Способ изготовления керамического теплоизоляционного материала
Владельцы патента RU 2355665:
Кнатько Михаил Васильевич (RU)
Щербакова Елена Васильевна (RU)
Бегоулев Сергей Анатольевич (RU)
Кнатько Василий Михайлович (RU)
Изобретение относится к технологии изготовления строительного теплоизоляционного керамического материала. Техническим результатом изобретения является повышение теплотехнических и прочностных свойств керамического теплоизоляционного материала. Способ изготовления керамического теплоизоляционного материала включает приготовление шихты, формование заготовок, сушку и обжиг. Шихта для изготовления керамического теплоизоляционного материала содержит следующие компоненты в мас.%: глина - 25,5-40,0; выгорающая добавка - 25,0-46,5; песок - 5-20; вода - остальное. В качестве выгорающих добавок используют предварительно раздробленные древесные отходы, которые перед введением в шихту подвергают дополнительному измельчению в кислой суспензии с рН среды 2-3, полученной путем разведения водой до содержания Т:Ж=1:10 глинистой пасты, затем влагосодержание измельченных древесных отходов доводят до величины не более 70%. Суспензия готовится на основе глинистой пасты следующего состава в мас.%: глина кембрийская молотая - 40,0-50,0; фосфорная кислота (или смесь фосфорной и серной кислот в соотношении от 1:0,1 до 1:0,2) - 5,0-10,0; вода - остальное. 6 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к технологии изготовления строительного керамического материала, в частности теплоизоляционного.
Известно, что при производстве керамических строительных материалов с повышенными теплоизоляционными качествами важное значение имеет технология приготовления шихты, включающей глину, отощающие и выгорающие добавки. Включение в шихту выгорающих добавок способствует формированию повышенной пористости, благодаря чему улучшаются теплотехнические характеристики материала и снижается его вес. Кроме вышеназванных компонентов, в смесь вносят активирующие добавки (плавни), обеспечивающие снижение температуры спекания, получаемой при обжиге керамической массы.
Известен способ изготовления керамического материала (RU №2114086, С04 В 33/00, 1998), заключающийся в перемешивании до однородного состояния сухой глины и смеси выгорающих добавок, формовании изделий, сушке и обжиге, причем выгорающие добавки содержат древесные опилки и нефтешлам в массовом соотношении 1:1-3,5 при содержании воды в нефтешламе 3-10 мас.% и следующем соотношении компонентов, мас.%:
смесь древесных опилок и нефтешлама - 13-15;
глина - до 100.
Использование в качестве выгорающей смеси нефтешлама и древесных опилок обеспечивает, по мнению авторов, образование дополнительной пористости керамического материала.
Однако использование нефтешлама для производства керамических изделий и материалов возможно только в регионах, связанных с нефтепеработкой, что препятствует широкому использованию известного изобретения.
Известен также способ производства керамического материала, включающий подготовку компонентов шихты, приготовление керамической массы, формование изделий, сушку и обжиг, причем выгорающие и отощающие добавки предварительно обезвоживают до влагосодержания не более 10% (RU №2089526, С04 В 33/00, 1997).
К числу известных технических решений относится также и способ изготовления теплоизоляционного материала, заключающийся в приготовлении шихты с использованием аморфного кремнезема 55,0-68,0 мас.%, жидкого стекла - 8,0-15,0 мас.% и выгорающих добавок, в качестве которых используют древесные опилки или труху соломы 20,0-27,0 мас.% (RU №2209793, С04 В 28/26, С04 В 38/06, 2001).
Недостатком известного способа является использование редких и достаточно дорогих компонентов, таких как аморфный кремнезем и используемое как плавень жидкое стекло.
Наиболее близким предлагаемому изобретению является способ производства керамического материала (RU №2082692, С04 В 33/00, 1997), заключающийся в приготовлении шихты из глинистого сырья, отощителя (аргиллит) и выгорающих добавок, в качестве которых берут опилки и активный ил, который вводится в количестве 10-50 мас.%, в пересчете на сухое вещество по отношению к массе глинистого сырья, формовании, сушке и обжиге.
Использование в известной смеси в качестве одной из выгорающих добавок активного ила позволяет сократить расход сырьевых ресурсов, таких как опилки, аргиллит и глинистое сырье. Однако авторы не учитывают, что использование активного ила в технологическом процессе возможно только после его предварительного обезвреживания и обеззараживания с целью обеспечения экологически безопасных условий труда персонала.
