Микропористый теплоизоляционный материал, способ и перемешивающее устройство для его изготовления



Микропористый теплоизоляционный материал, способ и перемешивающее устройство для его изготовления
Микропористый теплоизоляционный материал, способ и перемешивающее устройство для его изготовления

Владельцы патента RU 2396481:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (RU)

Изобретение относится к созданию материала для тепловой защиты и может быть использовано в авиакосмической технике, машиностроении, строительстве и других областях. Микропористый теплоизоляционный материал изготовлен из пирогенного диоксида кремния, стекловолокна, порошкообразного глушителя, в качестве которого используют диоксид титана или карбид кремния, и дополнительно содержит спекающую добавку в виде аморфного бора. Способ изготовления указанного материала включает измельчение стекловолокна, введение пирогенного диоксида кремния, порошкообразного глушителя и спекающей добавки, смешивание в перемешивающем устройстве, загрузку полученной смеси в форму, сухое прессование и высокотемпературный обжиг при температуре 850-1000°С в течение 2-4 ч. Смешивание компонентов проводят в перемешивающем устройстве якорно-лопастного типа со скоростью вращения вала 500-1000 об/мин в течение не более 20 мин. Перемешивающее устройство включает цилиндрический корпус с коническим дном и расположенный соосно корпусу вал с лопастями. На валу дополнительно прикреплен якорь, образующий между вертикальной стенкой корпуса и дном корпуса зазоры размерами 20 мм и 4 мм соответственно. Лопасти наклонены к линии горизонта под углом 85° в направлении вращения вала. Изобретение позволяет повысить прочностные характеристики микропористого теплоизоляционного материала без существенного ухудшения его теплофизических свойств. 3 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии производства теплоизоляционных материалов и может быть использовано в авиакосмической технике, в приборостроении, машиностроении, строительстве и других областях техники.

Известен микропористый теплоизоляционный материал (Патент США №5122291, МПК С09С 1/28, С01В 33/154), включающий пигментсодержащий аэрогель из диоксида кремния.

Способ изготовления этого материала включает следующие операции:

- реакция водной дисперсии силиката натрия и пигмента с сильной кислотой с целью выделения пигментсодержащего гидрогеля, который рассеивает, поглощает или отражает инфракрасную энергию,

- очистка полученного пигментсодержащего гидрогеля из диоксида кремния промыванием его водой,

- вытеснение воды в гидрогеле путем использования низкокипящей жидкости, которая инертна по отношению к пигментсодержащему гелю из диоксида кремния,

- нагревание содержащего жидкость геля, полученного таким образом, при температуре и давлении выше критических значений,

- удаление жидкости из твердой фазы с помощью однократного испарения при сверхкритической температуре.

Известно перемешивающее устройство, включающее цилиндрический корпус и соосно расположенный в нем вал, на котором жестко закреплена рама прямоугольной формы (Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975, с.61-64).

Недостатками известного материала и способа его изготовления являются низкая прочность из-за отсутствия в нем армирующих составляющих (волокон) и сложная технология его получения.

Перемешивающее устройство предназначено для перемешивания жидкостей и не может быть использовано для сыпучих материалов.

Наибольшее количество общих признаков с заявляемым материалом имеет микропористый теплоизоляционный материал, изготовленный из пирогенного диоксида кремния, порошкообразного глушителя и стекловолокна - прототип (Патент ЕР №1663907, МПК С04В 30/02).

Наибольшее количество общих признаков с заявленным способом имеет способ, включающий измельчение стекловолокна, смешивание его с пирогенным диоксидом кремния и порошкообразным глушителем в высокоскоростном смесителе, загрузку полученной смеси в форму, сухое прессование заготовки до заданной высоты и ее высокотемпературный обжиг - прототип (Патент США №5302444, МПК В32В 9/00).

Недостатками материала, полученного по этому способу, являются низкие прочностные показатели.

Наибольшее количество общих признаков с заявленным перемешивающим устройством для изготовления микропористого теплоизоляционного материала имеет перемешивающее устройство лопастного типа, включающее цилиндрический корпус с коническим дном и соосно расположенный в корпусе вал с лопастями (Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975, с.61-64). Недостатком указанного перемешивающего устройства является то, что оно в процессе перемешивания смеси компонентов не обеспечивает образования на частицах волокон слоя из пирогенного диоксида кремния.

Поэтому в материале частицы волокон находятся в прямом контакте друг с другом, что приводит к передаче тепла через твердую фазу (волокна) и, следовательно, к увеличению коэффициента теплопроводности.

