик теплозвукоизоляционного материала (в особенности при повышенных температурах), придание конструкциям на его основе огнестойких свойств. Огнестойкий пористый теплозвукоизоляционный материал получают из сырьевой смеси, включающей, мас.%: волокнистый материал 2,5-2,8; тонкомолотый неорганический наполнитель 0,3; смачиватель СВ-102 0,5; гидрофобизирующий и связующий компонент ГКЖ-94 0,4; жидкая дисперсионная среда - вода 96,3-96,7. В качестве волокнистого материала используют асбест или асбест и кремнеземное волокно, или базальтовое волокно, или угленовое волокно при их соотношении 1:1, или базальтовое волокно и полиарамидное волокно, диспергированные до получения волокон диаметром не более 0,01 мкм и длиной менее 2 мм, в качестве тонкомолотого наполнителя - графит, или волластонит, или слюду в виде чешуек крупностью менее 5 мкм. Охарактеризован способ получения огнестойкого пористого теплозвукоизоляционного материала из указанной смеси. 2 н.п. ф-лы.

 

Предлагаемое изобретение относится к области получения легких пористых огнестойких теплозвукоизоляционных материалов на основе волокнистых материалов, которые найдут применение в строительстве, судостроении, авиационной и энергетической промышленности, в криогенной технике и других отраслях.

Известны звукоизоляционные и теплоизоляционные материалы и сырьевые смеси для их изготовления на основе вспененных дисперсий, в состав которых входит распушенный волокнистый асбест, в том числе и в сочетании с различными наполнителями - авторское свидетельство СССР №724485 и патент России №2001897 (1, 2). Получаемый по этим изобретениям материал обладает достаточно большой объемной массой (80-100 кг/м³), что необходимо для того, чтобы иметь удовлетворительные теплофизические характеристики (коэффициент теплопроводности при 500°С=0,045 Вт/м·К). Кроме того, эти материалы не являются огнестойкими (максимальная эксплуатационная температура не превышает 600°С).

В то же время предлагаемый материал обладает значительно лучшими теплофизическими характеристиками при существенно меньшей объемной массе (не более 50 кг/м³) и, что самое главное, выдерживает длительный прогрев до 1000°С и может использоваться в огнестойких конструкциях.

Наиболее близким к предлагаемому теплозвукоизоляционному материалу является материал, изготавливаемый по патенту Великобритании №1131044 (3).

Материал на основе диспергированного асбеста, полученный по патенту-прототипу, обладает хорошими теплоизоляционными свойствами при обычных условиях (коэффициент теплопроводности 0,04 Вт/м·К при 20°С). Однако при существенном повышении температуры теплоизоляционные свойства этого материала значительно ухудшаются (достигая 0,6 Вт/м·К при 500°С). При еще большем повышении температуры (свыше 700°С) происходит химическая дегидратация асбеста - разрушение кристаллогидратов, и теплоизоляция полностью теряет механическую прочность.

Таким образом, по патенту-прототипу изготавливают материал, который не обладает огнезащитными свойствами (максимальная эксплуатационная температура не более 700-750°С) и, кроме того, при температуре свыше 150°С имеет неудовлетворительные теплофизические характеристики. Это не позволяет применять его в качестве теплозащиты в противопожарных конструкциях.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение теплофизических и звукоизолирующих характеристик теплозвукоизоляционного материала (в особенности при повышенных температурах), а также придание конструкциям на его основе огнестойких свойств (способности в течение длительного времени противостоять воздействию пламени при пожаре) за счет образования в нем пористой структуры преимущественно с закрытым типом пор.

Это достигается тем, что огнестойкий пористый теплозвукоизоляционный материал приготовляют из сырьевой смеси, включающей следующие компоненты:

- волокнистый материал;

- тонкомолотый неорганический наполнитель;

- поверхностно-активное вещество;

- гидрофобизирующий и связующий компонент;

- жидкая дисперсионная среда.

Обеспечивается соотношение закрытых и открытых пор в структуре материала не менее чем 3:1, а средневзвешенные доли закрытых и открытых пор в структуре материала составляют соответственно 54-72%, и 10-18% от их общего количества.

Материал характеризуется тем, что в качестве волокнистой составляющей сырьевой смеси используются природные или техногенные минеральные волокна (а также их смеси), диспергированные до следующих параметров: диаметр волокон не более 0,01 мкм, их длина менее 2 мм.

Материал характеризуется также тем, что из неорганического наполнителя изготавливают частицы чешуйчатой формы.

