СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING FOAMED HEAT INSULATING MATERIAL

Изобретение относится к производству теплоизоляционных материалов с жесткой структурой, обладающих низкими значениями плотности и теплопроводности.
Из известных в настоящее время теплоизоляционных материалов, обладающих жесткой структурой и высокими строительно-техническими свойствами, наиболее эффективным является пеностекло.
Известен способ получения пеностекла, включающий варку стекла и его измельчение в шаровой мельнице, смешение с газообразователем и термообработку в печи вспенивания (а.с. №393227, С03С 11/00, БИ №33, 1973 г.).
Недостатком известного способа является необходимость варки стекла при температуре 1450°С, тонкого помола шихты и ее вспенивания при температуре выше 800°С. В ряде известных составов шихт предлагается исключить варку стекла, как весьма энергоемкую технологическую стадию, и использовать в составе шихт стеклобой.
Известен способ получения пеностекла (а.с. №1073199, С03С 11/00, БИ №6, 1984 г.), в котором шихта не содержит ни специально сваренного стекла, ни стеклобоя, а поставленная задача изобретения решается за счет использования шихты, содержащей осадочную кремнеземистую породу, гидроксид натрия, газообразователи и перлитовую породу.
Основным недостатком этого способа является необходимость тонкого помола трудноразмалываемой перлитовой породы (вулканического стекла) в среде мягкой кремнеземистой породы (диатомит, трепел, опока), что снижает эффективность помола перлитовой породы, увеличивает его длительность и расход энергии на измельчение шихты.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения вспененного теплоизоляционного материала (RU №260539, С03С 11/00, С03В 19/08, опубл. 10.01.2017 г., бюл. №1), в котором синтезируют первичный гидросиликат натрия с силикатным модулем 2,1-2,2 при смешении сухого гидроксида натрия с частью аморфной кремнеземистой породы и горячей воды, обеспечивающем образование водного раствора гидроксида натрия с концентрацией 37,5% (мас.), перемешивают полученный гидросиликат натрия с остальной аморфной кремнеземистой породой, осуществляют грануляцию шихты и опудривание гранул алюмосиликатным компонентом, после чего загружают гранулы в формы с замкнутым объемом и вспенивают при температуре 750-780°С в течение 20-40 мин и охлаждают изделия при отжиге.
2+
2+
3+
3+
Недостатком наиболее близкого аналога является недостаточная водостойкость полученного вспененного теплоизоляционного материала, поскольку алюмосиликатный компонент концентрируется в поверхностном слое гранул, а внутренняя часть гранул содержит вспененное и неводостойкое натрийсиликатное стекло, из которого формируются межпоровые перегородки. Такое стекло не содержит стабилизирующих катионов (Са, Mg, Fe, Al) и будет растворяться в воде с образованием гидросиликата натрия.
Задачей патентуемого решения является устранение указанных недостатков, осуществление способа, обеспечивающего синтез стекла с химическим составом, близким к составу тарного стекла, обеспечивающего синтез гидросиликатов натрия за время перемешивания кремнеземистой породы, сухого гидроксида натрия и воды в течение 5-7 мин и получение водостойкого теплоизоляционного материала при температуре вспенивания в интервале 750-780°С.
Техническим результатом патентуемого решения является повышение водостойкости вспененного теплоизоляционного материала.
Заявленный технический результат достигается за счет осуществления патентуемого способа получения вспененного теплоизоляционного материала, включающего приготовление шихты путем синтеза первичного гидросиликата натрия с силикатным модулем 2,7-3,3 при смешении сухого гидроксида натрия с частью аморфной кремнеземистой породы и горячей водой, обеспечивающем образование водного раствора гидроксида натрия с концентрацией 33-38 мас. %, добавки в полученный гидросиликат натрия части аморфной кремнеземистой породы и доломитовой муки с последующим перемешиванием, грануляцию полученной шихты, опудривание гранул, загрузку гранул в формы с замкнутым объемом, вспенивание при температуре 750-780°С в течение 20-40 мин и охлаждение полученных изделий.
