Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА

Изобретение относится к теплоизоляционным материалам, в частности пеностеклу, и может быть использовано в строительстве, для тепловой и акустической изоляции ограждающих конструкций, межкомнатных перегородок и перекрытий, производственного оборудования, трубопроводов, для тепловой изоляции холодильных установок промышленных холодильников, складов с термическим регулированием, и любых других конструкций и установок.

Известен способ получения пористого строительного материала из кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды (Патент РФ №2300506, МПК С04В 28/24, С04В 111/20, С04В 111/20, опубл. 10.06.2007. По известному решению получают пористый материал с плотностью от 70 до 400 кг/м³. В качестве кремнеземсодержащего компонента используют кремнистые породы - трепелы, опоки, диатомиты, со следующим химическим составом, мас.%: SiO₂ (аморфный кремнезем) - 30-98; Al₂O₃ - 0,1-20; Fe₂O₃ - 0,1-12; неизбежные примеси - 1,8-38. Способ изготовления пористого строительного материала по известному решению заключается в следующем: кремнистые породы измельчают и смешивают с водным раствором щелочи, увлажненная щелочная силикатная смесь на поддонах подается в сушильную камеру, где удаляется физическая вода до получения силикатной массы с влажностью менее 5 мас.%. Сухую силикатную массу вновь измельчают в мельнице до размера фракции 30-80 мкм. Силикатным порошком заполняют формы и подвергают ступенчатому температурному воздействию в диапазонах: до 165, 165-220, 230-350, 450-600°C. Назначение ступенчатого нагревания - дегидратация гидроксидов железа и алюминия. Вероятно, без этой процедуры может быть слишком высокое порообразование при низких температурах с формированием крупной, открытой, неравномерной пористостью. При этом в примерах указывается, что нагревание и выдержку на каждой ступени производят следующим образом: 145-155°C - 9-12 ч, 170°C - 6-8 ч, 190°C - 6-8 ч, 250°C - 6-8 ч, 320°C - 6-8 ч, 580-600°C - 6-8 ч. Затем поднимают температуру до температуры плавления смеси (650-900°C) и выдерживают от 3 до 5 ч, при которой происходит дегидратация гидроксидов кремния, выделение паров воды в замкнутых порах и порообразование за счет давления паров воды на расплавленные силикатные оболочки пор.

Основными недостатками известного способа получения пористого строительного материала являются следующие:

- необходимость двукратного измельчения - исходной породы и сухой силикатной массы. Причем, сухую силикатную массу необходимо измельчать до высокой степени тонины (30-80 мкм);

- необходимость длительной выдержки при каждой температуре в процессе поэтапного прогревания состава, которая в общей сумме составляет 39 ч при минимальном времени выдержки на каждом этапе. Кроме этого необходима длительная выдержка при температуре плавления и порообразования силикатной массы от 3 до 5 ч.

Недостатком является также то, что NaOH, находящаяся в высушенной силикатной массе, при нагревании будет частично испаряться в окружающую атмосферу. Постепенно пары щелочи, выделяющиеся совместно с парами воды при дегидратации железа и алюминия, будут разрушать печное устройство.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению, является получение пористого материала типа пеностекла - пеноцеолит (Патент РФ №2272007, МПК С03С 11/00, опубл. 2006.03.20) с плотностью 950-643 кг/м³, полученный вспениванием шихты, содержащей, мас.%: цеолитсодержащий туф - 86,2-87,2; NaOH - 12,8-13,8 при температуре 850-900°C. Способ изготовления пеностекла - пеноцеолита по известному решению заключается в следующем: цеолитсодержащую породу измельчают до прохождения через сито 0,5 мм, порошок перемешивают с раствором щелочи, смесь помещают в металлические формы и вспенивают при температуре 850-900°.

Основными недостатками известного способа получения пеностекла являются следующие:

- высокие показатели плотности - 643-950 кг/м³, что не позволяет это изделие использовать в качестве эффективного теплоизолирующего строительного материала. Такой материал является конструкционно-теплоизоляционным;

- высокая температура вспенивания - 850-900°C и узкий температурный диапазон вспенивания - 50°C;

- в печное пространство печи будет лететь много паров щелочи, так как щелочная влажная смесь сразу подается в печь для вспенивания, что приведет к быстрому износу печного устройства, а также к частичной потере дорогостоящего соединения - NaOH.

Технической задачей предложенного изобретения является получение пеностекла с наиболее эффективным плавнем - NaOH, но по безопасной для печного оборудования и для окружающей среды технологии. Пеностекло, полученное по этому способу, характеризуется всеми полезными качествами, связанными с неорганическим составом (негорючее, пожаробезопасно, экологически безвредно, долговечно, не гниет, не разрушается со временем и т.д.).

Техническим результатом предложенного изобретения является создание безопасного для печного оборудования и для окружающей среды способа изготовления пеностекла с широким диапазоном плотности от 150 до 600 кг/м³. Такое пеностекло при плотности до 250 кг/м³ может использоваться как высокоэффективный теплоизолирующий пеноматериал, а более плотный - как конструкционно-теплоизоляционный. Кроме того, техническим результатом предложенного решения является снижение себестоимости продукции за счет устранения потерь NaOH в окружающую атмосферу.

