Шихта для производства пеностекла
CHARGE FOR PRODUCING FOAMED GLASS

Изобретение относится к стеклообразным пеноматериалам неорганической природы и может быть использовано в народном хозяйстве для роста новых растительных сред и для очистки, как сорбент.
Известны шихты для получения пеностекла, содержащие, мас. %: азотнокислый натрий 3,0…5,0; стекло - остальное, позволяющие получать пеностекла с сообщающимися порами (см. Китайцев В.А. Технология теплоизоляционных материалов. - М.: Стройиздат, 1964, с. 148-154).
Наиболее близкой к предлагаемой является шихта для изготовления пеностекла, содержащая, мас. %: карбонатный газообразователь - 0,5…1,0, стекло - остальное. В качестве карбонатного компонента используют материалы, содержащие карбонаты кальция, известняк, природный и конверсионный мел. В качестве стекольного компонента используют, в частности, отходы стекольного производства, бой тарного и листового стекла 1 табл. состоит из оксидов SiO2, Fe2O3, CaO, MgO и др. в стеклообразном связанном состоянии (см. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М.: Высшая школа, 1989, с. 171-174). Получается пеностекло белого цвета с сообщающимися порами. Тонкая диспергация шихты (удельная поверхность 400…500 м2/кг) обеспечивает однородность и мелкую пористость структуры.
Техническим результатом изобретения является: повышение открытой пористости свойств, повышение водонасыщения, либо прочих сорбирующих свойств.
Это достигается тем, что Шихта для производства пеностекла включает стеклообразующий компонент и порошкообразные добавки, содержащие, в том числе карбонатный газообразователь. При этом в качестве порошкообразных добавок дополнительно используют оксид цинка, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
карбонатный газообразователь
0.5…5.0,
оксид цинка
0.5-1.5,
стеклообразующий компонент
остальное.
Стеклообразующий компонент включает в своем составе оксид кремния 73.5%, оксид кальция 5-7%, оксид натрия 12,5-16,5%, оксид алюминия 1.5-2%, оксид калия 0.98% и оксид магния 1,5-2,5%.
В качестве порошкообразных добавок предпочтительно дополнительно добавляются вещества, семейства суперфосфатов - дикальций фосфат удобрительный.
Способ производства пеностекла включает перемешивание стеклообразующего компонента и порошкообразных добавок, содержащих в том числе карбонатный газообразователь, спекание полученной смеси, ее вспенивание и обжиг. При этом в качестве порошкообразных добавок используют оксид цинка, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
карбонатный газообразователь
0,5…5,0,
оксид цинкка
0,5-1,5%,
стекло
остальное.
Способ заключается в следующем:
- нагрев смеси в печи до температуры 600-620°С до размягчения частиц стекла,
- спекание смеси в диапазоне температур от 600-620°С до 720°С,
- вспенивание в течение 25-40 минут, в диапазоне температур от 720°С до 871°С,
- обжиг вспененного расплава, в диапазоне температур от 871°С до 880°С
- и охлаждение в диапазоне температур от 880°С до 30°С на выходе из печи.
В способе также в качестве порошкообразных добавок дополнительно добавляются вещества, семейства суперфосфатов
Повышение водоемкости и гидрофильности, изготовленного из сырьевой шихты с дополнительным введением оксида цинка, основано на особенностях процессов физического и физико-химического характера, происходящих при помоле и нагреве шихты.
Пеностекло, как и большинство керамики, естественно, гидрофобно. Поскольку гидрофобные поверхности не способствуют смачиванию и препятствуют капиллярной передаче влаги. Решение данной проблемы осуществляется при помощи добавления веществ способствующих изменению свойства поверхности, таким образом, чтобы сделать пеностекло более гидрофильными. Таким веществом может быть ZnO. Гидрофильный компонент обычно добавляют в небольших количествах, стандартно не менее 1,5 весовых процентов.
В процессе приготовления сырьевой шихты в результате совместного помола стекла и карбонатного газообразователя происходит существенное увеличение поверхностей контакта между реагирующими материалами.
Пеностекло, полученное из шихты, описанной выше, состоит из мелких одинаковых пор. В процессе декарбонизации карбонатной составляющей шихты пеностекла в пеностекле остаются свободные оксиды кальция и магния. Для связывания этих продуктов реакций в легкоплавкие соединения сырьевая шихта дополнительно содержит оксид цинка (ZnO) в свободном состоянии в количестве 0,5…1,5 мас. %. По результатам рентгенофазового анализа этот компонент эффективно связывает образующиеся оксиды кальция и магния при температурах вспенивания пеностекла в соединения типа CaO⋅ZnO, 2CaO⋅ZnO и др. При этом полученные пеностекла отличаются стеклованными стенками пор, что свидетельствует о повышенном содержании стеклофазы с наноразмерным поверхностным слоем, который обеспечивает высокое смачивание материала водой и другими полярными растворителями, обеспечивая гидрофильные поверхности. В результате этого водонасыщение таких образцов в 6…7 раз выше.
