ПЕНОСТЕКЛО

Полезная модель относится к теплоизоляционным материалам, в частности пеностеклу, и может быть использована в строительстве, для тепловой и акустической изоляции ограждающих конструкций, межкомнатных перегородок и перекрытий, производственного оборудования, трубопроводов, для тепловой изоляции холодильных установок промышленных холодильников, складов с термическим регулированием, и любых других конструкций и установок.
Пеностекла - это легкие газонаполненные материалы ячеистого строения, по структуре представляющие собой затвердевшую пену, замкнутая ячеистая структура в которых ограничена тонкими стеклянными стенками. Пеностекло получают путем обжига шихты, содержащей вещества, разлагающиеся при нагревании с выделением в расплавленной массе газообразных продуктов [Шилл Ф. Пеностекло - М., Стройиздат, 1965, с.307; Применение стекла в строительстве. Справочник - М., Стройиздат, с.283].
3
Известен теплоизоляционный материал типа пеностекла - пеноцеолит [Патент РФ №2272007, МПК С03С 11/00, опубл. 2006.03.20] с плотностью 950-643 кг/м, полученный вспениванием шихты, содержащей, мас.%: цеолитсодержащий туф - 86,2-87,2; NaOH - 12,8-13,8, при температуре 850-900°С.
3
Основным недостатком известного теплоизоляционного материала - пеноцеолита является высокие показатели плотности - 643-950 кг/м, что не позволяет такое изделие использовать в качестве эффективного теплоизолирующего строительного материала. Недостатком является также то, что пеноцеолит по известному решению изготавливают при достаточно высокой температуре вспенивания - 850-900°С и в узком температурном диапазоне вспенивания - 50°С. Кроме того, в качестве плавня предусматривается использование только гидрата оксида натрия, что может в ряде случаев ограничивать производство этих изделий из-за повышенных требований по технике безопасности и экологии.
3
Наиболее близким решением является пеностекло, полученное из природных механоактивированных алюмосиликатных материалов - нефелинового сиенита и вулканического стекла (перлит). Шихта содержит также стеклобой тарного стекла и гидрат оксида натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: нефелиновый сиенит 5-15; стеклобой тарного стекла 45-55; гидрат оксида натрия 7-9, вулканическое стекло остальное [Патент РФ №2164898, МПК С03С 11/00, опубл. 2001.02.10]. Плотность пеностекла по известному решению составляет 240-321 кг/м. Такое пеностекло, как известно, состоящее из газонаполненной замкнутой ячеистой структуры, ограниченной тонкими стеклянными стенками, получают при температуре обжига 750-800°С. Вспенивание осуществляется за счет выделения паров воды, возникающих в процессе конденсации гидроксильных групп гидратированной поверхности алюмосиликатных частиц.
3
3
Основным недостатком пеностекла по известному решению является его недостаточно низкая плотность, нижний предел которой составляет 240 кг/м. Такое пеностекло имеет явное преимущество в отношении экологии перед теплоизолирующими материалами на органической основе, типа пенополиуретанов, так как пеностекло не горит, не выделяет вредных газовых составляющих в атмосферу, оно экологически безопасно, характеризуется большим сроком эксплуатации без разрушения. Однако, данное пеностекло значительно уступает пенополиуретановым теплоизоляционным материалам в плотности (плотность пенополиуретанов составляет 40-150 кг/м), а следовательно уступает им и в теплоизолирующей способности.
Невозможность получения более легкого пеностекла по известному решению связано с характером источника газовой фазы, вспенивающей расплавленную стекломассу. Пеностекло вспенивается за счет выделения паров воды в период плавления шихты, которые возникают при конденсации гидроксильных групп, находящихся на поверхности алюмосиликатных частиц. Без специальной обработки алюмосиликатные компоненты шихты (нефелиновый сиенит, стеклобой тарного стекла) не содержат гидроксильных групп. В очень незначительном количестве они содержатся в перлитовом стекле, концентрация которых недостаточна для формирования стеклопены. Гидроксилирование алюмосиликатной поверхности частиц происходит при механоактивации твердых компонентов шихты. Однако такие гидроксильные группы недостаточно прочно связаны с алюмосиликатной поверхностью и концентрация их не велика. Поэтому изготовить пеностекло из известного состава шихты с более низкой плотностью и, следовательно, с более высокими теплоизолирующими свойствами, не возможно.
Кроме приведенного выше основного недостатка, пеностекло по известному решению имеет следующие недостатки:
2
- используемое алюмосиликатное сырье относится к достаточно твердым и плотным породам, также как и стеклобой тарного стекла. Для осуществления механоактивации шихты вначале производят сухой помол твердых компонентов до получения порошка с удельной поверхностью 3000-3500 см/г. Такая высокая степень помола требует высоких энергетических затрат на измельчение;
- в качестве флюсующего компонента для снижения температуры плавления шихты используют только гидрат оксида натрия. Данное вещество является лучшим плавнем для снижения температуры плавления таких твердых компонентов шихты, как плотные породы типа нефелинового сиенита, перлита и тарного боя стекла. Для взаимодействия с ними требуется очень активный реагент, такой как NaOH. Однако гидрат оксида натрия относится к соединениям с повышенными требования по технике безопасности.
Технической задачей предложенной полезной модели является создание пеностекла, которое будет характеризоваться всеми полезными качествами, связанными с неорганическим составом (негорючее, пожаробезопасно, экологически безвредно, долговечно, не гниет, не разрушается со временем и т.д.) и одновременно будет иметь пониженную плотность с высокоэффективными теплоизолирующими свойствами. Пеностекло такого качества должно изготавливаться с учетом использования в качестве плавня не только NaOH, но и других более безопасных широко распространенных плавней, таких как кальцинированная сода и жидкое стекло.
