СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛЯННЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD TO PRODUCE FOAMED GLASS

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к производству облицовочно-теплоизоляционного материала.
Известно техническое решение (Патент США №4933306, МПК C03C 11/00. 12.06.1990 г. Способ получения пеностекла»), в котором предусмотрено изготовление пеностекла путем приготовления смеси стекла, силиката натрия и газообразователя и диоксида кремния в виде песка и нагрева смеси до пенообразования, причем обязательно механическое уплотнение смеси перед спеканием. Недостатком известного способа является усложнение процесса (обязательность уплотнения), требует дополнительных производственных мощностей, а также отсутствие возможности получения изделий размером более 30 см.
Известен способ получения изоляционного материала - пеностекла (Патент GB №1002786, МПК C03B 19/08. 25.08.1965 г. «Способ получения изоляционного материала - пеностекла»), включающий приготовление композиции на основе порошка стекла, водного раствора силиката натрия и водорастворимых органических соединений в качестве газообразователя, формирование заготовок с последующей их термообработкой. Недостатком известного аналога является то, что способ не предусматривает получение крупных качественных изделий, а также энергозатратность процесса.
Возможно использование технологии, предусматривающей термообработку и более крупных заготовок, как предлагается в патентах РФ(№2225373, МКИ C03C 11/00.  Опубл. 10.03.2004. Бюл. №7.; №67985, МКИ C03C 11/00.  Опубл. 10.11 2007. Бюл. №31.; №2167112, МКИ C03C 11/00.  Опубл. 20.05.2001. Бюл. №14.; №2272006, МКИ C03C 11/00.  Опубл. 20.03 2006. Бюл. №8).
Однако все известные технические решения предполагают термообработку тех или иных видов сырцовых заготовок в металлических формах, причем именно последние определяют конечные размеры пеностеклянного изделия. Вследствие расширения в процессе термопластичного вспенивания заготовок внутри металлических форм, на стенки последних оказывается высокое давление, что, в свою очередь, приводит к деформации, быстрому износу форм и высокой доле брака готовых изделий вследствие сжатия металлом форм.
Имеется возможность вообще избежать использования металлических форм, если сформировать сырцовую заготовку в виде блока, используя вяжущие свойства сырцовой композиции. Такое решение предлагается, например, в патенте «Способ получения пеностеклянных изделий» (Патент РФ №2453510, МКИ C03B 19/08. Способ получения пеностеклянных изделий / Н.Н. Капустинский, П.А. Кетов, Ю.А. Кетов. - Заявл. 14.10.2010. Опубл. 20.06 2012. Бюл. №17 (прототип), который является наиболее близким техническим решением к предлагаемому. Согласно способу-прототипу готовят композицию на основе порошка стекла, вяжущего, газообразователя и водного раствора силиката натрия. В качестве газообразователя используют углерод или водорастворимые органические соединения: глицерин, сахарозу, глюкозу или их смесь. В качестве вяжущего компонента используют органические кислоты - уксусную кислоту, или природные синтетические аморфные силикаты, или алюмосиликаты: аэросил, аморфный оксид кремния, цеолиты, диатомит, трепел, кирпичная глина. Полученную пасту заливают в форму, имеющую рельефную поверхность дна. Осуществляют нагрев до твердения композиции для получения прочных сырцовых заготовок, которые затем извлекают из формы и подвергают термообработке и отжигу.
