МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
MATERIAL FOR SURFACE TREATMENT AND ITS APPLICATION

Область техники
Изобретение касается материала для обработки поверхностей, который может использоваться, в первую очередь, в качестве теплоотражающего, теплоизоляционного покрытия, стойкого к воздействию влаги, которое демонстрирует значительные результаты даже при нанесении тонким слоем. Материал может использоваться в составе отделочной штукатурной смеси при возведении внутренних и наружных поверхностей на объектах и в зданиях, а также может использоваться повсеместно в промышленности и технике, где необходимо исключить тепловыделение. Материал можно также использовать в местах, где в течение длительного времени сохраняется избыточная влажность.
Уровень техники
Для внутренней и наружной теплоизоляции объектов используется ряд известных методов и материалов. Теплоизоляция большей части объектов выполняется с использованием полистирола или минеральной ваты; также используются различные вспененные материалы.
Недостаток полистирола заключается в том, что данный материал не обеспечивает диффузию водяного пара и недостаточно плотно прилегает к стеновому материалу. Это может приводить к осаждению влаги между полистиролом и стеной и размножению плесневых грибов, которые могут постепенно проникать вовнутрь объекта. Использование изоляционных плит для теплоизоляции требует больших временных и финансовых затрат, такая изоляция неэкологична и неприемлема в случае исторических зданий.
При заданном коэффициенте теплопроводности λ эффективность теплоизоляции зависит в основном от ее толщины. По этой причине классические виды теплоизоляции не могут использоваться там, где недостаточно пространства для ее установки. В инженерной практике часто возникает необходимость защиты от теплового излучения от горячих поверхностей в местах, где теплоизоляция при помощи изоляционных плит абсолютно невозможна.
Известна другая форма материала для теплоизоляционного покрытия; такой материал содержит мелкие теплоотражающие частицы, например полые стеклянные сферы. В случае использования такого материала нет необходимости линейно увеличивать толщину слоя, поскольку часть теплового излучения отражается теплоотражающими частицами. Они обычно крошечного размера. Известно множество применений на основе этого принципа, например CN 202302360, CN 10235923, KR 20090002459, KR 20100049348, СА 1171573 и US 2010040881. Все известные смеси теплоотражающих частиц с различными наполнителями и вяжущими веществами разрабатываются, как правило, для конкретного применения; их применение обычно жестко ограничено, и они содержат дорогостоящие и энергетически затратные смеси.
Технология материала для обработки поверхностей, который легко наносился бы на любую поверхность, который обладал бы высокими водонепроницаемыми свойствами, который имел бы превосходные теплоотражающие и теплоизоляционные характеристики даже при нанесении тонким слоем и производство которого было бы низкозатратным, в настоящее время необходима, но неизвестна.
Сущность изобретения
Вышеперечисленные недостатки можно в значительной степени исправить с помощью материала для обработки поверхностей с главным образом теплоотражающими и/или теплоизоляционными характеристиками, содержащего полые стеклянные частицы, вяжущее вещество и воду согласно данному изобретению. Сущность данного изобретения заключается в том, что материал изготавливается из смеси, содержащей:
- полые стеклянные частицы с размером основной фракции, составляющим от 65 до 110 μм,
- наполнитель в форме полых стеклянных частиц, который используется для заполнения промежуточного пространства между основной фракцией первых частиц; эти вторые полые стеклянные частицы имеют размер фракции, составляющий от 30 до 105 μм,
- диоксид кремния, который переработан в форму наночастиц.
Использование двух разных фракций полых частиц повышает теплоотражающие и теплоизоляционные характеристики материала в отдельно взятом нанесенном слое. Даже если вышеупомянутые фракции частично совпадают по размеру, при простом статистическом распределении размеров частиц, фракция наполнителя имеет меньший размер полых частиц, и это соответствующим образом повышает насыщенность материала. Пики статистического распределения размеров частиц (например, по кривой Гаусса) в стандартном промышленном производстве или при сортировке частиц, соответственно, будут соответствовать плотности нормального распределения вероятностей. Даже если мы рассматриваем кривые с разным ходом отклонения, две изначально разделенные фракции будут иметь, в принципе, пики плотности при разных размерах, т.е. в разных точках на оси x. Они могут также иметь разные пики на оси y. Разница между положением пиков плотности на оси x составляет минимум 20 μм, более предпочтительно, минимум 30 μм. При такой конфигурации смесь двух фракций будет иметь два независимых пика плотности распределения. В случае вышеупомянутых фракций весьма хорошие результаты достигаются даже при нанесении тонкого слоя материала. При благоприятной конфигурации размер основной фракции может составлять от 80 до 110 мм, а размер фракции дополнительного наполнителя может составлять от 30 до 80 μм; при особенно благоприятной конфигурации размер основной фракции может составлять от 85 до 110 μм, а размер фракции дополнительного наполнителя может составлять от 50 до 75 μм. Обнаружено, что использование двух разных фракций в одной смеси согласно данному изобретению дает намного лучшие результаты, чем при использовании разных фракций в двух разных слоях с одинаковой общей толщиной или при использовании одной фракции с соответствующим верхним и нижним пределом для размера (например, одной фракции, размер которой составляет от 30 до 110 μм).
