Теплоизоляционный и звукоизоляционный материал и способ его получения
THERMAL AND SOUND INSULATION MATERIAL AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники
Изобретение относится к области неорганической химии и может найти применение для изготовления тепло- и звукоизоляционного материала, который наносится на подготовленную поверхность, требующую изолировать.
Уровень техники
Из опубликованной заявки RU 2014117555 А, 10.11.2015, C08L 29/04, известен тепло- и звукоизоляционный материал, содержащий минеральные волокна диаметром от 0,5 до 10,0 мкм, связующее, полученное отверждением водной композиции, содержащей поливиниловый спирт, модифицированный крахмал, сшивающий агент, катализатор, силан, масляный обеспыливатель, гидрофобизатор, и нано- или микрочастицы, причем тепло- и звукоизоляционный материал содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас. %:
минеральные волокна
от 92,0 до 98,0
связующее
от 0,61 до 7,00, в т.ч.
поливиниловый спирт
от 0,72 до 4,00
модифицированный крахмал
от 0,01 до 3,00
силан
от 0,01 до 0,20
гидрофобизирующая эмульсия
от 0,10 до 1,40
обеспыливатель
от 0,10 до 1,00
нано- или микрочастицы
от 0,01 до 1,00
а также способ получения этого материала, заключающийся в нанесении композиции на минеральное волокно, включающей поливиниловый спирт, модифицированный крахмал, сшивающий агент, катализатор, силан, масляный обеспыливатель, гидрофобизатор и нано- или микрочастицы, выбранные из группы, включающей графит, фуллерены, углеродные нанотрубки, глины, частицы металлов и их сплавов, карбидов и окислов, микрочастицы (микросферы) диоксида кремния или любые комбинации вышеперечисленных объектов, или любые их комбинации, на минеральное волокно с последующим отверждением при температуре 210-240°C и получением жесткого термореактивного полимера.
Из патента RU 2509064 С1, 10.03.2014, C08L 33/26, C08K 3/38 известен тепло- и звукоизоляционный полимерный композиционный материал, включающий волокнистый наполнитель - макулатуру картонную и/или бумажную и связующее - катионно-анионную полиакриламидную смолу марки «Ультрарез DS-150», и при этом дополнительно содержит 15 мас. % водный раствор поливинилового спирта и тетраборат натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Волокнистый наполнитель -
макулатуру картонную и/или бумажную
11,0-12,0
Катионно-анионную полиакриламидную
смолу марки «Ультрарез DS-150»
56,0-57,0
Поливиниловый спирт, 15 мас. % водный раствор
27,0-28,0
Тетраборат натрия
6,0-3,0
-1
а также способ получения этого материала, включающий разволокнение волокнистого наполнителя, смешение компонентов, формование плиты и сушку, отличающийся тем, что стадию разволокнения проводят на диспергаторе ротационного типа с частотой вращения ротора 2500-3000 об мин, при этом поливиниловый спирт вводится на стадии смешения в виде 15 мас. % водного раствора совместно с катионно-анионной полиакриламидной смолой марки «Ультрарез DS-150» и тетраборатом натрия.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение качества тепло- и звукоизоляции при одновременной упрощении технологии ее получения.
Раскрытие изобретения
Поставленная проблема, согласно первому объекту настоящего изобретения, решается за счет того, что тепло- и звукоизоляционный материал выполнен на основе минеральных волокон и двухкомпонентной полимерной связки для связывания минеральных волокон, один компонент которой включает водный раствор поливинилового спирта, а второй компонент представляет водный раствор борной кислоты или ее неорганических солей с добавкой водного раствора силиката натрия, полимеризация которого происходит при смешении компонентов при температуре помещения от 5°C до 50°C.
Поставленная проблема, согласно второму объекту настоящего изобретения, решается за счет того, что в способе получения тепло- и звукоизоляционного материала по п. 1 осуществляют одновременное напыление на изолируемую поверхность минерального волокна и двухкомпонентной полимерной связки с последующей сушкой при температуре помещения от 5°C до 50°C.
В частном варианте выполнения дополнительно используют сушильные устройства с использованием нагретого воздуха или инфракрасного нагрева.
Технический результат, достигаемый заявленной группой изобретения, заключается в получении гораздо более тонкого, по сравнению с аналогами, слоя образующейся на изолируемой поверхности тепло- и звукоизоляции без потери качества изолирующих свойств такого материала и без сползания или отрыва от поверхности, на которую он наносится.
Осуществление изобретения
Далее будут описаны различные частные примеры осуществления заявленного изобретения, которые не ограничивают и не исчерпывают другие возможные варианты выполнения, вытекающие из данного изобретения.
