Результат интеллектуальной деятельности: СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОСИЛИКАТА

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам для изготовления теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного пеносиликата с улучшенными функциональными свойствами. Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при изготовлении изделий, применяемых для тепло- и звукоизоляции жилых, административных и промышленных зданий, а также для теплоизоляции трубопроводов и тепловых агрегатов, а также в качестве конструкционно-теплоизоляционных изделий.

Известен состав и способ получения вспученного силикатного материала, при изготовлении которого смешивают, мас.%:

Полученную смесь гранулируют в экструдере, гранулы подсушивают на воздухе в течение 2 часов или в сушилке при температуре не более 100°С в течение 30 мин, укладывают в перфорированную металлическую форму и вспучивают в печи при 400-500°С в течение 30-80 мин.

При этом материал имеет прочность при сжатии R_сж=0,15-1,55 МПа. Минеральный наполнитель выбран из группы стеклобой, золы ТЭЦ, горелые породы, маршаллит, глины, мел, цеолитовые породы, минвата, асбест (патент РФ №2173674, кл. С04В 28/26. Опубл. 20.09.2001 г.).

К недостаткам известного вспученного силикатного материала относятся сложность технологического процесса изготовления, наличие промежуточных операций по гранулированию и подсушке полуфабрикатов, применение высокотемпературной обработки при 400-500°С и низкая прочность при сжатии готового материала 0,15-1,55 МПа.

Известна также сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционного материала, включающая жидкое натриевое стекло, кремнефтористый натрий, гидрат окиси натрия и кремнеземистый компонент, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминиевую пудру, портландцемент, воду, а в качестве кремнеземистого компонента - немолотый кварцевый песок и молотый кварцевый песок или немолотый кварцевый песок, и молотый шамот, или немолотый кварцевый песок и микрокремнезем, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

(патент РФ №2263085, кл. С04В 28/26. Опубл. 27.10.2005 г.).

Однако данная сырьевая смесь содержит дорогостоящий и токсичный кремнефтористый натрий. Кроме того, наличие дополнительной энергоемкой операции помола песка и шамота приводит к существенному повышению стоимости готового материала. Также теплоизоляционный материал, изготовленный на основе данной сырьевой смеси, имеет низкие показатели прочности при сжатии 0,33-2,0 МПа.

Наиболее близкой к изобретению по своей технической сущности является сырьевая смесь для изготовления пеносиликата, включающая кремнеземистый компонент, газообразователь, жидкое натриевое стекло, раствор гидрата окиси натрия, дополнительно содержит известь-пушонку, стабилизатор смеси в виде древесного опила с размерами частиц до 1 мм, а в качестве кремнеземистого компонента используют золу-унос с размерами частиц до 150 мкм и в качестве газообразователя - алюминиевый порошок марки ПАВ с размерами частиц от 50 до 100 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

(патент РФ №2368574, кл. С03С 11/00. Опубл. 27.09.2009 г.).

Однако известная композиция имеет неоднородную крупнопористую ячеистую структуру пеносиликата с сообщающимися порами.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является получение композиции с улучшенными эксплуатационными показателями.

Технический результат заключается в стабилизации ячеистой структуры пеносиликата, повышение прочности при сжатии готового продукта.

Поставленная задача решается тем, что композиция для изготовления пеносиликата включает кремнеземистый компонент, газообразователь, жидкое натриевое стекло, раствор гидрата окиси натрия. Новым является то, что композиция дополнительно содержит фильтрационный осадок сахарного производства (дефекат), стабилизатор ячеистой структуры в виде лузги подсолнечника с размерами частиц до 1 мм, а в качестве кремнеземистого компонента используют керамическую пыль из циклонов с размерами частиц до 150 мкм и в качестве газообразователя - алюминиевый порошок (алюминиевая пудра) марки ПАП с размерами частиц от 50 до 100 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Изобретение дополнительно поясняется фотографиями, где на фиг. 1 представлен лабораторный образец теплоизоляционного пеносиликата состав №2, табл.5 и табл.6, на фиг. 2 представлен лабораторный образец теплоизоляционного пеносиликата состав №6, табл.5 и табл.6.

