Прозрачный теплозащитный элемент

Изобретение относится к области изготовления теплозащитных материалов, в частности касается изготовления прозрачного теплозащитного элемента. Технический результат изобретения заключается в повышении тепло - и огнезащитного действия теплозащитного элемента более, чем на 10%. Прозрачный теплозащитный элемент включает, по крайней мере, два листа стекла и расположенный между ними, по крайней мере, один прозрачный защитный слой. Прозрачный защитный слой состоит из полисиликата щелочного металла, имеющего мольное отношение диоксида кремния к оксиду щелочного металла больше, чем 4:1, и содержащего до 60% воды. Защитный слой дополнительно содержит термостабилизатор - неорганическую соль химического элемента Al, Mg, Ва, Са, причем отношение массы химического элемента к массе гидроксида щелочного металла составляет 0,1-1,5. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области изготовления теплозащитных материалов, в частности касается изготовления прозрачного теплозащитного элемента. Прозрачные теплозащитные элементы могут быть использованы в разнообразных конструкциях, например при изготовлении перегородок, дверей и смотровых окон для использования во внутренних помещениях или при наружном остеклении, в том числе, в зонах с повышенной пожароопасностью. В случае пожара такие теплозащитные элементы препятствуют распространению открытого пламени и задерживают перемещение тепловых потоков и дыма, создавая возможность эвакуации людей, техники, документации.

Прозрачный теплозащитный элемент должен включать, по крайней мере, два листа материала (например, стекла), образующего несущую конструкцию элемента, между которыми находится защитный слой в виде прозрачного твердого тела, содержащие воду. Оптические свойства (прозрачность) защитного слоя должны соответствовать оптическим свойствам материала, образующего несущую конструкцию элемента. При повышении температуры или возникновении пожара вода в защитном слое испаряется, при этом в защитном слое, ближайшем к источнику огня, начинает формироваться пористая ячеистая твердая пена с низкой теплопроводностью, что затрудняет передачу тепла в последующие слои и препятствует распространению пламени. Защитные слои работают поочередно и тем самым задерживают распространение теплового фронта. Высокопористая твердая пена сохраняет непроницаемость для тепловой радиации в течение длительного времени.

Наиболее важной эксплуатационной характеристикой прозрачных теплозащитных элементов является теплостойкость их защитных слоев, а также способность к ее сохранению в течение длительного времени. Кроме того, желательно, чтобы защитные слои сохраняли прозрачность при перепадах температуры, в том числе циклических, которые возможны, например, в климатических условиях России.

Известна композиция для теплозащитных ламинированных (высушенных) покрытий на основе жидкого стекла, содержащая мочевину, многоатомные спирты, фосфат натрия, алюминат натрия, буру, борную кислоту и коллоидный кремнезем (USP 4190698). Эта композиция не может быть использована для получения прозрачных не высушенных теплозащитных элементов, так как, во-первых, она обладает низкой агрегативной устойчивостью, приводящей к расслаиванию жидкотекучей системы. Кроме того, по технологии ламинированных теплозащитных элементов композицию необходимо высушивать после нанесения на несущий материал, для склеивания листов необходим автоклав, а полученный теплозащитный элемент не прозрачный.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является прозрачный теплозащитный элемент, включающий, по крайней мере, два несущих элемента и один прозрачный защитный слой, содержащий полисиликат щелочного металла, при этом мольное отношение диоксида кремния к оксиду щелочного металла больше, чем 4:1, а содержание воды от 44% до 60 мас.% (US, 5,565,273 А).

Этот известный прозрачный теплозащитный элемент обладает хорошей теплостойкостью. Однако его недостатками являются:

1. Возможности увеличения теплозащитных свойств ограничены, так как теплозащитные свойства этого прозрачного элемента, характеризующиеся, в частности, продолжительностью действия защитного слоя, определяются только наличием мостиковых связей ≡Si-O-Si≡ в структуре водного отвержденного полисиликата, количество которых зависит от мольного отношения диоксида кремния к оксиду щелочного металла и концентрации диоксида кремния, а также от количества связанной воды в системе. При заметном увеличении вышеназванного отношения и росте концентрации диоксида кремния защитный слой становится опалесцирующим или даже мутным, т.е. теряет прозрачность, а при уменьшении вышеназванного отношения и уменьшении концентрации диоксида кремния защитный слой приобретает свойство текучести, образующийся пенный слой становится малопрочным, что ограничивает возможности увеличения продолжительности действия защитного слоя, а следовательно, и самого элемента, при повышении температуры, в частности в условиях пожара.

