007884 - 1 - Изобретение относится к производству

007884
Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности касается способа
производства блочного теплоизоляционного пеностекла плотностью 0,100-0,300 г/см3, применяемого как
эффективный высококачественный теплоизолирующий материал в различных строительных конструкциях и промышленности.
В настоящее время остро стоит потребность в снижении себестоимости теплоизоляционного блочного пеностекла при достижении высокого качества продукта, в сохранении надежности постоянной
воспроизводимости структуры пеностекла с гомогенной мелкопористой структурой, содержащей поры
полностью замкнутой формы, за счет снижения энергоемкости производства и стоимости технологического оборудования, необходимого для оптимизированного промышленного производства.
В патенте US 3261894 раскрыт способ производства пеносиликатных структур, включающий приготовление раствора, содержащего около 1 вес.ч. силиката щелочного металла, 0,02-0,7 вес.ч. неорганических волокон силиката и 2-10 вес.ч. воды, нагрев указанного раствора до температуры около 140-360°С
для удаления фазы свободной воды, размол указанной высушенной смеси до получения промежуточного
продукта, имеющего частицы размером 0,1-10 мм, введение металлических добавок к промежуточному
продукту в концентрации 1-10 г металла на 1 кг твердого продукта, нагрев указанного промежуточного
продукта при температуре 700-900°С до получения вспененной структуры и охлаждение вспененной
структуры ниже температуры размягчения.
Из патента US 3325264 известен способ производства пеностекла, который включает плавление
стекла со вспенивающим агентом, распределенным равномерно в его массе за счет нагрева стекла до
температуры ниже температуры разложения вспенивающего агента, нагрев расплавленного стекла до
температуры, близкой к температуре разложения вспенивающего агента, в результате чего газ в виде
пузырьков равномерно распределяется в массе расплавленного стекла, снижение температуры стекла
ниже температуры разложения вспенивающего агента до достижения вязкости стекла, достаточной, чтобы подавить тенденцию увеличения размеров пузырьков, вызванных вспенивающим агентом, заливку
расплавленной массы в форму и охлаждение. В качестве вспенивающего агента используют диоксид
магния, который разлагается с выделением кислорода.
В патенте DE 3941732 раскрыт способ производства блочного пеностекла из сырьевой смеси тонкоизмельченного стеклопорошка и водного раствора, содержащего силикат натрия, минеральные окисные и силикатные стеклообразователи, флюсующие добавки и вспенивающие агенты. Весовое соотношение стеклопорошка к водному раствору указанных выше ингредиентов составляет величину из диапазона 100:5-100:85. В водном растворе, содержащем, в том числе, силикат натрия, при температуре 95°С
растворяют оксидные и силикатные вещества. Полученный 30% водный раствор и порошок стекла дозировано подают в смешивающее устройство, после чего проводят термообработку при температуре вспенивания 700-900°С и охлаждают до температуры ниже 50°С.
В патенте RU 2167112 раскрыт способ получения пеностекла плотностью 0,15-0,50 г/см3, включающий приготовление порошкообразной смеси стекла, силиката натрия, оксида кремния, газообразователя, затворение смеси водой до образования пасты и последующий нагрев смеси со скоростью 5-10
град./мин до температуры пенообразования 750-850°С, выдержку при этой температуре в течение 4-5 ч и
охлаждение.
В патенте RU 2187473 раскрыт способ получения блочного пеностекла с кажущейся плотностью
0,15-0,45 г/см3, включающий диспергирование и гидроксилирование стеклобоя, добавку вспенивающей
смеси, содержащей активный кремнезем, углеродсодержащий компонент и сульфат металла. В известном способе композиционную смесь гранулируют в присутствии жидкого стекла, введенного в количестве 0,5-5,0 мас.% на сухое вещество, в частицы сферической формы размером 0,5-2,0 мм. Известный
способ допускает применение жидкого стекла в виде сухого порошка, в этом случае композиционную
смесь увлажняют для улучшения собирания материала в гранулы. Форму с уплотненным гранулированным материалом непрерывно нагревают путем ее подачи первоначально в зону спекания печи с температурой 600°С и последовательного перемещения в зону вспенивания с температурой 790-860°С и в зону
закалки с температурой 560°С. Известный способ позволяет снизить термические напряжения в блоке
пеностекла, однако, его применение связано с проблемой выжигания углеродистого компонента вовлеченным в печь воздухом и адсорбированными поверхностью газами в период до спекания стекла. Отмечается, что при содержании сульфата металла в составе вспенивающего агента более 1,5 маc. % происходит излишнее выжигание углерода, приводящее к появлению открытых пор повышенных размеров и
увеличению объемного водопоглощения.
