МИНЕРАЛЬНЫЙ ВСПЕНЕННО-ВОЛОКНИСТЫЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Изобретение относится к строительным материалам и описывает вспененно-волокнистый материал (плотностью - 0,100-0,500 г/см³), применяемый для производства строительных и мебельных конструкций, стен, потолков, перегородок, тепло- и звукоизоляции, теплоизоляции бытовых и промышленных печей, электронагревательных приборов, узлов, имеющих высокую температуру, трубопроводов.

Уровень техники

Известно техническое решение по патенту RU 2128633 C1 С04В 28/26, С04В 28/26, С04В 18:24, С04В 18:30, С04В 111:20, опубл. 10.01.1998. Сырьевая смесь и способ получения теплоизоляционного материала, по которому известная смесь содержит жидкое стекло, мас.%, 82-89,3, наполнитель - микрокремнезем - отход производства кристаллического кремния - 8,93-16,4, бикарбонат натрия - 1,6-1,77, с гранулированием и термообработкой при 250°С. Недостатком является ограниченная сфера применения - в виде гранул, как наполнитель при производстве строительных материалов.

Известен материал - базальтовый теплоизоляционный жесткий картон (http://kamni.ws/?p=687), содержащий базальтовое штапельное волокно, в качестве связующего глину бетонитовую, соду кальцинированную, жидкость гидрофобизирующую.

Недостатками данного картона являются: низкие влагостойкость и прочность, в силу слабости межмолекулярных связей связующего вещества - бетонитовой глины, образующихся в процессе сушки при температурах до 200°С, и технологическая сложность изготовления изделий заданной формы и плотности.

Известно техническое решение по патенту RU 2173674 С2 С04В 28/26 С04В 111:20 Состав и способ получения вспученного силикатного материала, по которому состав содержит жидкое стекло, мас.%, 47-92, измельченный пеносиликат - 5-18, тонкоизмельченный минеральный наполнитель 0,1-43, олеиновую кислоту 0,02-0,04, насыщенный водный раствор сахара 0,4-1,0, воду - 0,6-2,0, при котором компоненты смешиваются механическим способом в шнековом грануляторе, либо гранулированием в жидких средах. Для предотвращения взаимного слипания гранулированная сырьевая смесь опудривается тонкоизмельченным пеносиликатом и подсушивается при комнатной температуре 2 ч или в сушилке при температуре не более 100°С в течение 30 мин и после отделения опудривающего материала гранулы засыпают ровным слоем в форму для вспучивания при температуре 450-500°С в течение 30-80 мин.

Недостатками известного состава являются участие в качестве основных компонентов измельченного пеносиликата, который вызывает необходимость дополнительных длительных производственных процессов гранулирования, опудривания и сушки, необходимость дальнейших технологических этапов для получения конечного продукта. Известный материал является полуфабрикатом, отсутствие волокнистой структуры не позволяет использовать в качестве конструкционного материала. Кроме того, недостатки пеносиликата как вещества отражаются на свойствах известного материала, который предназначен для использования в качестве теплоизоляционного материала: больший вес по сравнению с другими видами теплоизоляционных материалов (ввиду высокой плотности пеностекла); нестойкость к ударным воздействиям изделий из него при этом поврежденный материал теряет свойства теплопроводности и влагостойкости; для изготовления скорлуп или блоков требуется дополнительное оборудование, что ведет к дополнительным энергозатратам.

Наиболее близким по свойствам к предлагаемому изобретению является техническое решение по патенту RU 2101255 C1 С04В 28/26, С04В 28/26, С04В 18:24, С04В 18:30, С04В 111:20, опубл. 10.01.1998, по которому Сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционного материала содержит жидкое стекло, мас.%, - 30-35, волокнистый наполнитель - солома колосковых культур - 25-40, шерсть - 15-20, меховой рубленный лоскут - 10-25, с горячим прессованием при температуре 100-110°С. Недостатком данной сырьевой смеси является применение органических наполнителей, подверженных выгоранию при длительном воздействии высоких температур и гигроскопичных при воздействии влажности, что снижает показатели огнестойкости, влагостойкости и прочности.

