Теплоизоляционная и огнезащитная композиция и способы ее получения
HEAT-INSULATING AND FIRE-RETARDANT COMPOSITION AND METHODS FOR PRODUCTION THEREOF

Область техники
Настоящее изобретение относится к средствам обеспечения защиты поверхностей и конструкций изделий, строительных материалов, зданий, других сооружений от температурного воздействия, в том числе высокотемпературного воздействия, например, пожаров, открытого пламени, тепловых потоков внешней среды. Более конкретно, настоящее изобретение относится к теплоизоляционным и огнезащитным композициям, а также способам их получения, и может быть использовано в области металлургии, энергетики, строительства, машиностроения и других областях техники.
Уровень техники
Теплоизоляционные и огнезащитные материалы, в частности покрытия, играют немаловажную роль при противодействии природным и техногенным катастрофам. Применение таких материалов на практике снижает риск распространения огня при пожаре, а также блокирует процессы нежелательного теплообмена между защищаемым (изолируемым) объектом и окружающей средой, что, в конечном итоге, предотвращает разрушительные последствия. К примеру, обработка теплоизоляционным покрытием тары, предназначенной для хранения легко воспламеняющегося сырья или изделий, для которых риск детонации является существенным, может привести к спасению большого числа человеческих жизней.
Аналогичные композиции широко известны из уровня техники, однако обладают рядом недостатков, накладывающих некоторые ограничения для их применения в условиях агрессивной внешней среды.
Из уровня техники известна теплозащитная композиция по патенту RU 2400506 (опубл. 27.09.2010, МПК C09D 1/00). Теплозащитная композиция содержит алюмокремнезоль, полые стеклянные микросферы, органическое связующее, выбранное из группы водных дисперсий полимеров акрилата, бутадиена, полиуретана, винилацетата, сополимеров акрилата со стиролом, бутадиенстирольного сополимера, поливинилового спирта и их смесей, и вспомогательные компоненты, представленные в виде красящих пигментов, полифосфата аммония и гидросила; и оксида титана.
Однако известная композиция обладает сравнительно высоким коэффициентом теплопроводности. Испытания в соответствии с ГОСТ 7076-99 показывают, что минимальное значение данного коэффициента для известной композиции составляет 0,05 Вт/(м⋅К). Кроме того, в состав данной композиции входит органическое связующее, отрицательно влияющее на термостойкость.
Из уровня техники также известно огнестойкое теплозащитное покрытие по патенту RU 2523818 (опубл. 27.07.2014, МПК C09D 5/18). Указанное покрытие содержит акриловую дисперсию, полые стеклянные микросферы, каолин, борат цинка, жидкое натриевое стекло, гидроксид кремния, диоксид титана, перлит, гидроксид алюминия, декабромдифенилоксид, пластификатор C-3, кремнефторид натрия, а также воду.
Однако известная композиция также характеризуется высоким коэффициентом теплопроводности - 0,072 Вт/(м⋅К) в соответствии с методом измерения по ГОСТ 7076-99, имеет ограничения по температурному диапазону эксплуатации - не более 750°С, обладает пониженной термостойкостью вследствие применения акриловой дисперсии в составе связующего.
Также из уровня техники известна огнезащитная композиция по патенту RU 2304119 (опубл. 10.08.2007, МПК C04B 28/26). Огнезащитная композиция содержит жидкое натриевое стекло, молотый кварц, микрослюду, каолин, этилсиликат-40, сополимер винилфосфоновой и акриловой кислот, алюмосиликатные микросферы, термостойкий микронизированный пигмент и стабилизатор вязкости Betolin A11 или Betolin A11 и Betolin QUART 20.
Однако недостатками известной композиции являются значительный коэффициент теплопроводности, термостойкость до 500°С и одноцикличность ее применения, то есть в качестве покрытия, известная композиция теряет свои технологические свойства после однократного высокотемпературного воздействия.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является техническое решение по заявке RU 2013137089 (опубл. 20.02.2015, МПК C04B 35/66), в которой раскрыты состав теплоизоляционной и огнезащитной композиции и способы ее получения. В известной композиции в качестве связующего применяется глина огнеупорная, жидкое натриевое и/или калиевое стекло, кремнезоль, в качестве основы - полые стеклянные микросферы, в качестве модифицирующих добавок - оксиды титана, циркония и магния, пластификатор представлен измельченным кварцевым волокном.
