КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
COMPOSITION FOR PRODUCING HEAT INSULATING MATERIAL

Композиция для получения теплоизоляционного материала на основе фенолформальдегидных смол и отходов теплоэнергетики, а именно золы уноса от сжигания угля на теплоэлектростанциях, относится к области производства строительных материалов.
Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при создании наружных теплоизоляционных и защитных покрытий при возведении новых, а также при реконструкции существующих зданий и сооружений, а именно для осуществления наружной теплоизоляции.
Технический результат - расширение ассортимента теплоизоляционных материалов для теплоизоляции жилых и производственных зданий, магистральных и локальных нефте- и газопроводов и иных энергонеэффективных конструкций.
Государственные программы по энергосбережению
«Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года №2446-р», экологическому развитию «Основы государственной политики в области экологического развития РФ на период до 2030 года», а также введение законодательных актов: «Федеральный закон №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»», Федеральный закон №89-ФЗ (ред. от 08.11.2008) «Об отходах производства и потребления» ставят задачу развития производств высокоэффективных материалов с использованием отходов производства и потребления.
Известна композиция для получения пенопластов [Патент №2123018 РФ, C08L 61/12, С08К 13/02, C08J 9/06, С08К 13/02, С08К 3:08, С08К 3:24, С08К 5:06, С08К 5:5353. Композиция для получения пенопластов [Текст]/ Тенишева О.Б.; заявитель и патентообладатель Тенишева Ольга Борисовна; Закрытое акционерное общество "Окологрив"; Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт пластических масс им. Г.С. Петрова". - №97120917/04; заявл. 01.12.1997; опубл. 10.12.1998]. Признаками известной композиции, совпадающими с существенными признаками предлагаемой композиции для получения теплоизоляционного материала являются наличие в составе композиции фенольного связующего, поверхностно-активного вещества, алюминиевой пудры и вспенивающе-отверждающего агента.
Недостатками аналога являются усадка материала 0,8 -1,5%, повышенная сорбционная влажность 17%, что скажется на эксплуатационных характеристиках изделий. Кроме того, индукционный период при получении материала достигает 220 секунд, что значительным образом повлияет на производительность композита.
Известна композиция для изготовления теплоизоляционного материала [Патент №2055820 РФ, С04В 26/14. Состав для изготовления теплоизоляционного материала [Текст] Герасименя В.П., Жуков И.Н., Козловский А.И., Соболев Л.А.; заявитель и патентообладатель Товарищество с ограниченной ответственностью Научно- технический центр "Яха". - №94017294/26; заявл. 24.05.1994; опубл. 10.03.1996]., включающий полимер (мас.%): 20-65, поверхностно-активное вещество 1-5, кислотный отвердитель 1-5, наполнитель 5-40, пластификатор 0,2-5, антипирен 0,5-1, гидрофобизатор 0,3-1,5 и воду, причем в качестве полимера используют мочевиноформальдегидную смолу.
Признаками известной композиции, совпадающими с существенными признаками предлагаемой композиции, являются применение кислотного отвердителя и снижение возможности возгорания теплоизоляционного материала.
Недостатками аналога являются сниженные эксплуатационные характеристики готовых изделий при низких температурах в связи с присутствием воды в композиции и удорожание стоимости композиции за счет использования антипирена в ее составе.
Наиболее близкой по своему составу, технической сути и достигаемому результату, принятой за прототип, является композиция для получения пенопластов [Патент №1775417 СССР, C08J 09/06, C08L 61/10, С08К 13/02, С08К 13/02, С08К 3:08, С08К 3:20, С08К 5:06, С08К 5:21. Полимерная композиция для пенопласта [Текст] Генне В.И., Ена А.Б., Исакова А.Г., Степанова Н.К.; заявитель и патентообладатель Кемеровское научно-производственное объединение «Карболит». - №94797014/05; заявл. 27.02.1990; опубл. 15.11.1992]. на основе фенольного связующего, поверхностно-активного вещества, алюминиевой пудры, вспенивающе-отверждающего агента ВАГ-3 и наполнителя - золы определенного состава, вводимого для снижения водопоглощения и горючести.