В заявке на патент ЕР 0008218 (Pittsburgh Corning Corp.) раскрыт способ производства вспененных
материалов, который включает приготовление смеси стеклопорошка или порошкообразных стеклообразующих компонент и вспенивающего агента, нагрев полученной порошкообразной смеси предварительно до температуры, обеспечивающей ее размягчение и коалисценцию, затем после охлаждения нагрев до
температуры, достаточной для активации вспенивающего агента, после чего охлаждение вспененной
массы с получением блочного пеностекла. В известном способе процесс нагрева порошкообразной смеси
с размером зерна 2-4 мкм проводят сначала до температуры из диапазона 650-760°С, а затем до температуры из диапазона 871-899°С. Размягченный, но не вспененный продукт первой стадии предварительно
-1-
007884
измельчают перед нагревом на второй стадии. В исходную смесь можно добавлять небольшое количество металла, окислов металла и сульфатов и других материалов, предназначенных для вспенивания. В
известном способе нагрев порошкообразной смеси необходимо проводить в атмосфере с дефицитом кислорода в целях минимизации процесса окисления углеродсодержащего вспенивающего агента. Получаемый известным способом вспененный материал имеет плотность в интервале от 0,128 до 0,160 г/см3.
Известный способ позволяет получать качественное блочное пеностекло без трещин и сократить длительность процесса нагрева смеси. Однако себестоимость получаемого качественного вспененного материала достаточно высокая вследствие использования многокомпонентной сырьевой смеси и дорогого и
технически сложного в производстве и эксплуатации оборудования, обеспечивающего благодаря своей
конструкции реализацию режима бескислородной среды термообработки порошкообразной шихты. Известный способ не позволяет производить качественное пеностекло при доступе кислорода в зону вспенивания, поскольку происходит окисление вспенивающего агента - углерода, т.е. его молекулярное соединение с кислородом с образованием летучих соединений - окислов углерода СО, СО2, которые выводят углерод из шихты полностью либо большей частью, в результате чего процесс вспенивания не может
происходить качественно либо не происходит совсем. Кроме того, отмечаются сложности, связанные с
получением свободного от трещин вспененного материала, имеющего высокую плотность порядка 0,260
г/см3.
При реализации известных способов производства блочного теплоизоляционного пеностекла, в которых в качестве газообразователя используют углеродсодержащие вещества, способствующие формированию закрытопористой структуры пеностекла, особо остро стоит проблема, связанная с не допущением окисления углеродсодержащего газообразователя в процессе термической обработки шихты пеностекла. В свою очередь необходимость проведения операций нагрева шихты с углеродсодержащим газообразователем в атмосфере дефицита кислорода требует применения дорогостоящего оборудования и
оснастки, что приводит к увеличению себестоимости пеностекла, имеющего закрытопористую структуру.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ получения пеностекла, раскрытый в патенте RU 2255060. Способ включает предварительную термообработку при температуре ниже температуры вспенивания исходной смеси, получаемой из
порошка стеклобоя, углеродсодержащего компонента и силиката натрия, нагрев до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение. В известном способе исходную смесь получают при температуре не выше 70°С путем перемешивания водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия, порошка стеклобоя и углеродсодержащего компонента. Затем сырьевую смесь обрабатывают при температуре 450-550°С до обезвоженного
состояния, полученный продукт после охлажденния измельчают, а затем нагревают до температуры
вспенивания из диапазона 750-830°С. Ингредиенты при получении исходной смеси выбирают в соотношении, мас.%: водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия 30-70; порошок несортированного
стеклобоя 25-65 и углеродсодержащий газообразователь 4-9.