3
Известное техническое решение имеет ограничения по размерам получаемых изделий. При термообработке большие заготовки обычно искажают свою форму, их разрывает на краях при интенсивном расширении массы. Также готовые изделия имеют ограничения по высоте, так как при значительной толщине заготовки теплоподвод внутрь заготовки резко снижается сразу после пенообразования в слоях, близких к наружной поверхности изделия. Этот процесс обычно приводит к отрыву верхней вспененной корки от заготовки и к браку всего изделия. Известный способ основан на свободном расширении сырцового блока, что позволяет создать рельефную верхнюю поверхность, но даже при использовании ровной формы при изготовлении заготовки верхняя поверхность изделия оказывается неровной вследствие неравномерности расширения. Для теплоизоляционных изделий напротив предпочтительна ровная верхняя поверхность. Наконец, известное техническое решение позволяет получать изделия только одной по толщине плотности. В то время как легкое пеностекло с плотностью ниже 240 кг/м имеет черный цвет вследствие избытка углерода в исходной массе, а цветное пеностекло имеет более высокую, чем указано плотность, но сочетать эти виды пеностекла в одном изделии в соответствии с известным патентом не представляется возможным.
Задачей создания изобретения является разработка способа, свободного от недостатков прототипа.
Указанные недостатки преодолеваются за счет ряда признаков предлагаемого технического решения.
На практике процесс осуществляется следующим образом в результате использования ряда признаков 1-го пункта формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ получения пеностеклянных изделий, включающий изготовление композиции из порошков стекла, вяжущего, силиката натрия, и воды, формование заготовок из полученной композиции, предварительный нагрев заготовок до твердения композиции и последующую термообработку, и отличительных, существенных признаков, таких как готовое изделие в виде блока формируют из прямоугольных заготовок, расположенных правильными рядами и/или слоями, при этом в печи заготовки между собой размещают на расстоянии, достаточном для заполнения расширяющейся массой при термообработке.
Согласно формуле изобретения прямоугольные заготовки изготавливаются методом прессования, или экструзии, или литья в формы.
Для твердения композиции заготовки предварительно прогревают при температуре 50-100 градусов.
Расстояние между заготовками соответствует 0,75-1,2 раза от линейного размера заготовки.
При изготовлении плит между слоями заготовок в горизонтальной плоскости помещают укрепляющую сетку и/или арматуру, которая после термообработки оказывается внутри пеностеклянного изделия.
Укрепляющая сетка и/или арматура выполнены из металла.
Для формирования верхней и нижней поверхностей готовой плиты верхняя и нижняя поверхности оснастки служат ограничителями при расширении пены.
Для получения фигурных изделий верхняя и/или нижняя поверхности оснастки имеют форму, отличную от плоской.
Для крепления готового пеностеклянного изделия к металлической сетке в процессе подготовки изделия к термообработке прикрепляют металлическую арматуру, которая после термообработки выступает за пределы готового пеностеклянного изделия.
В заготовки для наружного слоя пеностеклянных плит добавляют неорганические пигменты.
Для наружного слоя пеностеклянных плит перед термообработкой первым снизу слоем укладывают листовое стекло или стеклянные цветные плитки.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - возможность получать качественные пеностеклянные изделия больших размеров.
Общие условия проведения процесса
Осуществляют предлагаемое техническое решение следующим образом. Стеклобой дробят совместно с вяжущей добавкой до размера частиц менее 50-80 мк. Отдельно готовят водный раствор силиката натрия (жидкого стекла) с органическим водорастворимым газообразователем либо получают аналог раствора жидкого стекла, смешивая порошок аморфного оксида кремния с раствором гидроксида натрия. Смешивают порошок с приготовленным раствором, при необходимости добавляя неорганический пигмент в получаемую пасту. Полученную пасту помещают равными порциями в квадратные формы (либо льют в формы) либо экструдируют сквозь фильеру квадратного сечения, отрезая от получаемого бруска заготовки одинаковой длины. Формы с залитой пастой или экструдированные заготовки помещают на прогрев при температурах 50-100°C до отверждения композиции и получения прочных сырцовых заготовок. Полученные заготовки квадратного сечения помещают в печь, располагая правильными рядами, причем расстояние между заготовками соответствует 0.75÷1,2 раза от линейного размера заготовки. Допускается укладка металлической сетки поверх полученного слоя заготовок и укладка следующего слоя заготовок поверх нижнего, причем заготовки верхнего ряда расположены поверх заготовок нижнего ряда. Далее полученная закладка в печь подвергается термообработке и отжигу. При термообработке каждый из сырцовых блоков расширяется таким образом, что его расширяющаяся внешняя поверхность упирается в такую же расширяющуюся поверхность соседнего блока. В результате получается единое изделие, причем если применялось несколько слоев заготовок, разделенных металлической сеткой, то эта сетка оказывается внутри готового изделия. Готовое изделие при необходимости доводят до точных размеров, обрезая боковые грани.