Композиция для изготовления пеносиликата содержит при следующем соотношении компонентов, мас.% кремнеземистый компонент - 45-50, газообразователь - 1,5-2,5, жидкое натриевое стекло - 37-40, 33%-ный раствор гидрата окиси натрия - 6-7, фильтрационный осадок сахарного производства (дефекат) - 3,5-4,5, стабилизатор ячеистой структуры в виде лузги подсолнечника с размерами частиц до 1 мм - 0,5-1,0.

Керамическая пыль применяется в данной композиции как кремнеземистый компонент, содержащий в своем составе аморфный стекловидный кремнезем, который в результате реакции с щелочными компонентами композиции повышает модульность жидкого стекла и, как следствие, прочностные характеристики и водостойкость готового продукта. Керамическая пыль применяется в виде ультрадисперсного порошка с удельной поверхностью S_уд=2100-2950 см²/гр и размером частиц от 110 до 150 мкм, полученного в результате очистки отходящих газов печных агрегатов при производстве керамического кирпича и керамзитового гравия. Использование отходов керамического или керамзитового производств снижает стоимость готового материала, расширяет сырьевую базу и решает экологическую проблему утилизации данного вида отходов. Также положительным эффектом является то, что данный компонент не требует энергоемких процессов по измельчению, что дополнительно снижает стоимость готового материала. Оптимальное содержание керамической пыли в составе композиции составляет 45-50 (мас.%), поскольку уменьшение доли керамической пыли в композиции не дает достаточного эффекта повышения прочности при сжатии готового пеносиликата, а введение более 50% приводит к увеличению плотности и теплопроводности пеносиликата.

Фильтрационный осадок сахарного производства (дефекат) применяют с удельной поверхностью S_уд=1800-2500 см²/гр и следующим составом, мас.%: СаСО₃ - 41,5-44,8; Ca(OH)₂ - 19,8-24,3; CaO - 4,2-6,3; MgCO₃ - 8,6-3,4; Al₂O₃ - 0,2-3,8; P₂O₅ - 0,9-1,3; Fe₂O₃ - 0,2-1,0; органические вещества 12,0-15,0; нерастворимые сахараты кальция и магния - остальное.

Данный компонент, содержащий активную известь в виде CaO и Ca(OH)₂, заменяет в составе пеносиликата товарный продукт - известь-пушонку с целью повышения щелочности раствора для обеспечения протекания реакции газообразования:

3Ca(OH)₂+2Al+6H₂O=3CaO·Al₂O₃·6H₂O+3H↑

Использование отхода сахарного производства помимо повышения щелочности раствора позволяет повысить водостойкость готового пеносиликата за счет образования водонерастворимых силикатов кальция. Также использование отхода сахарного производства позволяет снизить стоимость готового материала, расширить сырьевую базу и решить экологическую проблему утилизации данного вида отходов.

Оптимальное содержание фильтрационного осадка сахарного производства (дефеката) в составе композиции составляет 3,5-4,5 (мас.%), поскольку уменьшение доли дефеката в композиции не дает достаточного эффекта повышения водостойкости готового пеносиликата, а введение более 4,5% приводит к резкой коагуляции жидкого натриевого стекла.

В качестве газообразователя, который формирует ячеистую структуру пеносиликата, используется алюминиевый порошок (алюминиевая пудра) марок ПАП-1 и ПАП-2 с размерами частиц от 25 до 50 мкм. Применение данного именно этого алюминиевого порошка позволяет получить более равномерную сферическую пористость пеносиликата за счет более мелкого размера частиц газообразователя, чем в прототипе.

Оптимальное содержание алюминиевого порошка (алюминиевой пудры) в составе композиции составляет 1,5-2,5 (мас.%), поскольку уменьшение доли газообразователя в композиции не дает достаточного получения ячеистой структуры готового пеносиликата, а введение более 2,5% приводит к образованию большого количества неравномерных, сообщающихся между собой пор и открытых пор на поверхности пеносиликата, что приводит существенному снижению прочности при сжатии и к повышению теплопроводности готового пеносиликата.

Для интенсификации и ускорения процесса газообразования в композицию вводится 33%-ный раствор гидрата окиси натрия, за счет существенного повышения рН среды с 11 до 13,7 происходит более полный и равномерно распределенный по всей массе пеносиликатной смеси процесс газообразования. Наличие водного раствора позволяет наиболее полно прореагировать гидрату окиси натрия с газообразователем и аморфным кремнеземом керамической пыли по сравнению с введением эквивалентного количества гидрата окиси натрия в сухом состоянии.