Кроме того, известно, что для формирования требуемых теплотехнических и прочностных характеристик керамического материала большое значение имеют размеры и форма пор, образующихся после его обжига: чем больше диаметр пор, тем хуже теплотехнические характеристики материала и тем больше вероятность снижения его прочности. Поэтому существенным недостатком, общим для известных технических решений и для прототипа, является то, что при обжиге сырьевой смеси и выгорании содержащихся в ней выгорающих добавок, таких как древесные опилки, как правило, имеющие пластинчато-кубическую форму, образуются крупные поры, способствующие конвекционному переносу тепла через материал и, соответственно, увеличению коэффициента теплопроводности. Преимущественно одномерный состав древесных частиц обусловливает необходимость увеличения расхода глинистого связующего, что приводит к увеличению объемной массы кирпича. Дополнительное измельчение опилок или отходов древесины в сухом состоянии не позволяет преодолеть указанные недостатки, так как при этом значительная часть опилок переходит в пылевидное состояние, что снижает пластичность шихты. Кроме того, из-за ограничения свободного доступа кислорода к изолированным глиной древесным частицам происходит возгонка и коксование последних, то есть не происходит полного выгорания древесины. Это также снижает теплотехнические и прочностные качества материала.
Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является повышение теплотехнических и прочностных свойств керамического материала путем формирования пространственно-хаотичной капиллярной и микро- пористости, препятствующих прямолинейному распространению теплового потока.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления керамического теплоизоляционного материала, включающем приготовление шихты, формование заготовок, сушку и обжиг, согласно изобретению шихта включает следующие компоненты в мас.%:
глина - 25,5-40,0;
выгорающая добавка - 25,0-46,5;
песок - 5,0-20,0;
вода - остальное,
причем в качестве выгорающих добавок используют предварительно раздробленные древесные отходы, которые перед введением в шихту подвергают дополнительному измельчению в кислой суспензии с рН среды 2-3, полученной путем разведения водой до содержания по Т:Ж=1:10 глинистой пасты, содержащей фосфорную кислоту или смесь фосфорной и серной кислот, затем влагосодержание измельченных древесных отходов доводят до величины не более 70% и производят смешивание всех компонентов шихты.
Суспензия может быть приготовлена на основе глинистой пасты следующего состава в мас.%:
глина кембрийская молотая - 40,0-50,0;
фосфорная кислота - 5,0-10,0;
вода - остальное.
Суспензия может быть также приготовлена на основе глинистой пасты следующего состава в мас.%:
глина кембрийская молотая - 40,0-50,0;
смесь фосфорной и серной кислот
в соотношении от 1:0,1 до 1:0,2 - 5,0-10,0;
вода - остальное.
При этом предварительное грубое дробление древесных отходов ведут до получения частиц размерами 10-30 мм и в количестве 8-10 мас.% вводят в суспензию и затем измельчают до получения дисперсно-волокнистых частиц, диаметр которых не превышает 1,0 мм. Кроме того, в шихту дополнительно можно ввести 0,5-3,0 мас.% хлорного железа и порошок стеклобоя в количестве 2-3 мас.%.
Авторам не известны источники научно технической и патентной информации, содержащие сведения о технических решениях, идентичных заявленному изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
В результате дополнительного измельчения древесного материала в кислой среде суспензии глинистой пасты лигнин древесины подвергается интенсивному гидролизу, что приводит к его растворению. Древесина приобретает эластичную дисперсно-волокнистую структуру, что обеспечивает лучшее адгезионное взаимодействие древесных волокон с глинистой дисперсной фазой шихты, повышение пластичности материала, равномерное распределение волокон по объему материала при перемешивании. Указанная степень разведения глинистой пасты водой для получения суспензии обусловлена необходимостью получения среды с заданным рН и достаточным содержанием глинистого компонента. Большее количество воды приведет к неоправданным затратам кислоты и снижению количества глинистого компонента, участвующего в кислотном гидролизе лигнина древесных отходов, а также нерациональному использованию рабочего объема оборудования. Снижение влагосодержания измельченной древесно-волокнистой массы до 70% технологически необходимо для последующего смешения всех компонентов шихты и обеспечения влажности последней не более 20-25%.