Предложенное техническое решение подтверждается следующими примерами осуществления изобретения, которые иллюстрируют, но не ограничивают объем использования изобретения.
Пример 1
3
1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 280 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 5 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной пасты. Пасту заливают в квадратные формы со стороной 90 мм. Формы с пастой нагревают в термостате при 90°C в течение восьми часов, в результате паста становится твердой. Полученные сырцовые заготовки вынимают из форм и укладывают на горизонтальный стальной лист в печи, располагая блоки рядами на расстоянии 90 мм друг от друга. Печь с заготовками нагревают до температуры 760°C и выдерживают при заданной температуре в течение часа, после чего питание печи отключают и печь остывает вместе с материалом внутри. В результате термообработки сырцовые блоки расширяются, образуя стеклянную пену, и слипаются в непрерывную плиту, имеющую плотность 180 кг/м.
Пример 2
3
1000 г стеклобоя и 10 г уксусной кислоты помещают в шаровую мельницу, смесь размалывают до образования однородного порошка, проходящего через сито с размером ячейки 100 мк. Готовят водный раствор, содержащий 220 мл жидкого стекла, 150 мл воды и 10 мл глицерина. Смешивают порошок и жидкость до образования однородной пасты. Полученную пасту заливают в квадратные формы сечением 90 мм, ставят в термостат с температурой 80°C и оставляют до схватывания пасты в монолитное твердое изделие. Полученные изделия, сырцовые заготовки, извлекают из форм и помещают на горизонтальный стальной лист в печи, располагая блоки рядами на расстоянии 90 мм друг от друга. После термообработки при температуре 780°C заготовки увеличиваются в линейных размерах и спекаются в единую плиту. Плотность полученной плиты составляет 190 кг/м.
Пример 3
3
1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 210 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 5 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной массы. Массу прессуют на прессе полусухого прессования в матрице, имеющей квадратное сечение со стороной 70 мм. Полученные сырцовые заготовки располагают на поддонах и помещают в термостат при температуре 85°C на 10 часов до их отверждения. Полученные изделия, сырцовые заготовки, помещают на горизонтальный стальной лист в печи, располагая блоки рядами на расстоянии 70 мм друг от друга. После термообработки при температуре 790°C заготовки увеличиваются в линейных размерах и спекаются в единую плиту. Плотность полученной плиты составляет 185 кг/м.
Пример 4
3
1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 220 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 5 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной массы. Массу экструдируют через фильеру, имеющую квадратное сечение со стороной 80 мм. Полученные сырцовые заготовки располагают на поддонах и помещают в термостат при температуре 90°C на 8 часов до их отверждения. Полученные изделия, сырцовые заготовки, помещают на горизонтальный стальной лист в печи, располагая блоки рядами на расстоянии 80 мм друг от друга. После термообработки при температуре 790°C заготовки увеличиваются в линейных размерах и спекаются в единую плиту. Плотность полученной плиты составляет 195 кг/м.
Пример 5
3
1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 220 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 1,5 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной массы. Массу экструдируют через фильеру, имеющую квадратное сечение со стороной 80 мм. Полученные сырцовые заготовки располагают на поддонах и помещают в термостат при температуре 90°C на 8 часов до их отверждения. Полученные изделия, сырцовые заготовки, помещают на горизонтальный стальной лист в печи, располагая блоки рядами на расстоянии 60 мм друг от друга. После термообработки при температуре 790°C заготовки увеличиваются в линейных размерах и спекаются в единую плиту. Плотность полученной плиты составляет 260 кг/м.
