СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА И СОСТАВ ДЛЯ ПЕНОСТЕКЛА
METHOD OF PRODUCING FOAMED GLASS AND FOAMED GLASS COMPOSITION

Изобретение относится к химическим продуктам и химическим технологиям получения вспененных силикатных материалов, а именно пеностекла, и может найти широкое применение в области получения эффективных функциональных теплоизоляционных материалов для строительства жилых и промышленных зданий и сооружений, тепловых агрегатов и трубопроводов различного назначения, энергетических, радиационноопасных объектов АЭС, работающих при высоких температурах, а также утилизации стеклообразных отходов, образующихся в результате накопления техногенных продуктов производственного, промышленного и бытового происхождения.
Современные проблемы, связанные с созданием теплоизоляционных материалов, не теряют своей актуальности. Как и другие их виды, пеностекло, получаемое в виде блоков и гранул, отличается высокой пористостью и, следовательно, малой средней плотностью и низкой теплопроводностью. Во многом свойства различных видов пеностекла обусловлены особенностями применяемой стеклянной шихты, а также целевых добавок, вводимых в его состав. Среди технологий получения пеностекла выделяют периодический и непрерывный методы получения, при этом безусловными преимуществами обладает непрерывный метод.
2
Известен способ получения пеностекла по патенту СССР №1169952 (опубл. в 1985 г.), в соответствии с которым стекло подвергают помолу до получения порошка с удельной поверхностью 3500-3700 см/г, затворяют водным раствором азотной кислоты или нитрата щелочного металла, в частности нитрата натрия, подвергают гидротермальной обработке при давлении 4 атм при 143°С в течение 4 ч, дробят до заданной фракции, засыпают в формы и подвергают вспениванию при 800-830°С в течение 20-25 мин. Указанный способ позволяет сократить продолжительность вспенивания, а также снизить расход сырьевых материалов при получении блочного пеностекла с пониженной плотностью, однако является чрезвычайно энергоемким и не позволяет достичь высоких эксплуатационных показателей получаемого пеностекла.
2
Известен способ изготовления гранулированного пеностекла из стеклобоя по патенту РФ №2162825 (опубл. в 2000 г.) непрерывным методом, включающий дробление и сушку стеклобоя, совместный помол стеклобоя и карбонатного порообразователя в мельницах до достижения удельной поверхности 3000-5000 см/г, гранулирование шихты с орошением ее водным раствором растворимого стекла, сушку полученных гранул до величины остаточной влажности 2% с последующим вспениванием во вращающейся печи с использованием разделительной среды. Указанный способ не обеспечивает равномерную мелкоячеистую структуру получаемого пеностекла, в том числе по причине недостаточно технологичного аппаратурного оформления.
3
Наиболее близким техническим решением по объекту «Способ» является способ получения пеностекла по патенту РФ №2176210 (опубл. в 2001 г.), в соответствии с которым проводят совместное мокрое измельчение исходных компонентов пеностекла, при этом в качестве пенообразующего агента может быть использован соль карбоната, готовят водную суспензию с влажностью 35-55%, для пеностабилизации в ее состав вводят флокулянт (полиакриламид), после чего полученную водную суспензию подвергают созреванию при интенсивном перемешивании, высушивают на воздухе до влажности 7-10% с получением порошка, осуществляют пенообразование состава с последующей термообработкой и резкой на блоки. Получаемое в соответствии с заявленным способом пеностекло обладает следующими характеристиками: плотность 125-180 кг/м, водопоглощение 0,4-2,2%, теплопроводность при 20°С - 0,058-0,079 Вт/м·К, прочность при сжатии - 0,78-2,5 МПа. Существенным недостатком способа по прототипу является необходимость введения полиакриламида, который при соединении с водой в течение достаточно длительного времени образует трехмерную структуру, что отрицательно сказывается на кинетике вспенивания состава, снижая эксплуатационные показатели получаемого пеностекла, а также существенно увеличивая продолжительность процесса, в том числе за счет длительной стадии получения состава.
Известен состав для получения пеностекла, описанный в монографии Демидовича Б.К. «Производство и применение пеностекла» (опубл. изд «Наука и техника», 1972. - 304 с.), включающий (мас.ч.): стеклобой - 98, углекислый кальций, применяемый в качестве пенообразующего агента - 2. Недостатком указанного состава является то, что применение карбоната кальция приводит к образованию в структуре пеностекла крупных пор, неоднородных по размеру, с перфорированными стенками ячеек, что увеличивает теплопроводность материала и снижает его прочностные показатели.