Для устранения указанных недостатков предлагается материал с улучшенными эксплуатационными характеристиками: повышение огнестойкости, твердости и плотности, повышение влагостойкости, снижение гигроскопичности, химическая стойкость к щелочным и кислотным средам, устранение выветривания минеральных волокон, экологическая чистота, получение вспененного материала высокой прочности заданной формы с ламинированными поверхностями.

Теплоизоляционные материалы промышленного назначения часто изготавливают пористыми, поскольку мала удельная теплопроводность воздуха или газов образующих поры. Применением неорганических, кремний-органических, базальтовых, минерально-волокнистых материалов в качестве конструкционного наполнителя достигается формирование закрытых пор из вспучиваемого связующего силиката, армированных минеральным волокном. При введении в пористое неорганическое минеральное волокно связующего силиката натрия на поверхности волокон возникают силы молекулярного сцепления, вода раствора силиката натрия адсорбируется на склеиваемых поверхностях, из-за чего плотность и вязкость клеевого соединения повышаются. Нарушается равновесие частиц кремниевой кислоты H₂SiO₃ (SiO₃), полимерные цепочки кремневой кислоты удлиняются, переплетаются, уплотняются и происходит процесс поликонденсации с образованием адгезионного соединения волокон. Нагрев до температуры 200-400°C вызывает вспучивание раствора с образованием замкнутых пустот. Вспучивание материала при нагреве происходит из-за того, что вода не может свободно улетучиваться из раствора вследствие его высокой вязкости и образования плотной корки на поверхности. Одновременно в результате нагрева происходит полимеризация силиката натрия и его кристаллизация на поверхности минеральных волокон. Протекающий процесс полимеризации позволяет ламинировать поверхности и создать комбинированные материалы. Свойства заявляемого материала являются следствием термодинамических процессов, происходящих при нагреве силиката натрия в условиях ограниченного пространства минерально-волокнистых материалов и использования основных физико-химических свойств силикатов - вспучивания при термообработке и хорошей адгезии, почти к любым поверхностям. При этом используются основные физико-химические свойства силикатов - хорошая адгезия почти к любым поверхностям - клеящая способность и свойство вязких растворов силиката натрия при нагревании до 200-400°C вспучиваться, увеличиваясь в объеме в 5-8 раз, с образованием замкнутых пустот, что позволяет получить долговечный огнестойкий теплоизоляционный материалы, с низкой гигроскопичностью, выдерживающие механические нагрузки.

Сущность изобретения заключается в том, что использование минерально-волокнистых, стекло-волокнистых или базальто-волокнистых материалов в качестве основы с последующим смачиванием связующим - жидким стеклом с тонкоизмельченным минеральным наполнителем, и ламинирующих материалов с последующим нагревом позволяет производить теплоизолирующие материалы в форме плит, скорлуп или любой сложной конфигурации, с одновременным получением ламинированных поверхностей изделия.

Для получения данного материала предлагается смесь, с возможностью изменения исходного процентного содержания компонентов:

Водный раствор силиката натрия, т.е. жидкое натриевое стекло, с силикатным модулем 2,0-3,6, мас.% от 20 до 79,8;

Минеральное волокно, плотностью от 50 до 350 г/см³ - мас.% от 79,8 до 20;

Тонкоизмельченный минеральный наполнитель: например глина, или мел, или соль поваренная, мас.% от 0,1 до 10;

Ламинирующий материал, мас.% от 0,1 до 10.

Компоненты механически соединены между собой с последующим нагревом при 200-400°C в течение 20-60 мин. Нагрев происходит в печах или, как частный случай, СВЧ излучением. Мощность СВЧ излучения 20-50 мВт/см³ при частоте 2450-3000 МГц.

Минеральное волокно из неорганических базальтовых пород, кремний-органическое волокно, является конструкционным наполнителем - негорючий, подвергается спеканию при нагреве, волокна при этом образуют структуру, повышающую прочность, твердость конечного продукта; дает возможность получения конечного продукта с определенной устойчивой формой. Силикат натрия используется в виде водного раствора: стекло натриевое жидкое с силикатным модулем 2,3-3,6. Этот компонент является связующим веществом и при нагревании образует пузырьки, которые повышают теплоизоляционные свойства материала. Тонкоизмельченный минеральный наполнитель повышает твердость, влагостойкость материала, добавляется в виде водного раствора или взвеси. В качестве тонкоизмельченного минерального наполнителя добавляется глина, мел или поваренная соль хлорид натрия, что повышает твердость материала.