В качестве волокнистого материала предлагается использовать природные или техногенные минеральные волокна (а также их смеси) из ряда: асбест, базальтовое, стеклянное или угленовое волокно, различные варианты полимеризованных волокон (полиарамидное, полиэфирное). Являясь каркасной основой теплоизоляционного материала, волокнистые составляющие сырьевой смеси должны быть диспергированы до следующих параметров: диаметр волокон не более 0,01 мкм, их длина менее 2 мм.

Диспергирование волокон до указанных размеров необходимо для обеспечения условий, при которых структура каркаса материала будет состоять преимущественно из закрытых пор. При более крупных волокнах невозможно обеспечить преобладание закрытых пор, что существенно ухудшает звуко- и теплофизические свойства изоляции.

Наполнитель может применяться из ряда: графит, слюда, вермикулит, волластонит, окислы металлов (алюминия, титана и других). Необходимым условием для применения вещества в качестве наполнителя в соответствии с данным изобретением является возможность придания чешуйчатой формы его измельченным частицам.

Такой выбор формы частиц наполнителя обусловлен тем, что только чешуйчатые частицы могут (за счет разницы поверхностных электрических и химических потенциалов) в наибольшей степени обволакивать структурообразующие волокна и, таким образом, экранировать их от теплового излучения при воздействии пламени пожара (благодаря возможности поворота чешуйки вокруг оси волокна в жидкой дисперсионной среде, содержащей поверхностно-активные вещества в сочетании с полиорганосилоксановыми), способствуя при этом закрытию пор.

Примеры огнестойкого материала приведены ниже.

Пример 1

В рабочую камеру аппарата помещают 967 г (96,7% воды), 25 г (2,5%) неорганического волокна (асбеста), 3 г (0,3%) неорганического наполнителя - графита марки С-1 крупностью чешуйки менее 5 мкм, 5 г (0,5%) поверхностно-активного вещества - натрий бис (2-этилгексил) сукцинатосульфоната (смачиватель СВ-102).

В результате диспергирования неорганического волокна и вспенивания дисперсии с последующим термированием получают огнестойкий пористый теплозвукоизоляционный материал с соотношением закрытых и открытых пор 5,4:1, а средневзвешенные доли закрытых и открытых пор в структуре материала составляют 54 и 10% соответственно.

Пример 2

В рабочую камеру аппарата помещают 963 г (96,3% воды), 25 г (2,5%) смеси в равном соотношении 1:1 неорганических волокон - кремнеземного и асбеста, 3 г (0,3%) неорганического наполнителя - графита марки С-1 крупностью чешуйки менее 3 мкм; 5 г (0,5%) смачивателя СВ-102 и 4 г (0,4%) полиорганосилоксана (ГКЖ-94).

В результате диспергирования неорганического волокна и вспенивания дисперсии с последующим термированием получают огнестойкий пористый теплозвукоизоляционный материал с соотношением закрытых и открытых пор 4:1, а средневзвешенные доли закрытых и открытых пор в структуре материала составляют 72 и 18% соответственно.

Пример 3

В рабочую камеру аппарата помещают 963 г (96,3% воды), 25 г (2,5%) смеси в равном соотношении 1:1 неорганических волокон асбеста и волластанита, 3 г (0,3%) угленового волокна диаметром волокна менее 0,01 мкм; 5 г (0,5%) смачивателя СВ-102 и 4 г (0,4%) полиорганосилоксана (ГКЖ-94).

В результате диспергирования неорганического волокна и вспенивания дисперсии с последующим термированием получают огнестойкий пористый теплозвукоизоляционный материал с соотношением закрытых и открытых пор 7,2:1, а средневзвешенные доли закрытых и открытых пор в структуре материала составляют 72 и 10% соответственно.

Пример 4

В рабочую камеру аппарата помещают 963 г (96,3% воды), 25 г (2,5%) базальтового волокна, 3 г (0,3%) полиарамидного волокна диаметром волокна менее 0,01 мкм; 5 г (0,5%) смачивателя СВ-102 и 4 г (0,4%) полиорганосилоксана (ГКЖ-94).

В результате диспергирования неорганического волокна и вспенивания дисперсии с последующим термированием получают огнестойкий пористый теплозвукоизоляционный материал с соотношением закрытых и открытых пор 3:1, а средневзвешенные доли закрытых и открытых пор в структуре материала составляют 54 и 18% соответственно.

