СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВАКУУМНОГО ПЕНОСТЕКЛА
PRODUCTION OF VACUUM EXPANDED GLASS

Изобретение относится к области изготовления теплоизоляционных вспененных материалов, которые могут быть использованы в энергосберегающем строительстве, криогенной технике, для теплоизоляции рефрижераторов и в других отраслях, связанных с теплозащитой. Способ описывает получение пеностекла, в порах которого находится газ при давлении ниже атмосферного, что обеспечивает низкую теплопроводность материала.
2
Известны способы, при которых тонкоизмельченное силикатное стекло (частицы 2-10 мкм) смешивают с газообразователем (например, углеродом), получившуюся однородную механическую смесь (шихту) подают в формах либо на конвейерной ленте в туннельную печь. В результате нагрева до 800-900°С частицы стекла размягчаются до вязко-жидкого состояния, а углерод окисляется с выделением газообразных CO и CO, которые вспенивают вязко-жидкую стекломассу и образуют пеностекло [1].
Известные способы не позволяют получить материалы с теплопроводностью ниже 0,04-0,05 Вт/(м·К).
Известны способы получения вакуумных вспененных материалов.
Известен способ получения вакуумной теплоизолирующей панели из твердого пористого материала (Pat. US 5989371, 1999; Pat. US 6266941, 2001). Пористую основу панели формируют из смеси, содержащей порошок полиуретановой пены и наполнитель в виде порошка термопластичной смолы. Смесь помещают в пресс-форму и подвергают компрессионному сжатию в среде вакуума при температуре не ниже температуры стеклования полиуретана и не ниже температуры плавления термопластичной смолы, после чего запечатывают в упаковочный материал, внутри которого сохранятся вакуум, а пористая основа поддерживает заданную форму панели. В качестве наполнителя могут использоваться хлопья слюды, пластиковые пленки. В качестве термопластической смолы может использоваться смола стирола. При формовании может применяться вибрация. Аналогичный способ получения вакуумного теплоизолирующего материала, но без прессования, описан в патенте США №5889067.
Согласно патенту США №7166348 тестообразный материал экструдируют в область низкого давления, чтобы вызвать порообразование, и получают пористый материал с открытой пористостью, поверхность которого затем покрывают упаковочной барьерной пленкой при давлении около 10 Па.
Известно, что передача тепла через пористый материал осуществляется как через связный массив твердой фазы, так и через несвязную или малосвязную газовую фазу, заполняющую газовые пузырьки. Теплопроводность газовой фазы зависит длины свободного пробега молекул газа, т.е. от давления газа. Открытая пористость, используемая в патентах-аналогах, характеризуется наличием открытых пор, состоящих из сети капилляров, каналов и трещин, сообщающихся между собой и с поверхностью материала, т.е. газовая фаза образует связную область.
Недостатком известных способов получения вакуумных панелей является то, что сохранение пониженного давления газа в материале с открытой пористостью весьма проблематично. Теплозащитные свойства материала легко нарушаются при повреждении упаковочной барьерной оболочки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления теплоизоляционных пенистых материалов по патенту на изобретение RU №2332364 по заявке №2006101087, основанный на пропускании через расплав стекла перегретого пара. Через расплав стекла пропускают перегретый пар при температуре 950-1200°С, полученный из веществ, способных при охлаждении адсорбироваться на стенках замкнутых пузырьков, вспененный материал выдавливают в формы, охлаждают с понижением давления паров в пузырьках ниже атмосферного за счет их конденсации, вынимают из форм и отжигают путем плавного охлаждения в термоизоляционном шкафу. Принято за прототип.
Недостатками известного способа является технологическая сложность получения пеностекла, в особенности барботажа расплава перегретым паром. Пористость пеностекла, достигаемая известным способом, невысока, как и степень разрежения газа в порах, что препятствует достижению низкой теплопроводности.
Для решения поставленной задачи необходимо получить материал с закрытой пористостью с давлением газа в газовых пузырьках пеностекла ниже атмосферного.
Для этого в известном способе получения вакуумного пеностекла, включающем нагрев стеклянного порошка и вспенивание расплавленной стекломассы, стеклянный порошок нагревают до температуры плавления в среде гелия при давлении газа 0,2-0,5 МПа, выдерживают расплавленную стекломассу в зоне нагрева, осуществляя насыщения стекломассы газом за счет адсорбции. Затем сбрасывают избыточное давление газа и откачивают оставшийся газ вакуумным насосом до давления 10-100 Па, благодаря чему происходит вспенивание стекломассы растворенным гелием. Поддерживая достигнутое разрежение в газовой среде, охлаждают вспененную стекломассу до стадии стеклования. После охлаждения до комнатной температуры получают блок пеностекла с несвязной пористостью, который может быть механически обработан.
Признаки способа, общие с аналогами и прототипом:
а) частицы измельченного стекла нагревают до стадии плавления;
б) в расплав стекла вводят вещество, способное образовать зародыши несвязных пузырьков газа (центры порообразования). В способе по изобретению такими центрами порообразования служит растворенный гелий;
в) вспененную стекломассу охлаждают до стадии стеклования;
г) получают конечное давление газа в порах ниже атмосферного.