Заявляемый материал содержит ламинирующий материал, повышающий прочность, стойкость и долговечность конечного продукта - например, в виде плиты. При этом ламинирующий материал механически соединен с другими компонентами в состоянии сырья до нагрева. После нагрева происходит процесс вспенивания (вспучивания) силиката натрия с минеральным наполнителем, влага испаряется, ламинирующий материал прочно соединяется с наполнителем, связанным вспененным силикатом натрия. Таким образом продукт приобретает жесткую форму строительного материала, пригодного для дальнейшего использования (например, отделочных работ, утепления при строительстве) без дополнительной обработки. При этом заявляемый материал имеет улучшенные эксплуатационные характеристики: меньший вес, повышенная прочность, влагостойкость, долговечность, ламинированные поверхности.

Как частный случай, вместо термообработки в печах материал может быть подвергнут нагреву с помощью СВЧ излучения - мощностью 20-50 мВт/см³ при частоте 2450-3000 МГц.

Технический результат - повышение прочности, долговечности и влагостойкости теплоизоляционного материала.

Технический результат достигается тем, что минеральный вспененно-волокнистый теплоизоляционный материал получен путем укладки в форму ламинирующего материала в виде пленки, фольги, листа, смачивания его составом, содержащим жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 2,0-3,6 и тонкоизмельченный минеральный наполнитель - глину, мел или поваренную соль, укладки минерального волокна в виде матов толщиной от 3 до 100 мм, смачивания его сверху указанным составом, покрытия ламинирующим материалом с последующим нагревом закрытой формы до температуры 200-400°C в течение 20-60 мин со вспучиванием до увеличения объема в 5-8 раз при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Как частный случай, указанный нагрев осуществлен СВЧ излучением мощностью 20-50 мВт/см³ при частоте 2450-3000 МГц.

Пример осуществления.

На 1 этапе подготавливается жидкость, содержащая водный раствор силиката натрия и раствор или взвесь тонкоизмельченного минерального наполнителя, механическим смешиванием компонентов в емкости. Для приготовления водного раствора силиката натрия используют стекло натриевое жидкое ГОСТ 13078-81 с силикатным модулем 2,3-3,6, в которую добавляют раствор или взвесь тонкоизмельченного минерального наполнителя.

На 2 этапе на металлические формы укладывается ламинирующий материал - пленка, фольга или другой листовой материал.

На 3 этапе на внутреннюю поверхность ламинирующего материала для смачивания наносят подготовленную жидкость: водный раствор силиката натрия, содержащий раствор или взвесь тонкоизмельченного минерального наполнителя, и укладывают минеральное волокно или стекловолокно, или базальто-волокнистые материалы, используемые в виде матов (пластин) толщиной от 3 до 100 мм.

На 4 этапе для равномерного распределения поверхность минерального волокнистого материала смачивают сверху указанной жидкостью.

На 5 этапе смоченную поверхность минерально-волокнистого материала покрывают ламинирующим материалом и закрывают форму, образуя замкнутый объем.

На 6 этапе форму подвергают нагреву в печах до температуры вспенивания жидкого стекла 200-400°C в течение 20-60 мин. Температурный режим и время нагрева вещества находятся в зависимости от толщины материала и требуемой плотности продукта, в результате которого происходит вспучивание указанного связующего, с увеличением в объеме в 5-8 раз, с одновременной адгезией к минеральным волокнам и образованием замкнутых пустот, что позволяет получить огнестойкие теплоизоляционные материалы, с низкой гигроскопичностью, выдерживающие механические нагрузки.

Полученный материал является готовым к использованию в строительстве в виде негорючих, огнестойких, теплоизоляционных изделий жесткой формы, высокой прочности, с ламинированными поверхностями, неорганическим пористым наполнителем, способных нести механическую нагрузку и не подверженных воздействию влаги. Температура использования заявляемого материала при эксплуатации от -100 до +300°C.

Характеристики используемых компонентов.

Диаметр первичного минерального волокна, мкм: тонкие, 9-15 мкм; утолщенные, 15-25 мкм; толстые, 25-150 мкм, и грубые - диаметром 50-500 мкм.