Оптимальное содержание водного раствора едкого натра в составе композиции составляет 6-7 (мас.%), поскольку уменьшение доли гидрата окиси натрия в композиции не позволяет достаточно повысить щелочность композиции, а введение более 7% приводит к снижению прочностных характеристик готового пеносиликата за счет наличия свободной щелочи в готовом материале.

Жидкое натриевое стекло в данной композиции является основным вяжущим материалом, который взаимодействуя с керамической пылью, водным раствором гидрата окиси натрия и газообразователем модифицируется, поризуется, образуя тем самым ячеистую матрицу пеносиликата.

Оптимальное содержание жидкого натриевого стекла в составе композиции составляет 37-40 (мас.%), поскольку уменьшение доли жидкого натриевого стекла в композиции не достаточно для полного омоноличивания всех твердых компонентов смеси, а введение более 40% приводит к увеличению стоимости готового пеносиликата.

При этом для стабилизации ячеистой структуры, а также повышения прочности при сжатии пеносиликата в композицию вводится лузга подсолнечника с размерами волокон от 0,3 до 1,0 мм. Лузга подсолнечника является органическим отходом при переработке семян подсолнечника, обладающим следующими физико-химические свойствами: коэффициент теплопроводности λ=0,09-0,11 Вт/м·°С; насыпная плотность ρ=120-140 кг/м³; пористость - 85-90%, влажность - 5-7%.

В настоящее временя лузгу используют как кормовую добавку в животноводстве, но процент использования очень низок и не решает глобальной проблемы ее утилизации. Применение лузги в качестве топлива (около 60%) кроме ущерба окружающей среде выбросами в атмосферу свидетельствует также о нерациональном использовании этого ценного отхода. Преимуществом использования подсолнечной лузги в качестве армирующей добавки является отсутствие в ней дополнительных примесей и включений, например, песка, пыли и т.д. Лузгу не нужно дополнительно сушить, и она более гидрофобна, т.к. в ее состав входят липиды и остатки растительного масла, что положительно сказывается на повышении водостойкости пеносиликата.

Остатки растительного масла в составе лузги подсолнечника также благоприятно влияют на реологические свойства формуемой смеси, а именно в результате химической реакции гидролиза с щелочными компонентами смеси в композиции образуется глицерин, который интенсифицирует процесс гелеобразования и тем самым стабилизирует поризованную ячеистую структуру пеносиликата.

Оптимальное содержание лузги подсолнечника в составе композиции составляет 0,5-1,0 (мас.%), поскольку уменьшение доли лузги в композиции не позволяет повысить прочность при сжатии, а также не позволяет достаточно полно стабилизировать ячеистую структуру пеносиликата, а введение более 1% приводит к увеличению расхода вяжущего материала.

Для составления композиции использованы следующие исходные материалы: гидроксид натрия технический ГОСТ 2263-79 «Натр едкий технический. Технические условия», кремнеземистый компонент - керамическая пыль с удельной поверхностью S_уд=2100-2950 см²/гр и размером частиц от 110 до 150 мкм: пыль из воздухоочистных циклонов печных агрегатов при производстве керамического кирпича ЗАО «Строительные материалы. Энгельсский кирпичный завод», г. Энгельс, Саратовская область, или при производстве керамического кирпича 000 «Завод керамического кирпича», г. Саратов, или при производстве керамзита ООО «Кронверк», г. Саратов, или при производстве керамзита КПД ООО «Профспецстрой», г. Энгельс, Саратовская область (химический состав приведен в табл.1); фильтрационный осадок сахарного производства (дефекат) с удельной поверхностью S_уд=1800-2500 см²/гр ООО «Балашовский сахарный комбинат» Саратовской области (химический состав приведен в табл.2), алюминиевый порошок (алюминиевая пудра) марок ПАП-1 и ПАП-2 производства ООО «Волгоградская алюминиевая компания порошковая металлургия (Валком-ПМ)» по ГОСТ 5494-95. Частицы алюминия в пудре имеют пластинчатую форму и покрыты тонкой оксидной и жировой пленкой. Пудра представляет собой легкомажущийся продукт серебристо-серого цвета, несодержащий видимых невооруженным глазом инородных примесей. Насыпная плотность пудры составляет около 0,15-0,30 г/см³, содержание активного алюминия - 85-93%. Средняя толщина лепестков составляет приблизительно 0,25-0,50 мкм. Основные физико-механические характеристики алюминиевого порошка приведены в табл.3. Жидкое натриевое стекло промышленное, соответствующее требованиям ГОСТ 130078-81 с плотностью равной 1,45 г/см³ с рН 9-11 и составом: SiO₂ - 28,9-29,7%, Na₂O - 9,8-10,5%, вода - остальное. Лузга подсолнечника применялась в виде волокнистого заполнителя с размерами волокон от 0,3 до 1,0 мм, обладающиего следующими физико-химические свойствами: коэффициент теплопроводности λ=0,09-0,11 Вт/м°С; насыпная плотность ρ=120-140 кг/м³; пористость - 85-90%, влажность - 5-7%. Применяемая лузга являлась отходом производства подсолнечного масла следующих предприятий: ООО «Товарное хозяйство», г. Маркс Саратовской области и ООО «Дарья», с. Березовка Энгельсского района Саратовской области (состав представлен в табл.4).