2+
2+
Синтез первичного гидросиликата натрия с силикатным модулем 2,7-3,3 при смешении сухого гидроксида натрия с аморфной кремнеземистой породой и горячей водой, обеспечивающем образование водного раствора гидроксида натрия с концентрацией 33-38 мас. % при приготовлении шихты, приводит к наиболее полному растворению аморфной кремнеземистой породы в водном 33-38 мас. % растворе гидроксида натрия, что обеспечивает синтез гидросиликата натрия с модулем 2,7-3,3, способного при температурах выше 600°С встраивать в состав силиката натрия катионы Са и Mg, обеспечивающие получение стекла с повышенной водостойкостью, близкого по химическому составу к составу тарного стекла.
2
2
4
10
4-
2+
2+
3+
3+
Синтезированные гидросиликаты натрия с соотношением (силикатным модулем) SiO/NaO 2,7-3,3 обладают слоистой структурой с кремнекислородным мотивом [SiO], могут связываться между собой катионами Са, Mg, Fe, Al и образовывать гидросиликаты натрия с повышенным содержанием кристаллизационной воды, лучшей поризационной способностью, а после дегидратации образовывать силикаты натрия с повышенной водостойкостью.
2
2
2+
2+
3+
3+
Благодаря добавлению к гидросиликату натрия аморфной кремнеземистой породы и прокаленной доломитовой муки, в состав которой входят оксиды кальция и магния CaO и MgO обеспечивается взаимодействие упомянутых оксидов CaO и MgO, со свободной водой гидросиликата натрия и превращение их в гидроксиды Ca(ОН) и Mg(OH), которые ускоряют твердение массы при ее гранулировании. Также добавление прокаленной доломитовой муки позволяет использовать теплоту гидратации оксидов кальция и магния для дополнительного нагрева смеси; расчеты показывают, что суммарное количество тепла, выделяемое при гидратации гидроксида натрия, оксидов кальция и магния позволяет нагреть 100 г смеси до 108-110°С. С помощью предварительно прокаленного доломита в состав смеси вводятся катионы Са и Mg, а также с примесями катионы Fe и Al, что повышает водостойкость полученного вспенивания материала.
3
3
При реализации способа доломитовую муку (CaCO⋅MgCO) предварительно прокаливают при температуре 920-930°С, что позволяет удалить из его состава диоксид углерода и получить оксиды кальция и магния в активном состоянии.
В частности, опудривание полученных гранул осуществляют в аморфной кремнеземистой породе, благодаря чему предотвращается слипание гранул, что способствует формированию сотоподобной структуры изделий при поризации.
В качестве аморфной кремнеземистой породы может быть использован диатомит, опока или трепел в тонкодисперсном состоянии, что приводит к образованию однородной смеси, используемой при синтезе гидросиликата натрия с модулем 2,7-3,3.
Предложенный способ получения вспененного теплоизоляционного материала осуществляют следующим образом.
Подготавливают компоненты шихты: аморфную кремнеземистую породу, гидроксид натрия, доломитовую муку и воду. Предварительно прокаливают доломитовую муку.
Осуществляют приготовление шихты в следующей последовательности. Осуществляют синтез гидросиликата натрия с силикатным модулем 2,7-3,3 при смешении аморфной кремнеземистой породы, сухого гидроксида натрия и горячей воды в течение 5-10 мин. Для этого сначала смешивают сухой гидроксид натрия и аморфную кремнеземистую породу, затем в полученную смесь при интенсивном перемешивании добавляют горячую воду. При такой организации процесса смешения получается водный раствор гидроксида натрия с концентрацией 33-38%, который активно взаимодействует с аморфной кремнеземистой породой с получением гидросиликата натрия с силикатным модулем 2,7-3,3. Перемешивают полученный гидросиликат натрия с аморфной кремнеземистой породой и прокаленной доломитовой мукой. Гранулируют полученную пластичную массу в шнековом грануляторе. Опудривают сформованные гранулы в аморфной кремнеземистой породой в тарельчатом грануляторе и, при необходимости, подсушивают гранулы до остаточной влажности 16-18%. Полученную гранулированную шихту загружают в расчетном количестве в металлические формы с замкнутым объемом, в которых осуществляют вспенивание шихты при нагреве до температуры 750-780°С. Время вспенивания зависит от габаритных размеров получаемых изделий и составляет 20-40 мин. Затем осуществляют отжиг полученных изделий с последующим охлаждением для снятия термических напряжений.