Пример 6
3
1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 210 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 5 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной массы. Массу прессуют на прессе полусухого прессования в матрице, имеющей квадратное сечение со стороной 70 мм. Полученные сырцовые заготовки располагают на поддонах и помещают в термостат при температуре 85°C на 10 часов до их отверждения. Полученные изделия, сырцовые заготовки, помещают на горизонтальный стальной лист в печи, располагая блоки рядами на расстоянии 70 мм друг от друга. Поверх размещенного слоя сырцовых заготовок, помещается металлическая сетка, а поверх сетки снова укладываются сырцовые блоки, причем каждый блок верхнего ряда располагается поверх блока нижнего ряда. После термообработки при температуре 790°C заготовки увеличиваются в линейных размерах и спекаются в единую плиту, содержащую внутри себя металлическую сетку. Плотность полученной плиты составляет 190 кг/м.
Пример 7
3
1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 230 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 4 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной массы. Массу экструдируют через фильеру, имеющую квадратное сечение со стороной 80 мм. Брусок сырцовой массы после фильеры разрезают на столбцы длиной 60 мм. Полученные сырцовые заготовки располагают на поддонах и помещают в термостат при температуре 90°C на 8 часов до их отверждения. Полученные сырцовые заготовки помещают на горизонтальный стальной лист в печи, располагая блоки рядами на расстоянии 70 мм друг от друга. Сверху располагают стальной лист оснастки на расстоянии 100 мм от нижнего листа. После термообработки при температуре 790°C заготовки увеличиваются в линейных размерах и спекаются в единую плиту, имеющую толщину, равную расстоянию между верхним и нижним элементами оснастки. Плотность полученной плиты составляет 195 кг/м.
Пример 8
3
1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 230 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 4 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной массы. Массу экструдируют через фильеру, имеющую квадратное сечение со стороной 44 мм. Брусок сырцовой массы после фильеры разрезают на столбцы длиной 15 мм. Полученные сырцовые заготовки располагают на поддонах и помещают в термостат при температуре 90°C на 8 часов до их отверждения. Полученные сырцовые заготовки помещают в металлическую форму, представляющую собой внешний и внутренний полуцилиндры с диаметрами соответственно 150 мм и 110 мм, располагая блоки рядами на внутренней поверхности внешнего полуцилиндра на расстоянии 30 мм друг от друга. После термообработки при температуре 790°C заготовки увеличиваются в линейных размерах и спекаются в единый полуцилиндр, имеющий внешний диаметр 150 мм и внутренний 110 мм. Плотность полученного изделия составляет 195 кг/м.
Пример 9
3
1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 210 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 5 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной массы. Массу прессуют на прессе полусухого прессования в матрице, имеющей квадратное сечение со стороной 70 мм. Полученные сырцовые заготовки располагают на поддонах и помещают в термостат при температуре 85°C на 10 часов до их отверждения. Полученные изделия, сырцовые заготовки, помещают на горизонтальный стальной лист в печи, располагая блоки рядами на расстоянии 70 мм друг от друга. Поверх размещенного слоя сырцовых заготовок помещается металлическая сетка, причем к металлической сетке крепится арматура, направленная вверх, за границы предполагаемого расширения заготовок. Поверх сетки снова укладываются сырцовые блоки, причем каждый блок верхнего ряда располагается поверх блока нижнего ряда. После термообработки при температуре 790°C заготовки увеличиваются в линейных размерах и спекаются в единую плиту, содержащую внутри себя металлическую сетку, причем наружу выходят элементы арматуры, закрепленные внутри плиты к металлической сетке. Плотность полученной плиты составляет 200 кг/м.