Предпочтительно, чтобы полые стеклянные частицы основной фракции и/или фракции наполнителя были, по меньшей мере, частично вакуумированы или, по меньшей мере, наполнены инертным газом. В большинстве случаев полые частицы будут иметь форму полых микросфер, но точная геометрическая форма частиц не является решающей. Полые стеклянные частицы отражают и рассеивают инфракрасное излучение.
Диоксид кремния в форме наночастиц известен также как наностекло или жидкое стекло. В настоящее время он используется в качестве защитного покрытия для защиты поверхностей от грязи, настенных надписей и т.д. Диоксид кремния, переработанный в форму наночастиц, оптически нейтральный и не влияет на цвет материала, что важно в применениях, требующих соблюдения эстетических требований, например при использовании в облицовке зданий. Он также является устойчивым к воздействию ультрафиолетового излучения и может выдерживать температуры до 480°C; данный материал предупреждает размножение плесневых грибов и грибка, вызывающего гниение. В конкретной смеси по данному изобретению, диоксид кремния (особенно в форме кварцевого песка) имеет надежную адгезию к полым стеклянным частицам и это обеспечивает материалу высокий уровень стойкости к воздействию внешней влаги. В то же время материал является паропроницаемым и диффузно-открытым.
2
Диоксид кремния будет иметь, в предпочтительной конфигурации, форму аморфного порошка с размером фракции менее 5 μм, предпочтительно менее 1 μм. Такая фракция аморфного порошка диоксида кремния будет иметь высокие значения удельной поверхности, составляющие от 12000 до 35000 м/кг. Аналогичная фракция сверходнородной тонкой кремнеземной пыли используется для улучшения свойств цемента и называется микрокремнеземом. Порошкообразный диоксид кремния является невоспламеняющимся материалом, и его температура плавления составляет примерно 1.600°С. Широко известно, что кристаллический кремний может вызывать заболевание силикоз; несмотря на это, в смеси согласно данному изобретению используется аморфный диоксид кремния, а эта форма диоксида кремния не считается опасной.
В предпочтительной конфигурации смесь будет на водной основе и будет включать в себя стабилизаторы, добавки, а также краситель. Акриловая смола, или производное целлюлозы в водной акрилсодержащей дисперсии, или гидроксиэтилцеллюлоза, или метилцеллюлоза, или метилгидроксиэтилцеллюлоза, или этилгидроксиэтилцеллюлоза, или гидроксипропилцеллюлоза, или карбоксиметилцеллюлоза, или карбоксилметилгидроксиэтилцеллюлоза могут использоваться в качестве вяжущих веществ. В различных конфигурациях вяжущее вещество может быть создано на основе неорганического бентонита или синтетического полимера или может иметь цементную или нитроцеллюлозную основу.
Для достижения превосходных универсальных свойств предпочтительно, чтобы от 3 до 30% массы смеси составляли полые стеклянные частицы с размером фракции от 65 до 110 μм, чтобы пространство между ними было заполнено наполнителем из полых стеклянных частиц с размером фракции от 30 до 105 μм, который составляет от 3 до 15% от массы смеси, чтобы кварцевый песок, переработанный в форму наночастиц, составлял от 1 до 17% от массы смеси, чтобы вяжущее вещество составляло от 1 до 43% от массы, чтобы стабилизаторы составляли до 10% от массы смеси, чтобы прочие добавки составляли до 10% от массы смеси, и чтобы вода составляла от 3 до 45% от массы смеси.
Благодаря вышеупомянутому составу смеси мы получаем материал, подходящий для применения как в строительстве, так и в промышленности, как правило, в случаях, когда использовать классические тонкослойные изоляционные материалы для отделения тепла от холода сложно или неэффективно. Благодаря использованию полых стеклянных частиц и жидкого наностекла в смеси материал используется для достижения изоляционного и противоконденсационного эффекта.