Известен состав для получения пеностекла по патенту СССР №1169952 (опубл. 1985 г.), предназначенный для получения пеностекла с низкой плотностью, включающий стекляный порошок (50-100 мас.ч.) в водном растворе (70-140 мас.ч.), содержащем, в частности, нитрат натрия в количестве 0,6-1,2 мас.ч.
Общим недостатком известных составов для получения пеностекла являются недостаточно высокие эксплуатационные характеристики получаемого материала, а именно: плотность, прочность и теплопроводность.
Более поздние информационные источники указывают на тенденции применения комплексных составов пенообразующей смеси, используемой для получения пеностекла.
Известен состав для получения пеностекла, описанный в заявке на патент США 2009133440 (опубл. 2009 г.), включающий тонкоизмельченное стекло до размера 1-500 микрон, пенообразующий агент на основе смеси соли карбоната (в частности, карбоната кальция) в количестве 0,1-20,0% мас. и добавку для снижения кристаллизации стекла, представляющий собой соль фосфорной кислоты в количестве 10-20% мас.
Известен состав для получения пеностекла по китайскому патенту №101306920 (опубл. в 2008 г.), включающий (мас.ч.): стеклянную шихту - 380-580, доломит - 115-200, кальцит 5-25, кальцинированную соду - 150-25, глауберову соль - 0,5-30, карбонат магния - 0,1-12, карбонат калия - 1,0-8,5.
Общим недостатком вышеуказанных составов является большое количество минеральных солей, используемых в качестве пенообразователя и целевых добавок, что приводит к технологическим сложностям при переработке пеностекла и ухудшает его эксплуатационные свойства.
3
2
Наиболее близким техническим решением по объекту «Продукт» является состав для получения гранулированного пеностекла по патенту РФ №2162825 (опубл. в 2001 г.), включающий тонкомолотую стеклянную шихту, карбонатный порообразователь (смесь доломита с мелом), растворимое стекло и воду. Полученное гранулированное стекло имеет недостаточно высокие эксплуатационные показатели, а именно: размер гранул 5-40 мм, насыпную плотность 180-210 кг/м, предел прочности при сжатии 3-10 кг/см, теплопроводность в насыпном состоянии 0,06-0,068 Вт/м°С.
Кроме того, указанный состав предназначен только для получения гранулированного пеностекла и не может быть использован для получения блочного пеностекла с высокими эксплуатационными показателями.
Суть изобретения заключается в следующем.
Единой технической задачей заявляемого изобретения являлась разработка условий осуществления способа получения пеностекла, как блочного, так и гранулированного, а также разработка рецептуры состава пеностекла, предназначенного для переработки указанным способом. В состав единой технической задачи была включена отработка технологии получения пеностекла непрерывным методом.
Единым техническим результатом заявляемого изобретения является снижение плотности получаемого пеностекла, снижение коэффициента теплопроводности, при частном случае осуществления изобретения - отсутствие анизотропии свойств получаемого блочного пеностекла, сокращение продолжительности процесса за счет сокращения продолжительности стадии получения состава для пеностекла, сокращение материальных потерь пеностекла, а при реализации непрерывного метода - общее сокращение продолжительности способа.
Поставленная техническая задача в отношении заявляемого способа получения пеностекла реализуется совместным измельчением карбоната кальция и каолина с тонкомолотой стеклянной шихтой в вибромельнице, получением состава в виде водной суспензии с последующей сушкой, пенообразованием состава, его термообработкой, при этом водную суспензию концентрацией 10-30% получают путем растворения в воде нитрата натрия и растворимого стекла с последующим распылением на поверхность совместно измельченных стеклянной шихты, каолина и карбоната кальция при постоянном перемешивании в грануляторе-смесителе турболопастном, сушку полученной водной суспензии осуществляют в барабанной сушилке до остаточной влажности 5,0-6,6%. При частном случае реализации изобретения, а именно при получении блочного пеностекла, пенообразование состава производят на движущейся со скоростью 5-20 м/час непрерывной транспортерной ленте, после чего производят резку на блоки при температуре 600-700°С. При другом частном случае реализации изобретения, а именно при получении гранулированного пеностекла, пенообразование осуществляют в трубчатых печах при температуре 850-950°С. Наилучшие результаты изобретения по объекту «Способ» достигаются при условии достижения размера гранул состава для получения пеностекла после сушки в барабанной сушилке 300-500 микрон.
