Результат интеллектуальной деятельности: Шихта для экологически безопасного производства пеностекла

Изобретение относится к области производства теплоизоляционных материалов, а именно к производству пеностекла, и может быть использовано в строительной индустрии как легкий теплоизоляционный конструкционный материал.

Известен состав шихты для получения пеностекла [Патент РФ №2357933, МПК С03С 11/00, опубл. 10.06.2009], включающий стекло, углеродистый газообразователь и вспенивающую добавку (нитраты натрия или калия) при следующем соотношении компонентов, мас. %: стекло (молотое) - 95,5-96,0; углеродистый газообразователь - 3,0-4,0; нитрат натрия или калия - 1,0-1,5. Стекло получено на основе алюмосиликатных пород, характеризующихся соотношением оксидов SiO₂/Al₂O₃=3,3-5,0 и SiO₂/(Al₂O₃+Fe₂O₃)=2,45-4,20. Основными недостатками являются сложность и трудоемкость технологического процесса подготовки пеностекольной шихты и постадийного получения пеностекла, а также высокие энергозатраты, обусловленные нагревом шихты до температуры 950-1100°С.

Известен состав шихты для получения пеностекла, содержащий следующие соотношения компонентов, мас. %: цеолитсодержащий туф - 35,0-83,5; бой стекла - 10-50; газообразователь на основе карбида кремния - 0,5-3,0; кальцинированная сода - 6-12 [Патент РФ №2051869, МПК С03С 11/00, опубл. 10.01.1996], при этом вспенивание производят при температуре 900-1000°С.

Недостатками известного состава шихты для получения пеностекла являются следующие:

- стеклобой не может служить надежным источником исходного сырья для получения пеностекла по причине непостоянства химического состава;

- использование карбида кремния в качестве газообразователя является экономически нецелесообразным ввиду его высокой стоимости и острого дефицита.

Известно пеностекло [Патент РФ №117427, МПК С03С 11/00, опубл. 27.06.2012], состоящее из газонаполненной замкнутой ячеистой структуры, ограниченной тонкими стеклянными стенками, выполненной вспениванием при обжиге шихты из механоактивированного порошка алюмосиликатного сырья и плавня, отличающееся тем, что стеклянные стенки ячеек содержат поры, в качестве алюмосиликатного сырья используют механоактивированный цеолитсодержащий туф при следующем соотношении компонентов, мас. %: цеолитсодержащий туф - 70-80, плавень - 20-30. Недостатками известного состава шихты для получения пеностекла является необходимость проведения трудоемкой и экономически затратной процедуры механоактивации цеолитсодержащего сырья.

Известным является состав шихты для производства пеностекла [Патент РФ №124905 U1, МПК С03С 11/00, опубл. 20.02.2013], содержащий следующие компоненты, мас. % цеолитсодержащий туф 81-88, карбонат натрия 12-19. Пеностекло может быть использовано в строительстве, преимущественно для звукопоглощения в ограждающих конструкциях, межкомнатных перегородках и перекрытиях, а также оно может быть использовано для тепловой изоляции зданий и сооружений и любых других конструкций и установок с пониженной влажностью окружающей среды. Недостатками известного состава являются повышенные требования к составу цеолитсодержащих пород (содержание СаО не менее 7-19%), что ограничивает возможности применения данного сырья; а также необходимость проведения экономически и трудозатратной процедуры механоактивации сырья. Невысокие значения предела прочности на сжатие (0,7 МПа) и водопоглощение 70-80 мас. % ограничивают области применения полученного пеностекла.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, принятым за прототип, является состав шихты для производства пеноцеолита [Патент РФ №2272007, МПК С03С 11/00, опубл. 20.03.2006], содержащий цеолитсодержащий туф и щелочной компонент в виде раствора NaOH при следующем соотношения компонентов, мас. %: цеолитсодержащий туф - 86,2-87,2; щелочной компонент -12,8-13,8. Температура вспенивания 850-900°С. Основными недостатками являются следующие:

- высокие показатели плотности - 643-950 кг/м³, что ограничивает применение данного изделия в качестве эффективного теплоизолирующего материала;

- применение раствора NaOH является экологически небезопасным, а также может приводить к быстрому износу оборудования (в частности, печей для вспенивания);

- необходимость приобретения фабричного реагента NaOH, что делает производство зависимым от его наличия и стоимости на рынке.

Задачей изобретения является разработка состава шихты для производства пеностекла с экономически эффективным, безопасным для печного оборудования и окружающей среды щелочным компонентом - гужиром (солевые образования на поверхности ледяного покрова минеральных озер). Основными минералами гужира являются Na₂CO₃⋅10Н₂О; Na₃CO₃HCO₃⋅2H₂O; NaCl.

Техническим результатом заявляемого состава является расширение сырьевой базы для получения пеностекла, за счет замены токсичного и коррозионного вещества - гидроксида натрия на менее опасные минеральные компоненты (Na₂CO₃⋅10Н₂О; Na₃CO₃HCO₃⋅2H₂O; NaCl), что позволит снизить плотность получаемого пеностекла до 280 кг/м³ и применять полученное изделие в качестве эффективного теплоизоляционного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом составе шихты для производства пеностекла, содержится цеолитсодержащий туф и гужир при следующем соотношении компонентов, мас. %: цеолитсодержащий туф - 80,0-85,0; гужир - 15,0-20,0. Температура вспенивания 850-900°С.

Достижение указанного технического результата обусловлено предварительным прогреванием шихты при температуре 500°С в течение 30 минут, охлаждением и увлажнением смеси раствором силиката натрия, что приводит к системному повышению интенсивности вспенивания, а также к более полному заполнению порового пространства соединениями натрия и интенсификации термоактивированных процессов в материале.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый состав шихты для производства пеностекла позволяет получать пеностекло со средней плотностью 280-400 кг/м³ при содержании цеолитсодержащего туфа 80-85 мас. %, безопасного щелочного компонента гужира - 15-20 мас. %. По прототипу средняя плотность изделия составляет 673-950 кг/м³ при содержании цеолитсодержащего туфа 86,2-87,2 мас. %, NaOH - 12,8-13,8 мас. %. Такое отличие от прототипа дает основание утверждать о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности изобретения «новизна». Сравнение заявляемого состава шихты для производства пеностекла не только с прототипом, но и с другими аналогичными техническими решениями в данной области не позволили выявить в них признаки, аналогичные отличительным признакам. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого состава шихты для производства пеностекла условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Таким образом, авторами предлагается состав шихты для производства пеностекла со средней плотностью 280-400 кг/м³, позволяющий расширить сырьевую базу за счет замены токсичного гидроксида натрия на наиболее экономически эффективный и безопасный для печного оборудования и окружающей среды щелочной компонент - гужир (Na₂CO₃⋅10Н₂О; Na₃CO₃HCO₃⋅2H₂O; NaCl).