СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОСТЕКЛА
METHOD OF PRODUCING FOAMED GLASS

Изобретение относится к производству пеностекла. Технические характеристики пеностекла соответствуют самым высоким требованиям к теплоизоляционно-конструкционным материалам и позволяют использовать его для всех видов ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назначения в любых климатических зонах.
Пеностекло имеет существенные положительные качества, которые делают его полезным. Уникальная совокупность свойств пеностекла позволяет применять этот материал достаточно широко. Он может использоваться как теплоизоляционно-конструкционный материал в строительном и жилищно-коммунальном комплексах, а также в сельском хозяйстве, энергетике, машиностроении, химической и нефтехимической отраслях, пищевом, бумажном, фармацевтическом и других производствах.
Качество и показатели свойств пеностекла зависят от его прочностных характеристик, теплопроводности, объемного водопоглощения, морозостойкости и др. К недостаткам пеностекла можно отнести большие затраты на оборудование и технологическую энергию.
В промышленности для изготовления пеностекольных плит и блоков применяют в основном «порошковый» способ, который заключается в спекании смеси из тонкомолотого стекольного порошка с газообразователем.
2
Известен способ (патент США №2775524), по которому осуществляется диспергирование стеклобоя со специальным образом подготовленным материалом из группы диатомита, кремнезема с удельной поверхностью более 10 м/г, содержащего углерод в количестве 5-50 массовых частей на 100 частей, из расчета 0.08-0.15 мас.% углерода от массы стеклобоя, нагрев до температуры, достаточной для размягчения и вспенивания стекла, охлаждение и отжиг.
3
4
x
x
x
x
Известен способ получения пеностекла (патент США №5516351, C03B 19/06), который включает использование измельченного стекла и вспенивателя из числа CaCO или CaSO заданного гранулометрического состава, смешение их в мельнице, заполнение формы, вытеснение из смеси воздуха продуванием ее газами SO и/или CO и нагревание до температуры вспенивания, охлаждение и отжиг, позволяющий использовать стекло смешанного типа. Общеизвестно, что применение ингредиентов, химические реакции которых со стеклом сопровождаются вспениванием, не обеспечивает получение мелкопористого пеностекла с преимущественно и/или полностью закрытыми от внешней среды порами. Кажущаяся плотность, теплоизоляционные, механические и др. свойства таких материалов быстро и сильно деградируют в среде влажной атмосферы. Применение газов SO и CO приводит к удорожанию производства, имеет неблагоприятные экологические последствия и требует больших затрат на улавливание и переработку опасных для работающего персонала и окружающей среды газообразных выделений.
Известно, получение теплоизоляционного пеностекла с использованием углеродсодержащих пенообразователей (кокс, сажа, антрацит), а также с применением карбонатных пенообразователей (мел, мрамор, доломит).
2
2
2
3
Известен способ получения пеностекла (патент на изобретение RU №2187473, C03B 19/08, от 12 июля 2000 года), который относится к способам получения пеностекла из утилизируемых стеклоотходов, состоящий в том, что стеклобой диспергируют до удельной поверхности 6000-20000 см/г, затем гидроксилируют до насыщения влагой 0,4-1,6 мас.% и к 75-98 мас.% гидроксилированного стеклобоя добавляют 2-25 мас.% вспенивающей смеси, включающей в качестве углеродсодержащего компонента активную сажу с удельной поверхностью 75-150 м/г, в качестве сульфата металла - сульфат натрия и дополнительно жидкое натриевое стекло и оксид бора при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: жидкое натриевое стекло 0.5-5.0, активная сажа с удельной поверхностью 75-150 м/г 0.2-1.5, сульфат натрия 0.5-1.5, активный кремнезем 0.6-12.0, оксид бора 0.2-5.0, перемешивают, гранулируют в частицы диаметром 30-2000 мкм, засыпают в форму и подуплотняют до кажущейся плотности 0.96-1.35 г/см, спекают при температуре 450-700°С, вспенивают, подвергают закалке при температуре 540-620°С со скоростью 80-300°С/мин и отжигают при температуре 420-520°С. Использование этого способа решает проблему утилизации накопившихся в большом объеме бытовых и промышленных технических отходов щелочных алюмосиликатных стекол. Но выходные свойства конечного продукта в известном способе далеко не всегда находятся на должном уровне. Кроме того, при изготовлении пеностекла по этому способу используют большое число компонентов в составе материала, необходимого для получения пеностекла. Помимо непосредственно компонентов самой вспенивающей смеси (окислитель - сульфат натрия, восстановитель - активная сажа), в состав добавки входят компоненты, влияющие непосредственно на свойства расплава и выходные показатели свойств пеностекла (активный кремнезем, оксид бора, жидкое стекло). Применяемые в известном способе добавки необходимы для достижения требуемых выходных свойств пеностекла, но, как известно, большое количество компонентов всегда затрудняет технологический процесс производства материала со стабильными свойствами. Это связано в первую очередь с проблемами равномерного распределения ингредиентов в шихте и непосредственно во вспененном стекле. Особенно это важно при производстве пеностекла, где распределение компонентов добавки в массе шихты и утилизируемого стеклобоя должно быть равномерным, в противном случае вспенивание в объеме стекла пойдет неравномерно, что приведет к неоднородности структуры из-за образования каверн, неравномерного объемного распределения пор. Это приведет к дефектности, неоднородности свойств вспененного материала.