Тонкие волокна из горных пород представляют собой слой беспорядочно расположенных волокон диаметром 9-15 мкм и длиной 3-1500 мм;

утолщенные волокна диаметром 15-25 мкм и длиной 5-1500 мм;

толстые волокна представляют собой беспорядочно расположенные волокна длиной 5-3000 мм, диаметром 25-150 мкм;

грубые волокна представляют собой относительно сыпучую дисперсно-волокнистую массу с длиной волокон 3-15 мм, диаметром 150-500 мкм.

Фольга - тонкий металлический лист толщиной от 0,001 до 0,5 мм.

Металлический лист - от 0,5 до 2 мм.

Пленка ламинирующая - поливинилхлорид, полипропилен, акрилонитрил-бутадиен-стирол от 0,1 до 2 мм.

Пленка ламинирующая из меламиновой или акриловой смолы толщиной от 0,1 до 2 мм.

Глина с величиной частиц менее 0,01 мм или

Мел с величиной частиц менее 0,02 мм.

Соединенные компоненты подвергаются нагреву при производстве до температур 200-400°C; либо СВЧ излучением мощностью - 20-50 мВт/см³ при частоте 2450-3000 МГц.

Влияние соотношения компонентов на свойства заявляемого материала: при увеличении процентного содержания минерального волокна увеличиваются плотность получаемого материала от 50 кг/м³ до 500 кг/м³, и достигается повышение физико-механических свойств, например коэффициента теплопроводности получаемого материала.

Коэффициент теплопроводности полученных материалов составляет от 0,04 до 0,12 Вт/(м*К).

Пример 1.

Жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 2,0 - мас.% 20;

Минеральное волокно, плотностью от 50 до 350 г/см³, - мас.% 79,8;

Тонкоизмельченный минеральный наполнитель: например глина, или мел, или соль поваренная - мас.% 0,1;

Ламинирующий материал - мас.% 0,1.

Температура нагрева 200°C; время нагрева >320 с.

Характеристики: плотность 70-500 кг/м³, теплопроводность 0,06 Вт/(м*К).

Использование: в качестве плитных конструкционных или декоративных панелей.

Пример 2.

Жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 2,0 - мас.% 79,8;

Минеральное волокно, плотностью от 50 до 350 г/см³ - мас.% 20;

Тонкоизмельченный минеральный наполнитель: например глина, или мел, или соль поваренная - мас.% 0,1;

Ламинирующий материал - мас.% 0,1.

Температура нагрева 200°C; время нагрева >320 с.

Характеристики: плотность 70-500 кг/м³, теплопроводность 0,07 Вт/(м*К).

Использование: теплозвукоизолирующие или декоративные панели заданной формы, использование в качестве негорючих наполнителей скрытых полостей.

Пример 3.

Жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 2,6 - мас.% 69,9;

Минеральное волокно, плотностью от 50 до 350 г/см³ - мас.% 20;

Тонкоизмельченный минеральный наполнитель: например глина, или мел, или соль поваренная - мас.% 10;

Ламинирующий материал - мас.% 0,1.

Температура нагрева 200°C; время нагрева >320 с.

Характеристики: плотность 70-500 кг/м³, теплопроводность 0,07 Вт/(м*К).

Использование: теплозвукоизолирующие или декоративные панели заданной формы, использование в качестве негорючих наполнителей скрытых полостей.

Пример 4.

Жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 2,8 - мас.% 45;

Минеральное волокно, плотностью от 50 до 350 г/см³, - мас.% 40;

Тонкоизмельченный минеральный наполнитель: например глина, или мел, или соль поваренная - мас.% 5,0.

Ламинирующий материал - мас.% 10.

Температура нагрева 200°C; время нагрева >320 с.

Характеристики: плотность 70-460 кг/м³, теплопроводность 0,07 Вт/(м*К).

Использование: в качестве плитных конструкционных или декоративных панелей.

Пример 5.

Жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 2,8 - мас.% 49,9;

Минеральное волокно, плотностью 350 г/см³ - мас.% 47;

Толщина минерального полотна - 6 мм;

Тонкоизмельченный минеральный наполнитель - глина, мас.% 0,1;

Ламинирующий материал - пленка полиамидная толщиной 0,4 мм, мас.% 3;

Температура нагрева 200°C; время нагрева >320 с.