Пример осуществления способа в частном случае его реализации
2
1. В качестве исходных сырьевых материалов при приготовлении шихты использовали трепел Зикеевского месторождения (Калужская область) с содержанием SiO - 84,5%, и размером частиц менее 0,1 мм в количестве 50-52 мас. %, гидроксид натрия гранулированный (гранулы менее 2 мм) - 14-16 мас. %, прокаленную доломитовую муку с содержанием СаО - 58,17%, MgO - 41,82% - 4-6 мас. %, и воду - 26-28 мас. %.
3
2. Приготовление шихты начинали с синтеза гидросиликата натрия с силикатным модулем m=2,7-3,3 путем смешения сухого гидроксида натрия в указанном количестве, 40,0-41,6 мас. % аморфной кремнеземистой породы, что составляет 80% от общего количества всей аморфной кременземистой породы в шихте (50-52 мас. %), и горячей воды температурой 80-85°С в указанном количестве. В данном случае концентрация водного раствора гидроксида натрия может составлять 33-38 мас. %, в котором интенсивно растворялась кремнеземистая порода, а их смесь разогревалась до температуры выше 100°С (кипение). После перемешивания горячей смеси в течение 10 мин получали гидросиликат натрия с плотностью 1400 кг/м.
2
2
3. В полученный гидросиликат натрия вводилась смесь 5,0-5,2 мас. % кремнеземистой породы, что составляет 10% от общего количества всей аморфной кременземистой породы в шихте (50-52 мас. %), и 4-6 мас. % прокаленной доломитовой муки, смесь тщательно перемешивалась до получения пластичной, твердообразной массы, которая подавалась в шнековый гранулятор, снабженный формующей парой «нож-решетка», позволяющей тщательно гомогенизировать смесь, из которой формовали гранулы диаметром 3-5 мм и длиной 5-10 мм. Оксиды CaO и MgO, вводимые с прокаленной доломитовой мукой, взаимодействовали со свободной водой гидросиликата натрия и превращались в гидроксиды Са(ОН) и Mg(ОН), которые ускоряли твердение массы и гранул.
Синтезированная шихта с предварительно введенными в ее состав катионами магния и кальция позволяет получать теплоизоляционные изделия с заданными размерами и формой из вспененного материала с более однородной, прочной и жесткой структурой, химически стойкой и водостойкой стеклянной матрицей с минимальными тепловыми, энергетическими затратами при низкой температуре вспенивания 750-780°С.
4. На выходе из гранулятора гранулы опудривались в оставшемся количестве аморфной кремнеземистой породой (10% от общего количества всей аморфной кременземистой породы в шихте) далее гранулы вместе с опудривающей добавкой поступали в тарельчатый гранулятор для поверхностного окатывания, после чего гранулы подсушивались до остаточной влажности 16-18%.
3
5. Гранулированную шихту загружали в металлическую форму с внутренним объемом 0,5 дм (10×10×5) см, форму закрывали крышкой с фиксаторами и помещали в муфельную печь, предварительно нагретую до температуры 750-780°С и выдерживали при этой температуре в течение 20-30 мин, после чего форму с изделием охлаждали вместе с печью в течение 5 ч.
При воздействии высокой температуры на шихту, в ней начинают протекать различные физико-химические процессы. В первую очередь, в результате нагрева шихты до 150-300°С происходит дегидратация гидросиликата натрия с выделением воды в виде водяного пара, который в условиях сохраняющейся щелочной среды способствует весьма интенсивному растворению свободного кремнезема и образованию дополнительного количества гидросиликата натрия. Растворение кремнезема и переход его в гидросиликат натрия приводит к увеличению поризационной способности смеси. В интервале температур 350-450°С процесс дегидратации гидросиликатов натрия совпадает с процессом перехода смеси в пиропластичное состояние, а выделяющиеся водяные пары поризуют натрий-силикатное стекло, которое вплоть до конечной температуры поризации активно обогащается оксидами кальция, магния, железа и алюминия, входящими в состав доломитовой муки и аморфной кремнеземистой породы.