Приготовление композиции производят в следующей последовательности: в смеситель осуществляют подачу всех компонентов в следующей последовательности - первым компонентом подается кремнеземистый компонент (керамическая пыль) с удельной поверхностью S_уд=2100-2950 см²/гр и размером частиц от 110 до 150 мкм в количестве 45-50% (мас.) от общего количества (например, керамическая пыль ЗАО «Строительные материалы. Энгельсский кирпичный завод» 48.0% для состава №6 таблицы 5), после этого в смеситель подается фильтрационный осадок сахарного производства (дефекат) S_уд=1800-2500 см²/гр в количестве 3,5-4,5% (мас.) от общего количества (например, 4.2% для состава №6 таблицы 5), затем подается 33%-ный раствор гидрата окиси натрия в количестве 6-7% (мас.) от общего количества (например, 6,7% для состава №6 таблицы 5) и жидкое натриевое стекло в количестве 37-40% (мас.) от общего количества (например, 38.0% для состава №6 таблицы 5) и производят перемешивание композиции в течение 2,5-3,0 мин при частоте вращения перемешивающего органа смесителя 150-200 об/мин (для состава №6 таблицы 5-180 об/мин). После перемешивания в смеситель подается лузга подсолнечника в количестве 0,5-1,0% (мас.) от общего количества (например, 0.9% для состава №6 таблицы 5) и алюминиевый порошок (алюминиевая пудра марок ПАП-1 или ПАП-2) в количестве 1,5-2,5% (мас.) от общего количества (например, алюминиевая пудра марки ПАП-1 2.2% для состава №6 таблицы 5) и производится дополнительное перемешивание в течение 2,5-3,0 мин при частоте вращения перемешивающего органа смесителя 250-300 об/мин (для состава №6 таблицы 5-290 об/мин). Приготовленную смесь укладывают в предварительно очищенные и смазанные формы, заполняя последние на 2,3 от общего объема и оставляют заполненную форму в покое. В течение 15-18 минут происходит реакция газообразователя с щелочными компонентами смеси и формируется стабильная и равномерно распределенная ячеистая структура пеносиликата. Отформованные изделия выдерживаются в помещении в течение суток при температуре не ниже 20°С после чего производят распалубку и упаковку готового пеносиликата.

Дополнительным положительным эффектом использования данного состава является возможность проводить теплоизоляционные работы непосредственно на строительной площадке. В зависимости от степени наполнения композиции готовый пеносиликат может изготавливаться как теплоизоляционный, так и конструкционно-теплоизоляционный материал.

В таблице 5 приведены конкретные составы предлагаемой композиции, а в таблице 6 - физико-механические характеристики пеносиликата на основе заявленной композиции.

На фиг. 1 представлен лабораторный образец теплоизоляционного пеносиликата состав №2 табл.5 и табл.6, на фиг. 2 представлен лабораторный образец теплоизоляционного пеносиликата состав №6 табл.5 и табл.6. На фото полученных образцов видно, что пористость пеносиликата имеет преимущественно шарообразную закрытую форму с более равномерным и полным распределением по всему объему пеносиликата.

Таким образом, пеносиликат и изделия на его основе, изготовленные из предлагаемой композиции, обладают меньшим коэффициентом теплопроводности, меньшим показателем средней плотности и большим показателем прочности при сжатии по сравнению с показателями известных композиций.