2. Рекомендуемое в этом известном техническом решении использование реагентов кислого характера вызывает образование кремниевых кислот в полисиликате, что оказывает влияние, главным образом, на кинетику процесса отверждения, но мало влияет на природу связей между элементами структуры образующейся твердой пены и, следовательно, не позволяет повышать теплостойкость защитных слоев.

Несмотря на то, что описанная выше композиция, как указано в патенте, обеспечивает условия тепло- и огнезащиты теплозащитного элемента, требования, предъявляемые в современном мире к теплозащитным элементам, становятся более жесткими.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать прозрачный теплозащитный элемент, обладающий повышенной продолжительностью тепло- и огнезащитного действия.

Решение поставленной задачи достигается тем, что прозрачный теплозащитный элемент, включающий, по крайней мере, два листа материала, и расположенный между ними, по крайней мере, один прозрачный защитный слой, который содержит полисиликат щелочного металла, имеющий мольное отношение диоксида кремния к оксиду щелочного металла больше, чем 4:1, и до 60 мас.% воды, согласно предлагаемому техническому решению в качестве компонента защитного слоя дополнительно содержит термостабилизатор - неорганическую соль химического элемента Al, Ba, Mg, Ca, причем отношение массы химического элемента к массе гидроксида щелочного металла составляет 0,1-1,5.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить ограниченность прототипа и обеспечить продолжительность тепло- и огнезащитного действия теплозащитного элемента, больше, чем на 10%. Теплозащитный элемент сохраняет прозрачность в течение длительного времени при его использовании в закрытых помещениях и остекленных наружных конструкциях, в том числе в условиях низкой температуры, например, при циклическом изменении температуры окружающей среды от -30°С до +30°С.

Полисиликат представляет собой смесь золя кремнезема и гидроксида щелочного металла и характеризуется мольным отношением SiO₂/Me₂O, где Me - катионы калия, натрия, лития или смесь. Количество Me₂O рассчитывают из уравнения: Me₂O+H₂O→2MeOH.

Желательно, чтобы концентрация золя кремнезема была выше 25 мас.% для увеличения прочности защитного слоя.

Желательно в качестве неорганической соли элементов использовать любое соединение магния, кальция или бария, причем отношение массы химического элемента к массе гидроксида щелочного металла составляет 0,1-1,5. При соотношениях меньше или больше указанного интервала указываемый эффект не подтверждается.

Это позволяет дополнительно увеличить продолжительность защитного действия (не менее, чем на 10%) и способность к сохранению прозрачности защитного слоя.

Рекомендуется, чтобы прозрачный теплозащитный элемент в качестве вышеупомянутой неорганической соли химического элемента содержал смесь неорганической соли элемента, выбранного из группы магния, кальция или бария, с соединением фосфора, причем отношение массы химического элемента с фосфором к массе гидроксида щелочного металла составляет 0,1-0,7.

Это позволяет увеличить прочностные свойства защитного слоя теплозащитного элемента при сохранении высокой продолжительности защитного действия, в том числе при механических (ударных) нагрузках, в условиях транспортировки и хранения.

В качестве соединения фосфора может быть использовано любое соединение, например, фосфат щелочного металла и др. В качестве соединения магния, кальция или бария могут быть использованы неорганические соли или другие соединения. При соотношениях меньше и больше указанного интервала указываемый эффект не подтверждается.

Желательно также, чтобы прозрачный теплозащитный элемент в качестве вышеупомянутой неорганической соли химического элемента содержал смесь неорганической соли элемента, выбранного из группы магния, кальция или бария с соединением бора, причем отношение массы химического элемента и бора к массе гидроксида щелочного металла составляет 0,1-0,7.