Характеристики: плотность 460 кг/м³, теплопроводность 0,07 Вт/(м*К).

Использование: в качестве тонкостенных, плитных декоративных панелей.

Пример 6.

Жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 3,6 - мас.% 57;

Минеральное волокно, плотностью 150 г/см³ мас.% 30;

Толщина минерального полотна 20 мм;

Тонкоизмельченный минеральный наполнитель - мел - мас.% 10;

Ламинирующий материал - ткань «Термолин» - толщиной 1,2 мм - мас.% 3;

Температура нагрева 250°C; время нагрева >780 с.

Характеристики: плотность 250 кг/м³, теплопроводность 0,055 Вт/(м*К).

Использование: в качестве плитных конструкционных или декоративных панелей.

Пример 7.

Жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 3,6 - мас.% 57;

Минеральное волокно, плотностью 50 г/см³ - мас.% 20;

Толщина минерального полотна - 100 мм;

Тонкоизмельченный минеральный наполнитель - соль поваренная, мас.% 0,1;

Ламинирующий материал - фольга алюминиевая толщиной 0,06 мм - 0,3%;

Температура нагрева - 400°C; время нагрева >600 с.

Характеристики: плотность 80 кг/м³, теплопроводность 0,05 Вт/(м*К).

Использование: теплозвукоизолирующие или декоративные панели заданной формы, использование в качестве негорючих наполнителей скрытых полостей.

Выбор тонкоизмельченного минерального наполнителя определяется его доступностью и его замена на любой из указанных существенного влияния на характеристики получаемого материала не оказывает.

Выбор процентного содержания основных компонентов зависит от целей дальнейшего использования материала, так при высоком процентном содержании силиката натрия и малом содержании минерального волокна образуется негорючий вспененный материал, заполняющий заданную форму, при введении в который минерального наполнителя на исходной стадии производства добиваются повышения прочности получаемого материала.

При максимальных значениях содержания минерального волокна получаем твердо-пористый материал, с плотно связанными волокнами, позволяющий нести более высокую механическую нагрузку, при незначительном увеличении общей массы от исходного минерально-волокнистого наполнителя.

Как частный случай: нагрев с использованием микроволнового сверхвысокочастотного метода позволяет изготавливать материал большей толщины, но низкой плотности, с равномерным образованием новой, вспученной структуры, сократить временные и энергетические затраты на производство и производить конечный продукт с одновременно нанесенным защитным наружным покрытием из целлюлозы, ткани или синтетических полимерных материалов. Нагрев производится с помощью сверхвысокочастотного микроволнового воздействия в печах до температуры 200-300°C.

Для получения материала в виде панелей и/или блоков используются готовые минерально-волокнистые маты малой плотности и небольшим количеством связующего в его составе. Можно получить изделия заданной формы, например скорлупы - для отделки участков сложной формы или отделки труб.

Получаемый минерально-волокнистый материал с полностью связанными минеральными волокнами обладает высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, обладает низкой гигроскопичностью, негорюч, огнестоек, хорошо обрабатывается (режется на нужный размер), обладает хорошей адгезией с клеящими материалами, имеет малую массу, способен нести незначительную механическую нагрузку, может использоваться при производстве всех видов теплоогнестойких панелей.

Материал может использоваться в строительстве и архитектуре для производства легких негорючих и водостойких декоративных элементов, тепло- и звукоизоляционных изделий в автомобильной и авиационной промышленности, судостроении. В соединении с ламинированными поверхностями - при производстве мебели, строительных перегородок. При утеплении строительных конструкций, стен, потолков и крыш, как заменитель базальтовых и минерально-волокнистых матов, требующих ветро- и влагоизоляции.

При содержании в растворе силиката натрия тонкоизмельченного минерального наполнителя глины до 10% достигается повышение прочности получаемых материалов, с одновременным повышением теплопроводности, за счет образования кальций-силикатного цемента. Содержание мела или поваренной соли хлорида натрия повышает твердость и прочность материала. Если же в это связующее в качестве наполнителя ввести огнеупорные шлаки производства ферросплавов, можно получить высокотемпературные изоляционные материалы для промышленных аппаратов.