способ получения сырьевой смеси для производства пеностекла

Формула изобретения

1. Способ получения сырьевой смеси для производства пеностекла, включающий перемешивание стеклообразующих компонентов и порошкообразных добавок, содержащих в том числе и углеродистый газообразователь, отличающийся тем, что в качестве стеклообразующего компонента используют водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия, взятый в количестве 30-70 мас.%, а в качестве химически активной по отношению к силикату добавки – тонкомолотый порошок стеклобоя, перемешивание осуществляют при температуре не выше 70°С, при этом после перемешивания осуществляют термообработку полученной смеси при температуре 450-550°С в течение времени, достаточном для полного удаления из нее воды, в том числе и химически связанной, затем охлаждают и измельчают в порошок.

2. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют водный раствор силиката натрия и/или калия плотностью 1,3-1,5 г/см³ с величиной силикатного модуля 2-3,5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности и, в частности, касается сырьевой смеси и способа ее получения для изготовления пеностекла, имеющего гомогенную мелкопористую структуру.

Областью, в которой пеностекло находит широкое применение, является производство тепло- и звукоизоляционного материалов. Известно, что среди теплоизоляционных материалов, применяемых в настоящее время в строительстве и технике, нет равного пеностеклу по коэффициенту теплопроводности при высокой механической прочности. Теплоизоляция из пеностекла в сравнении с другими строительными материалами более эффективна и экономична, не требует частых ремонтов и срок ее службы более продолжителен.

Предметом большинства исследований в данной области техники является получение материала со стабильными эксплуатационными свойствами, с низкой плотностью, что обеспечивает хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства, водонепроницаемость и устойчивость к воздействию кислот. Установлено, что объемная плотность, теплоизоляционные, механические свойства и др. свойства имеют наилучшие показатели для пеностекла, в структуре которого преобладают закрытые поры, т.е. замкнутые, не сообщающиеся между собой полости, разделенные прослойками материала. Наличие в структуре пеностекла закрытых пор делает изделие непроницаемым для жидкостей, в том числе и для воды, водяных паров и газов.

Практика показывает, что одним из определяющих факторов, влияющих на процесс получения качественного пеностекла, является сырьевая смесь для его получения, поскольку от состава смеси зависит его физико-химическая структура, определяющая его теплотехнические и механические свойства. Были предприняты различные попытки в данной области для улучшения свойств пеностекла за счет выбора состава сырьевой смеси для его изготовления. Пеностекло можно получать многими способами при использовании композиций на основе различного стекла и вспенивающих агентов. В качестве примеров сырьевых смесей можно привести два наиболее эффективных: первый - это специально сваренное стекло требуемого состава, а второй - композиции на основе различного по составу стекольного порошка и газообразователя с последующим вспениванием в процессе постепенного нагревания всей спекшейся массы стекла. Стекло обычно используют в порошкообразном виде. Стеклопорошок получают либо из специально сваренных стекломасс (US, 4192664, кл. С 03 В 19/08, 1980 г., US 3403990, кл. 65-22, 1968 г.), либо из боя оконного, тарного и других стекол (US, 4198224, кл. С 03 В 19/08, 1980 г.). В некоторых случаях для получения пеностекла применяют гранулят специально сваренного стекла, что позволяет получать пеностекло более высокого качества. Газообразователи для производства пеностекла должны разлагаться при температуре на 50-70°С выше температуры размягчения стекольного порошка. Содержание газообразователей в сырьевой смеси составляет обычно 1-5%. Для вспенивания стекломассы в состав стекольной шихты вводят в количестве 1-5% газообразователи - углеродистые (углерод, кокс, антрацит, сажу, карбиды кальция и кремния), обеспечивающие получение материала с замкнутой пористостью, либо карбонатные (известняк, мел, мраморную крошку).

Анализ литературных данных показывает, что широко распространено производство пеностекла с использованием специально сваренного и гранулированного стекла, для улучшения свойств которого используют дефицитные и дорогостоящие ингредиенты (WO 00/61512, кл. С 03 В 11/00, С 03 В 19/08, 2000 г., DE 2010263, С 03 В 11/00, 1979 г.).

