Способ изготовления гранулированного пеностекла
METHOD FOR PRODUCTION OF GRANULATED FOAMED GLASS

Изобретение относится к области производства легких насыпных неорганических строительных материалов, а именно к технологии силикатных теплоизоляционных материалов, и может быть применено для изготовления тепловой изоляции зданий, сооружений, тепловых и холодильных агрегатов, а также для получения легких теплоизоляционных бетонных конструкций и подобных композитов.
Из уровня техники известна смесь для получения гранулированного пеностекла (патент РФ № 2287495, МПК С03С 11/00, опубл. 20.11.2006), где в качестве связующего предлагается растворимое стекло, а порообразователя - пыль электрофильтров кремниевого производства при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: 21,5-23,0 - шлак ТЭЦ, 3,0-5,0 - пыль электрофильтров кремниевого производства, 7,0-8,0 - растворимое стекло, остальное - бой стекла. Технология изготовления композиционной смеси для получения гранулированного пеностекла состоит в следующем: стеклобой, шлак ТЭЦ и пыль электрофильтров кремниевого производства подвергают совместному помолу. Полученную смесь загружают в гранулятор, увлажняют растворимым стеклом и гранулируют. Полученные гранулы сушат, а затем проводят вспенивание при температуре 943-1073К в течение 6-20 минут. Вспененные гранулы пеностекла для снятия температурных напряжений выкладывают в емкости с нагретым песком.
2
Недостатком смеси является значительное изменение вязкости в интервале вспенивания (разность десятичных логарифмов вязкости 1,3 для температур 800°С и 900°С) и повышенные значения поверхностного натяжения 0,311 Н/м, которые не способствуют формированию однородной поровой структуры гранул и стабильному получению качественной продукции. Кроме того, пониженная химическая устойчивость (экстракция компонентов 209 мкг в пересчете на NaO) ухудшает водо- и морозостойкость гранул.
3
Известен состав шихты для получения пеностекла по патенту РФ № 2051869 (МПК С03С11/00, опубл. 26.06.1991) со следующим содержанием компонентов, мас. ч.: 35,0-83,5 - цеолитсодержащий туф, 0,5-3,0 - газообразователь на основе карбида кремния, 10,0-50,0 - стеклобой, 6,0-12,0 - кальцинированная сода. Процесс изготовления смеси для пеностекла включает тонкий помол, гранулирование, вспенивание при температуре 900-1000°С. Применяемый цеолитсодержащий туф по составу и свойствам близок к перлитам. Недостатком является высокая температура вспенивания 900-1000°C и плотность получаемого пеностекла не менее 300 кг/м.
3
В патенте EP 1421038, МПК С03С11/00 предлагается получать пеностекло при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: 3,0-9,0 - кальцинированная сода, 5,0-10,0 - карбонат кальция, 0,3-1,0 - сажа, 2,0-7,0 - борная кислота, остальное - перлит. Несмотря на относительно низкую теплопроводность пеностекла (0,101 Вт/м⋅К при 23°С), данный материал обладает рядом недостатков: 1) используются два дорогостоящих компонента - кальцинированная сода и борная кислота, 2) карбонат кальция существенно повышает водопоглощение и снижает морозостойкость, 3) плотность материала не менее 320 кг/м при прочности не более 0,7 МПа, что существенно ограничивает его применение в строительстве, 4) значительны энергозатраты на получение такого материала, т.к. температура спекания 1125°С и время вспенивания 30 мин.