По этому способу шихту, содержащую тщательно перемешанные тонкомолотые порошки стекла и углеродсодержащего газообразователя, дозируют в металлические формы и направляют в печь вспенивания (1 стадия). В печи вспенивания в течение 1-3 ч осуществляется нагрев до температур вспенивания. Шихта при нагреве претерпевает ряд превращений: при T>600°С порошок стекла размягчается и спекается, превращаясь в вязкую стекломассу; при температурах выше 750°С углеродный газообразователь с заметной скоростью начинает распадаться с образованием газообразных продуктов. При T>800°С давление выделяющихся газов и вязкость расплава стекла становятся достаточными для вспенивания стекла с образованием замкнутых газовых ячеек. Вспенивание стекла при использовании углеродных газообразователей обычно проводят при температурах 830-890°С. После печи вспенивания форму с блоком пеностекла резко охлаждают до температур 500-600°С, замораживая полученную ячеистую структуру. При этих температурах блоки пеностекла вынимают из форм, чтобы предотвратить их раздавливание металлом в процессе охлаждения в печи отжига. Далее следует отжиг в туннельной печи (2 стадия), головная часть которой обогревается. Затем пеностекло механически обрабатывается пилами для придания блоку прямоугольной формы. Эта операция сопровождается выделением большого количества стеклянной пыли и появлением обрезков пеностекла. Пеностекло, получаемое по углеродной технологии 2-стадийным способом, имеет замкнутые поры и низкие коэффициенты теплопроводности.
Недостатками способов, при которых используют углеродные газообразователи, являются:
- высокие температуры вспенивания (>800°С) требуют повышенного расхода электроэнергии, применения дорогих жаропрочных сталей, снижают сроки службы оборудования и оснастки, а также способствуют кристаллизации стекла, что снижает прочность пеностекла и увеличивает долю перфорированных пор;
- между печами вспенивания и отжига при температурах 500-600°С вручную осуществляется опасная операция выемки блоков пеностекла из форм и перегрузка их в печь отжига;
- поры пеностекла содержат токсичный сероводород.
Известно также решение в соответствии с патентом РФ №2167112 "Способ получения пеностекла" МПК 7 C03C 11/00, C03B 19/08, где в качестве сырья также используют стеклобой, температуры вспенивания ниже на 10-40°С, чем в вышеупомянутом, а число компонентов шихты уменьшено до четырех. В данном способе готовят композицию, состоящую из порошков, полученных помолом в шаровой мельнице бутылочного стекла, песка, силиката натрия, углеродного газообразователя (кокс, древесный уголь, сажа), которую затворяют водой, полученную пасту нагревают со скоростью 5-10°С/мин до температур 750-850°С и выдерживают при этой температуре 4-5 ч, затем блоки охлаждают в той же печи.
Этот способ также обладают следующими недостатками:
- использование 4-компонентной шихты;
- введение дополнительных операций - получение пасты и формирование блока;
- углеродный газообразователь наполняет газовые поры токсичным сероводородом.
