Результат интеллектуальной деятельности: Сырьевая смесь для производства облицовочных полимерных композитных изделий

Изобретение относится к технологии полимерных композитных изделий строительного назначения и может быть использовано в производстве изделий для наружной и внутренней облицовки стен, стеновых панелей, цоколей зданий и сооружений.

Известен способ переработки полимерных отходов с получением строительного материала [1], по которому несортированные отходы термопластичных полимеров - ПЭНД, ПЭВД в количестве 10-50 мас. % предварительно измельчают и смешивают с глиной влажностью 8-12%. Формуют и прессуют изделие при удельном давлении 10 МПа. Полученный материал высушивают при комнатной температуре до постоянного веса и подвергают температурной обработке. Скорость подъема температуры составляет 20°С/мин, продолжительность выдержки при температуре плавления полимера - 90-180 мин в зависимости от габаритов изделия.

Недостатком состава из известного способа является сложность переработки, связанная с длительностью процесса сушки из-за использования глины с высокой начальной влажностью, а также нестабильность состава отходов по причине отсутствия сортировки и одновременного применения ПЭНД и ПЭВД. Другими недостатками являются невысокая прочность на сжатие (9,11-10,76 МПа) и высокое водопоглощение (6,21-6,03), свидетельствующее о низкой морозостойкости, при содержании отходов термопластичных полимеров в количестве 10-20 мас. %. Дополнительным недостатком является высокая энергоемкость процесса.

Известна сырьевая смесь для производства строительных композитных изделий [2], которая в качестве наполнителя содержит минеральное сырье с удельной поверхностью 500-2500 см²/г, содержащее отходы металлургических производств, в т.ч. доменные гранулированные шлаки, или отходы очистки морских и речных судов, а в качестве связующего содержит вторичный полимерный материал, состоящий из бытовых и производственных отходов полимерных материалов, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: вторичный полимерный материал 30,0-45,0; минеральное сырье 55,0-70,0.

Недостатками указанной сырьевой смеси являются низкие прочность на сжатие (10-15 МПа) и морозостойкость (25-35 циклов) при высоком для облицовочных материалов водопоглощении (11-10%) у изделий, полученных при содержании вторичного полимерного материала менее 30 мас. %. Получение изделий с достаточными для облицовочных материалов свойствами при содержании вторичного полимерного материала от 35 до 45 мас. % и высокой удельной поверхности минерального сырья повышает себестоимость производства. Еще одним недостатком указанной сырьевой смеси является нестабильность химического и гранулометрического составов наполнителя и связующего, что приводит к нестабильности эксплуатационных свойств получаемых из них композитных изделий. Кроме того, получение минерального наполнителя с удельной поверхностью 500-2500 см /г является длительной и энергоемкой задачей.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является сырьевая смесь для производства облицовочных композитных изделий [3], которая в качестве наполнителя содержит кирпичный бой с удельной поверхностью 50-160 см /г, а в качестве связующего применяется раствор отходов пенополистирола в четыреххлористом углероде чистом в соотношении пенополистирол: четыреххлористый углерод от 1:1,3 до 1:1,6 при следующем соотношении компонентов, мас. %: кирпичный бой 51-71; раствор отходов пенополистирола в четыреххлористом углероде чистом - остальное. Недостатками данной сырьевой смеси являются низкие прочности на сжатие (13,9-15,4 МПа) и изгиб (3,5-3,8 МПа).

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются повышение прочности на сжатие и изгиб, повышение степени наполнения композитных изделий. Поставленные задачи решаются за счет замены четыреххлористого углерода чистого на метилен хлористый технический с получением раствора отходов пенополистирола в соотношении пенополистирол: метилен хлористый технический от 1:1,2 до 1: 1,8 при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Кирпичный бой 45-75;

Раствор отходов пенополистирола

в метилене хлористом техническом остальное.

В данном изобретении, как и в известной сырьевой смеси, наполнителем является кирпичный бой, получаемый в результате сбора, измельчения и сушки до постоянной массы отходов производства и потребления керамического кирпича, а для получения раствора связующего в качестве вторичного полимерного сырья используются отходы производства и потребления изделий из пенополистирола.

В данном изобретении подразумевается использование метилена хлористого технического первого сорта по ГОСТ 9968-86. Повышение прочности композитных изделий при использовании указанного растворителя обеспечивается его высокой проникающей способностью за счет малого по сравнению с большинством растворителей мольного объема. Благодаря этому преимуществу метилен хлористый технический не только быстрее проникает между молекулами полимера, что способствует уменьшению времени растворения, но и позволяет получить более однородный раствор связующего с низкой вязкостью. В результате раствор связующего легко проникает между частицами наполнителями и хорошо смачивает их поверхность, что позволяет получить более однородную сырьевую смесь при перемешивании, более высокие степени уплотнения при прессовании и равномерно распределить полимерное связующее между частицами наполнителями в результате термообработки. В свою очередь это позволяет получить однородную структуру материала, повысить число частиц наполнителя, которые связаны между собой через слои полимера. Все эти преимущества приводят к повышению прочности получаемых композитных изделий и позволяет повысить степень их наполнения.