Обычно для увеличения прочностных характеристик микропористого теплоизоляционного материала увеличивают в нем содержание волокнистой (армирующей) составляющей. Однако увеличение содержания волокна в материале приводит к росту числа контактов волокон между собой, что является причиной роста коэффициента теплопроводности, поскольку увеличивается теплопроводность через контактирующие между собой частицы волокон.

Задача изобретения - увеличение прочностных характеристик микропористого теплоизоляционного материала без существенных ухудшений его теплофизических свойств.

Поставленная задача достигается тем, что в микропористом теплоизоляционном материале, изготовленном из пирогенного диоксида кремния, порошкообразного глушителя в виде диоксида титана или карбида кремния и стекловолокна, согласно предлагаемому изобретению материал дополнительно содержит спекающую добавку в виде аморфного бора при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Пирогенный диоксид кремния 45,0-60,0
Стекловолокно 6,7-30,0
Порошкообразный глушитель 15,0-35,0
Аморфный бор 0,1-0,5

Поставленная задача решается и тем, что в способе изготовления микропористого теплоизоляционного материала, включающем измельчение стекловолокна, смешивание его с пирогенным диоксидом кремния, порошкообразным глушителем в виде диоксида титана или карбида кремния в перемешивающем устройстве, загрузку полученной смеси в форму, сухое прессование полученной заготовки материала и ее высокотемпературный обжиг, согласно предлагаемому изобретению в состав смешиваемых компонентов вводят аморфный бор, смешивание компонентов проводят в перемешивающем устройстве якорно-лопастного типа со скоростью вращения вала 500-1000 об/мин в течение времени не более 20 мин, а полученную сухую заготовку материала после прессования подвергают обжигу при температуре 850-1000°С в течение 2-4 часов.

Поставленная задача решается также и тем, что в перемешивающем устройстве для изготовления микропористого теплоизоляционного материала, включающем цилиндрический корпус с коническим дном и соосно расположенный в корпусе с коническим дном вал с лопастями, согласно предлагаемому изобретению лопасти наклонены под углом 85° к линии горизонта в направлении вращения вала с лопастями, а на валу дополнительно закреплен якорь, повторяющий профиль внутренней части цилиндрического корпуса с коническим дном и образующий между вертикальной стенкой корпуса с коническим дном и дном корпуса зазоры размерами 20 мм и 4 мм соответственно, причем к якорю в вертикальном направлении жестко прикреплены две направляющие пластины так, что зазоры, образованные между якорем и вертикальной стенкой цилиндрического корпуса с коническим дном, в направлении вращения вала плавно уменьшаются от размера, равного 20 мм, до размера, равного 4 мм.

На фиг.1 приведен вертикальный разрез перемешивающего устройства, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Перемешивающее устройство состоит из цилиндрического корпуса 1 с коническим дном, соосно расположенного в корпусе 1 с коническим дном и выполненного с возможностью вращения вала 2 с лопастями 3 и якорем 4. Крышка 5 цилиндрического корпуса 1 снабжена загрузочным, а дно корпуса разгрузочным люками 6 и 7 соответственно. Лопасти 3 наклонены под углом 85° к линии горизонта в направлении вращения вала 2. На валу 2 закреплен якорь 4, к которому в вертикальном направлении жестко прикреплены направляющие пластины 8. Зазоры, образованные между якорем 4 с направляющими пластинами 8 и вертикальной стенкой цилиндрического корпуса 1 с коническим дном, в направлении вращения вала 2 плавно уменьшаются от размера, равного 20 мм, до размера, равного 4 мм.

Перемешивающее устройство работает следующим образом: в цилиндрический корпус 1 с помощью дозатора (не показан) через загрузочный люк 6 при закрытом разгрузочном люке 7 засыпают смесь рассчитанного количества подготовленных компонентов, включают двигатель (не показан) с заданным числом оборотов.

При вращении вала 2 смесь компонентов с помощью установленных наклонно к линии горизонта лопастей 3 и центробежной силы отбрасывается к вертикальным стенкам корпуса 1 и попадает в зазоры между вертикальными стенками корпуса 1 и якорем 4. Так как зазоры в направлении вращения вала 2 благодаря направляющим пластинам 8 плавно уменьшаются от 20 мм до 4 мм, то на смесь компонентов действуют одновременно силы сжатия, трения и сдвига, под влиянием которых частицы стекловолокон покрываются слоем из наноразмерных частиц пирогенного диоксида кремния и равномерно распределенными в них частицами порошкообразного глушителя и спекающей добавки - аморфного бора. Таким образом исключается прямой контакт стекловолокон друг с другом в материале. Контакт между ними осуществляется через покровный слой пирогенного диоксида кремния, и, следовательно, сводится на нет или значительно уменьшается передача тепла через частицы волокон. Поэтому коэффициент теплопроводности материала с большим количеством армирующего волокна меняется незначительно, но его прочность при этом возрастает более чем в 2 раза.