Пример 5

В рабочую камеру аппарата помещают 963 г (96,3% воды), 25 г (2,5%) смеси в равном соотношении 1:1 волокон (стекловолокна и асбеста), 3 г (0,3%) слюды крупностью чешуйки менее 5 мкм; 5 г (0,5%) смачивателя СВ-102 и 4 г (0,4%) полиорганосилоксана (ГКЖ-94).

В результате диспергирования неорганического волокна и вспенивания дисперсии с последующим термированием получают огнестойкий пористый теплозвукоизоляционный материал с соотношением закрытых и открытых пор 4,5:1, а средневзвешенные доли закрытых и открытых пор в структуре материала составляют 63 и 14% соответственно.

Способ получения огнестойкого материала известен из того же источника 3.

Способ получения огнестойкого пористого теплозвукоизоляционного материала включает:

- диспергирование компонентов в жидкой дисперсионной среде;

- поризация полученной дисперсии;

- удаление жидкости;

- термическое отверждение.

Однако способу-прототипу присущи те же ограничения, которые изложены выше.

Задача изобретения состоит в том, чтобы получить оптимальные параметры диспергирования неорганических волокон и заданной пористой структуры конечного материала, а техническим результатом является повышение огнестойкости материала.

Для этого поризацию водной суспензии, содержащей компоненты сырьевой смеси, проводят при воздействии воздушных пульсаций с частотой 260-420 кГц.

При механическом воздействии в процессе диспергирования и поризации водной суспензии, содержащей компоненты сырьевой смеси, происходит ее турбулизация и дробление обрабатываемой газожидкостной среды в объеме пеногенератора. Высокочастотные воздушные пульсации (с частотой 260-420 кГц), накладываемые на перемешиваемую среду, обеспечивают эффективное расщепление волокон по диаметру без их измельчения по длине (это явление способствует получению прочного и легкого теплозвукоизоляционного материала), а также равномерную адсорбцию наполнителей и гидрофобизирующих и связующих компонентов на поверхности волокон, что в конечном итоге дает стабильность свойств теплоизоляции.

В процессе диспергирования и вспенивания под воздействием физико-механических факторов, включая пульсационные воздействия, адсорбцию частиц на волокнах, связывание их с полигидросилоксанами, происходит первоначальное формирование упорядоченной структуры огнестойкого материала. Общая продолжительность пузырьковых пульсаций при механическом диспергировании и вспенивании сырьевой массы колеблется в пределах 4-5 мин. В течение такого периода времени формируется равномерная структура ячеек материала в виде полостей с пленочными перегородками, и образуются преимущественно закрытые поры, необходимые для придания материалу огнестойких свойств, а также улучшения его теплофизических и звукоизолирующих характеристик (оптимальное соотношение закрытых и открытых пор - не менее, чем 3:1 соответственно).

После приготовления вспененной массы и розлива ее в формы (возможно также нанесение пены на какой-либо объект или поверхность) полученная структура материала окончательно фиксируется при постепенном повышении температуры от 70 до 300°С в течение 5-7 ч.

Изготовленный теплозвукоизоляционный материал, состоящий преимущественно из закрытых пористых ячеек, является огнестойким, негорючим, стойким к механическим и химическим воздействиям, экологически безопасным, а также имеет максимальную рабочую температуру 1000°С и коэффициент теплопроводности 0,029-0,036 Вт/м·К. Благодаря полученным свойствам, материал способен удерживать распространение пламени и тепловых потоков в противопожарных конструкциях.

Примеры способа получения огнестойкого материала приведены ниже.

Пример 1

В рабочую камеру аппарата помещают 967 г (96,7% воды), 25 г (2,5%) неорганического волокна (асбеста), 3 г (0,3%) неорганического наполнителя - графита марки С-1 крупностью чешуйки менее 5 мкм, 5 г (0,5%) поверхностно-активного вещества - натрий бис (2-этилгексил) сукцинатосульфоната (смачиватель СВ-102).

Компоненты диспергируют в жидкой дисперсионной среде, полученную дисперсию поризуют путем вспенивания, затем из пены удаляют жидкость и проводят термическое отверждение, но поризацию водной суспензии, содержащей компоненты сырьевой смеси, проводят при воздействии воздушных пульсаций с частотой 260 кГц.

Пример 2

В рабочую камеру аппарата помещают 963 г (96,3% воды), 25 г (2,5%) смеси в равном соотношении 1:1 неорганических волокон - кремнеземного и асбеста, 3 г (0,3%) неорганического наполнителя - графита марки С-1 крупностью чешуйки менее 3 мкм; 5 г (0,5%) смачивателя СВ-102 и 4 г (0,4%) полиорганосилоксана (ГКЖ-94).