2
Поставленная техническая задача в отношении заявляемого продукта реализуется путем применения в составе для получения пеностекла (мас.ч.): тонкомолотой стеклянной шихты в количестве - 100, карбоната кальция - 0,5-2,0, каолина - 0,1-1,0, нитрата натрия - 0,5-3,0, воды - 5,0-6,6 и растворимого стекла - 5,0-15,0. Наилучшие результаты при реализации изобретения могут быть получены в том случае, когда удельная поверхность тонкомолотой стеклянной шихты составляет 5000-7000 см/г, а также в том случае, когда карбонат кальция представляет собой продукт природного происхождения.
Исследования, проведенные заявителем, показали, что непременным условием получения стабильной и равномерной ячеистой структуры пеностекла является характер распределения ингредиентов пенообразующего агента в массе стеклянной шихты. Использование заявленных технологических режимов для осуществления способа и состава для получения пеностекла дало возможность обеспечить получение смеси с исключительно равномерно распределенными ингредиентами в виде микрогранул, что оптимизирует процесс пенообразования стекла как при получении блочного пеностекла, так и гранулированного. Кроме того, использование в составе воды в заявляемом количестве, характер ее введения в состав привели к возможности ускорения реакции разложения смеси солей, используемой в качестве пенообразующего агента, способствовали созданию стабильной ячеистой структуры получаемого пеностекла с улучшенными эксплуатационными свойствами. При частном случае реализации изобретения по объекту «Способ» - при осуществлении непрерывного метода получения блочного пеностекла - меняется характер температурной кривой вспенивания и формования пеностекла, что позволяет избежать анизотропии свойств получаемого материала.
В ходе дополнительных исследований было уточнено оптимальное соотношение составляющих пенообразующей смеси и целевых добавок, приводящее к получению стабильной равномерной структуры получаемого пеностекла, блочного и гранулированного.
Таким образом, заявляемую совокупность приемов можно использовать для осуществления способа с получением пеностекла с высокими эффективностью и технологическими показателями процесса.
Способ получения пеностекла осуществляют следующим образом.
2
В вибромельницу подается стеклянная шихта, где происходит ее измельчение до состояния тонкого помола, после чего туда же подают карбонат кальция (из расчета 0,5-2,0 мас.ч. на 100 мас.ч. тонкомолотой стеклянной шихты; при частном случае реализации изобретения карбонат кальция представляет продукт природного происхождения), а также каолин (0,1-1,0 мас.ч.): в вибромельнице происходит совместное измельчение и перемешивание указанных ингредиентов. Наилучшие результаты при реализации изобретения могут быть получены при применении тонкомолотой стеклянной шихты с показателем удельной поверхности 5000-7000 см/г. По окончании указанной стадии дозатором приготовленная смесь в порошкообразном виде подается в гранулятор-смеситель турболопастной, куда распыляют через форсунку предварительно приготовленный водный раствор нитрата натрия (из расчета 0,5-3,0 мас.ч. на 10,0-15,0 мас.ч. воды) и растворимого стекла (5,0-15,0 мас.ч.) и продолжают перемешивание. Полученная смесь представляет собой водную суспензию концентрацией 10-30%. Приготовленный таким образом состав для получения пеностекла направляют в барабанную сушилку: в процессе сушки происходит укрупнение частиц состава, при этом наилучшие показатели достигаются при размере гранул в интервале 300-500 мкм; показатель остаточной влажности, т.е. содержание воды в составе для получения пеностекла по окончании сушки составляет 5,0-6,6%. Полученный таким образом состав можно переработать в блочное стекло путем традиционного пенообразования в формах или непрерывным методом на движущейся с заданной скоростью непрерывной транспортерной ленте с последующей резкой на блоки при температуре 600-700°С, а также в гранулированное пеностекло путем пропускания гранул через пламя или горячие газы при температуре 850-950°С в течение 1-2 с в трубчатых печах.