В существующей практике изготовления и применения тепло- и звукоизоляционных материалов чаще всего применяется технология, при которой сам материал изготавливается отдельно в виде матов, которые затем закрепляют различными способами (наклеиванием при помощи крепежных элементов) на поверхность (стены, пол, потолок и т.д.), которую требуется изолировать, что, в свою очередь, может привести к образованию различных дефектов при таком закреплении. При этом зачастую толщина такой изоляции относительно велика, что является критичным моментом.
Заявленное решение позволяет исключить данные недостатки, суть которого заключается в том, что сам тепло- и звукоизоляционный материал можно изготавливать непосредственно на месте и наносить на изолируемую поверхность методом напыления, при котором обеспечивается хорошая сплошность и однородность покрытия, а также можно варьировать толщину наносимого покрытия в зависимости от назначения и условий использования данной поверхности.
По сути, это разновидность торкретирования, но со смешиванием трех компонентов: водного раствора поливинилового спирта, водного раствора борной кислоты или ее неорганических солей с добавкой водного раствора силиката натрия.
Химизм образования тепло- и звукоизоляционного материала состоит в склеивании волокон двухкомпонентной клеевой композиции их водорастворимого, отверждаемого неорганическим компонентом. Для повышения клеящей способности клеевая композиция состоит из двух компонентов на водной основе, которые при смешении загустевают (желируются), повышая вязкость клеевой композиции в десятки раз.
Благодаря этому можно нанести гораздо более тонкий слой теплоизоляции без сползания или отрыва от подложки материала.
3
3
2
4
7
Клей состоит из двух компонентов - водного раствора поливинилового спирта (ПВС), хорошо известного и широко применяемого полимера, и раствора борной кислоты (HBO) или ее неорганических солей, в частности тетрабората натрия (NaBO) (буры). При смешении тетраборат натрия взаимодействует с молекулами ПВС, сшивая их друг с другом, что ведет к образованию сплошной полимерной сетки и образованию вязкого раствора.
2
5
8
В других частных вариантах выполнения используют неорганические соли, выбранные из ряда: метаборат натрия (NaBO), пентаборат натрия (NaBO).
Благодаря наличию в составе тетрабората клей, выполняющий роль связки между волокнами, имеет бактерицидные и фунгицидные свойства, а при нагревании до высоких температур ПВС выгорает, а тетраборат натрия сплавляет волокна между собой.
В качестве добавки используют 64% водный раствор силиката натрия (жидкое стекло) и минеральные волокна, например базальтовые. В других частных случаях в качестве минеральных волокон используют либо стекловолокно, либо асбестовое, либо углеродное волокно.
Способ реализуется за счет одновременного нанесения указанной композиции методом напыления на изолируемую стену при комнатной температуре (20°C). В частных случаях интервал температур может составлять от не ниже 5°C до 50°C.
Такой диапазон обусловлен проведенными испытаниями, которые показали, что при температуре ниже 5°C ухудшаются условия полимеризации и резко снижается качество получаемого материала, а при температуре выше 50°C наносимая композиция при нанесении на изолируемую поверхность начинает «течь» (сползать).
Для ускорения процесса высыхания нанесенной смеси используют различные устройства направленного действия с использованием нагретого воздуха (теплопушки, тепловентиляторы) или конвекторы с инфракрасным нагревом, равномерно обеспечивающие высыхания всей изолируемой поверхности с нанесенным на нее покрытием.
Общее содержание компонентов (в расчете на сухое вещество), мас. %:
Минеральное волокно
(стеклянное, кварцевое, базальтовое, каолиновое, алюмосиликатное)
86,0-98,8
Поливиниловый спирт
1,0-5,0
Натрия тетраборат
0,1-1,0
Натрия силикат растворимый (силикатный модуль 1…4)
0,1-8,0
Поливиниловый спирт вводится в форме 1,0-15% водного раствора.
Натрия тетраборат и натрия силикат вводятся в виде смешанного водного раствора с концентрацией 0,5-10% и 0,5-25% соответственно.
Если не ограничивать концентрацию растворов, указать, что «растворов с концентрацией, обеспечивающей оптимальный режим нанесения при заданном составе основных компонентов».
Пример 1
Материал приготовлен путем совместного напыления на подложку хлопьев базальтового волокна, водного раствора полимера (поливинилового спирта) и смешанного водного раствора тетрабората натрия и силиката натрия с последующим высушиванием покрытия до влажности 2-3%:
Базальтовое волокно
98,8%
Поливиниловый спирт
1,0%
Натрия тетраборат
0,1%
Натрия силикат М 3,0
0,1%
3
Плотность покрытия после сушки - 120 кг/м, адгезия и прочность покрытия недостаточные. Снижение доли поливинилового спирта ниже 1,0% нецелесообразно, так как ведет к дальнейшему снижению адгезии материала к подложке.