Признаками известной композиции по прототипу, совпадающими с существенными признаками предлагаемой композиции являются использование фенолформальдегидной смолы, поверхностно-активного вещества, вспенивающе-отверждающего агента ВАГ-3 и использование золошлаковых отходов, а именно золы от сжигания угля на теплоэлектростанциях.
Недостатками прототипа являются применение фенольного связующего с высоким содержанием свободного фенола и формальдегида, а также использование зольного отхода со стадии мокрого улавливания и крупной фракции 0,01-0,8 мм, что требует дополнительных технологических стадий и больших энергозатрат для подготовки золы, значительно повышая себестоимость изделий. Введение золы с данным химическим элементным составом в композицию не обеспечивают высоких рабочих температур. Кроме того, введение золы с имеющимся элементным составом минеральной части в композицию отрицательно влияет на коррозионную стойкость пены и ее механические характеристики.
Задачей предлагаемого патента является разработка композиции для создания теплоизоляционного материала с применением экологически безопасного полимерного связующего на основе реакционноспособных олигомеров отечественного производства и дешевого доступного минерального отхода - золы уноса от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанциях с заявляемым элементным составом в качестве наполнителя, не требующего предварительной сушки и подготовки, а также снижающей кислотную активность заявляемой композиции.
Заявляемая композиция обладает лучшими технико-эксплуатационными характеристиками, такими как низкая теплопроводность и повышенная удельная прочность и повышенные огнезащитные и антикоррозионные свойства. Наполнитель зола уноса ТЭЦ снижает способность к распространению пламени по поверхности материала и дымообразующую способность. Кроме того, введение золы уноса снижает стоимость конечного изделия.
Технический результат заключается в обеспечении повышенных технико-эксплуатационных показателей конечного продукта за счет обеспечения механизма формирования структуры конечного продукта, при котором достигается лучшее смешение компонентов и полимерное связующее равномерно обволакивает частицы золы уноса сферической формы, и тем самым достигается лучшая адгезия между компонентами смеси. Таким образом, технический результат достигается в обеспечении следующих технико-эксплуатационных показателей конечного продукта:
- высокого предела прочности при изгибе;
- повышенной прочности на сжатие при 10% деформации;
- снижении кислотной активности и увеличении антикоррозионных свойств теплоизоляционного материала;
- более высокой огнестойкости.
Наряду с этим, технический результат также заключается в наибольшем объеме утилизации отхода - золы уноса.
2
2
2
3
2
3
2
2
3
Технический результат достигается также тем, что в качестве основного связующего вещества в заявляемой композиции используют смолу фенолформальдегидную с алюминиевой пудрой марки ФРВ-1А, в качестве второстепенного связующего для улучшения эксплуатационных характеристик используют смолу фенолформальдегидную марки ФРВ-ЭМ с пониженным содержанием свободного фенола, в качестве катализатора в композиции используют вспенивающе-отверждающий агент кислотного типа ВАГ-3, для облегчения диспергирования компонентов используют поверхностно-активное вещество ОП-10 (оксиэтилированный алкилфенол), в качестве газообразователей петролейный эфир на базе бензиновых фракций 40-70°С и петролейный эфир на базе бензиновых фракций 70-100°С, в качестве дисперсного минерального наполнителя используют отходы - золу уноса от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанциях, содержащую в качестве основы SiO, а также TiO, AlO, FeO, CaO, MgO, KO, NaO, SO при следующем содержании компонентов мас.ч:
Смола фенолформальдегидная с алюминиевой