Известная композиция обладает низким коэффициентом теплопроводности (до 0,01 Вт/(м⋅К)), однако ее практическое применение ограничено в температурном диапазоне до 1300°С. Еще одним недостатком известной композиции является ее недостаточная устойчивость к атмосферному воздействию и вибрационным нагрузкам - при высыхании в нанесенном состоянии на поверхности покрытия образуются микротрещины, отрицательно влияющие на изоляционные свойства композиции.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение теплоизоляции и огнезащиты поверхностей различной природы и конфигурации.
Технический результат настоящего изобретения заключается в получении теплоизоляционной и огнезащитной композиции, обладающей низким коэффициентом теплопроводности, повышенной термостойкостью, устойчивостью к атмосферным воздействиям и вибрационным нагрузкам.
Другие задачи, решаемые настоящим изобретением, и результаты, проявляющиеся при использовании настоящего изобретения на практике, будут раскрыты более подробно при дальнейшем описании настоящего изобретения.
Для целей настоящей заявки использованы термины и определения, которые в целом могут быть истолкованы как известные для специалиста в области химии и, в частности, производства теплоизоляционных и огнезащитных композиционных материалов. Некоторые термины будут определены ниже, для того, чтобы обеспечить дополнительную ясность. В случае конфликта между известным значением и представленным определением, должно быть использовано представленное определение.
Под термином «теплоизоляционная композиция» понимается композиция, ограничивающая тепловой поток между объектом, который изолирован при помощи такой композиции, и внешней средой, и наоборот.
Под термином «огнезащитная композиция» понимается композиция, обеспечивающая защиту объекта от огня (пожара) и предохраняющая от воспламенения.
Под термином «связующее» понимаются вещества, обеспечивающие адгезию, монолитность, сцепление частиц основы и их цементацию в композиции.
Под термином «основа» понимаются вещества, придающие композиции ее основные физико-химические свойства.
Под термином «модифицирующая добавка» понимаются вещества, вводимые в композицию с целью улучшения ее физико-механических и технологических свойств.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения технический результат достигается за счет того, что теплоизоляционная и огнезащитная композиция содержит жидкое стекло, кремнезоль, глину огнеупорную, каолин, полые стеклянные микросферы, этилсиликат, пластификатор антипирен, оксид циркония, оксид магния, оксид титана, кварцевое волокно, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Жидкое стекло
15,0-27,0
Кремнезоль
25,0-37,0
Глина огнеупорная
10,0-20,0
Каолин
3,0-5,0
Полые стеклянные микросферы
13,0-20,0
Этилсиликат
1,0-2,0
Пластификатор антипирен
0,5-1,5
Оксид циркония
1,5-3,0
Оксид магния
0,5-1,0
Оксид титана
0,3-0,8
Кварцевое волокно
1,5-3,0
Вода
остальное
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, технический результат достигается за счет способа получения заявляемой теплоизоляционной и огнезащитной композиции, в котором смешивают жидкое стекло, кремнезоль, этилсиликат, глину огнеупорную, каолин, пластификатор-антипирен, оксиды циркония, магния, титана, кварцевое волокно и воду до получения однородной жидкой массы, в которую затем порционно и в несколько приемов добавляют полые стеклянные микросферы, при этом смешивая каждую порцию с получаемой смесью посредством миксера, обеспечивающего смешивание в направлении сверху вниз.