Для получения сравнительных данных и обоснования сущности предлагаемого изобретения приведены примеры получения микропористого теплоизоляционного материала.

Пример 1. В перемешивающее устройство загрузили 76,8 г (60 мас.%) пирогенного диоксида кремния (аэросил-300), 8,58 г (6,7 мас.%) прокаленного при 800°С в течение 1,5 часов измельченного кремнеземного волокна марки PS-23, имеющего диаметр 6-10 мкм, 42,49 г (33,2 мас.%) порошка диоксида титана размерами частиц 0,2-0,7 мкм и 0,13 г (0,1 мас.%) аморфного бора. Компоненты перемешали в смесителе в течение 20 мин со скоростью вращения мешалки 500 об/мин. Полученную смесь выгрузили в пресс-форму размером 200×200×120 мм и с помощью ручного пресса спрессовали до толщины 10 мм, что соответствует плотности (р) материала, равной 320 кг/м3. Полученный образец обожгли при температуре 850°С в течение 4 часов.

Пример 2. Операции проводили аналогично примеру 1 со следующим составом: 57,6 г (45 мас.%) аэросила-300, 25,22 г (19,7 мас.%) волокна PS-23, 44,8 (35 мас.%) диоксида титана и 0,38 г (0,3 мас.%) аморфного бора. Смесь перемешали в течение 10 мин со скоростью 700 об/мин и спрессовали в пресс-форме до толщины 10 мм (р=320 кг/м3). Полученный образец обожгли при температуре 900°С в течение 3 часов.

Пример 3. Операции проводили аналогично примеру 1 со следующим составом: аэросил-300 - 67,84 г (53,0 мас.%), волокно PS-23 - 38,4 г (30 мас.%), диоксида титана 21,12 (16,5 мас.%) и 0,64 г (0,5 мас.%) аморфного бора. Смесь перемешивали в течение 15 минут при скорости вращения мешалки 600 об/мин и спрессовали ее до толщины 10 мм (р=320 кг/м3). Полученный образец обожгли при температуре 1000°С в течение 2 часов.

Пример 4. Операции проводили аналогично примеру 1 со следующим составом: аэросил-300 - 69,89 г (54,6 мас.%), волокно PS-23 - 38,4 г (30 мас.%), диоксида титана 19,2 г (15,0 мас.%) и 0,51 г (0,4 мас.%) аморфного бора. Смесь перемешивали в течение 5 минут при скорости вращения мешалки 1000 об/мин и спрессовали ее до толщины 10 мм (р=320 кг/м3). Полученный образец обожгли при температуре 920°С в течение 2,5 часов.

Примеры (1-4) повторили, заменив в них кремнеземное волокно марки PS-23 на алюмосиликатное диаметром 2-4 мкм фирмы UNIFRAX, а глушитель - диоксид титана на карбид кремния размером частиц 3-8 мкм. Полученные характеристики образцов заявляемого материала приведены в таблице (примеры 1-4), причем данные в скобках относятся к образцам материала, содержащим алюмосиликатное волокно фирмы UNIFRAX.

Для сравнения в таблице приведены аналогичные характеристики образцов материала-прототипа, полученные с использованием волокон типа 4 и FIBERFRAX (данные в скобках).

Из данных таблицы следует, что заявляемый материал с таким же содержанием волокна (пример 1) имеет практически одинаковые с материалом-прототипом коэффициенты теплопроводности, но благодаря незначительному содержанию спекающей добавки его прочность более чем в 2 раза выше. Из таблицы также следует, что с ростом в материале содержания волокна и спекающей добавки прочностные характеристики заявляемого материала начинают резко возрастать, а коэффициенты теплопроводности при этом растут незначительно.

Из вышеприведенных данных следует, что заявляемый микропористый теплоизоляционный материал, способ его изготовления и перемешивающее устройство дают положительный эффект в части увеличения прочностных характеристик без существенного роста при этом коэффициента теплопроводности. Низкие значения коэффициента теплопроводности и плотности, относительно высокая прочность заявляемого материала делают его перспективным для использования в авиакосмической технике в качестве тепловой защиты летательных аппаратов и их узлов, в приборостроении и в других областях техники.