Это позволяет увеличить прочностные свойства защитного слоя теплозащитного элемента при сохранении высокой продолжительности защитного действия, в том числе при механических (ударных) нагрузках в условиях транспортировки и хранения. При соотношениях меньше и больше указанного интервала указываемый эффект не подтверждается.

В качестве соединения бора может быть использовано любое, например, борная кислота, бура, бораты и др. В качестве соединения магния, кальция или бария могут быть использованы любые соли или другие соединения.

Рекомендуется также, чтобы прозрачный теплозащитный элемент в качестве вышеупомянутой неорганической соли химического элемента содержал смесь неорганической соли элемента, выбранного из группы магния, кальция или бария, со смесью соединений бора и фосфора, причем отношение массы химического элемента с бором и фосфором к массе гидроксида щелочного металла составляет 0,1-1,5, при этом соотношение вышеуказанных компонентов в общей смеси может быть любым, а в качестве соединения магния, кальция или бария, а также фосфора и бора могут быть использованы соли или другие соединения.

Это позволяет увеличить когезию компонентов защитного слоя, повысить механическую прочность теплозащитного элемента при ударных нагрузках, транспортировке и хранении. При соотношениях меньше и больше указанного интервала указываемый эффект не подтверждается. В качестве соединений магния, кальция или бария, а также бора и фосфора могут быть использованы соли или другие соединения.

При соотношениях меньше и больше указанного интервала указываемый эффект не подтверждается.

Кроме того, желательно, чтобы прозрачный теплозащитный элемент содержал, по крайней мере, один полиол, что позволяет сохранить прозрачность теплозащитного элемента при низкой температуре. В качестве полиола может быть использован любой, например, глицерин, этиленгликоль и др.

Согласно предлагаемому техническому решению прозрачный теплозащитный элемент включает, по крайней мере, два листа материала, и расположенный между ними, по крайней мере, один прозрачный защитный слой, который содержит полисиликат щелочного металла, имеющий мольное отношение диоксида кремния к оксиду щелочного металла больше, чем 4:1, и содержащий до 60 мас.% воды. При этом защитный слой дополнительно содержит термостабилизатор - неорганическую соль химического элемента, причем отношение массы химического элемента к массе гидроксида щелочного металла составляет 0,1-1,5.

Предлагаемый прозрачный теплозащитный элемент может содержать в качестве термостабилизатора любую неорганическую соль химического элемента: алюминия, кальция, магния, бария, титана, циркония, бора, фосфора и др. При этом отношение массы химического элемента к массе гидроксида щелочного металла составляет 0,1-1,5. При соотношении, меньше вышеупомянутого, заметное улучшение продолжительности защитного действия теплозащитного элемента не наблюдается, а при более высоком соотношении, чем заявленное, защитный слой теплозащитного элемента теряет прозрачность.

Защитный слой теплозащитного элемента может содержать смеси соединений вышеуказанных элементов.

Предлагаемый прозрачный теплозащитный элемент получают по стандартной технологии, используя общепринятые методики. Испытания полученного теплозащитного элемента на тепло- и огнестойкость проводят в условиях высокой температуры (>750°С), в том числе имитирующих условия возникновения пожара.

Прозрачность теплозащитного элемента, в том числе при хранении и эксплуатации, контролировали по общепринятой методике, в частности, визуально.

Устойчивость к ударным нагрузкам оценивали по способности теплозащитного элемента сохранять целостность при падении на цементный пол с высоты 2 м.

Для иллюстрации предлагаемого изобретения далее приводятся следующие примеры, не ограничивающие его объем.

Пример 1.

Прозрачный теплозащитный элемент изготавливали из четырех листов стекла размером 20 см×20 см, расположенных параллельно и отстоящих друг от друга на расстояние 2 мм. Со всех сторон огнезащитный элемент герметизировали, оставляли отверстие для заливки жидкотекучей композиции полисиликата в пространство между стеклами. Жидкотекучая композиция содержала полисиликат калия, при этом мольное отношение SiO₂ к K₂О составляло 4,7:1, и включала 47 мас.% воды. Жидкотекучую композицию через отверстия вводили в пространство между стеклами. После проведения операции дегазации по стандартной технологии открытые отверстия заделывали герметиком. Для отверждения защитного слоя теплозащитный элемент выдерживали при температуре до 60°С.