5
2
Известен также патент РФ № 2291845 (МПК С03С 11/00, приор. 08.02.2005, опубл. 20.01.2007) на способ получения пеностекла, заключающийся в приготовлении шихты (с раздельным помолом боя тарного стекла и смеси остальных ингредиентов), гранулировании, вспенивании смеси при температуре 815-830°С, охлаждении до комнатной температуры и повторной термической обработке (кристаллизации) при температуре 600-625°С. В способе приведена композиция для получения пеностекла, которая включает бой тарного стекла, гидратированный перлит, гидроксид натрия при следующем соотношении компонентов мас.ч.: 45,0-50,0 - бой тарного стекла, 9,0 - гидроксид натрия, 41,0-46,0 - перлит. Конечные составы указанных пеностекол обеспечивают вязкость 10 Па⋅с при температурах 816-824°С, разность десятичных логарифмов вязкости 1,11-1,12 для температур 800°С и 900°С, температуры ликвидуса 867-883°С, поверхностные натяжения 0,303-0,304 Н/м, экстракцию компонентов стекол по ГОСТ 10134.1-82 (метод А) 300-360 мкг (в пересчете на NaO). Указанные характеристики шихты, а именно, низкие значения температур вспенивания и малое изменение вязкости в интервале вспенивания способствуют формированию качественной поровой структуры гранул при низких энергозатратах. Однако близость температур ликвидуса к интервалу вспенивания при низкой химической стойкости (экстракция компонентов более 300 мкг) снижает водо- и морозостойкость, из-за чего существенно сокращается область применения такого гранулированного пеностекла, особенно в условиях с повышенной влажностью. Кроме того, в композиции значительно содержание гидроксида натрия и перлита, что удорожает себестоимость гранул пеностекла.
Наиболее близким аналогом является способ изготовления гранулированного пеностекла по заявке KR20140072577, МПК С03С11/00, С03С19/08, приор.05.12.2012г., опубл.13.06.2014г. (прототип), включающий приготовление и измельчение сырьевой смеси, содержащей бой тарного стекла 50-96 мас.ч., перлит 3-49 мас.ч., буру 0,5-10 мас.ч., сажу 0,5-10 мас.ч. путём смешивания и совместного помола указанных компонентов, вспенивание при температуре от 700 до 1000°С, предпочтительно от 800 до 850°С. При этом, время вспенивания при температуре 800°С составляет от 20 до 60 минут.
3.
При осуществлении известного способа с использованием приведенных компонентов, даже при оптимальной температуре 800-850°С, отмечаются высокие показатели удельных энергозатрат для получения гранул с плотностью 115-270 кг/м
3
Задача изобретения - оптимизация композиции сырьевой смеси, обеспечивающей вспенивание при температуре 700-800°С, с образованием гранул с плотностью в пределах 115-270 кг/м, уменьшение удельных энергозатрат при получении гранулированного пеностекла, за счёт ускорения процесса поризации гранул при температурной обработке, а так же снижение себестоимости его изготовления с повышением эксплуатационных свойств пеностекла.
Поставленная задача решается за счет оптимизации соотношения всех компонентов при следующем их содержании, мас.ч.: 80-84 - стеклобой; 14-18 - перлит; 1,8-3,0 - бура; вспенивающий агент - 0,2-0,4; а также введения в состав вспенивающего агента технического углерода и катализатора - трехокиси сурьмы Sb2O3, соотношение катализатора к вспенивающему агенту составляет 10-50%, а также за счёт помола боя тарного стекла совместно с остальными компонентами.
3
Технический результат изобретения заключается в обеспечении плотности гранул в пределах 115-270 кг/м при температуре вспенивания 700-800°C, низкой теплопороводности, водопоглощения, повышении морозостойкости, а также уменьшении себестоимости гранулированного пеностекла, за счет ускорения процесса поризации и снижения удельных энергозатарат. Данные эффекты обуславливаются корректировкой состава пеностекольной шихты с помощью добавок в определенном количестве перлита и буры и оптимального соотношения катализатора в виде трехокиси сурьмы Sb2O3 во вспенивающем агенте, которые обеспечивают необходимое сочетание пониженной температуры порообразования и плавного изменения вязкости в интервале вспенивания (что способствует получению однородной поровой структуры), низкой кристаллизационной активности (что сокращает количество прорывов стенок пор из-за кристаллизации), пониженного поверхностного натяжения (что облегчает формирование пены), повышенной химической устойчивости (что усиливает водо- и морозостойкость).
Процесс получения гранулированного пеностекла включает следующие стадии:
- приготовление шихты; гранулирование; вспенивание; отжиг.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
2
Шихту для пеностекла готовят совместным тонким измельчением боя тарного стекла, перлита, буры, технического углерода (сажи), трехокиси сурьмы Sb2O3. Тщательное перемешивание достигается совместным помолом всех компонентов шихты в шаровых, вибрационных или кавитационных мельницах. Помол производят до достижения удельной поверхности 5500-6500 см/г.