Длительное время используют сырьевую смесь по патенту US, 3151966, кл. 65-22, 1996 г., получаемую смешением тонкомолотого стекла и газообразователя, который содержит восстановитель в виде углеродистого ингредиента и окислитель из числа сульфатов, оксидов и др. Хотя использование этой известной сырьевой смеси позволяет производить пеностекло достаточно высокого качества с однородной структурой, обеспечивающей его эксплуатационную стабильность, однако применение известного сырья ограничено его высокой стоимостью за счет трудоемкости его получения, связанной с выполнением ряда дополнительных операций, таких как помол, спекание, стабилизация.

Из патента US, 5516351, кл. С 03 В 19/06, 1996 г. известна сырьевая смесь, включающая измельченное стекло и пенообразователь из числа: карбонат кальция СаСО₃ или сульфат кальция CaSО₄ заданного гранулометрического состава. При приготовлении смеси для получения пеностекла используют измельченное стекло в порошкообразном виде.

В качестве примеров можно также привести сырьевые смеси, включающие отходы стекла или пеностекла, натриево-кальциево-силикатное стекло, боросиликатное или алюмосиликатное стекло и пенообразующие агенты. В качестве последних сырье может включать карбонаты и сульфаты различных щелочных и щелочноземельных металлов, например карбонат кальция, карбонат натрия, карбонат бария, сульфат натрия, сульфат калия, сульфат бария, а также технический углерод, серу, доломит.

В патенте RU, 2132307, кл. С 03 В 11/00, 1999 г. описана сырьевая смесь для изготовления пеностекла, включающая стеклообразующий компонент и пенообразователь. В качестве стеклообразующего компонента известная смесь содержит отходы производства оптических стекол, а в качестве пенообразователя - оксид марганца Мn ₂О₃ и дополнительно отходы производства фосфатных удобрений. Для получения сырьевой смеси указанные выше компоненты подвергают совместному помолу, а затем гранулируют и сушат при температуре 100-150°С. Полученное из известной сырьевой смеси пеностекло имеет низкую насыпную плотность, что значительно улучшает теплоизоляционные свойства готовых изделий. Использование отходов производства позволяет снизить себестоимость пеностекла. Однако известной сырьевой смеси присущ тот недостаток, как неоднородность структуры пеностекла из-за наличия участков с повышенной плотностью и теплопроводностью.

В патенте RU, 2187473, кл. С 03 В 19/08, 2000 г. описана сырьевая смесь для производства пеностекла, содержащая гидроксилированный тонкомолотый порошок стекла, подлежащего утилизации, и пенообразующую смесь, включающую в качестве углеродсодержащего компонента активную сажу, сульфат натрия и дополнительно жидкое натриевое стекло и оксид бора. Содержание жидкого стекла в составе пенообразователя составляет 0,5-5,0 мас.%. Для приготовления сырьевой смеси раздробленное стекло гидроксилируют в процессе помола в присутствии 0,8 мас.% водной добавки или обработкой водяным паром. Затем гидроксилированный тонкомолотый порошок стекла перемешивают с пенообразующей смесью, добиваясь возможно большей однородности. После этого полученную смесь гранулируют в присутствии жидкого стекла для улучшения собирания материала в гранулы. Затем гранулы подвергают спеканию.

Для улучшения грануляции материала смесь увлажняют, если жидкое стекло вводится сухим порошком. Использование известной сырьевой смеси позволяет получать пеностекло со структурой преимущественно или полностью замкнутых пор, обладающее высокими теплоизоляционными свойствами, объемным поглощением не более 10%.