3
Карбонатные газообразователи, в отличие от углеродных, не являются поверхностно-активными веществами, характеризуются значительным сродством к расплаву стекла и не могут оказывать на стекольную пену стабилизирующего действия (Шилл Ф. Пеностекло, Изд-во литературы по строительству, М., 1965, 307 с.; Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла, Минск: Наука и техника, 1972, 304 с.). Эти газообразователи на 70-100°С снижают температуру вспенивания, но пеностекло получается губчатым, с перфорированными стенками газовых ячеек. Считается, что получить пеностекло, характеризующееся малым водопоглощением (менее 10%) и плотностью <200 кг/м, используя карбонаты, невозможно, что и явилось причиной отказа от этой технологии в мировой практике. По этой технологии получают лишь акустическое и гранулированное пеностекло.
8
Наиболее близким к заявляемому способу, который лишен некоторых недостатков вышеописанных способов, является способ производства теплоизоляционного блочного пеностекла (патент RU №2237031 "Способ производства теплоизоляционного блочного пеностекла" МПК C03C 11/00, C03B 19/08), включающий приготовление порошкообразной смеси стекла и газообразоватедя, нагрев смеси в металлической форме в печи вспенивания, отжиг изделий, в смесь дополнительно вводят минеральное поверхностно-активное вещество в количестве 3-5 мас.% смеси, используют карбонатные газообразователи, а также металлические формы, у которых перед печью отжига освобождают крышку и одну из стенок, делая их подвижными, предотвращая раздавливание блока пеностекла в печи отжига, который осуществляют, используя тепло блоков и форм, причем непосредственно вспенивание при температуре 750±10°С ведут в течение 20-30 мин, а скорость снижения температуры в печи отжига от 550 до 50°С составляет 0,7-0,8°С/мин. Этот способ более технологичен и экологичен, осуществляется при более низких температурах. Однако для производства пеностекла используют три компонента, в том числе карбонатные газообразователи, поэтому способ остается достаточно сложным, а пеностекло, получаемое этим способом, дорогим.
Кроме того, некоторые из вышеописанных способов не позволяют получить цветное пеностекло, так как стекло, как правило, получается уже окрашенным в черный или серый цвет.
Заявляемое изобретение решает задачу создания более простого и дешевого способа получения пеностекла, а техническим результатом является соответственно упрощение и удешевление способа.
Этот технический результат достигается тем, что при производстве пеностекла, включающем приготовление порошкообразной смеси, включающей измельченное стекло и минеральное вещество, нагрев смеси в металлической форме в печи при температуре вспенивания, отжиг изделия, температуру вспенивания выбирают в пределах 720-780°С, а в качестве минерального вещества используют тальк в количестве 2-8 мас.% смеси. Для придания цвета в шихту могут быть добавлены минеральные красители, в качестве которых используют оксиды и сульфиды металлов в количестве 0,1-5%.
2
Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Из тарного или оконного боя стекла готовят тонко молотую шихту с удельной поверхностью >400 м/кг, содержащую стекло (92-98%) от общей массы и слоистый силикат тальк (ГОСТ 21234-75) в количестве 2-8% от общей массы. Увеличение количества талька в шихте свыше 8% приводит к неоправданному расходу талька, так как необходимые свойства не улучшаются, и повышает себестоимость пеностекла, а уменьшение его количества менее 2% к снижению порообразования. Шихту, содержащую тщательно перемешанные, порошки стекла и талька, дозируют в закрытую металлическую форму из легированной стали, которую подают в печь, например, туннельного типа. В течение 1-1,5 часа осуществляют нагрев от комнатной температуры до (720-780°С) и вспенивание (выдержку) при этой температуре в течение (10-30 минут). После вспенивания пеностекло резко охлаждают до температур 500-600°С в течение 3-10 минут, замораживая полученную ячеистую структуру. При этих температурах пеностекольные изделия извлекают из формы и направляют на отжиг в печь туннельного типа. Для облегчения операции извлечения пеностекольных изделий используются формы с разборными стенками.