Испытание полученного теплозащитного элемента на тепло- и огнестойкость проводили в условиях, имитирующих возникновение пожара. Для этого теплозащитный элемент устанавливали в держателе, на одну его поверхность направляли открытое пламя промышленной горелки, действие которой вызывает повышение температуры свыше 750°С. При контакте одной стороны теплозащитного элемента с открытым пламенем горелки и воздействии температуры образуется объемная хрупкая легко рассыпающаяся пена. Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходило через 45 мин.

Пример 2.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но при этом защитный слой дополнительно содержит термостабилизатор, являющийся сернокислым алюминием, при отношении массы химического элемента алюминия к массе KOH, равном 0,1.

Расчет количества компонентов смеси проводили исходя из следующих уравнений:

где - масса кремнезема (г); - масса К₂О (г); и - молекулярные массы К₂О и SiO₂ (94 и 60, соответственно).

Отсюда:

Так как 1 моль K₂О содержит 2 моля KOH, то массу гидроксида калия можно рассчитать по формуле:

Необходимые количества алюминия (m_Al) и сернокислого алюминия Al₂(SO₄)₃·12H₂O(m_соль) рассчитывают по формулам:

где M_соль, M_Al - молекулярные массы соли и алюминия, равные, соответственно, 666 и 27 г/моль.

При этом теплозащитный элемент получали и испытывали аналогично примеру 1. Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходило через 60 мин.

Пример 3.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но при этом он содержит термостабилизатор, являющийся хлоридом бария, при отношении массы химического элемента бария к массе KOH, равном 0,54, а полисиликат защитного слоя имеет мольное отношение SiO₂ к K₂О 4,4:1 и концентрация воды в композиции 45,2 мас.%. При этом теплозащитный элемент получали и испытывали аналогично примеру 1. Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходило через 80 мин. Теплозащитный элемент в конструкциях внутренних помещений сохраняет прозрачность и тепло-огнезащитные свойства после длительного хранения.

Пример 4.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но при этом он содержит термостабилизатор, являющийся смесью нитрата кальция и триполифосфата калия, при этом отношение суммы масс кальция и фосфора к массе гидроксида калия составляет 1,0 при мольной доле кальция относительно фосфора 0,3. Полисиликат защитного слоя имеет мольное отношение SiO₂ к K₂О 4,9:1 и содержит 45,2 мас.% Н₂О. При этом теплозащитный элемент, полученный и испытанный аналогично примеру 1, не разрушается при механических (ударных) нагрузках, а также при транспортировке и хранении. Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходит через 70 мин. Теплозащитный элемент сохраняет прозрачность в течение длительного времени при его использовании в закрытых помещениях и наружных конструкциях, в том числе при циклическом изменении температуры окружающей среды от -12°С до+30°С.

Пример 5.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но при этом он содержит термостабилизатор - сульфат магния при отношении массы магния к массе гидроксида калия, равном 1,0. Полисиликат защитного слоя характеризуется мольным отношением SiO₂ к K₂О 4,3:1. При этом теплозащитный элемент получен и испытан аналогично примеру 1. Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходит через 70 мин.

Пример 6.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но при этом он содержит термостабилизатор - смесь нитрата кальция и борной кислоты, при этом отношение суммы масс кальция и бора к массе гидроксида калия составляет 0,4%, а мольная доля бора относительно кальция 0,8. При этом теплозащитный элемент, полученный и испытанный аналогично примеру 1, не разрушается при механических (ударных) нагрузках, в условиях транспортировки и хранения. Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходит через 75 мин.

Пример 7.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но при этом полисиликат защитного слоя содержит смесь оксидов калия и лития, при этом мольное отношение калия к литию равно 1:0,15, а мольное отношение SiO₂ к сумме (K₂O+Li₂О) равно 5,1:1. Термостабилизатор - смесь соли нитрата кальция и борной кислоты, взятых при мольной доле кальция относительно бора 0,4, при этом отношение суммы масс кальция и бора к массе суммы оксидов калия и лития составляет 0,1 мас.%. При этом теплозащитный элемент, полученный и испытанный аналогично примеру 1, не разрушается при механических (ударных) нагрузках, при транспортировке и хранении. Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходит через 66 мин.