3
После разборки формы из нее извлекали изделие, у которого определяли плотность, прочность, коэффициент теплопроводности и водопоглощение. Все экспериментальные образцы имели четкую геометрическую форму и заданные размеры. Свойства полученных образцов следующие: плотность - 150-280 кг/м, прочность при сжатии - 1,8-3,5 МПа, коэффициент теплопроводности - 0,063-0,086 Вт/м⋅град, водопоглощение - 5-8% (об.).
В таблице приведены химические составы стекол, полученных разными способами, в том числе состав стекла согласно прототипу и заявленному способу.
Сравнительную водостойкость изделий оценивали по значению рН (выдержка образцов в дистиллированной воде в течение 7 суток). Для натрий-силикатного стекла, полученному по способу указанному в прототипе, рН 8,0-8,7, а для заявляемого способа - рН 7,3-7,8.
Таким образом, предлагаемый способ получения теплоизоляционного материала позволяет получить натрий-кальций-магнийсиликатное стекло с повышенным показателем водостойкости, из которого формируется пористая матрица теплоизоляционного материала.
Другими преимуществами предлагаемого способа получения теплоизоляционных материалов являются следующие:
- при производстве теплоизоляционных материалов в качестве исходного сырья используются природные аморфные кремнеземистые породы;
- полностью исключается из технологического процесса использование специально сваренного стекла или стеклобоя;
- процесс вспенивания шихты происходит за счет выделения химически связанной воды при нагреве гидросиликата натрия до температуры 350°С и выше вплоть до температуры вспенивания;
- выделение воды при нагреве приводит к образованию в объеме шихты гидротермальных условий, ускоряющих процессы взаимодействия добавленной смеси 10% кремнеземистой породы и доломитовой муки с гидросиликатом натрия с образованием в интервале температур от 450°С вплоть до температур 750-780°С, стекла, близкого по химическому составу к тарному стеклу, которое обладает высокой химической стойкостью и водостойкостью;
- использование в составе шихты прокаленной доломитовой муки, преимущественно 4-6 мас. %, позволяет использовать теплоту гидратации оксидов кальция и магния для дополнительного нагрева смеси; расчеты показывают, что суммарное количество тепла, выделяемое при гидратации гидроксида натрия, оксидов кальция и магния, позволяет нагреть 100 г смеси до 108-110°С;
2
2
- при синтезе гидросиликата натрия растворение 80% аморфной кремнеземистой породы происходит в водном растворе гидроксида натрия с концентрацией 33-38% (мас.). Образующийся при этом гидросиликат натрия имеет силикатный модуль m=SiO/NaO=2,7-3,3 и способен, особенно в гидротермальных условиях, усваивать дополнительно 10% кремнеземистой породы, взаимодействовать при температуре более 600°С с оксидами кальция и магния с образованием стекла, близкого по составу к тарному стеклу (см. табл.); синтезируемый гидросиликат натрия с модулем 2,7-3,3 обладает принципиально другим кремнекислородным мотивом, содержит повышенное количество кристаллизационной воды, увеличенную поризационную способность смеси. Образовавшийся структурный мотив способен принимать в структуру катионы кальция и магния, например по схеме:
Представленный способ получения теплоизоляционного материала позволяет получать теплоизоляционный материал с жесткой структурой, заданными характеристиками, размерами и формой с минимальными тепловыми и энергетическими затратами. Кроме того, по сравнению с известным способом, в предлагаемом изобретении повышается водостойкость стеклянной матрицы изделий.
Получаемый по предлагаемому изобретению теплоизоляционный материал может быть использован в строительстве, для тепловой изоляции энергетических установок и трубопроводного транспорта.