Известный способ позволяет получать качественное пеностекло с мелкими, равномерными, закрытыми порами, однако, удаление свободной и химически связанной воды при предварительной высокотемпературной обработке сырьевой смеси при температуре 450-550°С является достаточно сложным и
энергоемким технологическим процессом, требующим дополнительного дорогостоящего оборудования,
времени и трудозатрат, повышенного расхода энергоресурсов при производстве продукта, что влечет как
усложнение всего процесса производства, так и достаточно высокую себестоимость производства пеностекла.
В рамках данной заявки решается задача разработки способа производства высококачественного
теплоизоляционного блочного пеностекла, имеющего гомогенную мелкую закрытопористую структуру с
содержанием закрытых пор в количестве 94-96%, безотносительно к содержанию кислорода в среде отжига. Имеется также потребность в снижении себестоимости пеностекла при сохранении его качества за
счет использования стеклобоя произвольного химического состава и снижения стоимости используемого
оборудования.
Поставленная задача достигается тем, что в способе производства пеностекла готовят исходную
смесь из стеклопорошка, водного раствора силиката натрия и углеродсодержащего газообразователя,
после чего проводят двухстадийный нагрев смеси сначала до температуры сушки из диапазона 30-300°С,
а затем до температуры вспенивания 750-850°С, при этом процесс нагрева прерывают в конце сушки,
полученный промежуточный продукт охлаждают до температуры окружающей среды, измельчают до
размера частиц 2-4 мкм, гранулируют до размера 500-1500 мкм и перед повторным нагревом загружают
в форму с насыпной плотностью 0,9-1,5 г/см3, а исходную смесь готовят следующего состава, мас.%:
Стеклопорошок
65-85
Водный раствор силиката натрия и/или калия
7-25
Углеродсодержащий газообразователь
0,5-10
Наиболее приемлемый силикатный модуль водного раствора силиката щелочного металла составляет 2-3,5 при плотности раствора 1,3-1,5 кг/м3. Предпочтительно использовать вязкотекучие растворы
-2-
007884
силиката натрия и/или калия.
Грануляцию целесообразно проводить путем пропускания высушенного и измельченного продукта
через сито с размером ячеек 1-2 мм.
Перемешивание компонентов производят в промышленном смесителе, обеспечивающем равномерное смешение компонентов по всему объему сырьевой смеси, причем первым в смеситель вводят тонкомолотое стекло произвольного химического состава, после чего последовательно вводят водный раствор
силиката щелочного металла, обладающего свойствами вязкотекучей жидкости, а затем углеродсодержащий газообразователь. Предпочтительно введение в стеклопорошок предварительно смешанных компонентов водного раствора силиката натрия и/или калия и газообразователя. Сушку при температуре
30°С проводят в режиме принудительной вентиляции горячим воздухом.
Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между термодинамическими режимами производства пеностекла в условиях доступа кислорода в зону вспенивания при использовании в составе исходной смеси углеродсодержащего газообразователя, стеклобоя произвольного
химического состава и водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия.
При отсутствии общеизвестных закономерностей физико-химического состояния вещества после
его сушки и обработки при температуре вспенивания и исходным составом сырьевой смеси, авторами
экспериментально были найдены те оптимальные значения содержания водного раствора силиката щелочного металла, порошка стеклобоя и углеродсодержащего газообразователя, которые позволяют реализовать с помощью водного раствора силиката щелочного металла защиту углеродсодержащего газообразователя от негативного воздействия окислительной среды на газообразователь в период спекания и
вспенивания шихты пеностекла. Заявленные соотношения ингредиентов в составе исходной смеси, а
также величина насыпной плотности гранулированной шихты и режимы двухстадийного нагрева в условиях доступа кислорода в зону вспенивания соответствуют оптимальным значениям, установленным на
основании экспериментальных исследований теплофизических и структурно-механических свойств пеностекла, и их соответствия предъявленным требованиям.
Пример.
Сущность изобретения поясняется неограничивающим примером получения пеностекла из стеклобоя произвольного химического состав, водного щелочного раствора силиката натрия и углеродсодержащего газообразователя с использованием камерной муфельной печи, необорудованной специальными
техническими приспособлениями, препятствующими доступу кислорода воздуха в рабочую зону нагрева, в которой спекается и вспенивается шихта пеностекла, находящаяся в открытой металлической форме, т.е. без верхней металлической крышки.