3
3
Полученное в соответствии с заявляемым изобретением пеностекло по внешнему виду представляет собой: при получении блочного пеностекла вспененный твердый материал с количеством открытых пор 3-8% бело-кремового цвета с размером ячеек 0,5-1,5 мм, плотностью от 80 до 115 кг/м, коэффициентом теплопроводности до 0,043,-0,051 Вт/м°С, прочностным показателем на сжатие - 0,6-3,0 МПа; при получении гранулированного пеностекла - сыпучие гранулы размером 0,5-2,0 мм, насыпной плотностью 120-150 кг/м, прочностью на сжатие в цилиндре 2-2,5 МПа, водопоглощением 0,5-1,5% об., теплопроводностью 0,041-0,047 Вт/м°С.
Заявляемый способ позволяет переработать составы для получения пеностекла с другим массовым соотношением ингредиентов, получив более широкий интервал эксплуатационных свойств, в частности, по показателям плотности и прочности на сжатие.
Для осуществления изобретения могут быть использованы следующие вещества:
Стеклянная шихта по ГОСТ 52233-2004 «Тара стеклянная. Стеклобой»
Карбонат кальция, в том числе карбонат кальция природного происхождения: мел, доломит, мрамор, известняк и т.д.
Нитрат натрия
Каолин
Вода
Растворимое стекло
Преимущества заявляемого изобретения оценивали путем сравнения продолжительности способа на стадии приготовления состава для получения пеностекла, при получении блочного пеностекла - плотности, коэффициента теплопроводности, материальных потерь на стадии резки на блоки; при получении гранулированного стекла - насыпной плотности и коэффициента теплопроводности.
Реализация изобретения иллюстрируется следующими примерами.
3
3
Пример 1. В соответствии с вышеописанным способом осуществляли получение пеностекла в соответствии со следующей рецептурой (мас.ч.): тонкомолотая стеклянная шихта - 100, карбонат кальция - 2,0, каолин - 1,0, нитрат натрия - 0,5, вода - 6,6, растворимое стекло - 5,0. Технологические режимы осуществления способа: концентрация водной суспензии - 10%, остаточная влажность водной суспензии 6,5%. Продолжительность способа на стадии приготовления состава для получения пеностекла - 2 ч 40 мин. Полученное блочное пеностекло имеет следующие показатели: плотность - 120 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,051 Вт/м°С, материальные потери на стадии резки на блоки - 10%. Полученное гранулированное пеностекло имеет следующие показатели: насыпная плотность - 150 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,047 Вт/м°С.
3
3
Пример 2. В соответствии с вышеописанным способом осуществляли получение пеностекла в соответствии со следующей рецептурой (мас.ч.): тонкомолотая стеклянная шихта - 100, карбонат кальция - 1,0, каолин - 0,1, нитрат натрия - 1,5, вода - 5,5, растворимое стекло - 9,0. Технологические режимы осуществления способа: концентрация водной суспензии - 20%, остаточная влажность водной суспензии - 5,0%. Продолжительность способа на стадии приготовления состава для получения пеностекла - 2 ч 45 мин. Полученное блочное пеностекло имеет следующие показатели: плотность - 115 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,050 Вт/м°С, материальные потери на стадии резки на блоки - 10%. Полученное гранулированное пеностекло имеет следующие показатели: насыпная плотность - 145 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,046 Вт/м°С.
3
3
Пример 3. В соответствии с вышеописанным способом осуществляли получение пеностекла в соответствии со следующей рецептурой (мас.ч.): тонкомолотая стеклянная шихта - 100, карбонат кальция - 0,5, каолин - 0,5, нитрат натрия - 3,0, вода - 5,0, растворимое стекло - 15,0. Технологические режимы осуществления способа: концентрация водной суспензии - 30%, остаточная влажность водной суспензии - 6,5%. Продолжительность способа на стадии приготовления состава для получения пеностекла - 2 ч 50 мин. Полученное блочное пеностекло имеет следующие показатели: плотность - 110 кг/м, коэффициент теплопроводности Вт/м°С - 0,049, материальные потери на стадии резки на блоки - 10%. Полученное гранулированное пеностекло имеет следующие показатели: насыпная плотность - 140 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,045 Вт/м°С.