3
Техническим результатом предложенной полезной модели является создание высокоэффективного, экологически безопасного, облегченного пеностекла с плотностью 60-220 кг/см. Использование такого пеностекла обеспечит снижение массы стен зданий и строительных теплоизоляционных панелей и повышение их теплотехнической надежности.
Поставленная задача решается тем, что в пеностекле, состоящем из газонаполненной замкнутой ячеистой структуры, ограниченной тонкими стеклянными стенками, выполненной вспениванием при обжиге шихты из механоактивированного алюмосиликатного сырья и плавня, стеклянные стенки ячеек содержат поры, а в качестве алюмосиликатного сырья используют механоактивированный цеолитсодержащий туф при следующем соотношении компонентов, мас.%: цеолитсодержащий туф - 70-80; плавень - 20-30.
Сущность облегченного пеностекла в предложенной полезной модели поясняется следующими рисунками:
- Фиг.1. Общий вид пористой структуры пеностекла.
- Фиг.2. Стеклянная стенка ячейки с мелкими порами от 3 до 50 µm.
3
Облегченное пеностекло представляет собой ячеистую структуру из твердой и газообразной фазы, состоящую из двух уровней пор. Первый уровень пористой структуры представлен крупными ячейками от 0,5 до 3 мм, ограниченными тонкими стеклянными стенками. Второй уровень представлен мелкими порами от 3 до 50 µm, находящимися в тонких стеклянных стенках, разделяющих ячейки первого уровня. Двойная система пор приводит к облегчению пеностекла и уменьшению его плотности, которая составляет в таком пеностекле 60-220 кг/м.
Ячеистая структура пеностекла с хорошо развитыми двумя уровнями пор формируется за счет использования механоактивированного цеолитсодержащего туфа. Порообразование при формировании пеностекла из цеолитовых туфов осуществляется за счет цеолитовой воды, содержащейся в порах цеолитовых кристаллов. При использовании этого алюмосиликатного сырья нет необходимости в дополнительном гидроксилировании алюмосиликатной поверхности. Механоактивация в данном случае необходима для разделения кристаллов цеолита разного размера друг от друга, так как в породе они агломерированы. Цеолитсодержащее сырье содержит водосодержащие кристаллы цеолитов разного размера от микронных до субмикронных. Разделение таких кристаллов цеолитов друг от друга при механоактивации приводит к возможности самостоятельного участия в газообразования самых мелких водосодержащих кристаллов. За счет микронного размера они включаются в разделительные стенки ячеек первого уровня пор. Выделение паров воды в субмикронных цеолитах приводит к образованию мелких пор в стеклянных разделительных стенках ячеек первого уровня.
3
3
Кроме этого, за счет механоактивации цеолитсодержащего туфа, снижается температура спекания и плавления шихты, что приводит к сохранению в спекшейся шихте большего количества остаточных молекул воды. Температурный диапазон вспенивания по предложенному решению составляет 750-900°С. Увеличение концентрации источника вспучивающего газа - паров воды увеличивает вспучивающую способность стекломассы. Использование в качестве алюмосиликатного материала механоактивированного цеолитового туфа позволяет значительно уменьшить плотность пеностекла до 60-220 кг/м, по сравнению с минимальным значением по известному решению 240 кг/м, а также обеспечивает возможность использования в качестве плавня не только NaOH, но и других более безопасных широко распространенных плавней, таких как кальцинированная сода, жидкое стекло, их смеси или любые другие соединения, снижающие температуру плавления шихты.
Ограничение по составу шихты определяется оптимальностью протекания технологических процессов и качества продукции. При концентрации плавней в шихте более 30 мас.% наблюдается неустойчивость пены при температуре вспенивания и ее оседание при охлаждении. При концентрации плавней в шихте менее 20 мас.% щелочных оксидов недостаточно для плавления стекломассы в температурном диапазоне изготовления пеностекла с пониженной плотностью.
Пеностекло с пониженными значениями плотности формируется следующим образом: цеолитсодержащий туф из любого месторождения измельчается в шаровой или любой другой мельнице до размера частиц ≤250 мкм. Цеолитсодержащий порошок отдельно или в смеси с твердыми технологическими добавками подвергают механоактивации в течении 1-5 минут в планетарной мельнице или любой другой мельнице с эффектом механоактивации. Механоактивированная шихта смешивается с водными растворами гидроксида натрия, жидкого стекла или их смесей до получения пластичного теста с влажностью массы 18-21%. Из влажной смеси формуют гранулы, которые высушивают при 100°С до воздушно-сухого состояния.
3
Для получения блочного пеностекла гранулы засыпают в жаростойкие формы и обжигают в печи при температуре 750-900°С. После вспенивания до нужной плотности (60-200 кг/м), изделие отжигают по обычным режимам отжига пеностекольных изделий.
Для получения гранулированного пеностекла гранулы обжигают во вращающейся или любой другой печи, позволяющей проводить обжиг гранул без их слипания друг к другу. Обжиг осуществляют также при температуре 750-900°С.
В таблице даны составы шихты для получения облегченного пеностекла, температура обжига и плотность пеностекла.
№ п/п
Состав шихты, мас.%
Температура обжига, °С
Плотность, г/см<sup>3</sup>
1
Холинский туф - 80
750
60
NaOH - 25
2
Хотынецкий туф - 70
850
220
Na<sub>2</sub>CО<sub>3</sub> - 20
Жидкое стекло (по сухому остатку - 10
3
Холинский туф - 82
800
100
NaOH - 20
4
Шивыртуйский туф - 75
900
150
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> - 20
Жидкое стекло (по сухому остатку - 5