Далее шихта подается на тарельчатый гранулятор и одновременно орошается водным раствором связующего (например, натриевого жидкого стекла, карбоксиметилцеллюлозы, глицерина, глюкозы, декстрина, крахмала, или других клеящих веществ). Образовавшиеся гранулы сушат в сушилке при температуре 150-200°C до достижения влажности гранул 1-2%, при этом толщина слоя гранул не превышает 40 мм.
Из сушилки гранулы попадают на вибросито, где происходит рассев на фракции. Далее гранулы обсыпают разделяющей средой (например, порошки глины, каолина, бентонита, гидрата окиси глинозема, молотого или немолотого кварцевого песка) и подают в печь вспенивания, в которой при температуре 700-800°C в течение 5-15 минут осуществляется вспенивание гранул. Из печи вспенивания гранулы вместе с разделяющей средой передаются печь отжига, где проводится цикл постепенного остывания без растрескивания гранул до комнатной температуры.
3
Сущностью предполагаемого изобретения является реализация способа изготовления гранулированного пеностекла при составе сырьевой смеси со следующим содержанием компонентов, мас.ч.: 80-84 - стеклобой; 14-18 - перлит; 1,8-3,0 - бура; вспенивающий агент - 0,2-0,4; в состав вспенивающего агента входит технический углерод и катализатор - трехокись сурьмы Sb2O3, соотношение катализатора к вспенивающему агенту составляет в пределах 10-50%; и тщательное перемешивание боя тарного стекла совместно с остальными компонентами смеси путём тонкого помола в шаровой мельнице. После чего производят гранулирование, сушку гранул, затем подают в печь, в которой, при температуре 700-800°C в течение 5-15 минут осуществляется вспенивание гранул, с обеспечением оптимального уровня их плотности 115- 270 кг/м. После чего производят отжиг вспененных гранул.
Примеры реализации способа.
Пример 1
Для получения шихты гранулированного пеностекла в качестве сырьевых материалов используют следующие материалы: бой тарного стекла, перлит, бура, технический углерод (сажа), трехокись сурьмы Sb2O3. Состав пеностекла в данном случае, мас. ч. приведен в таблице 1.
Таблица 1.
Бой тарного стекла
82,0
Перлит
15,8
Бура
2,2
Технический углерод (сажа) (сверх 100%)
0,2
трехокись сурьмы Sb2O3 (сверх 100%)
0,1
2
Бой тарного стекла, перлит, буру, технический углерод (сажу) и трехокись сурьмы Sb2O3 загружают в шаровую мельницу тонкого помола. Тщательно перемешивают путём совместного помола до достижения удельной поверхности 5500-6500 см/г. Далее шихта подается на тарельчатый гранулятор и одновременно орошается водным раствором связующего (натриевого жидкого стекла). Образовавшиеся гранулы отправляют в сушилку, в которой сушат при температуре 150-200°C до достижения влажности гранул 1-2% в слое с толщиной не более 40 мм. Из сушилки гранулы попадают на вибросито, где происходит рассев на фракции. Далее гранулы обсыпают разделяющей средой (порошком глины) и подают в печь вспенивания. Из печи вспененные гранулы вместе с разделяющей средой передаются в печь отжига, где проводится цикл постепенного остывания без растрескивания гранул до комнатной температуры. Затем разделяющая среда отделяется от массы вспененных гранул и снова направляется на обсыпку, а гранулы направляются на склад готовой продукции.
5
3
2
При этом состав пеностекла обеспечивает вязкость 10 Па⋅с при температуре не более 830°С, разность десятичных логарифмов вязкости не более 1,22 для температур 750°С и 800°С, температуру ликвидуса не менее 830°С, поверхностное натяжение не более 0,305 Н/м, экстракцию компонентов стекла по ГОСТ 10134.1-82 (метод А) не более 177 мкг (в пересчете на NaO). Указанные характеристики шихты делают возможным получить гранулированное пеностекло с плотностью не более 152 кг/м и требуемым качеством: теплопроводностью ℷ=0,055, предел прочности на сжатие Р=0,71 МПа, водопоглощение - 4,3%, при температуре вспенивания 720°C в течение не более 15 минут.