Химический состав стеклообразующего компонента включает в своем составе оксид кремния 73.5%, оксид кальция 5-7%, оксид натрия 12,5-16,5%, оксид алюминия 1.5-2%, оксид калия 0.98% и оксид магния 1,5-2,5%.
Пример получения пеностекла.
Сырьевой базой для получения пеностекла являются отходы стекольной промышленности, бой тарного и листового стекла, бой ампульного и кинескопного стекла и др.
Стеклобой - стеклообразующий компонент и карбонатный газообразователь (в нашем случае - мел Белгородского месторождения)
Процедуру подготовки и производства можно описать при помощи следующих шагов(общий для всех):
Метод 1 (получение пеностекольного материала с открытой пористой структурой, с нейтральными показателями, например для наполнителей фильтров, прочих адсорбентов и ионообменников):
1. Этап смешивания вспенивающего компонента, гидрофильный компонент (ZnO), а так же муки стеклообразующего компонента
- 5% вспенивающий компонент;
2. После смешивания материал на ленте заходит в печь, где производится спекание материала в диапазоне температур 600-720°С. При нагреве шихты происходит сначала размягчение частиц стекла (600…620°С), затем спекание частиц - образование стекломассы и образование дополнительных контактирующих поверхностей.
3. Далее происходит процесс вспенивания смеси в температурном диапазоне 720-871°С, до получения мягкой вспененной субстанции. При 800°С и выше активируются окислы стекла, в частности окись кремния вступает в реакцию замещения с карбонатным компонентом шихты (CaCO3+SiO2→CaO SiO2+CO2↑), т.е. наблюдается выделение газа, при этом формируются наиболее мелкие поры пеностекла, т.к. здесь реакция идет между наиболее
тонко дисперсными компонентами.
Далее при повышении температуры начинаются реакции разложения более крупных карбонатных частиц (СаСО3→СаО+СO2↑), которые, в основном, и формируют внутреннюю структуру массива получаемого пеностекла. После того как температура смеси достигает 787,78°С, стеклянная смесь будет смягченной настолько, что позволяет пропускать сквозь себя выделенный углекислый газ. Объем субстанции расширяется. Выход углекислого газа через стекломассы массы в первую очередь отвечает за формирование клеток и пор в нем. Вспенивание проводится в течение 25-40 минут времени, при максимальной температуре вспенивания, например, от около 720 до 871°С.
4. Далее наступает отвердение расплава (отжиг) при температуре 871-880°С
5. Этап охлаждения начинается при температуре 880°С
6. Сразу же после этого (немедленно) производится резкое охлаждение субстанции проточным воздухом нормальной(комнатной) температуры до получения итогового готового материала.
Стекло вспенивается до желаемой плотности и пористой структуры, температура печи быстро снижается до температуры, при которой приостанавливается вспенивание. Затем при помощи воздуха резко охлаждают до появления «термического шока» стекла, для того, чтобы образовалась хаотичную микроструктуру.
После дробления получаются камни неправильной формы, с общим объемом порового пространства не менее 65% (до 85%). Поры не замкнуты и имеют разветвленную структуру. Размер пор варьируется от 0,2 до 2 мм.
Плотность можно регулировать от около 0,4 г/см3 до, приблизительно, 0,26 г/см3.
Основные показатели пеностекла с открытой пористой структурой, полученного по методу 1. Таблица 1:
Метод 2 (получение открытой пористой структуры для материала, используемого как субстрат, фракционное удобрение пролонгированного действия):
Все процессы идентичны методу 1. Кроме этапа 1. На данном этапе, в качестве дополнительных компонентов, при смешивании добавляются вещества, например семейства суперфосфатов, для придания сильного агротехнического эффекта, длительного действия. Например дикальций фосфат удобрительный, химическая формула СаНРO4 - 2Н2O. В количестве 0,5-5% весовых процента. Для повышения влагоемкости материала, повышения гидрофильности стенок разветвленных открытых пор добавляется, например оксид цинка ZnO. В количестве 0,2-1,5 весовых процента.
В результате получаем после дробления камни с открытой пористой структурой, с воздухоемкостью не менее 60%, влагоемкость не менее 70%.
В порах находится готовый к растворению, например, дикальций фосфат.
Таблица 2 (Основные показатели пеностекла с открытой пористой структурой, полученного по методу 2)