Пример 2
Материал приготовлен путем совместного напыления на подложку хлопьев базальтового волокна, водного раствора полимера (поливинилового спирта) и смешанного водного раствора тетрабората натрия и силиката натрия с последующим высушиванием покрытия до влажности 2-3%:
Базальтовое волокно
90,9%
Поливиниловый спирт
1,0%
Натрия тетраборат
0,1%
Натрия силикат М 3,0
8,0%
3
Плотность покрытия после сушки - 140 кг/м, адгезия и прочность покрытия высокие, замедленная скорость сушки покрытия, обусловленная повышенным содержанием силиката натрия, что делает повышение доли силиката натрия свыше 8,0% нецелесообразным.
Пример 3
Материал приготовлен путем совместного напыления на подложку хлопьев базальтового волокна, водного раствора полимера (поливинилового спирта) и смешанного водного раствора тетрабората натрия и силиката натрия с последующим высушиванием покрытия до влажности 2-3%:
Базальтовое волокно
93,9%
Поливиниловый спирт
5,0%
Натрия тетраборат
1,0%
Натрия силикат М 3,0
0,1%
3
Плотность покрытия после сушки - 120 кг/м, адгезия и прочность покрытия высокие, скорость сушки пониженная, в связи с высоким содержанием водорастворимого полимерного связующего, что делает дальнейшее повышение доли поливинилового спирта выше 5% и тетрабората натрия свыше 1,0% нецелесообразным.
Пример 4
Материал приготовлен путем совместного напыления на подложку хлопьев базальтового волокна, водного раствора полимера (поливинилового спирта) и смешанного водного раствора тетрабората натрия и силиката натрия с последующим высушиванием покрытия до влажности 2-3%:
Базальтовое волокно
86,0%
Поливиниловый спирт
5,0%
Натрия тетраборат
1,0%
Натрия силикат М 3,0
8,0%
3
Плотность покрытия после сушки - 150 кг/м, адгезия и прочность покрытия высокие, дальнейший рост содержания основных компонентов связующего существенно увеличивает время сушки материала и требует применения искусственной сушки, что снижает производительность и усложняет технологию.
Пример 5
Материал приготовлен путем совместного напыления на подложку хлопьев базальтового волокна, водного раствора полимера (поливинилового спирта) и смешанного водного раствора тетрабората натрия и силиката натрия с последующим высушиванием покрытия до влажности 2-3%:
Базальтовое волокно
96,5%
Поливиниловый спирт
2,0%
Натрия тетраборат
0,5%
Натрия силикат М 3,0
1,0%
3
Плотность покрытия после сушки - 120 кг/м, адгезия и прочность покрытия высокие, скорость сушки высокая, состав оптимально соответствует технологическим и эксплуатационным требованиям.
Пример 6
Материал приготовлен путем совместного напыления на подложку хлопьев стеклянного супертонкого (1-2 мк) волокна, водного раствора полимера (поливинилового спирта) и смешанного водного раствора тетрабората натрия и силиката натрия с последующим высушиванием покрытия до влажности 2-3%:
Стеклянное супертонкое волокно
96,5%
Поливиниловый спирт
2,0%
Натрия тетраборат
0,5%
Натрия силикат М 3,0
1,0%
3
Плотность покрытия после сушки - 60 кг/м, адгезия и прочность покрытия высокие, скорость сушки высокая, состав оптимально соответствует технологическим и эксплуатационным требованиям, превосходя составы на основе базальтового волокна по теплозащитным свойствам, но уступая по максимальным температурам применения.
Пример 7
Материал приготовлен путем совместного напыления на подложку хлопьев кварцевого волокна (диаметр волокна 1-3 мк), водного раствора полимера (поливинилового спирта) и смешанного водного раствора тетрабората натрия и силиката натрия с последующим высушиванием покрытия до влажности 2-3%:
Кварцевое волокно
96,5%
Поливиниловый спирт
2,0%
Натрия тетраборат
0,5%
Натрия силикат М 3,0
1,0%
3
Плотность покрытия после сушки - 70 кг/м, адгезия и прочность покрытия высокие, скорость сушки высокая, состав оптимально соответствует технологическим и эксплуатационным требованиям, превосходя составы на основе базальтового волокна по теплозащитным свойствам и максимальным температурам применения, но существенно превосходя по стоимости вследствие дороговизны кварцевого волокна.
Пример 8
Материал приготовлен путем совместного напыления на подложку хлопьев алюмосиликатного (каолинового) волокна, водного раствора полимера (поливинилового спирта) и смешанного водного раствора тетрабората натрия и силиката натрия с последующим высушиванием покрытия до влажности 2-3%:
Алюмосиликатное (каолиновое) волокно
96,5%
Поливиниловый спирт
2,0%
Натрия тетраборат
0,5%
Натрия силикат М 3,0
1,0%
3
Плотность покрытия после сушки - 180 кг/м, адгезия и прочность покрытия высокие, скорость сушки высокая, состав оптимально соответствует технологическим и эксплуатационным требованиям, уступая составам на основе базальтового, стеклянного и кварцевого волокна по теплозащитным свойствам, но существенно превосходя по максимальным температурам применения (до 1250°C).