Физико-механические характеристики образцов материала
Характеристика материала Примеры Прототип
1 2 3 4
Плотность, кг/м3 320 320 320 320 320
Коэффициент теплопроводности при 200°С, Вт/м·К 0,028 (0,026) 0,029 (0,027) 0,031 (0,029) 0,030 (0,028) 0,0271 (0,0251)
Коэффициент теплопроводности при 400°С, Вт/м·К 0,035 (0,033) 0,039 (0,035) 0,041 (0,037) 0,040 (0,037) 0,0344 (0,0308)
Прочность на изгиб, МПа 0,40 (0,30) 0,80 (0,50) 1,20 (0,90) 1,10 (0,80) 0,190 (0,085)

1. Микропористый теплоизоляционный материал, изготовленный из пирогенного диоксида кремния, порошкообразного глушителя в виде диоксида титана или карбида кремния и стекловолокна, отличающийся тем, что материал дополнительно содержит спекающую добавку в виде аморфного бора при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Пирогенный диоксид кремния 45,0-60,0
Стекловолокно 6,7-30,0
Порошкообразный глушитель 15,0-35,0
Аморфный бор 0,1-0,5

2. Способ изготовления микропористого теплоизоляционного материала, включающий измельчение стекловолокна, смешивание его с пирогенным диоксидом кремния и порошкообразным глушителем в виде диоксида титана или карбида кремния в перемешивающем устройстве, загрузку полученной смеси в форму, сухое прессование полученной заготовки и ее высокотемпературный обжиг, отличающийся тем, что в состав смешиваемых компонентов вводят аморфный бор, смешивание компонентов проводят в перемешивающем устройстве якорно-лопастного типа со скоростью вращения вала 500-1000 об/мин в течение времени не более 20 мин, а полученную заготовку материала после прессования подвергают обжигу при температуре 850-1000°С в течение 2-4 ч.

3. Перемешивающее устройство для изготовления микропористого теплоизоляционного материала, включающее цилиндрический корпус с коническим дном и соосно расположенный в корпусе с коническим дном вал с лопастями, отличающееся тем, что лопасти наклонены к линии горизонта под углом 85° в направлении вращения вала, а на валу дополнительно прикреплен якорь, повторяющий профиль внутренней части цилиндрического корпуса с коническим дном и образующий между вертикальной стенкой корпуса с коническим дном и дном корпуса зазоры размерами 20 мм и 4 мм соответственно, причем к якорю в вертикальном направлении жестко прикреплены направляющие пластины так, что зазоры, образованные между якорем и вертикальной стенкой цилиндрического корпуса с коническим дном, в направлении вращения вала плавно уменьшаются от размера, равного 20 мм, до размера, равного 4 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов, используемых для соединения трубопроводов различных диаметров.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов, используемых для соединения трубопроводов различных диаметров.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов, используемых для соединения трубопроводов различных диаметров, а также присоединения ответвления с одновременным переходом от одного диаметра трубопровода к другому.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов, используемых для соединения трубопроводов различных диаметров, а также присоединения ответвления с одновременным переходом от одного диаметра трубопровода к другому.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также к самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления тепло-гидроизолированных переходов, а также к самим конструкциям тепло-гидроизолированных переходов.
Изобретение относится к композициям пенобетона с применением дисперсного армирования волокнами и может быть использовано для производства изделий в стационарных условиях и непосредственно на стройплощадке.

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий в промышленном и гражданском строительстве. .
Изобретение относится к области керамических материалов для медицины, а именно для травматологии и реконструктивно-восстановительной хирургии, стоматологии и к системе доставки лекарственных препаратов.
Изобретение относится к технологии получения белковых пенообразователей и может быть использовано в производстве ячеистых бетонов на цементных и гипсовых вяжущих, а также для пожаротушения.

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к ячеистым бетонам автоклавного твердения. .
Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к ячеистым бетонам автоклавного твердения. .
Изобретение относится к производству теплоизоляционных изделий, содержащих керамические волокна и предназначенных для использования в строительном комплексе и промышленных футеровок тепловых агрегатов.

Изобретение относится к производству стройматериалов, содержащих керамические волокна и предназначенных для изготовления теплоизоляционных изделий. .
Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при производстве ячеистого неавтоклавного газобетона, а также для изготовления штучных изделий и монолитов.
Изобретение относится к строительству, а именно к изготовлению сухой штукатурной смеси для теплоизоляционного покрытия внешних и внутренних сторон стен строительных конструкций.
Изобретение относится к производству теплоизоляционных изделий, содержащих керамические волокна и предназначенных для использования в строительном комплексе и промышленных футеровок тепловых агрегатов.

Изобретение относится к созданию материала для тепловой защиты и может быть использовано в авиакосмической технике, машиностроении, строительстве и других областях

Наверх