Осуществление данного способа, кроме всего прочего, позволяет получить теплоизоляционную и огнезащитную композицию в виде густой суспензии, характеризующейся высокой адгезией к поверхностям различной природы (металлы, бетон, керамика, древесина) и которая может быть нанесена на поверхности сложной конфигурации.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения, технический результат достигается за счет способа получения заявляемой теплоизоляционной и огнезащитной композиции, в котором смешивают жидкое стекло, кремнезоль, этилсиликат, глину огнеупорную, каолин, пластификатор-антипирен, оксиды циркония, магния, титана, кварцевое волокно и воду до получения однородной жидкой массы, в которую затем порционно и в несколько приемов добавляют полые стеклянные микросферы, при этом смешивая каждую порцию с получаемой смесью посредством миксера, обеспечивающего смешивание в направлении сверху вниз, затем полученную массу последовательно вибро-прессуют, сушат на воздухе, нагревают до температуры 850-1000°С со скоростью нагрева 5°С/мин, после чего доводят ее до полного спекания при указанной температуре.
Осуществление данного способа позволяет получить теплоизоляционную и огнезащитную композицию в твердом виде, не требующем специальной тары для хранения.
В формуле изобретения охарактеризована теплоизоляционная и огнезащитная композиция и два способа ее получения, следовательно, можно предположить, что требование единства изобретения в отношении заявленной группы изобретений является соблюденным.
При анализе известного уровня техники было установлено, что совокупность признаков каждого изобретения, представленного в независимом пункте формулы изобретения, неизвестна из сведений, ставших общедоступными в мире до даты приоритета изобретения. Следовательно, можно предположить, что каждое изобретение из группы изобретений соответствует условию патентоспособности «Новизна».
Также при анализе известного уровня техники не было выявлено технических решений, характеризующихся признаками, совпадающими с отличительными признаками настоящего изобретения и влияющих на заявляемый технический результат. Следовательно, можно предположить, что каждое изобретение из группы изобретений соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Реализация назначения изобретения при его осуществлении по любому из пунктов формулы изобретения, возможна с применением известного сырья, технологических процессов и оборудования. Следовательно, можно предположить, что каждое изобретение из группы изобретений соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».
Осуществление изобретения
На практике, чем выше значение коэффициента теплопроводности для определенного материала, тем интенсивнее происходит теплообмен между таким материалом и окружающей средой или каким-либо иным защищаемым и изолируемым объектом.
Для того, чтобы получить материал, практическое применение которого позволило бы получить заявленный технический результат, в составе композиции использованы следующие компоненты.
В качестве связующего в композиции выступают жидкое стекло (согласно ГОСТ 13078-81), кремнезоль (согласно ГОСТ Р 50418-92), огнеупорная глина и каолин. В качестве основы в композиции выступают полые стеклянные микросферы. В качестве модифицирующей добавки использованы этилсиликат, пластификатор-антипирен, оксид циркония, оксид магния и оксид титана. В качестве армирующей добавки использовано измельченное кварцевое волокно.
Далее в тексте описания приводятся значения количественных и качественных параметров компонентов, входящих в состав композиции, подобранные экспериментальным путем. При соблюдении представленных значений полезные эффекты, обеспечиваемые применением композиции, проявляются в наиболее полном объеме.
Проявление связующих свойств входящих в состав композиции элементов различно при повышении температуры. Так, при температурах до 200°С связующие свойства обеспечиваются жидким стеклом, а при температурах более 1000°С - кремнезолем и огнеупорной глиной.
3
Жидкое стекло является водно-щелочным раствором из силикатов калия или натрия, или лития. В предпочтительном случае осуществления настоящего изобретения используется жидкое калиевое стекло с максимальным уровнем, характерным для значения силикатного модуля в интервале 2,4-2,7 и плотностью 1,40-1,47 г/см. За пределами названных значений силикатного модуля и плотности наблюдается снижение связующих свойств.
2
3
Кремнезоль представляет собой высокодисперсный водный коллоидный раствор на основе SiO с максимальным уровнем pH 9-11 и плотностью 1,1-1,15 г/см.
2
3
Огнеупорная глина обладает связующими свойствами, твердение глины осуществляется в результате коагуляционных процессов, которые начинаются при комнатной температуре и продолжаются при температурах более 1000°С. Предпочтительно применяется огнеупорная глина, обогащенная с целью удаления оксида железа FeO до 0,2 масс. %, удаления гидрослюды до 0,8 масс. % и удаления крупных частиц глины.
