Состав смеси для получения теплоизоляционного материала
Владельцы патента RU 2439024:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при изготовлении изделий, применяемых для тепло- и звукоизоляции. Технический результат - снижение плотности, повышение равномерности пористой структуры. Состав смеси для получения теплоизоляционного материала, подвергаемой грануляции в растворе CaCl2, включающий жидкое стекло, тонкоизмельченный минеральный наполнитель и воду, содержит в качестве наполнителя брусит - Mg(OH2), при следующем соотношении компонентов в смеси (мас.%):жидкое стекло 67-92, тонкоизмельченный брусит 7-30, вода 1-3. 2 табл.
Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при изготовлении изделий, применяемых для тепло- и звукоизоляции жилых, административных и промышленных зданий.
Известны составы для получения легких теплоизоляционных материалов на основе жидкого стекла, содержащие, кроме щелочных силикатов, добавки, регулирующие структуру твердой пены и повышающие ее химическую стойкость. В качестве таких добавок используются порошкообразные оксиды, карбонаты, силикаты или алюмосиликаты, золы, поверхностно-активные вещества и др.
Известна смесь, содержащая 93…95% жидкого стекла плотностью 1400-1450 кг/м3, 7…5% тонкодисперсного наполнителя с удельной поверхностью 2000…3000 см2/г и 0,5…1,0% гидрофобизирующей добавки - кремнийорганической жидкости ГКЖ-94, ГКЖ-10 или ГКЖ-11 [Горлов Ю.П. и др. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М., 1989, с.178, 179].
Недостатком этой смеси является низкий коэффициент вспенивания при термическом нагреве и неравномерность пористой структуры получаемых изделий.
Наиболее близким по сути к предлагаемому изобретению является состав [Патент RU 2268248 С1, кл. С04В 28/26, С04В 38/00, С04В 111/40 20.01.2006], содержащий жидкое стекло, тонкодисперсный наполнитель и гелеобразователь, отличающийся тем, что сырьевая смесь содержит в качестве тонкодисперсного наполнителя мраморную муку или гидроксиапатит, в качестве гелеобразователя - бихромат калия и дополнительно воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| жидкое стекло | 87-94 |
| мраморная мука или гидроксиапатит | 3-10 |
| бихромат калия | 0,1-1,0 |
| вода | 1-2 |
Недостатком этого состава является малая степень вспенивания при его термической поризации как в свободном объеме, так и в замкнутом объеме формы. Введение в качестве гелеобразователя бихромата калия даже в небольших количествах нецелесообразно, так как данное вещество по степени воздействия на организм относится к веществам 1-го класса опасности. Вводимые в состав жидкостекольной смеси мраморная мука или гидроксиапатит являются нейтральными к жидкому стеклу и не участвуют в процессе гелеобразования, а при температурах поризации от 450 до 700°С не принимают участие в процессе вспучивания, так как их температуры разложения выше указанных: температура разложения мраморной муки (СаСО3) с выделением углекислого газа - 850-900°С, температура разложения гидроксиапатита более 800°С. Таким образом, данные вещества не участвуют в процессе поризации, а выступают только как структурообразующая добавка.
Задачей настоящего изобретения является разработка состава жидкостекольной смеси с высокой поризационной способностью, которая при термическом нагреве в замкнутом объеме формы образует теплоизоляционный материал с небольшой плотностью, заданными геометрическими размерами и однородной, равномерной пористой внутренней структурой.
Поставленная задача достигается тем, что в сырьевую смесь, содержащую жидкое стекло и тонкоизмельченный минеральный наполнитель, в качестве наполнителя вводится тонкомолотый брусит (Mg(OH2)) и вода, при следующем соотношении компонентов в смеси (мас.%):
Жидкое стекло - 67-92;
Тонкоизмельченный брусит - 7-30;
Вода - 1-3.
Тонкоизмельченный брусит и вода предварительно смешиваются с жидким стеклом и далее, смесь перемешивается в смесителе в течение 5-7 минут и гранулируется в водном растворе хлоридов кальция или магния плотностью 1350-1390 кг/м3. Полученный при гранулировании исходной смеси жидкостекольный бисер высушивается до остаточной влажности 35-38% при температуре до 90°С. Затем гранулы в количестве, необходимом для получения изделия заданной плотности, засыпаются в форму с замкнутым объемом и подвергаются термическому или СВЧ-нагреву. При вспенивании материал заполняет собой свободный внутренний объем формы, поверхностные слои уплотняются, а поризуемый материал приобретает заданные геометрические размеры и форму.
Пример. Для изготовления материала было приготовлено семь составов смесей с различным содержанием компонентов. При приготовлении смесей использовалось жидкое стекло с модулем m=3 и плотностью 1450 кг/м3, которое смешивалось с тонкоизмельченным бруситом и водой в соответствующих пропорциях. Исходные смеси тщательно перемешивались в течение 5-7 мин и подвергались жидкостной грануляции в растворе хлорида кальция плотностью 1350 кг/м3. Извлеченные через 15-20 мин из раствора гранулы высушивались до остаточной абсолютной влажности 35-38%. Гранулированная жидкостекольная смесь засыпалась в разборную металлическую форму с внутренним объемом 100 см3 в необходимом количестве, которое рассчитывалось по формуле:
m=ρ·V·(1+Wa),
где m - масса гранул, кг;
ρ - заданная плотность изделий, кг/м3;
V - внутренний объем формы, кг/м3;
Wa - абсолютная влажность гранул, отн.ед.
