Результат интеллектуальной деятельности: Сырьевая смесь для производства облицовочных композитных изделий

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

Известен способ производства композитных строительных изделий [1], по которому подробленные бытовые отходы полимерных материалов и карбонатного наполнителя фракцией до 5 мм засыпают в экструдер, где они с помощью многосекционного шнека перемешиваются с расплавленным полимером и в виде однородной массы поступают в экструзионную головку. Проэкструдированный под давлением 50-80 кг⋅с/см² через формующую головку экструдат разрезают на изделия и охлаждают. В качестве карбонатного наполнителя используют отходы камнепиления и переработки известняков-ракушечников или нуммулитовых известняков и/или отходы дробления и переработки известняковых пород на щебень фракцией до 5 мм.

Недостатком состава из известного способа является непостоянство минерального и гранулометрического составов наполнителя, что приводит к нестабильности свойств изделий. Другим недостатком является низкая прочность изделий на основе состава из известного способа (5-15 МПа).

Известен способ переработки полимерных отходов с получением строительного материала [2], по которому несортированные отходы термопластичных полимеров - ПЭНД, ПЭВД в количестве 10-50 мас. %. Отходы предварительно измельчают. 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.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является сырьевая смесь для производства строительных композитных изделий, 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 и морозостойкость при высоком для облицовочных материалов водопоглощении 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 см²/г является длительной и энергоемкой задачей.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочности на сжатие и морозостойкости при снижении водопоглощения до уровня, соответствующего требованиям для облицовочных материалов, при содержании вторичного полимерного материала менее 30 мас. % и понижении удельной поверхности минерального сырья, что существенно снизит энергоемкость и себестоимость производства. Дополнительно необходимо повысить стабильность химического и гранулометрического составов компонентов сырьевой смеси.

Поставленная задача решается за счет перевода вторичного полимерного сырья в жидкое состояние при помощи растворителя с последующей термообработкой при температуре кипения растворителя и при помощи замены наполнителя по известному способу на кирпичный бой, в частности рядового керамического кирпича, с удельной поверхностью 50-160 см²/г. В данном изобретении предлагается использовать отходы пенополистирола в качестве вторичного полимерного сырья и четыреххлористый углерод чистый по ГОСТ 20288-74 в качестве растворителя. Использование кирпичного боя и пенополистирола в качестве компонентов сырьевой смеси обосновано достаточно большими объемами отходов из этих материалов. Также использование по одному виду наполнителя и связующего повысит стабильность свойств композитных изделий.

Перевод вторичного полимерного сырья в жидкое состояние растворением имеет преимущества перед плавлением, так как позволяет снизить температуру последующей термообработки за счет того, что температура кипения растворителя (для четыреххлористого углерода чистого составляет 76,72°С) значительно ниже температуры плавления вторичного полимерного сырья (для пенополистирола составляет 270°С). Кроме того, растворение вторичного полимерного сырья вместо плавления позволяет избежать его термодеструкции в случае превышения температурно-временного режима. Дополнительными преимуществами применения раствора связующего являются возможность проводить предварительное измельчение вторичного полимерного сырья до более крупных размеров частиц, что снижает энергоемкость процесса измельчения, а также позволяет достичь более высокой однородности сырьевой смеси при перемешивании минерального сырья с раствором связующего.

При использовании кирпичного боя в качестве минерального сырья, выполняющего роль наполнителя в композитном материале, он впитывает в себя часть раствора связующего, что дополнительно повышает прочность и морозостойкость материала при снижении водопоглощения за счет пропитывания частиц наполнителя связующим.

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

При содержании пенополистирола в сырьевой смеси в количестве менее 12 мас. % он не является эффективным связующим, и получаемый композитный материал обладает низкой прочностью и высоким водопоглощением, грани образцов осыпаются. При содержании пенополистирола свыше 20 мас. % прочностные характеристики композитного материала продолжают незначительно повышаться, начинается снижение морозостойкости и происходит снижение водопоглощения до значения менее 2%, являющегося минимальным значением по требованиям ГОСТ 13996-93.

Четыреххлористый углерод чистый 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: четыреххлористый углерод чистый менее 1:1,3 получаемый раствор связующего обладает слишком высокой вязкостью и быстро переходит в твердое состояние, что затрудняет переработку сырьевой смеси в изделие. При соотношении пенополистирол: четыреххлористый углерод чистый более 1:1,6 в получаемом растворе связующего наблюдается недостаток пенополистирола, что приводит к излишней текучести сырьевой смеси при переработке и не позволяет достичь требуемых значений свойств композитного материала.

Обоснованность и преимущества заявляемого изобретения основаны на измерении физико-механических и эксплуатационных показателей с различным содержанием кирпичного боя (от 51 до 71 мас. %), пенополистирола (от 12 до 20 мас. %) и четыреххлористого углерода чистого (от 17 до 29 мас. %).

Предпочтительна реализация заявляемого изобретения по следующей технологии: предварительно измельченные отходы пенополистирола смешивают с четыреххлористым углеродом чистым, 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 85-90°С в течение 45-90 мин в зависимости от габаритов изделия и содержания раствора связующего в нем.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами:

1. К 12 мас. % пенополистирола добавляют 17 мас. % четыреххлористого углерода чистого, смешивают полученный раствор связующего с 71 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии;

2. К 14 мас. % пенополистирола добавляют 20 мас. % четыреххлористого углерода чистого, смешивают полученный раствор связующего с 66 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии;

3. К 16 мас. % пенополистирола добавляют 23 мас. % четыреххлористого углерода чистого, смешивают полученный раствор связующего с 61 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии;

4. К 18 мас. % пенополистирола добавляют 26 мас. % четыреххлористого углерода чистого, смешивают полученный раствор связующего с 56 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии;

5. К 20 мас. % пенополистирола добавляют 29 мас. % четыреххлористого углерода чистого, смешивают полученный раствор связующего с 51 мас. % кирпичного боя и получают материал по указанной выше технологии;

Свойства материалов, полученных с использованием известного (при содержании вторичного полимерного материала 30-35 мас. %) и предлагаемого составов, приведены в таблице 1.

Источники информации

1. Патент №2629033, кл. С04В 18/04, 2017

2. Патент №2327712, кл. C08J 11/06; C08L 23/06; С04В 14/10, 2008

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