пудрой марки ФРВ-1А
100
Смола фенолформальдегидная марки ФРВ-ЭМ
20-50
Вспенивающе-отверждающий агент кислотного типа ВАГ-3
20-55
Поверхностно-активное вещество ОП-10
5-8
Петролейный эфир на базе бензиновых фракций 40-70°С
3-4
Петролейный эфир на базе бензиновых фракций 70-100°С
3-4
Зола уноса от сжигания углей Азейского разреза
40-120
Используемая в качестве наполнителя зола уноса от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанциях должна удовлетворять следующим требованиям:
3
- насыпная плотность, кг/м 706-728;
- влажность - 0,13%;
2
- удельная поверхность ≥3000 см/г;
- класс опасности для окружающей природной среды - V (безопасные);
- класс радиационной безопасности согласно санитарным правилам СП 2.6.1.798-99, ГОСТ 30108-94 и НРБ-99 - I (Аэфф<=370 Бк/кг);
- химический состав (содержание элементов в расчете на оксиды, % по массе):
SiO<sub>2</sub>
50.66-61.60
TiO<sub>2</sub>
0.80-0.60
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
24.62-21.90
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
9.16-5.70
CaO
10.09-4.00
MgO
1.61-1.80
K<sub>2</sub>O
1.51-0.80
Na<sub>2</sub>O
0.30-2.00
SO<sub>3</sub>
0.76-0.20
Гранулометрический состав золы уноса, используемой в предлагаемой композиции, представлен в таблице 1 в соответствии с ГОСТ-8735.
Зола является отходом производства теплоэнергетики, который в настоящее время используется в незначительном объеме.
2
Другими словами, поставленная задача достигается тем, что в качестве основного связующего вещества используют фенолформальдегидную смолу марки ФРВ-1А (ТУ 2257-013-78710702-2007), которая представляет собой гомогенную смесь нейтрализованного водного раствора первичных продуктов конденсации фенола и формальдегида в щелочной среде с поверхностно-активным веществом и алюминиевой пудрой. Также в качестве связующего для улучшения эксплуатационных и прочностных характеристик используют в смолу фенолформальдегидную марки ФРВ-ЭМ, (выпускаемую по паспорту №444 ЗАО Завод «Южный», г. Дзержинск, НПО «Карбохим» от 13.09.2012, фиг. 4), которая снижает вязкость смеси, что позволяет обеспечить более лучшее смешение компонентов. Данная марка смолы обладает пониженным содержанием фенола и формальдегида. В качестве катализатора в композиции используют вспенивающе-отверждающий агент кислотного типа ВАГ-3 (ТУ 6-55-1116-88), который представляет собой водный раствор продукта конденсации фенолсульфокислоты, карбамида и формальдегида в смеси с ортофосфорной кислотой. ВАГ-3 не взрывоопасен и трудновоспламеняем в открытом состоянии. Поверхностно-активное вещество оксиэтилированный алкилфенол ОП-10 (ГОСТ 8433-81) облегчает диспергирование плохо совмещающихся или существенно различающихся по вязкости компонентов, способствует диспергированию пузырьков воздуха в системе, которые в дальнейшем играют роль центров образования газовой фазы, служит стабилизатором образующейся жидкой пены. Кроме того, оксиэтилированный алкилфенол повышают гомогенность и стабильность системы. В качестве газообразователей при создании композиции используют петролейный эфир на базе бензиновых фракций 40-70°С и 70-100°С, которые используется для увеличения кратности вспенивания композиции. В качестве дисперсного минерального наполнителя используют отходы - золу уноса сферической формы от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанции, которая может быть использована без сушки и измельчения с заявленным химических составом и удельной поверхностью ≥3000 см/г. Использование золы уноса данного вида значительно улучшает физико-механические характеристики конечного продукта (предел прочности при изгибе, прочность на сжатие при 10% деформации, прочность при растяжении, линейную температуру усадки при 110°С в течение 20 час, %), снижает кислотную активность и повышает огнезащитные свойства.