Пример 2
Для получения шихты гранулированного пеностекла в качестве сырьевых материалов используют следующие материалы: бой тарного стекла, перлит, технический углерод (сажа) (сверх 100%), трехокись сурьмы Sb2O3, (сверх 100%) а также гидроксид натрия в виде водного раствора с концентрацией 20 мас.%, который использован для сопоставления результатов с прототипом. Состав пеностекла в данном случае приведен в таблице 2, мас.ч.:
Таблица 2
Бой тарного стекла
74,2
Перлит
24,2
Гидроксид натрия
1,6
Технический углерод (сажа) (сверх 100%)
0,2
трехокись сурьмы Sb2O3 (сверх 100%)
0,15
Шихту и гранулы пеностекла готовят по методике, описанной выше, при таком составе компонентов и их соотношении, в печи вспенивание гранул смеси осуществляется при температуре 780°C в течение 7 минут.
5
3
2
При таком составе пеностекла обеспечивается вязкость 10 Па⋅с при температуре не более 775°С, разность десятичных логарифмов вязкости не более 1,20 для температур 700°С и 800°С, температуру ликвидуса не менее 818°С, поверхностное натяжение не более 0,304 Н/м, экстракцию компонентов стекла по ГОСТ 10134.1-82 (метод А) не более 170 мкг (в пересчете на NaO). Указанные характеристики шихты делают возможным получить гранулированное пеностекло с плотностью не более 125 кг/м и требуемым качеством: теплопроводностью ℷ=0,045, предел прочности на сжатие Р=0,64 МПа, водопоглощение - 1%, при температуре вспенивания 780°C в течение не более 7 минут.
Пример 3
Для получения шихты гранулированного пеностекла в качестве сырьевых материалов используют следующие материалы: бой тарного стекла, перлит, бура, технический углерод (сажа), трехокись сурьмы Sb2O3 (сверх 100%). Состав пеностекла в данном случае приведен в таблице 3, мас. ч.:
Таблица 3
Бой тарного стекла
81,5
Перлит
16,8
Бура
1,7
Технический углерод (сажа) (сверх 100%)
0,3
трехокись сурьмы Sb2O3 (сверх 100%)
0,5
Шихту и гранулы пеностекла готовят по методике, описанной выше. При указанном составе и соотношении компонентов вспенивание происходит при температуре 750°C.
5
3
2
При этом состав пеностекла и указанное соотношение компонентов обеспечивает вязкость 10 Па⋅с при температуре не более 745°С, разность десятичных логарифмов вязкости не более 1,22 для температур 700°С и 800°С, температуру ликвидуса не менее 830°С, поверхностное натяжение не более 0,305 Н/м, экстракцию компонентов стекла по ГОСТ 10134.1-82 (метод А) не более 172 мкг (в пересчете на NaO). Указанные характеристики шихты делают возможным получение гранулированного пеностекла с плотностью не более 161 кг/м и с требуемым качеством: теплопроводностью ℷ=0,055, предел прочности на сжатие Р=0,73 МПа, водопоглощение - 3%, при температуре вспенивания 750°C в течение не более 10 минут.
Пример 4
Для получения шихты гранулированного пеностекла в качестве сырьевых материалов используют следующие материалы: бой тарного стекла, перлит, гидроксид натрия, технический углерод (сажа), трехокись сурьмы Sb2O3 (сверх 100%). Состав пеностекла в данном случае приведен в таблице 4, мас. ч.:
Таблица 4
Бой тарного стекла
79,0
Перлит
19,3
Бура
1,2
Гидроксид натрия
0,5
Технический углерод (сажа)(сверх 100%)
0,3
трехокись сурьмы Sb2O3 (сверх 100%)
0,1
Шихту и гранулы пеностекла готовят по методике, описанной выше.
5
3
2
При составе композиции для получения пеностекла, включающей гидроксид натрия, с приведенным соотношением ингредиентов, обеспечивается вязкость 10 Па⋅с при температуре не более 760°С, разность десятичных логарифмов вязкости не более 1,21 для температур 700°С и 800°С, температуру ликвидуса не менее 827°С, поверхностное натяжение не более 0,306 Н/м, экстракцию компонентов стекла по ГОСТ 10134.1-82 (метод А) не более 170 мкг (в пересчете на NaO). Указанные характеристики шихты делают возможным получить гранулированное пеностекло с плотностью не более 133 кг/м и требуемым качеством: теплопроводностью ℷ=0,046, предел прочности на сжатие Р=0,61 МПа, водопоглощение - 4% при температуре вспенивания 750°C в течение не более 10 минут.