Использование форм для получения изделия из пеностекла, которые выполнены с (разборными) стенками, позволяет получать различные строительные изделия, в том числе блоки, кирпичи, перемычки, плиты, тротуарную плитку, черепицу и др., с заданными геометрическими размерами и исключить из технологического процесса вредную операцию механической обработки блоков. Поверхность изделия в этом случае имеет остеклованную поверхность, повышающую прочность пеностекла.
2
Печь отжига по устройству аналогична печи вспенивания. После печи отжига блоки пеностекла извлекают из форм и упаковывают, и направляют на склад. Формы зачищают металлической щеткой и на внутреннюю поверхность наносят неорганическое защитное покрытие, предотвращающее налипание расплавленного стекла. После нанесения покрытия формы подсушивают, заполняют шихтой и цикл вспенивания - отжига повторяют вновь. Возможно получение цветных изделий. Для этого в смесь стекла и талька при их перемешивании добавляют порошки с удельной поверхностью не менее 400 м/кг соединений металлов в качестве минерального красителя в количестве 0,1-5 мас.% смеси. Это могут быть оксид кобальта ГОСТ 18671-73, оксид меди ТУ 6-09-02-381-85, диоксид титана ГОСТ 9808-84, двуокись марганца ГОСТ 25823-83, окись марганца ГОСТ 4470-79, окись хрома ТУ 6-09-4272-84, окись железа ТУ 6-09-5346-87, закись железа ГОСТ 2912-79.
Тальк обладает более мелкой дисперсной структурой по сравнению с молотым стеклом. При перемешивании частицы более крупной фракции (стекла) как бы образуют скелет, пустоты которого заполняются частицами мелкой фракции (талька). При нагреве и достижении температуры 600°С частицы стекла начинают слипаться друг с другом, образуя поры, заполненные тальком и воздухом. Известно, что тальк относится к группе монтмориллонита, вследствие чего обладает листовой кристаллической решеткой (У.Уоррел «Глины и керамическое сырье» перевод с английского. Под ред. д-ра геол.-мин. Наук В.П.Петрова, Изд «Мир», М, 1978 г, с.42-44). У минералов этой группы отдельные кристаллы состоят из многих единичных сложных слоев (пакетов). Эти сложные пакеты прилегают друг к другу кремнеземистыми листами, между ними нет гидроксильных связей и они удерживаются совместно только вандерваальсовыми силами, которые легко разрываются. Вода, находящаяся в межслоевых позициях испаряется уже при температуре 150-300°С, однако вода, находящаяся внутри кристаллической решетки может начать испаряться только при дальнейшем повышении температуры уже после образования пор слипанием частиц стекла. Известно, что при закрытой пористости вода испаряется в порах, образуя микрозоны повышенного давления (В.И.Назаров, Р.Г.Мелконян, В.Г.Калыгин «Техника уплотнения стекольных шихт», М., Легпромбытиздат, 1985 г.). Поры под действием такого давления расширяются, вследствие чего происходит вспучивание стекла. При остывании (замораживании) вспученного стекла поры остаются такого же расширенного размера. Содержащиеся в тальке окислы распределяются по поверхности пор, упрочняя их.
Примеры осуществления способа.
3
4
10
2
2
Пример 1. Смешивали 950 г (92 мас.%) порошка боя оконного или бутылочного стекла или их смеси с 82,6 г (8 мас.%) талька молотого (MgSiO(OH)) для керамической промышленности (ГОСТ 21234-75), размалывали до удельной поверхности стекла 600 м/кг. Смесь засыпали в металлическую форму с размерами 250×125×60 мм и направляли в печь вспенивания периодического действия. Время нагрева печи до температуры 720°С 1 час 10 мин. В промежутке между печами вспенивания и отжига в течение 5 мин производили охлаждение пеноблока до 600°С, после чего замки формы в течение 10-30 с раскрывали, а саму форму направляли в печь отжига. Отжиг в интервале температур 600-50°С проводили со скоростью 1,2°С/мин. Технологические параметры получаемого пеностекла приведены в таблице.