Кроме того, технико-экономический эффект заключается
- в утилизации крупнотоннажных минеральных (зола уноса) отходов и снижении площадей размещения техногенных образований в виде отвалов и полигонов для хранения отходов; дополнительный эколого-экономический эффект может быть достигнут за счет снижения экологических платежей;
- во введении на рынок новой продукции - теплоизоляционного материала, обладающего улучшенными по сравнению с прототипом свойствами и способного заменить повсеместно применяемую горючую теплоизоляцию из пенопласта, а также значительное количество аналогов теплоизоляционного материала, которые в настоящее время ввозится из-за рубежа; данная продукция сможет замещать импортную на российском рынке;
- конкурентоспособности композиции для получения теплоизоляционного материала, так как он отвечают современным требованиям пожарной и экологической безопасности.
Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявляемая композиция для получения теплоизоляционного материала отличается от известной композиции наличием фенольного связующего с низким содержанием свободного фенола и формальдегида, введением в композицию газообразователей, а также химическим составом золы уноса от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанциях, формой, структурой и размером ее частиц, что доказывает новизну заявляемой композиции.
Широко известно использование золы уноса для изготовления цементов, строительных растворов, бетонов и изделий из них. Однако из уровня техники не известно использование золы уноса для получения резольных наполненных пенопластов с целью изготовления теплоизоляционных материалов и тем более не известно влияние золы уноса на повышение прочностных характеристик теплоизоляционных материалов.
Таким образом, заявляемая композиция обладает новой совокупностью признаков, которая обеспечивает новый механизм смешения благодаря повышенной текучести полимерных смол, в большей степени обвалакивающих сферические частицы золы уноса, и в результате отверждения которой образуются трехмерные пространственные макромолекулы, придающие конечному материалу повышенные прочностные свойства. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами,
где на фиг. 1- электронная микрофотография золы уноса сферической формы от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанции ТЭЦ-9, участок №1 - филиал ОАО «Иркутскэнерго» г. Ангарск, применяемая в заявляемом способе по примеру №1;
на фиг. 2 - электронная микрофотография золы уноса сферической формы от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанции ТЭЦ-9, участок №1 - филиал ОАО «Иркутскэнерго» г. Ангарск, применяемая в заявляемом способе по примеру №2;
на фиг. 3 - электронная микрофотография теплоизоляционного материала, полученного по заявляемой композиции.
Пример конкретного создания композиции №1.
Получение заливочных композиционных теплоизоляционных пенопластов заключается в механическом смешении компонентов при комнатной температуре 22-25°С и осуществляется в два этапа.
Первым этапом является предварительное смешение следующих компонентов: смолы фенолформальдегидной с алюминиевой пудрой марки ФРВ-1А (ТУ 2257-013-78710702-2007) производства ООО «Завод «Заря-Химпромволга» г. Дзержинск, смолы фенолформальдегидной марки ФРВ-ЭМ производства ЗАО «Южный», г. Дзержинск (НПО «Карбахим»), золы уноса сферической формы от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанции ТЭЦ-9, участок №1 - филиал ОАО «Иркутскэнерго» г. Ангарск, поверхностно-активного вещества ОП-10 (ГОСТ 8433-81), производство ОАО "СИНТЕЗ" г. Дзержинск Нижегородской области и газообразователей - петролейный эфир на базе бензиновых фракций 40-70°С и петролейный эфир на базе бензиновых фракций 70-100°С, производства ООО "ВОЛГА-ХИМ", г. Волгоград. Смешивание происходит при использовании лопастной мешалки. Скорость вращения миксера составляет 800-1500 об/мин. Время смешивания компонентов составляет 40-45 секунд.
Вторым этапом является добавление вспенивающе-отверждающего агента кислотного типа ВАГ-3 (ТУ 6-55-1116-88) производства ООО «Уралхимпласт», г. Нижний Тагил в полученную композицию.
Смешивание происходит в течение 20-25 секунд на более низких оборотах (300-400 об/мин), чтобы исключить попадание воздуха в смесь.
Получаемая смесь вспенивается водородом, выделяющимся в результате реакции между алюминиевой пудрой и ортофосфорной кислотой.