Пример 5
Для получения шихты гранулированного пеностекла в качестве сырьевых материалов используют следующие материалы: бой тарного стекла, перлит, гидроксид натрия, технический углерод (сажа), трехокись сурьмы Sb2O3 (сверх 100%). Состав пеностекла в данном случае приведен в таблице 5, мас. ч.:
Таблица 5
Бой тарного стекла
76,4
Перлит
22,0
Бура
0,6
Гидроксид натрия
1,0
Технический углерод (сажа) (сверх 100%)
0,2
трехокись сурьмы Sb2O3 (сверх 100%)
0,2
Шихту и гранулы пеностекла готовят по методике, описанной выше.
5
3
2
Способ при указанном составе пеностекла обеспечивает вязкость 10 Па⋅с при температуре не более 756°С, разность десятичных логарифмов вязкости не более 1,20 для температуры 700°С и 800°С, температуру ликвидуса не менее 815°С, поверхностное натяжение не более 0,303 Н/м, экстракцию компонентов стекла по ГОСТ 10134.1-82 (метод А) не более 171 мкг (в пересчете на NaO). Указанные характеристики шихты делают возможным получить гранулированное пеностекло с плотностью не более 122 кг/м и требуемым качеством: теплопроводностью ℷ=0,042, предел прочности на сжатие Р=0,52 МПа, водопоглощение - 2% при температуре вспенивания 760°C в течение не более 8 минут.
Эксплуатационно-технологические характеристики синтезированных гранулированных пеностекол в сравнении с характеристиками прототипа представлены в таблице 6.
Наилучшим сочетанием характеристик, а именно низкими значениями плотности и теплопроводности плотность - не более 130 кг/мᶾ, теплопроводность - не более 0,045, водопоглощение - не более 2%, при достаточной прочности, обладают образцы продукции, полученные в примерах № 2 и 5. Образцы № 1, 3, 4 вследствие своей структуры, обладают невысокими показателями характеристик.
Снижение не менее чем на 10% удельной энергоемкости для получения гранул пеностекла (по сравнению с прототипом) осуществляется за счет оптимизации состава шихты, в частности, добавление катализатора в виде трехокиси сурьмы Sb2O3 во вспенивающий агент для ускорения процесса поризации гранул и снижения температуры вспенивания и времени вспенивания. При этом улучшаются эксплуатационные свойства гранулированного пеностекла за счет снижения плотности и получения пеностекла с более низким коэффициентом теплопроводности. Введение в состав шихты малых добавок буры способствует повышению химической устойчивости, и также выступает в роли плавня и дополнительного порообразователя. Кроме того, температура вспенивания не увеличивается, а совместное использование перлита, буры и окиси сурьмы способствует порообразованию при нагревании. То есть совокупность физико-химических свойств конечного состава гранулированного пеностекла позволяет производить вспенивание при температурах 700-800°C без ухудшения качества готовых гранул.
Таким образом, задача, стоящая перед изобретением, решена.
Таблица 6
№ примера
Технологические параметры
Эксплуатационные свойства
ТемператраВспенивания, °С
Время вспенив ания, мин
Относительный коэффициент энергозатрат*
Водо-поглощение, %
Плотность<sub>, </sub>кг/м<sup>3</sup>
Предел прочности при сжатии МПа
Коэффициент ТеплопроводностиВт/(м*К)
1
720
15
1
4,3
152
0,71
0,055
2
780
7
0,506
1,0
125
0,64
0,045
3
750
10
0,69
3,0
161
0,73
0,055
4
750
10
0,69
4,0
133
0,61
0,046
5
760
8
0,56
2,0
122
0,52
0,042
прототип
850
15
1,18
3,3
160
0,75
0,055
* коэффициент определяется произведением температуры вспенивания на время вспенивания и делением на значение, полученное в примере №1