Каолин представляет собой глину белого цвета, состоящую из минерала каолинита. Каолин вводится в состав композиции с целью снижения удельного веса вредных примесей (оксидов железа), содержащихся в огнеупорной глине и способствующих образованию жидкой фазы при температуре около 1000°С.
3
Полые стеклянные микросферы представляют собой легкосыпучий порошок белого цвета, состоящий из отдельных полых (вакуумированных) частиц сферической формы истинной плотностью 0,10-0,18 г/см. При уменьшении указанного диапазона для плотности, микросферы становятся более хрупкими, что отрицательно влияет на технологические свойства композиции. При увеличении указанного диапазона, возрастает плотность материала, что отрицательно влияет на изолирующие свойства композиции. Предпочтительно применяются микросферы из натрий-бор-силикатного стекла со следующим химическим составом:
2
NaO - 25.5-28.2%;
2
SiO - 71.7-73.8%;
2
BO - 3.8-4.4%.
Указанные микросферы обладают следующими свойствами: низкая теплопроводность и плотность, удовлетворительная механическая прочность, термостабильность, химическая инертность, высокая температура плавления. При использовании микросфер различного диаметра снижается осадочная деформация при сушке.
Этилсиликат  представляет собой сложную смесь олигоэтаксилоксанов плотностью 1,05-1,08 г/см3. Обладает высокотемпературными связующими свойствами и придает композиции гидрофобные свойства.
В качестве пластификатора-антипирена может быть использован полный эфир ортофосфорной кислоты и этиленхлоргидрина (трихлорэтилфосфат или трихлорбутилфосфат), способствующих повышению пластических свойств сухого покрытия и усилению огнезащитного эффекта за счет выделения антипиренов.
Оксиды металлов используются в качестве тугоплавких составляющих для огнеупорной глины, повышающих температуру плавления до 2000°С. Применяются мелкодисперсные оксиды циркония, магния, титана особо чистой марки.
Измельченное кварцевое волокно обладает высокими упруго-прочностными характеристиками, является стойким к воздействию высоких температур и различных агрессивных сред, способствует повышению стойкости покрытия к воздействию вибрационных и ударных нагрузок. Предпочтительно используют волокно, обогащенное оксидом циркония и обладающее диаметром 2-5 мкм, длиной 500-700 мкм. При большей длине волокна, изготовление композиции становится более трудоемким.
Заявляемая теплоизоляционная и огнезащитная композиция может быть получена следующим образом.
В лабораторный миксер закладывают:
Жидкое стекло калиевое
Кремнезоль
Глина огнеупорная
Каолин
Этилсиликат
Трихлорэтилфосфат
Оксид циркония
Оксид магния
Оксид титана
Кварцевое волокно
Вода
Из приведенных выше компонентов готовят жидкое связующее путем смешивания в миксере до получения однородной жидкой массы. В полученную смесь вводят 1000 г полых стеклянных микросфер из силикатборного стекла. Для обеспечения однородности композиции микросферы вводят в несколько приемов порциями, например, в три приема равными частями. Миксер подбирается таким образом, чтобы он обеспечивал перемешивание компонентов сверху вниз, т.е. позволял «топить» микросферы в жидком связующем.
Представленным выше образом осуществляется получение композиции в виде густой суспензии. Данную композицию наносят на поверхность изолируемого и/или защищаемого объекта посредством оборудования, обеспечивающего отсутствие пустот при нанесении, например, при помощи аппарата безвоздушного нанесения. При высыхании композиция затвердевает, и принимает форму поверхности объекта без образования трещин.
3
Коэффициент теплопроводности для данной композиции при температуре 20°С по ГОСТ 7076 составляет 0,01 Вт/(м⋅К); термостойкость - до 1500°С, плотность 260 кг/м.