При обжиге полученного керамического теплоизоляционного материала обеспечивается полное выгорание древесных волокон и образуется равномерная, сообщающаяся, хаотично ориентированная в массе материала микро- и макрокапиллярная пористость. Таким образом, достигается увеличение интегральной (открытой) пористости производимого керамического материала.
Для осуществления способа возможно использование различных неорганических кислот или их смесей. Однако наибольшая эффективность достигается при использовании фосфорной кислоты, так как при обжиге шихты образующиеся в ней фосфаты обладают высокой термоустойчивостью и способствуют повышению прочностных качеств материала. Добавка серной кислоты к фосфорной кислоте в заявленном соотношении способствуют снижению значений рН среды при приготовлении глинистой пасты и преодолению основных факторов буферности глинистого компонента.
Оптимальное количество вводимых в суспензию предварительно раздробленных до размеров 10-30 мм древесных отходов определено в результате экспериментов и составляет 8-10 мас.%. При введении большего количества древесных отходов не обеспечивалось равномерное распределение суспензии по поверхности древесных частиц, затруднялось перемешивание полученной смеси и как следствие - замедление гидролиза лигнина. При этом грубое предварительное дробление древесных отходов до размеров частиц 10-30 мм обеспечивает хорошее проникновение кислой суспензии в объем древесных частиц, необходимое для последующего диспергирования древесины. Последующее измельчение древесных отходов указанных размеров в кислой среде суспензии ведут до получения волокон с диаметром не более 1 мм, что упрощает их равномерное распределение в объеме материала при смешении с компонентами шихты и получение микропор при последующем обжиге.
Введение в состав шихты добавок хлорного железа (FeCl3) увеличивает вяжущую способность алюмофосфатных комплексов на стадии пластического формования, что позволяет снижать расход глинистого компонента в шихте, а также снижает температуру спекания шихты. Для повышения прочностных характеристик керамического материала в состав шихты также может быть введен порошок стеклобоя, который в ходе обжига выполняет роль плавней, повышает эффективность спекания керамической массы и способствует повышению ее прочности.
Возможность реализации предлагаемого изобретения подтверждается проведенными экспериментами и иллюстрируется следующими примерами.
Для осуществления способа изготавливали глинистую пасту с использованием следующих компонентов в мас.%:
глина кембрийская молотая - 40,0-50,0;
фосфорная кислота (или смесь фосфорной и серной кислот в заявленном соотношении) - 5,0-10,0;
вода - остальное.
В суспензию, полученную на основе глинистой пасты после разведения водой до соотношения Т:Ж=1:10, имеющую рН среды 2,0-3,0, вводили предварительно раздробленные в молотковой дробилке сухие древесные отходы различной крупности (10-30 мм). Затем выполняли перемешивание смеси до получения равномерного распределения суспензии и смачивания древесного материала, после чего выполняли дополнительное измельчение древесных отходов в конусной инерционной дробилке КИД-300 до получения древесных волокон с диаметром не более 1 мм. Посредством механического отжима избыточной воды влагосодержание древесно-волокнистой массы доводилось до 70%, после чего выполняли ее смешивание с другими компонентами шихты.
Для исследований были изготовлены образцы с различным содержанием дисперсно-волокнистых выгорающих добавок в пересчете на сухое вещество, мас.%, представленные в таблице 1.
| Состав 1 | Состав 2 |
| Глина - 25,5 | Глина - 27,5 |
| Выгорающая добавка - 46,5 | Выгорающая добавка - 35,5 |
| Отощитель (песок) - 5,0 | Отощитель (песок) - 10,0 |
| Порошок стеклобоя -1,0 | Порошок стеклобоя - 3,0 |
| Вода - остальное | FeCl3 - 2,0 |
| Вода - остальное | |
| Состав 3 | Состав 4 |
| Глина - 25,0 | Глина - 30,0 |
| Выгорающая добавка - 30,0 | Выгорающая добавка - 25,0 |
| Отощитель (песок) - 20,0 | Отощитель (песок) - 20,0 |
| Порошок стеклобоя - 3,0 | Порошок стеклобоя - 3,0 |
| FeCl3 - 1,0 | FeCl3 - 2,0 |
| Вода - остальное | Вода - остальное |
| Состав 5 | |
| Глина - 40,0 | |
| Выгорающая добавка - 25,0 | |
| Отощитель (песок) - 10,0 | |
| Порошок стеклобоя - 3,00 | |
| FeCl3 - 3,0 | |
| Вода - остальное |
Отформованные и подсушенные образцы были переданы для обжига в заводских условиях (С.-Петербург, НПО «Керамика»). После обжига были определены объемная масса, прочность, теплопроводность, пористость образцов и прочность на одноосное сжатие. При этом во всех образцах произошло практически полное выгорание древесно-волокнистых добавок, что подтверждается их высокой пористостью. Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице 2.