Для производства пеностекла используют 10 кг коммерчески доступного водного щелочного раствора силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1), изготовленного методом гидротермального выщелачивания оксида кремнезема в щелочной среде (рН>7) при температуре 90-100°С. Силикатный модуль водного раствора силиката натрия составляет 2-3,5 при плотности раствора 1,3-1,5 кг/м3.
Водный раствор силиката натрия, предварительно смешанный с 1 кг углеродсодержащего газообразователя, перемешивают далее в промышленном смесителе при температуре окружающей среды с тонкомолотым порошком несортированного стеклобоя произвольного химического состава, взятого в количестве 90 кг. Данный стеклобой готовят из боя оконного, тарного любого цвета и химической посуды в
произвольных пропорциях по отношению друг к другу. После равномерного смешения всех компонентов
получают исходную сырьевую смесь, которая представляет собой композицию белого цвета с влажностью около 10-12%. После этого проводят двухстадийный нагрев смеси, для чего смесь сначала помещают в сушильную камеру, имеющую температуру 230°С. В целях сокращения длительности процесса
сушки может быть применена нагнетательная сушка горячим воздухом. По истечении времени, достаточного для удаления свободной воды, сушку прерывают, а полученный промежуточный продукт охлаждают в режиме максимального сокращения для этого времени, после чего полученный продукт размалывают до средней величины частиц размером 2-4 мкм. Полученный охлажденный и измельченный продукт затем гранулируют просеиванием его через сито с размером ячеек 1,0-2,0 мм. Полученные гранулы
размером 800-1000 мкм засыпают в открытые металлические формы (без верхних крышек) до насыпной
плотности около 1,0 г/см3, которые технологическим транспортом направляют в печь вспенивания,
имеющую температуру в зоне вспенивания 807°С. Вспенивание происходит в течение 25-35 мин в режиме доступа кислорода в зону вспенивания. После завершения процесса вспенивания продукт фиксируют
путем резкого снижения температуры (закалки), пеностекло вынимают из металлической формы и охлаждают со скоростью 0,3-0,7 град./мин до температуры 30-50°С. Плотность полученного теплоизоляционного пеностекла составляет 0,110 г/см3. Полученное пеностекло характеризуется гомогенной мелкой
закрытопористой структурой с содержанием закрытых пор порядка 94-96 об.% и низким значением влагопоглощения, составляющего менее 1% по объему.
Данный способ позволяет производить высококачественное и относительно недорогое блочное теплоизоляционное пеностекло плотностью 0,100-0,300 г/см3, преимущественно плотностью 0,100-0,125
г/см3, безотносительно к химическому составу стеклобоя и содержанию кислорода в составе среды отжига, т.е. независимо от того, будет ли среда восстановительной либо окислительной, что в значительной
-3-
007884
мере упрощает как конструкцию применяемого в промышленном производстве технологического оборудования и оснастки, так и снижает энергоемкость производства. Это приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая значительное снижение себестоимости высококачественного теплоизоляционного
блочного пеностекла с содержанием в структуре пеностекла закрытых пор в количестве 94-96 об.% и
влагопоглощением 1-2% по объему пеностекла.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ производства блочного пеностекла, включающий приготовление исходной смеси из стеклопорошка, водного раствора силиката натрия и углеродсодержащего газообразователя, двухстадийный
нагрев смеси сначала до температуры сушки из диапазона 30-300°С, а затем до температуры вспенивания
750-850°С, при этом процесс нагрева прерывают в конце сушки, охлажденный до температуры окружающей среды высушенный продукт измельчают до размера частиц 2-4 мкм, затем гранулируют до размера частиц 500-1500 мкм и перед повторным нагревом загружают в металлическую форму до насыпной
плотности 0,9-1,5 г/см3, кроме того, исходную смесь готовят следующего состава, мас.%:
Cтеклопорошок
65-85
Водный раствор силиката натрия и/или калия
7-25
Углеродсодержащий газообразователь
0,5-10
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве водного раствора силиката натрия используют раствор, силикатный модуль которого составляет 2-3,5 при плотности раствора 1,3-1,5 кг/м3.
3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что грануляцию проводят путем пропускания высушенного и измельченного продукта через сито с размером ячеек 1-2 мм.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
-4-