Пример 8.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но в качестве оксида щелочного металла он содержит смесь оксидов калия, натрия и лития при мольном отношении оксидов щелочных металлов K₂O:Na₂O:Li₂O, равном 1:0,08:0,04, при этом мольное отношение SiO₂ к сумме (K₂O+Na₂O+Li₂O) равно 5,0:1, а также термостабилизатор - нитрат бария, причем содержание элемента бария относительно массы смеси оксидов калия, натрия и лития равно 0,1. Концентрация SiO₂ равна 32,3 мас.%. Получение теплозащитного элемента и его испытания проводили аналогично примеру 1, при этом продолжительность теплозащитного действия составляет 67 мин.

Пример 9.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но при этом он содержит смесь борной кислоты и триполифосфата калия, взятых при соотношении суммы массы бора и фосфора к массе гидроксида калия, равном 0,7, при мольной доле химического элемента бора 0,15, а также содержит термостабилизатор - сульфат магния при отношении массы магния к массе гидроксида калия, равном 1,5 мас.%. Полисиликат защитного слоя характеризуется мольным отношением SiO₂ к K₂О 4,3:1. При этом теплозащитный элемент, полученный и испытанный аналогично примеру 1, не разрушается при механических (ударных) нагрузках в условиях транспортировки и хранения. Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходит через 69 мин.

Пример 10.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но при этом он содержит термостабилизатор - хлорид бария, при отношении массы химического элемента бария к массе KOH, равном 0,1, полисиликат защитного слоя имеет мольное отношение SiO₂ к K₂О 4,4:1, при этом защитный слой теплозащитного элемента дополнительно содержит 7 мас.% глицерина от массы SiO₂. При этом теплозащитный элемент получают и испытывают аналогично примеру 1. Теплозащитный элемент сохраняет прозрачность в течение длительного времени при его использовании в закрытых помещениях и остекленных наружных конструкциях, в том числе в условиях низкой температуры, в частности, при циклическом изменении температуры окружающей среды от -12°С до+30°С.

Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходит через 70 мин.

Пример 11.

Теплозащитный элемент представляет собой конструкцию, аналогичную указанной в примере 1, но при этом он содержит смесь борной кислоты и полифосфата калия, взятых при соотношении суммы масс элементов бора и фосфора к массе гидроксида калия, равном 0,7, при мольной доле бора в смеси 0,15, а также содержит термостабилизатор - сульфат магния при отношении массы магния к массе гидроксида калия, равном 0,6. Полисиликат защитного слоя характеризуется мольным отношением SiO₂ к K₂О 4,3:1. При этом теплозащитный элемент, полученный и испытанный аналогично примеру 1, не разрушается при механических (ударных) нагрузках, в условиях транспортировки и хранения. Разрушение третьего защитного слоя с внешней стороны происходит через 73 мин.

1. Прозрачный теплозащитный элемент, содержащий, по крайней мере, два листа стекла, и расположенный между ними, по крайней мере, один прозрачный защитный слой, который содержит полисиликат щелочного металла, имеющий мольное отношение диоксида кремния к оксиду щелочного металла больше, чем 4:1, и содержащий до 60% воды, отличающийся тем, что защитный слой дополнительно содержит термостабилизатор - неорганическую соль химического элемента Al, Mg, Ва, Са, причем отношение массы химического элемента к массе гидроксида щелочного металла составляет 0,1-1,5.

2. Прозрачный теплозащитный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве вышеупомянутого соединения неорганической соли химического элемента содержит смесь соли элемента, выбранного из группы магний, кальций или барий, с соединением фосфора, при отношении массы смеси химического элемента с фосфором к массе гидроксида щелочного металла в диапазоне 0,1-0,7.

3. Прозрачный теплозащитный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве вышеупомянутого соединения неорганической соли химического элемента содержит смесь неорганической соли элемента, выбранного из группы магний, кальций или барий, со смесью соединений бора и фосфора, при отношении массы общей смеси химического элемента с бором и фосфором к массе гидроксида щелочного металла в диапазоне 0,1-1,5.

4. Прозрачный теплозащитный элемент по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, один полиол.