Анализ полученных результатов показывает, что высокая пористость (более 80%) керамического материала, полученного согласно предлагаемому способу, и низкие значения объемной массы и коэффициента теплопроводности позволяют использовать данный материал как в качестве негорючего теплоизоляционного, так и звукоизоляционного материала, например, при устройстве тепло-звукоизоляционных слоев перекрытий и внутренних перегородок жилых и общественных зданий.
| Таблица 1 | ||||||
| № состава | Компоненты | Количество, масс.% | ||||
| 1 | Глина | 25,5 | 27,5 | 25,0 | 30,0 | 40,0 |
| 2 | Выгорающая добавка | 46,5 | 35,5 | 30,0 | 25,0 | 25,0 |
| 3 | Отощитель (песок) | 5,0 | 10,0 | 20,0 | 20,0 | 10,0 |
| 4 | Порошок стеклобоя | 1,0 | 3,0 | 3,0 | 3,0 | 3,0 |
| 5 | Хлорное железо | - | 2,0 | 1,0 | 2,0 | 3,0 |
| 6 | Вода | 22,0 | 22,0 | 21,0 | 20,0 | 19,0 |
| Таблица 2 | ||||||
| № | Исследуемые параметры | Исследуемые образцы составов | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| 1 | Объемная масса после обжига, г/см3 | 0,285 | 0,373 | 0,496 | 0,694 | 0,796 |
| 2 | Прочность на осевое сжатие, МПа | 0,2 | 0,4 | 0,8 | 1,2 | 1,6 |
| 3 | Пористость | 88,4 | 84,7 | 79,7 | 71,7 | 67,9 |
| 4 | Теплопроводность, Вт/мК | 0,048 | 0,05 | 0,06 | 0,12 | 0,16 |
1. Способ изготовления керамического теплоизоляционного материала, включающий приготовление шихты, формование заготовок, сушку и обжиг, отличающийся тем, что шихта включает следующие компоненты, мас.%:
| Глина | 25,5-40,0 |
| Выгорающая добавка | 25,0-46,5 |
| Песок | 5,0-20,0 |
| Вода | Остальное |
причем в качестве выгорающих добавок используют предварительно раздробленные древесные отходы, которые перед введением в шихту подвергают дополнительному измельчению в кислой суспензии с рН среды 2-3, полученной путем разведения водой до содержания Т:Ж=1:10 глинистой пасты, содержащей фосфорную кислоту или смесь фосфорной и серной кислот, затем влагосодержание измельченных древесных отходов доводят до величины не более 70% и производят смешивание всех компонентов шихты.
2. Способ изготовления керамического теплоизоляционного материала по п.1, отличающийся тем, что суспензия готовится на основе глинистой пасты следующего состава, мас.%:
| Глина кембрийская молотая | 40,0-50,0 |
| Фосфорная кислота | 5,0-10,0 |
| Вода | Остальное |
3. Способ изготовления керамического теплоизоляционного материала по п.1, отличающийся тем, что суспензия готовится на основе глинистой пасты следующего состава, мас.%:
| Глина кембрийская молотая | 40,0-50,0 |
| Смесь фосфорной и серной кислот | |
| в соотношении от 1:0,1 до 1:0,2 | 5,0-10,0 |
| Вода | Остальное |
4. Способ изготовления керамического теплоизоляционного материала по п.1, отличающийся тем, что предварительное дробление древесных отходов ведут до получения частиц размерами 10-30 мм.
5. Способ изготовления керамического теплоизоляционного материала по п.1, отличающийся тем, что измельчение древесных отходов в суспензии ведут до получения частиц с диаметром не более 1 мм.
6. Способ изготовления керамического теплоизоляционного материала по п.1, отличающийся тем, что древесные отходы вводят в суспензию в количестве 8-10 мас.%.
7. Способ изготовления керамического теплоизоляционного материала по п.1, отличающийся тем, что в шихту дополнительно вводят 0,5-3,0 мас.% хлорного железа и порошок стеклобоя в количестве 2-3 мас.%.