Для получения композиции в твердом виде полученную ранее смесь закладывают в форму требуемого размера и помещают на вибростол, для вибропрессования. Спрессованную смесь подвергают естественной сушке при комнатной температуре, до значения влажности 2-5%. По окончании сушки изделие нагревают до температуры 1000°С со скоростью нагрева 5°С/мин, и выдерживают при достигнутой температуре до полного спекания, и затем медленно охлаждают.
3
Коэффициент теплопроводности для данной композиции при температуре 20°С по ГОСТ 7076 составляет 0,01 Вт/(м⋅К); термостойкость - до 1450°С, плотность 250 кг/м, т.е. характеристики композиций, полученных заявленными способами, являются одинаковыми. Полученную твердую композицию наносят на изолируемый и/или защищаемый объект приклеиванием при помощи термостойкого клеевого состава. В качестве такого состава может быть использована композиция согласно настоящему изобретению (пример 4) в виде густой суспензии.
В таблице 1 представлены конкретные примеры реализации теплоизоляционной и огнезащитной композиции, полученной согласно настоящему изобретению.
В таблице 2 представлены основные физико-химические свойства конкретных примеров реализации композиции.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет решить задачу обеспечения теплоизоляции и огнезащиты поверхностей различной природы и конфигурации в температурном диапазоне, превышающем соответствующие температурные значения, которыми характеризуются известные аналогичные технические решения.
При использовании настоящего изобретения на практике можно добиться снижения коэффициента теплопроводности до 0,01 Вт/(м⋅К), что позволяет говорить о прекрасных теплоизоляционных свойствах получаемой композиции.
Способы получения композиции не являются сложными, для их реализации не требуется разработка или доработка известного оборудования.
Кроме того, получаемая композиция может быть достаточно легко нанесена на поверхности сложной конфигурации. По отношению к различным поверхностям (металлы, бетон, керамика, древесина), композиция обладает высокой адгезией. При затвердевании композиция остается устойчивой к вибрационным нагрузкам и атмосферному воздействию, обладает бактерицидными свойствами.
Использование настоящего изобретения является экологически безопасным, поскольку при чрезвычайных ситуациях, например, при пожаре, вследствие окислительных реакций отсутствует выделение газообразных летучих токсичных соединений.
Таблица 1 - Теплоизоляционная и огнезащитная композиция и способы ее получения
Компоненты
Содержание компонентов, мас.%
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Жидкое стекло калиевое
15,0
20,0
25,0
27,0
Кремнезоль
30,0
28,0
25,0
30,0
Глина огнеупорная
12,0
15,0
15,0
20,0
Каолин
5,0
5,0
3,0
3,0
Полые стеклянные микросферы из натриевого бор-силикатного стекла
20,0
20,0
20,0
13,0
Этилсиликат
2,0
2,0
2,0
1,0
Пластификатор
0,5
1,0
1,5
0,5
Оксид циркония
3,0
3,0
3,0
3,0
Оксид магния
1,0
0,5
0,5
0,5
Оксид титана
0,3
0,3
0,3
0,3
Измельченное кварцевое волокно
3,0
3,0
3,0
1,5
Вода
8,2
2,2
1,7
0,2
Таблица 2 - Теплоизоляционная и огнезащитная композиция и способы ее получения
Параметры
Значения параметров
Метод испытания
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К)
0,01
0,01
0,01
0,03
ГОСТ 7076
Термостойкость, °С
1450
1500
1500
1700
ГОСТ 7875.0, ГОСТ 7875.2
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
250
270
260
400
ГОСТ 18995.1
Прочность сцепления с основанием (сталь), МПа (кгс/см²)
1,2(12)
1,2(12)
1,2(12)
1,4(14)
ГОСТ 30693, ГОСТ 28574
Условная прочность, МПа (кгс/см<sup>2</sup>)
0,45(4,5)
0,4(4,0)
0,39(3.9)
0,49(4,9)
ГОСТ 26589
Напряжение сжатия при 10% деформации, МПа
3,3
3,0
2,9
3,5
ГОСТ 23206, ГОСТ Р ЕН 826