Наряду с заявленными задачами применение метилена хлористого технического позволяет снизить себестоимость производства, так как метилен хлористый технический является более летучим растворителем с значительно более низкой температурой кипения (температура кипения метилена хлористого технического составляет 40°С, температура кипения четыреххлористого углерода чистого составляет 76,72°С), что позволяет снизить температуру и время термообработки получаемых изделий, проводимой при температуре кипения растворителя. Стоит учитывать, что стоимость метилена хлористого технического ниже, чем у четыреххлористого углерода чистого, что снижает затраты на сырьевые материалы. Класс опасности метилена хлористого технического (4 класс опасности) ниже, чем у четыреххлористого углерода (2 класс опасности), что повышает экологическую безопасность производства.

Выбор содержания компонентов в сырьевой смеси также направлен на достижение поставленных технических задач.

При содержании пенополистирола в сырьевой смеси в количестве менее 8,9 мас. % они не являются эффективным связующим, а получаемый композитный материал обладает низкой прочностью и высоким водопоглощением, грани образцов осыпаются. При содержании пенополистирола свыше 25 мас. % прочностные характеристики композитного материала начинают незначительно снижаться в связи с тем, что расстояние между частицами наполнителя повышается настолько, что в структуре материала начинают появляться области, в которых полимер перестает выполнять роль связующего. Одновременно с этим начинается снижение водопоглощения до значения менее 2%, являющегося минимальным значением по требованиям ГОСТ 13996-93, предъявляемым к изделиям для наружной облицовки зданий и сооружений.

Метилен хлористый технический вводится в состав сырьевой смеси в количестве, которое зависит от содержания пенополистирола, должно обеспечивать растворение полимерных отходов и вязкость раствора связующего, достаточную для эффективного перемешивания и формования без преждевременного затвердевания. При соотношении пенополистирол: метилен хлористый технический менее 1:1,2 получаемый раствор связующего обладает слишком высокой вязкостью и быстро переходит в твердое состояние, что затрудняет переработку сырьевой смеси в изделие. При соотношении пенополистирол: метилен хлористый технический более 1:1,8 в получаемом растворе связующего наблюдается недостаток пенополистирола, что приводит к излишней текучести сырьевой смеси при переработке и не позволяет достичь требуемых значений свойств композитных изделий.

Обоснованность и преимущества заявляемого изобретения основаны на измерении физико-механических и эксплуатационных показателей с различным содержанием кирпичного боя (от 45 до 75 мас. %), пенополистирола (от 8,9 до 25,0 мас. %) и метилена хлористого технического (от 16,1 до 30 мас. %).

Предпочтительна реализация заявляемого изобретения по следующей технологии: предварительно измельченные отходы пенополистирола смешивают с метиленом хлористым техническим, а полученный раствор связующего смешивают с предварительно измельченным до удельной поверхности 50-160 см²/г кирпичным боем. Полученную сырьевую смесь формуют при удельном давлении 8 МПа с последующей термообработкой при температуре 45-50°С в течение 45-90 мин в зависимости от габаритов изделия и содержания раствора связующего в нем.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами:

1. К 8,9 мас. % пенополистирола добавляют 16,1 мас. % метилена хлористого технического, смешивают полученный раствор связующего с 75 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии;

2. К 14,3 мас. % пенополистирола добавляют 25,7 мас. % метилена хлористого технического, смешивают полученный раствор связующего с 60 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии;

3. К 19,2 мас. % пенополистирола добавляют 30,8 мас. % метилена хлористого технического, смешивают полученный раствор связующего с 50 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии;

4. К 20,8 мас. % пенополистирола добавляют 29,2 мас. % метилена хлористого технического, смешивают полученный раствор связующего с 50 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии;

5. К 25 мас. % пенополистирола добавляют 30 мас. % метилена хлористого технического, смешивают полученный раствор связующего с 45 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии.

Свойства материалов, полученных с использованием известного и предлагаемого составов сырьевых смесей, приведены в таблице 1.

Источники информации

1. Патент №2327712, кл. С08J 11/06;С08L 23/06;С04В 14/10, 2008

2. Патент №2628116, кл. С04В 26/02; С04В 28/00; С04В 18/04, 2016

3. Патент №2672285, кл. С04В 18/16; С04В 26/02; С04 В 111/20,2018