Признаки способа по изобретению, отличающие его от способа-прототипа, в котором расплав стекла продувают паром:
а) вместо перегретого водяного пара для образования пузырьков используют растворимый газ - гелий;
б) стадию плавления проводят под избыточным давлением газа;
в) в прототипе давление паров воды в порах ниже атмосферного достигается благодаря связыванию воды с высокогигроскопичными молекулами в стенках пузырьков. В способе по изобретению разрежение в порах достигается за счет стеклования расплава в вакууме.
Способ осуществляют в несколько стадий следующим образом. Порошок стекла помещают в газовую среду, находящуюся под избыточным давлением в несколько атмосфер, после чего подвергают тепловому воздействия. Под действием тепла стекло плавится, а газ, находящийся в порах, растворяется в вязкой стекломассе. Растворимость гелия в расплаве стекла примерно в сто раз выше, чем у аргона и других инертных газов, что делает его хорошим пенообразователем.
Осуществление способа иллюстрируется примером.
Пример: Для получения пеностекла используют тонкодисперсный стеклянный порошок с размером частиц менее 200 мкм. Стеклянный порошок может быть получен, например, плавлением шихты следующего состава, мас.%:
ацетат свинца
87,2
борная кислота
10,0
кварцевый песок
2,8
Шихту выдерживают при температуре приблизительно 900°С в течение часа. Полученную стекломассу охлаждают, измельчают в мельнице и просеивают через сито 200 мкм.
Стадия 1. Навеску стеклянного порошка засыпали в форму, выдерживающую высокую температуру, например графитовый тигель. Форму помещали в емкость, выдерживающую повышенное давление, например автоклав. В емкости обеспечивали среду гелия при повышенном давлении путем подачи газа от баллона через газовый редуктор.
Стадия 2. Стеклянный порошок, в порах которого находится растворимый газ гелий при давлении от 0,2 до 0,5 МПа (приблизительно от 2 до 5 атм), помещали в печь, нагревали до температуры плавления, которая составляет приблизительно 600-800°С.
Стадия 4. Затем стравливали избыточное давление газа через газовый вентиль, а оставшийся газ откачивали форвакуумным насосом с производительностью, обеспечивающей пенообразование за счет расширения содержащегося в стекломассе растворенного газа.
Стадия 5. Вспененную массу охлаждали в вакууме до стадии стеклования.
Процесс протекает следующим образом. На стадии плавления тонкодисперсный порошок насыщен газом, находящимся под давлением. При плавлении частицы стекла переходят в вязкопластичное состояние, и гелий под давлением насыщает расплав. При этом частицы стеклянного порошка сплавляются между собой, часть газа, находящегося в порошке, образует газовые пузырьки, в силу развитой поверхности контакта газ-жидкость часть газа интенсивно адсорбируется стеклом и растворяется в расплаве. Способ не требует добавления каких-либо веществ-пенообразователей, как это делается в традиционных способах получения пеностекла, поскольку центрами порообразования служит растворенный в вязкой стекломассе гелий. Время насыщения вязкой стекломассы газом зависит от свойств стекла, используемого для приготовления стеклянного порошка, температуры, вязкости расплава и подбирается опытным путем. При последующем снижении давления газовой среды путем стравливания газа до атмосферного давления и откачки с помощью форвакуумного насоса растворенный гелий расширяется и остается в стекломассе в виде разряженных газовых включений. При быстром сбросе давления и достаточно малой вязкости расплава, которая может регулироваться температурой, растворенные в стекломассе молекулы газа выполняют функцию центров порообразования, происходит вспенивание, т.е. в стекле образуется множество несвязных между собою пор. В условиях низкого, т.н. технического, вакуума с давлением ниже 1 мм рт.ст.(0,01-0,1 кПа) теплопроводность таких пор ниже, чем теплопроводность пор, например, с диоксидом углерода, образование которого часто используется для вспенивании пеностекла в способах-аналогах. После охлаждения до стадии стеклования образуется прочная пористая масса, в порах которой содержится гелий при давлении ниже атмосферного.
Техническим результатом является получение теплоизоляционного материала - вспененного стекла низкой теплопроводности, в пузырьках которого находится разреженный гелий. Расчетный коэффициент теплопроводности материала составляет приблизительно 0,02 Вт/(м·К), что ниже, чем у материала с такой же пористостью, получаемого по способу-аналогу.
Источники информации
1. Демидович Б.К. Пеностекло. - Минск: Наука и техника, 1975.
2. Pat. US 5989371, 1999; Vacuum heat-insulating panel and method for producing the same.
3. Pat. US 5889067, 1999; Open cell rigid polyurethane foam and method for producing the same and method for making vacuum insulation panel using same.
4. Pat. US 6266941, 2001. Vacuum heat-insulating panel and method for producing the same.
5. Pat. US 7166348, 2007. Core material for vacuum heat insulation material, and vacuum heat insulation material.
6. Патент на изобретение RU №2332364. Опубл. 27.08.2008. Прототип.