На процесс вспенивания оказывает влияние присутствие газообразователей петролейный эфир на базе бензиновых фракций 40-70°С и петролейный эфир на базе бензиновых фракций 70-100°С. Компоненты композиции взвешивают в соответствии с рецептурой при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:
Смола фенолформальдегидная с алюминиевой
пудрой марки ФРВ-1А
100
Смола фенолформальдегидная марки ФРВ - ЭМ
40
Вспенивающе-отверждающий агент кислотного типа ВАГ -3
55
Поверхностно-активное вещество ОП-10
8
Петролейный эфир на базе бензиновых фракций 40-70°С
3
Петролейный эфир на базе бензиновых фракций 70-100°С
3
Зола уноса от сжигания углей Азейского разреза
120
Отверждение вспененной композиции происходит за счет реакции поликонденсации полимеров, в результате которой образуются трехмерные пространственные макромолекулы. Физико-механические характеристики получаемой композиции приведены в таблице 2.
Из таблицы видно, что заявляемая композиция обладает лучшими технико-эксплуатационными характеристиками, такими как более низкая теплопроводность (в 2 раза), более низкая плотность (в 1,5 раза), а также лучшая огнестойкость по сравнению с прототипом.
Полученные данные позволяют безопасно применять новую композицию в качестве современного утеплителя.
Пример конкретного создания композиции №2.
Получение данной заливочной теплоизоляционной композиции также заключается в механическом смешении компонентов при комнатной температуре, с введением компонентов композиции в той же последовательности. Компоненты композиции взвешивают в соответствии с рецептурой при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:
Смола фенолформальдегидная с алюминиевой
пудрой марки ФРВ - 1А
100
Смола фенолформальдегидная марки ФРВ - ЭМ
30
Вспенивающе-отверждающий агент кислотного типа ВАГ -3
40
Поверхностно-активное вещество ОП-10
5
Петролейный эфир на базе бензиновых фракций 40-70°С
3
Петролейный эфир на базе бензиновых фракций 70-100°С
3
Зола уноса от сжигания углей Азейского разреза
80
Для достижения оптимальной кратности вспенивания композиции требуется меньшее количество компонентов, что влияет на себестоимость получаемых изделий. Физико-механические свойства получаемого материала представлены в таблице 3.
Снижение количества компонентов в композиции по примеру №2 в сравнении с примером №1 снижает себестоимость продукции в среднем на 7%. Однако при этом в композиции ухудшаются эксплуатационные характеристики, такие как предел прочности при изгибе, кислотное число и прочность на сжатие.
Анализ полученных результатов показал, что варьируя содержанием в композиции золы уноса от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанциях, можно управлять свойствами материала. Установлено оптимальное содержание данной золы уноса, которое составляет от 40 до 120 массовых частей. Физико-механические характеристики композиции с разным содержанием золы уноса от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанциях приведены в таблице 4.
Таким образом, предлагаемая композиция вследствие использования в качестве сырья экологически более чистого вспененного фенольного связующего с низким содержанием свободного фенола и формальдегида и дешевого доступного минерального отхода - золы уноса от сжигания углей Азейского разреза на теплоэлектростанциях с заданным элементным составом в качестве наполнителя, позволяет включить в жизненный цикл продукции отходы производства. Большие количества золы уноса (порядка 10 тыс. тонн отходов в год) будут переработаны на конкурентоспособную продукцию. Это позволит сэкономить соответствующее количество первичного сырья.
Заявляемая композиция позволяет создать и вывести на рынок конкурентоспособные, как с точки зрения технологических и экологических характеристик, так и с точки зрения стоимости теплоизоляционные изделия, которые могут использоваться для эффективной теплоизоляции зданий любой этажности, как теплоизоляционный слой наружных стеновых панелей и перегородок, чердачных перекрытий, «черных» полов и т.д. Антикоррозионные свойства, вследствие низкой кислотной активности, позволяют применять заявляемую композицию для теплоизоляции магистральных нефте- , газо- и локальных теплотрасс.