Поризация материала в форме осуществлялась в муфельной печи при температуре 450°С в течение 15-30 минут.
Коэффициент вспучивания гранул исследованных составов определялся по отношению объема вспененных при 450°С к первоначальному объему гранул.
Данные по составам смесей и свойствам полученных материалов представлены в табл.1.
Результаты испытаний подтверждают возможность изготовления из предлагаемых составов смеси вспененных материалов с широким диапазоном свойств как по плотности и прочности, так и по теплопроводности.
В табл.2 представлены сравнительные характеристики материалов, изготовленных по составу, предложенному в патенте RU 2268248 С1, кл. С04В 28/26, С04В 38/00, С04В 111/40 20.01.2006 (состав 1) и по данному изобретению (состав 2). Коэффициент вспенивания в прототипе не приводится, но для сравнения характеристик материалов этот показатель был определен из отношения объема гранул до вспучивания и после термической обработки. Коэффициент вспучивания жидкосткольных гранул предлагаемого состава определялся аналогично.
Преимуществом предложенного состава смеси является возможность сохранения силиката натрия в гидратированном состоянии внутри гранул жидкостекольной смеси, упрочнение которых происходит за счет гелеобразования в поверхностном слое гранул. Гелеобразование происходит в результате протекания обменных реакций между силикатом натрия и раствором хлорида кальция, по следующей схеме:
Na2O·3SiO2·nH2O+CaCl2=CaO·SiO2·mH2O+2Si(OH)4+2NaCl
Образующиеся в поверхностном слое в результате этого взаимодействия гидросиликаты кальция и гель кремневой кислоты образуют водонепроницаемую, упрочняющуюся во времени оболочку, которая надежно блокирует дальнейшее взаимодействие жидкого стекла с хлоридом кальция. Гидрооксид магния (брусит), так же как и мраморная мука или гидроксиапатит в прототипе, обладает небольшой растворимостью в воде и поэтому, находясь в составе жидкостекольной композиции, не разрушает структуру жидкого стекла. Мраморная мука (или гидроксиапатит) в составе смеси разлагается при температуре более 800°С и не оказывает влияния на процесс поризации смеси, которая протекает в интервале температур 130-450°С. Брусит дегидратируется при 350-450°С и температура его разложения совпадает с интервалом температур поризации жидкостекольной смеси. Объем водяного пара, выделяемого 1 г брусита при нормальных условиях, составляет 0,38 л, а при температуре 450°С - 1 л. Выделяемые пары воды способствуют более длительному пребыванию поризуемой смеси в пиропластичном состоянии и интенсифицируют процесс ее поризации. При этом оказывается положительное влияние на формирование равномерной пористой структуры изделий с преобладающим размером пор 1-3 мм и более низкой плотностью.
Изготавливаемый по предлагаемому составу теплоизоляционный вспененный материал в виде плит, блоков или другой заданной формы можно использовать для целей тепло- и энергосбережения на различных объектах жилищного и промышленного назначения.
| Таблица 1 | |||||||
| Компоненты смеси и свойства полученного материала | Содержание компонентов (мас.%) и уровень свойств | ||||||
| 1 состав | 2 состав | 3 состав | 4 состав | 5 состав | 6 состав | 7 состав | |
| Жидкое стекло | 92 | 85 | 80 | 75 | 73 | 70 | 67 |
| Брусит | 7 | 13,5 | 18 | 22,5 | 24 | 27 | 30 |
| Вода | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 3 | 3 |
| Плотность, кг/м3 | 110 | 160 | 190 | 220 | 230 | 255 | 300 |
| Прочность при сжатии, МПа | 0,25 | 0,35 | 0,38 | 0,45 | 0,52 | 0,87 | 1,05 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/м·°С | 0,045 | 0,057 | 0,062 | 0,068 | 0,070 | 0,073 | 0,081 |
| Коэффициент вспучивания гранул в свободном объеме | 48 | 40 | 37 | 34 | 29 | 24 | 20 |
| Средний размер пор, мм | 1-3 | 1-3 | 1-3 | 1-3 | 1-3 | 1-3 | 1-3 |
| Таблица 2 | ||
| Свойства полученного материала | Состав 2 | Состав 1 |
| Плотность, кг/м3 | 160 | 150 |
| Прочность при сжатии, МПа | 0,75 | 0,5 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/м·°С | 0,062 | 0,124 |
| Коэффициент вспучивания | 19,5/40* | 11/20* |
| Средний размер пор, мм | 1-3 | 2-5 |
| * вспучивание в замкнутом объеме/вспучивание в свободном объеме. |
Состав смеси для получения теплоизоляционного материала, подвергаемой грануляции в растворе CaCl2, включающий жидкое стекло, тонкоизмельченный минеральный наполнитель и воду, отличающийся тем, что смесь в качестве наполнителя содержит брусит - Mg(OH2) при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%:
| Жидкое стекло | 67-92 |
| Тонкоизмельченный брусит | 7-30 |
| Вода | 1-3 |