Технический результат достигается тем, что в заявленном способе изготовления пеностекла, включающем измельчение цеолитсодержащей породы, приготовление сырьевой смеси смешиванием измельченной породы с водным раствором NaOH, вспенивание и отжиг, сырьевую смесь гранулируют, гранулы высушивают, выдерживают на воздухе 1-4 суток и вспенивают при температуре 680-800°C, при этом сырьевая смесь содержит, мас.%: цеолитсодержащая порода - 75-80; NaOH - 15-20.

После замешивания порошка породы водным раствором гидроксида натрия, последний частично ассимилируется внутрикристаллическими пустотами цеолитовых кристаллов и не испаряется в атмосферу при нагревании. Свободная часть NaOH, находящаяся на поверхности измельченных частиц породы, при вылеживании гранул на воздухе переходит в карбонатное соединение, которая при нагревании не испаряется в атмосферу, а разлагается с выделением паров воды и СО₂.

Необходимость изготовления гранул связано с тем, что в гранулированном виде масса быстрее просушивается, а при вылеживании в атмосфере воздуха в них протекают наиболее полно процессы карбонатизации.

Высушенные гранулы выдерживают на воздухе от 1 до 4 суток для полного преобразования свободной NaOH в карбонатное соединение (Na₃[СО₃][НСО₃]·2Н₂O) - трона. Образование троны возможно в связи с тем, что гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов взаимодействуют с углекислым газом воздуха с образованием карбонатных солей. Процесс карбонатизации гидроксида натрия в цеолитсодержащем составе ускоряется за счет того, что цеолитовые кристаллы, обладающие каталитическими свойствами, сорбируют некоторые газы, в том числе CO₂ и пары воды из воздуха. За счет этого поступление углекислого газа и паров воды к NaOH, равномерно распределенной по поверхности измельченных частиц цеолитовой породы ускоряется.

Образовавшаяся трона при нагревании разлагается с выделением паров воды и CO₂, которые не разрушают внутренние детали печных агрегатов. Таким образом, за счет карбонатизации свободной NaOH при выдерживании сухих гранул на воздухе, устраняется летучесть гидрооксида натрия при нагревании состава в печных агрегатах.

Ограничение по времени выдерживания гранул на воздухе определяется временем протекания процесса карбонатизации. Выдерживание гранул на воздухе более 4 суток технологически не целесообразно, так как за это время процесс карбонатизации протекает в полном объеме. Выдерживание гранул на воздухе менее одних суток бывает недостаточно для осуществления этого процесса в гранулах.

Вспенивание гранулированной смеси производят в температурном диапазоне 680-850°C. Это наиболее оптимальный диапазон в технологическом и производственном плане. В этом диапазоне осуществляется наиболее полно выделение порообразующего газа, а вязкость расплава оптимальная для вспенивания и сохранения пены без оседания.

Ограничение по составу шихты определяется оптимальностью протекания технологических процессов и качеством продукции. При концентрации NaOH в смеси более 25 мас.% наблюдается неустойчивость пены при максимальной температуре вспенивания и ее оседание при охлаждении. При концентрации NaOH в смеси менее 15 мас.% плавление состава и порообразование в указанном температурном диапазоне осуществляется слабо.

На фиг.1 представлены дифрактограммы, иллюстрирующие процесс карбонатизации NaOH в гранулах: профиль 1 - исходный цеолитсодержащий туф Холинского месторождения; профиль 2 - гранулы состава цеолитовая порода+NaOH сразу после сушки; профиль 3 - гранулы после выдерживания на воздухе 2 суток, образование троны фиксируется по появлению рефлексов при углах 2Θ°: 9,16; 29,16; 29,98; профиль 4 - пеностекло после вспенивания гранул при температуре 850°С., где

- клиноптилолит; кв - кварц; п - плагиоклаз; Тр - трона (Na₃[СО₃][НСО₃]·2H₂O).

На фиг.2 показан электронно-микроскопический снимок скола гранулы, выдержанной на воздухе 2 суток. Карбонатизация NaOH проявляется в виде игольчатых кристаллов троны.

Пеностекло по предложенному способу формируется следующим образом: цеолитсодержащий туф из любого месторождения измельчают в шаровой или любой другой мельнице до прохождения через сито 0,5. Измельченный порошок смешивают с водным раствором NaOH в пределах указанного соотношения цеолитсодержащего туфа и NaOH. После получения формующейся влажной смеси из нее формуют гранулы размером 3-7 мм, которые высушивают при 100°C. Сухие гранулы выдерживают в атмосфере воздуха в течение 1-4 суток, после чего их засыпают в жаростойкие формы и обжигают в печи при температуре 680-850°C. После вспенивания до нужной плотности (150-600 кг/м³), изделие отжигают по обычным режимам отжига пеностекольных изделий.

В таблице приведены составы смеси для получения пеностекла по предложенному способу изготовления.