3
4
10
2
2
Пример 2. Смешивали 950 г (98 мас.%) порошка боя оконного или бутылочного стекла или их смеси с 19,5 г (2 мас.%) талька молотого (MgSiO(OH)) для керамической промышленности (ГОСТ 21234-75), размалывали до удельной поверхности стекла 600 м/кг. Смесь засыпали в металлическую форму с размерами 250×125×60 мм и направляли в печь вспенивания периодического действия. Время нагрева печи до температуры 780°С 1 час 10 мин. В промежутке между печами вспенивания и отжига в течение 5 мин производили охлаждение пеноблока до 600°С, после чего замки формы в течение 10-30 с раскрывали, а саму форму направляли в печь отжига. Отжиг в интервале температур 600-50°С проводили со скоростью 1,2°С/мин. Технологические параметры получаемого пеностекла приведены в таблице.
2
Пример 3. Смешивали 1000 г (99,9 мас.%) боя стекла и талька и 1 г минерального красителя (окиси хрома - ГОСТ 2912-79) (0,5 мас.%), размалывали до удельной поверхности 600 м/кг. Смесь засыпали в металлическую форму с размерами 250×125×60 мм и направляли в печь вспенивания. Время нагрева печи до температуры вспенивания 1 час 10 мин. Время вспенивания при 720°С соответствовало 25 мин. В промежутке между печами вспенивания и отжига в течение 5 мин производили охлаждение пеноблока до 620°С, после чего замки формы в течение 10-30 с раскрывали, а саму форму направляли в печь отжига. Отжиг в интервале температур 600-50°С проводили со скоростью 1,2°С/мин. В результате получали пеностекло в светло-зеленый цвет.
Пример 4. Смешивали, как в примере 3 1000 г (95 мас.%) боя стекла и талька и 52,6 г минерального красителя (оксид железа - ТУ 6-09-02-5346-87) (5 мас.%). Смесь засыпали в металлическую форму с размерами 250×125×60 мм и направляли в печь вспенивания. Время нагрева печи до температуры вспенивания 1 час 10 мин. Время вспенивания при 780°С соответствовало 25 мин. В промежутке между печами вспенивания и отжига в течение 5 мин производили охлаждение пеноблока до 620°С, после чего замки формы в течение 10-30 с раскрывали, а саму форму направляли в печь отжига. Отжиг в интервале температур 550-50°С проводили со скоростью 1,2°С/мин. В результате получали пеностекло в темно-сиреневый цвет. Благодаря несколько повышенной плотности полученное пеностекло может использоваться как конструкционный элемент в строительстве, например для кладки стен.
Заявляемый способ получения теплоизоляционно-конструкционного пеностекла является простым, технологичным и позволяет утилизировать бытовые и промышленные отходы стекла.
Таблица
№ п/п
Наименование показателей
Результаты испытания серии образцов:
Технические требования по ТУ 21002-2009 для марок: D300 D400 D500
Результаты испытания образцов по прототипу
Пример 1
Пример 2
Прим. 3
Прим. 4
1
Предел прочности при сжатии, ГОСТ 10180-90, МПа
7,91
7,52
7,46
7,56
2,5-4,5
1,4-2,2
6,0
2
Предел прочности при изгибе, МПа
4,70
4,51
4,5
4,53
0,7
-
3
Водопоглощение по объему, %, не более
0,8
0,9
0,85
0,95
Не более 5
4
4
Средняя плотность 12730.1-78, кг/м<sup>3</sup>
550
517
535
562
301-401
190-210
501-350
500-600
5
Морозостойкость, ГОСТ 25485-89 (испытания продолжаются)
F50
F50
F50
F50
F50
F40-
6
Теплопроводность в сухом состоянии, Вт/мК, ГОСТ 7076-99
0,11
0,11
0,10
0,10
0,083 0,100,11
0,076-0,085
0,042-0,050
Из таблицы видно, что материал, полученный заявляемым способом, превосходит материал, полученный по способу прототипа по таким показателям, как предел прочности, водопоглощение, морозостойкость, но уступает по теплопроводности.
Технические характеристики полученного заявляемым способом пеностекла соответствуют самым высоким требованиям к теплоизоляционно-конструкционным материалам и позволяют использовать его для всех видов ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назначения в любых климатических зонах.
Такое пеностекло имеет существенные положительные качества, которые делают его полезным, а именно: долговечность; высокая прочность благодаря повышенной плотности, стабильность размеров, не горит, не выделяет токсичных газов, низкое водопоглощение, высокая морозостойкость