2
3
3
Пример 4. Рецептура для получения пеностекла соответствует рецептуре, приведенной в примере 3, при этом удельная поверхность стеклянной шихты составляет 5000 см/г. Продолжительность способа на стадии приготовления состава для получения пеностекла - 3 ч 00 мин. Полученное блочное пеностекло имеет следующие показатели: плотность - 105 кг/м, коэффициент теплопроводности Вт/м°С - 0,048, материальные потери на стадии резки на блоки - 10%. Полученное гранулированное пеностекло имеет следующие показатели: насыпная плотность - 135 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,047 Вт/м°С.
3
3
Пример 5. Рецептура и технология получения пеностекла соответствует рецептуре и технологии, приведенной в примере 3, при этом в качестве карбоната кальция используют мел природного происхождения в порошкообразной форме. Продолжительность способа на стадии приготовления состава для получения пеностекла - 3 ч 10 мин. Полученное блочное пеностекло имеет следующие показатели: плотность - 100 кг/м, коэффициент теплопроводности Вт/м°С - 0,047, материальные потери на стадии резки на блоки - 10%. Полученное гранулированное пеностекло имеет следующие показатели: насыпная плотность - 130 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,043 Вт/м°С.
3
3
Пример 6. Рецептура и технология получения пеностекла соответствует рецептуре и технологии, приведенной в примере 3, при этом состав для получения пеностекла после сушки в барабанной сушилке представляет собой смесь гранул размером 300-500 микрон. Продолжительность способа на стадии приготовления состава для получения пеностекла - 3 ч 15 мин. Полученное блочное пеностекло имеет следующие показатели: плотность - 95 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,045 Вт/м°С, материальные потери на стадии резки на блоки - 10%. Полученное гранулированное пеностекло имеет следующие показатели: насыпная плотность - 125 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,042 Вт/м°С.
3
Пример 7. Рецептура и технология получения пеностекла соответствует рецептуре и технологии, приведенным в примере 3, при этом способ осуществляют непрерывным методом, т.е. пенообразование состава производят на движущейся со скоростью 8 м/час непрерывной транспортерной ленте, после чего производят резку на блоки при температуре 600-700°С. В данном случае отсутствует анизотропия свойств получаемого блочного пеностекла, т.е. прочностные показатели при продольной и поперечной резке не превышают 5%. Продолжительность способа на стадии приготовления состава для получения пеностекла - 3 ч 25 мин. Полученное блочное пеностекло имеет следующие показатели: плотность - 80 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,043 Вт/м°С, материальные потери на стадии резки на блоки - 8%.
Пример 8 (в соответствии с прототипом).
3
3
В шаровую мельницу последовательно загружали дробленный стеклобой размерами порядка 5 мм (3000 мас.ч.), бикарбонат натрия (150 мас.ч.), гидроксид натрия (115 мас.ч.), сажи (24 мас.ч.) и воду (1050 мас.ч.); совместное измельчение продолжалось в течение 18 ч до величины фракции 0,63 мм, после чего добавляли 6 мас.ч. полиакриламида и продолжали обработку состава в течение 2 ч. Полученную суспензию выдерживали в течение 2 ч, после чего подавали в сушильный барабан и подвергали сушке при температуре 200-230°С до порошка с остаточной влажностью 7-10%. Полученный состав дозировали в формы заданного объема (для получения гранулированного стекла - в соответствии с общепринятой технологией с использованием песка в качестве разделительной среды) и загружали в печи для вспенивания, которое осуществляли при 680-720°С с выдержкой в течение 15-25 мин, после чего осуществляли отжиг при 740-850°С с выдержкой в течение 15-25 мин. Продолжительность способа на стадии приготовления состава для получения пеностекла - 30 ч. Полученное блочное пеностекло имеет следующие показатели: плотность - 160 кг/м, коэффициент теплопроводности Вт/м°С - 0,079, материальные потери на стадии резки на блоки - 25%. Полученное гранулированное пеностекло имеет следующие показатели: насыпная плотность - 135 кг/м, коэффициент теплопроводности - 0,054 Вт/м°С.
Таким образом, полученные в результате осуществления изобретения экспериментальные данные наглядно подтверждают достижение улучшенных эксплуатационных показателей пеностекла и технологические преимущества заявленного способа, позволяющего получить пеностекло в виде блоков, в том числе непрерывным методом, а также гранулированное пеностекло.