Пример 10
1000 кг стеклобоя и 15 кг силикагеля помещают в шаровую мельницу, смесь размалывают до образования однородного порошка, проходящего через сито с размером ячейки 100 мк. Готовят водный раствор, содержащий 200 л жидкого стекла, 80 л воды и 2 кг сахарозы. Смешивают порошок и жидкость до образования однородной пасты. Добавляют в пасту синий кобальтовый пигмент в количестве 10 г и повторно перемешивают. Полученную пасту заливают в квадратные формы со стороной 90 мм и ставят в термостат при 80°C на 10 часов до схватывания пасты в монолитное твердое изделие. Полученные сырцовые заготовки для цветного пеностекла извлекают из формы и укладывают на горизонтальный стальной лист в печи, располагая блоки рядами на расстоянии 60 мм друг от друга.
3
Отдельно получают сырцовые заготовки для верхнего слоя заготовок. Для этого 1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 280 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 5 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной пасты. Пасту заливают в квадратные формы со стороной 75 мм. Формы с пастой нагревают в термостате при 90°C в течение восьми часов, в результате паста становится твердой. Полученные сырцовые заготовки вынимают из форм и укладывают на горизонтальный стальной лист в печи поверх сырцовых заготовок первого ряда. Печь с заготовками нагревают до температуры 790°C и выдерживают при заданной температуре в течение часа, после чего питание печи отключают и печь остывает вместе с материалом внутри. В результате термообработки сырцовые блоки расширяются, образуя стеклянную пену, и слипаются в непрерывную плиту, причем нижний слой окрашен пигментом и имеет плотность большую, чем верхний слой. В результате суммарная плотность всей плиты составляет 235 кг/м, а окрашенный пигментом слой, располагавшийся в печи снизу, может служить наружным окрашенным слоем в стеновой конструкции.
Пример 11
1000 кг несортового стеклобоя и аморфный оксид кремния - 100 кг трепела измельчают в шаровой мельнице сухого помола до порошка, проходящего через сито с размером ячейки 80 мк. Отдельно готовят раствор из 230 л воды, щелочного реагента - 25 кг гидроксида натрия NaOH и вспенивателя - 4 кг сахара. Полученный порошок смешивают с раствором до получения однородной массы. Массу экструдируют через фильеру, имеющую квадратное сечение со стороной 80 мм, и разрезают на бруски одинаковой длины. Полученные сырцовые заготовки располагают на поддонах и помещают в термостат при температуре 90°C на 8 часов до их отверждения.
Для получения плиты с декоративным слоем на горизонтальный стальной лист в печи укладывают слой стеклянной мозаики. Поверх слоя мозаики располагают сырцовые заготовки рядами на расстоянии 70 мм друг от друга. После термообработки при температуре 790°C заготовки увеличиваются в линейных размерах и спекаются в единую плиту, причем снизу пеностеклянная плита оказыватся спеченной со слоем стеклянной мозаики и данная поверхность готового изделия используется в стеновых конструкциях как лицевая.
Предложенный способ приводит к повышению производительности в производстве пеностеклянных изделий, устранению брака, возможности изготовления крупногабаритных изделий. Изделия, полученные этим способом, нуждаются в минимальной обработке перед отправкой потребителю. В производстве снижаются до минимума процессы механической обработки готовых изделий. Сырцовые заготовки могут изготавливаться заранее и пространственно раздельно от термообработки, что открывает возможность разделения производств сырцовых заготовок и готовых изделий. Предлагаемое техническое решение позволяет получать изделия с высокими прочностными и теплоизоляционными характеристиками, полученные технологичным способом с низкими затратами и высокой производительностью.
Расширяющаяся термопластичная пена отдельных тел спекается в единый однородный непрерывный блок, лишенный дефектов. Поэтому предлагаемое техническое решение приводит к неожиданному и неочевидному эффекту - образованию прочной композиции, однородной по всему объему.
Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.