При приготовлении смеси материала для обработки поверхностей будет предпочтительно, если дополнительные полые стеклянные частицы наполнителя будут добавлены в смесь только после того, как основные полые стеклянные частицы будут смешаны со связующим веществом, диоксидом кремния и прочими добавками соответственно. Обнаружено, что при применении данного подхода меньшие по размеру полые стеклянные частицы наполнителя не группируются вместе и вокруг друг друга, а лучше распределяются в пространстве между основными полыми стеклянными частицами.
Можно разбавить материал водой, что особенно целесообразно для применений в строительстве, где смесь распределяется путем затирки, при помощи малярного валика, грунтованием, напылением при помощи пистолета-распылителя низкого давления и т.д. В принципе, можно использовать разную основу вместо воды, т.е. разные растворители (спирт, синтетические вещества и т.д.). Материал можно наносить путем окунания, напылением порошка, а также другими средствами.
Смесь может содержать красители, примешиваемые к связующему веществу, которое обеспечивает окрашивание всего объема материала.
Материал согласно данному изобретению может использоваться как для наружных, так и внутренних работ и не вреден для здоровья. Материал будет использоваться главным образом для фасадов зданий, в авиационной промышленности, в судостроительной промышленности, в холодильной промышленности, в оборудовании для кондиционирования воздуха, автомобилестроении и, в общем и целом, везде, где требуется водостойкий изоляционный и отражающий слой. Материал будет наноситься по слоям, толщиной минимум от 0,4 до 2 мм, предпочтительно от 0,7 до 1,1 мм.
Краткое описание чертежей
Изобретение подробно описано в чертежах фиг. 1-4. Размеры и пропорции размеров полых частиц, а также их форма являются схематическими и носят пояснительный характер, поэтому не представляется возможным толковать чертежи как ограничивающие объем правовой охраны. На чертеже Фиг. 1 представлена детализация одного нанесенного слоя на металлической трубке выхлопной трубы. На чертеже фиг. 2 представлено поперечное сечение слоя, нанесенного на металлическую поверхность. На чертеже фиг. 3 представлено применение материала на строительной поверхности в виде отделочного слоя перекрашенной штукатурной смеси. На чертеже фиг. 4 представлен пример статистического распределения размеров частиц как основной фракции, так и фракции наполнителя.
Перечень используемых символов
1 - основные полые стеклянные частицы, 2 - дополнительные полые стеклянные частицы, 3 - вяжущее вещество, 4 – поверхность.
Примеры использования изобретения
Пример 1
В данном примере в соответствии с чертежами фиг. 3 и 4, материал используется в качестве заключительного поверхностного слоя штукатурки. Смесь состоит из полых стеклянных частиц 1 основной фракции от 65 до 110 мкм (μм), которая составляет 20% от массы смеси, и из дополнительной фракции полых стеклянных частиц 2 фракции наполнителя от 30 до 105 мкм, заполняющих промежуточное пространство, составляющих 10% от массы смеси.
В данном примере обе фракции полых стеклянных частиц, 1 и 2, имеют форму микросфер, которые внутри вакуумированы. Смесь также содержит жидкое стекло, т.е. диоксид кремния в форме наночастиц, который составляет 7% от массы смеси, производную целлюлозы, действующую в качестве вяжущего вещества 3, которая составляет 10% от массы смеси, и водную акрилсодержащую дисперсию, которая составляет 14% от массы смеси. Смесь в данном примере содержит гидроксид натрия, который составляет 4% от массы смеси, и тонкоразмолотый известняк, составляющий 8% от ее массы. Остальную часть смеси составляет вода. При смешивании основную фракцию полых стеклянных частиц 1 смешивают с вяжущим веществом и диоксидом кремния в виде наночастиц, а после того, как основные полые стеклянные частицы 1 смешаны с вяжущим веществом и диоксидом кремния в смесь добавляют дополнительные полые стеклянные частицы 2 и размешивают для равномерного заполнения промежуточного пространства между частицами 1 основной фракции.
Смесь обрабатывают до получения пластичной массы путем примешивания к ней порошкообразного красителя, и полученную смесь можно распределять по поверхности 4, например, шпателем слоем толщиной от 0,8 до 1 мм; поверхность может быть поверхностью каменной кладки, металлической, деревянной, стеклянной или пластиковой поверхностью.
Пример 2
В данном примере в соответствии с чертежами 1 и 4, материал предназначается для использования на металлической поверхности 4 трубки выхлопной трубы с целью снижения теплового излучения на окружающие компоненты двигателя внутреннего сгорания. Нанося слой толщиной 1,2 мм, мы также повышаем температуру газообразных продуктов сгорания, попадающих в каталитический конвертер. Слой устойчив к воздействию высоких температур, является невоспламеняющимся и не выделяет токсических веществ как в процессе нанесения на поверхность, так и в ходе эксплуатации; не оказывает влияния на точность измерений карбидного датчика.