Однако известная сырьевая смесь характеризуется высокой себестоимостью, связанной со сложностью ее получения, необходимостью долгого и достаточно сложного механического перемешивания компонентов сырьевой смеси до очень равномерного распределения частиц пенообразователя в стеклопорошке. Исключительное внимание следует обращать на степень дисперсности помола стекла, который разрешается производить лишь в мельницах определенного типа, например с керамическими или кремниевыми футеровками и мелющими телами. Помол в металлических мельницах приводит к загрязнению сырья металлом шаров и футеровки, что в дальнейшем нарушает условия порообразования в спекаемой шихте. Это в свою очередь сказывается на устойчивости, равномерности и воспроизводимости структуры закрытых пор пеностекла.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является сырьевая смесь для производства пеностекла, полученная из стеклообразующих компонент и добавок, а также способ ее получения, включающий перемешивание стеклообразующих компонент и порошкообразных добавок (US, 4198224, кл. С 03 В 19/08,1980 г.) Известная сырьевая смесь, производимая фирмой Pittsburgh Coming Corporation, содержит тонкодисперсный порошок стекла и газообразователь. Сырьевую смесь для производства пеностекла готовят из стекла, подлежащего утилизации (так называемого стеклобоя), и газообразователя. Стекло и газообразователь, находящиеся в твердой фазе, тщательно перемалывают и перемешивают в шаровой мельнице до среднего размера зерна 3-10 мкм. При этом помол компонентов осуществляют раздельно и многоэтапно: сначала осуществляют помол стекла в течение 4-6 часов, затем - помол газообразователя в течение 6-8 часов, а затем проводят совместный помол в течение 4-5 часов. Перемешивание тонкодисперсных компонентов сырьевой смеси осуществляют в твердой фазе. Полученную порошкообразную смесь затем спекают в два этапа при температуре ниже температуры вспенивания, а затем охлаждают. Использование известной смеси позволяет получать качественное пеностекло плотностью 0,17-0, 25 г/см³. К сожалению, известный способ осложнен тем, что он также связан с проблемой энерго- и трудоемкой операции варки стекла специального состава и помола, при этом перемешивание исходных компонентов проводят в состоянии твердой фазы, что не обеспечивает их высокого уровня однородности распределения в объеме смеси. Кроме того, помол в металлических мельницах приводит к загрязнению смеси металлом шаров и футеровки, что, как уже указывалось выше, в дальнейшем нарушает условия порообразования на стадии производства пеностекла. Производство качественного пеностекла требует, чтобы кроме специально вводимого газообразователя порошкообразная сырьевая смесь не содержала никаких веществ, при нагревании которых могли бы выделяться газы. Кроме того, в условиях резкого подъема цен на энергоносители использование известной сырьевой смеси и способа ее получения приводит к удорожанию пеностекла. Это требование налагает ограничения на выбор подвергаемой вспениванию композиции.

В рамках данной заявки решается задача разработки такой сырьевой смеси и технологии ее получения, которые бы позволили производить пеностекло с высокими теплотехническими характеристиками, но с малой энергоемкостью производства. Кроме того, решается задача повышения воспроизводимости структуры пеностекла с гомогенной мелкопористой структурой, содержащей поры закрытой формы. Имеется также необходимость в достижении равномерного распределения по объему пеностекла пор закрытой формы.

Поставленная задача достигается тем, что сырьевая смесь для производства пеностекла, полученная из стеклообразующих компонент и порошкообразных добавок, содержащих в том числе газообразователь, представляет собой обезвоженную композицию как результат физико-химического взаимодействия при температуре 450-550°С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и химически активных по отношению к нему добавок.

Поставленная задача достигается также тем, что в способе получения сырьевой смеси для производства пеностекла, включающем перемешивание стеклообразующих компонентов и добавок, содержащих в том числе газообразователь, в качестве стеклообразующих компонентов используют водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия, а в качестве добавок используют вещества, химически активные по отношению к силикату, содержание водного раствора силиката натрия и/или калия при перемешивании составляет величину из диапазона 30-70 маc.%, при этом после перемешивания при температуре не выше 70°С осуществляют термообработку при температуре 450-550°С и последующее охлаждение до температуры окружающей среды. Перемешивание водного раствора силиката с добавками осуществляют преимущественно при температуре окружающей среды. В данном способе получения сырьевой смеси используют водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия плотностью 1,3-1,5 г/см³ с величиной силикатного модуля 2-3,5.

При этом термообработку проводят в течение времени, достаточного для удаления воды, в том числе химически связанной.

Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между такими характеристиками сырьевой смеси, как наличие при ее синтезе водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и химически активных в отношении него добавок, так и физико-химическим состоянием сырьевой смеси в момент завершения процесса ее синтеза в виде обезвоженной композиции при температуре обработки 450-550°С, и свойствами пеностекла, полученного с использованием данной сырьевой смеси. Для получения эффективного и экономически выгодного пеностекла разработан способ его производства, исключающий многие энергоемкие операции получения сырьевой смеси в твердой фазе, связанные с получением стекла требуемого химического состава с использованием дорогостоящих ингредиентов и помолом. Это достигается за счет использования таких недорогих исходных материалов, как синтетические силикаты натрия и/или калия в виде так называемого жидкого или растворимого стекла и создания условий к последующему пенообразованию при повышенной температуре. Силикаты натрия (Na ₂O·nSiO₂) и калия (К₂O·nSiO ₂), где n - силикатный модуль стекла, относительно легкоплавки и хорошо растворяются в воде. Они являются основными компонентами жидкого стекла, в воде подвергаются гидролизу.

В данном способе получения сырьевой смеси перемешивание исходных стеклообразующего компонента и добавок осуществляют не в твердофазном состоянии, а в водном растворе силиката щелочного металла, представляющем собой вязкотекучую жидкость, что позволяет равномерно распределить компоненты смеси в объеме. Перемешивание исходных компонент сырьевой смеси в состоянии жидкой фазы позволяет в дальнейшем на стадии производства пеностекла воспроизводимо получать гомогенную и равномерную по объему структуру закрытых газонаполненных пор.

Подбор содержания водного раствора силиката щелочного металла при перемешивании осуществлялся экспериментально исходя из условия получения образцов пеностекла требуемой плотности, однородности при максимальной прочности, термо- и влагостойкости. Наиболее приемлемый силикатный модуль жидкого стекла составляет 2,0 - 3,5 при плотности 1,3-1,5 г/см³. Получаемое из данного сырья пеностекло имеет стойкость к атмосферным воздействиям, когда применяется во влажной окружающей среде.

Пример.

Сущность изобретения поясняется способом получения сырьевой смеси. В качестве стеклообразующего компонента используют водный щелочной раствор силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1), изготовленного на Рязанском заводе из трепела автоклавным или безавтоклавным методом гидротермального выщелачивания оксида кремнезема в щелочной среде при температуре 90-100°С количестве 150 кг. Водный раствор силиката натрия и калия плотностью 2,0 г/см³ перемешивают при температуре окружающей среды с добавками в виде тонкомолотого порошка стеклобоя, взятого в количестве 65 кг, в течение 10-15 минут до образования вязкой композиции. После этого в процессе перемешивания вязкой композиции в нее добавляют 30 кг углеродсодержащего газообразователя. В процессе перемешивания композиции происходит связывание свободной воды и щелочи, находящейся в жидком стекле и негативно влияющей на водорастворимость конечного продукта - пеностекла. Увеличение вязкости получаемой композиции свидетельствует о протекании реакций физико-химического взаимодействия ее компонент. После перемешивания осуществляют термообработку полученной смеси серого цвета при температуре 510°С в течение 60-65 минут. При термообработке происходят дальнейшие физико-химические процессы, сопровождающиеся удалением свободной гидратной и химически связанной воды и увеличением вязкости смеси, после чего она приобретает темно-серый цвет. Вес охлажденной до температуры окружающей среды сырьевой смеси составляет около 60% от веса исходных компонентов. Затем осуществляют помол смеси до величины зерна 15-20 мкм. Измельченную сырьевую смесь засыпают в металлические формы, обработанные специальным составом, и термообрабатывают при температуре из диапазона 790 - 800°С около 90 минут. Термообработка сопровождается вспениванием помолотой сырьевой смеси.

Изобретение может быть использовано при получении сырьевой смеси, которая может находить применение в качестве недорогого исходного материала для производства пеностекла, имеющего воспроизводимый и однородный размер закрытых пор. Изобретение предусматривает использование водного раствора силиката натрия и/или калия и химически активных к нему добавок, позволяющих получать после их перемешивания и последующей термообработки при температуре 450—550°С сырье, пригодное для производства пеностекла со структурой закрытых пор, которое может быть получено произвольной формы и размеров. Это приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая способность получения пеностекла с высокими теплотехническими характеристиками, но с малой энергоемкостью производства за счет исключения варки специального по химическому составу стекла при высоких температурах.