Компоненты диспергируют в жидкой дисперсионной среде, полученную дисперсию поризуют путем вспенивания, затем из пены удаляют жидкость и проводят термическое отверждение, но поризацию водной суспензии, содержащей компоненты сырьевой смеси, проводят при воздействии воздушных пульсаций с частотой 340 кГц.

Пример 3

В рабочую камеру аппарата помещают 963 г (96,3% воды), 25 г (2,5%) смеси в равном соотношении 1:1 неорганических волокон асбеста и волластанита, 3 г (0,3%) угленового волокна диаметром волокна менее 0,01 мкм; 5 г (0,5%) смачивателя СВ-102 и 4 г (0,4%) полиорганосилоксана (ГКЖ-94).

Компоненты диспергируют в жидкой дисперсионной среде, полученную дисперсию поризуют путем вспенивания, затем из пены удаляют жидкость и проводят термическое отверждение, но поризацию водной суспензии, содержащей компоненты сырьевой смеси, проводят при воздействии воздушных пульсаций с частотой 420 кГц.

Пример 4

В рабочую камеру аппарата помещают 963 г (96,3% воды), 25 г (2,5%) базальтового волокна, 3 г (0,3%) полиарамидного волокна диаметром волокна менее 0,01 мкм; 5 г (0.5%) смачивателя СВ-102 и 4 г (0,4%) полиорганосилоксана (ГКЖ-94).

Компоненты диспергируют в жидкой дисперсионной среде, полученную дисперсию поризуют путем вспенивания, затем из пены удаляют жидкость и проводят термическое отверждение, но поризацию водной суспензии, содержащей компоненты сырьевой смеси, проводят при воздействии воздушных пульсаций с частотой 300 кГц.

Пример 5

В рабочую камеру аппарата помещают 963 г (96,3% воды), 25 г (2,5%) смеси в равном соотношении 1:1 волокон (стекловолокна и асбеста), 3 г (0,3%) слюды крупностью чешуйки менее 5 мкм; 5 г (0,5%) смачивателя СВ-102 и 4 г (0,4%) полиорганосилоксана (ГКЖ-94).

Компоненты диспергируют в жидкой дисперсионной среде, полученную дисперсию поризуют путем вспенивания, затем из пены удаляют жидкость и проводят термическое отверждение, но поризацию водной суспензии, содержащей компоненты сырьевой смеси, проводят при воздействии воздушных пульсаций с частотой 380 кГц.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №724485, С04В 43/04, 1980.

2. Патент России №2001897, С04В 38/10, 1993.

3. Патент Великобритании №1131044, С04В 43/04, 1968.

1. Огнестойкий пористый теплозвукоизоляционный материал, изготовленный из сырьевой смеси, содержащей волокнистый материал, тонкомолотый неорганический наполнитель, поверхностно-активное вещество, гидрофобизирующий и связующий компонент, жидкую дисперсионную среду, отличающийся тем, что в качестве волокнистого материала сырьевая смесь содержит асбест, или асбест и кремнеземное волокно, или базальтовое волокно, или угленовое волокно при их соотношении 1:1, или базальтовое волокно и полиарамидное волокно, диспергированные до получения волокон диаметром не более 0,01 мкм и длиной менее 2 мм, в качестве тонкомолотого наполнителя - графит, или волластонит, или слюду в виде чешуек крупностью менее 5 мкм, в качестве поверхностно-активного вещества - смачиватель СВ-102, в качестве гидрофобизатора и связующего - ГКЖ-94, в качестве жидкой дисперсионной среды - воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Указанный волокнистый материал	2,5-2,8
Указанный тонкомолотый неорганический наполнитель	0,3
Смачиватель СВ-102	0,5
ГКЖ-94	0,4
Вода	96,3-96,7

при этом получаемый материал характеризуется соотношением закрытых и открытых пор не менее чем 3:1, а средневзвешенные доли закрытых и открытых пор в структуре материала составляют соответственно 54-72%, и 10-18% от их общего количества.

2. Способ получения огнестойкого пористого теплозвукоизоляционного материала из смеси по п.1, включающий диспергирование компонентов в водной дисперсионной среде, поризацию полученной дисперсии, удаление жидкости, термическое отверждение, характеризующийся тем, что поризацию водной суспензии проводят при воздействии воздушных пульсаций с частотой 260-420 кГц.