Смесь, из которой приготовлен материал, состоит из основной фракции полых стеклянных частиц 1 с размером основной фракции, составляющим от 85 до 100 мкм, которые составляют 25% от ее массы, из дополнительной фракции полых стеклянных частиц наполнителя с размером фракции, составляющим от 50 до 75 мкм, которые составляют 15% от массы смеси и из диоксида кремния в форме наночастиц, который составляет 15% от массы смеси. При смешивании основную фракцию полых стеклянных частиц 1 смешивают с вяжущим веществом и диоксидом кремния в виде наночастиц, а после того, как основные полые стеклянные частицы 1 смешаны с вяжущим веществом и диоксидом кремния в смесь добавляют дополнительные полые стеклянные частицы 2 и размешивают для равномерного заполнения промежуточного пространства между частицами 1 основной фракции. Материал наносится путем погружения отглушенной трубки в ванну с материалом.
Пример 3
Материал для обработки поверхностей используется в качестве изоляционного слоя на холодильном оборудовании. Отобраны две разные фракции полых стеклянных частиц: основная фракция полых стеклянных частиц 1 и дополнительные полые стеклянные частицы 2 наполнителя таким образом, чтобы пики распределения плотности фракций основных и дополнительных полых стеклянных частиц (1, 2) были как можно дальше. Это способствует повышению адгезии и высокой гибкости, которая необходима для поверхности 4, вибрирующей и находящейся под постоянной нагрузкой. Пик основной фракции находится примерно на 95 мкм, пик фракции наполнителя приходится примерно на 50 мкм. Смесь содержит двуокись кремния в форме наночастиц, составляющую 12% от массы смеси. При смешивании основную фракцию полых стеклянных частиц 1 смешивают с вяжущим веществом и диоксидом кремния в виде наночастиц, а после того, как основные полые стеклянные частицы 1 смешаны с вяжущим веществом и диоксидом кремния в смесь добавляют дополнительные полые стеклянные частицы 2 и размешивают для равномерного заполнения промежуточного пространства между частицами 1 основной фракции. Материал наносится путем распыления смеси на предварительно разогретые трубы. Нарезка, гнутье и концевая заделка труб выполняется только после нанесения изоляционного покрытия. В другом примере материал можно наносить на внутреннюю сторону изолируемого объекта, например, на внутреннюю сторону бойлера для подогрева воды. Допускается обрабатывать поверхность бойлера также снаружи.
Пример 4
В данном примере материал для обработки поверхностей входит в состав сухой штукатурной смеси для внутренних и наружных работ. Смесь снова содержит основную и дополнительную фракции частиц с разными пиками распределения в соответствии с их размером. Сухая смесь разбавляется и смешивается с водой только непосредственно перед применением. Смесь может содержать вяжущее вещество на основе цемента. Разбавленная смесь наносится металлическим шпателем слоем, толщина которого составляет примерно 1 мм. Нанесенная штукатурная смесь создает паропроницаемую мембрану. Эта мембрана устойчива к воздействию неблагоприятных погодных условий. Благодаря включению в смесь кремниевых компонентов материал предупреждает образование влаги, рост мха и плесневых грибов. Мембрана также защищает штукатурку от просачивания внешней влаги. Внешняя влага быстро испаряется благодаря большой поверхности полых стеклянных частиц.
Примышленная применимость
Промышленная применимость очевидна. По данному изобретению возможно производство промышленным способом и в повторяющемся режиме теплоотражающего, теплоизоляционного материала для обработки поверхностей, стойкого к воздействию влаги, в основном в виде штукатурной смеси для отделки при возведении внутренних и наружных поверхностей на объектах и в зданиях, а также может использоваться повсеместно в промышленности и технике.
При этом использование двух фракций разных по размеру полых частиц с оптимальной разницей значений пиков распределения плотности фракций основных и дополнительных полых стеклянных частиц, которые смешиваются с обеспечением равномерного заполнения промежуточного пространства между частицами основной фракции, придает качественно новые свойства по сравнению с известными решениями. Тем самым увеличиваются теплоотражающие и теплоизоляционные характеристики нанесенного слоя материала, так как меньшие по размеру дополнительные полые стеклянные частицы не группируются вместе и вокруг друг друга, а распределяются в пространстве между основными полыми стеклянными частицами.
Вследствие этого расширяются функциональные возможности, эффективность и область применения как в строительстве, так и в промышленности, для достижения превосходных теплоотражающего, теплоизоляционного и противоконденсационного эффекта, даже при нанесении тонким слоем, для наружных, так и для внутренних работ, так как он не вреден для здоровья, поскольку содержит диоксид кремния в форме наночастиц.