КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ШУНГИТА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
SCHUNGITE-BASED COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF PRODUCING SAID MATERIAL

Изобретение относится к получению композиционного материала на основе шунгита и гипса, который может быть использован в производстве экологически чистых строительных изделий (облицовочные плитки, стеновые блоки и панели). Кроме того, следует особенно отметить возможность использования предложенного материала для медицинских целей и в качестве лечебного материала и средства для защиты от излучений.
Известен композиционный материал, состоящий из активированного влажного фосфогипса и добавки в виде альфа-полугидрата сульфата кальция, который получают, измельчая и смешивая фосфогипс с влажностью до 30% в шаровой мельнице, со строительным гипсовым вяжущим, а затем используя полученный продукт для изготовления изделий методом прессования (Терехов В.А., Варламов В.Н. и др. Искусственный гипсовый камень из активированного фосфогипса. Строительные материалы. 1985, N 2).
Известен также композиционный материал, включающий гипсовое вяжущее и добавку. В качестве добавки используют кремнеземсодержащие добавки, состоящие из песка, и отход минераловатного производства - "корольки", а в качестве гипсового вяжущего влажный фосфогипс. Соотношение компонентов в смеси следующее, мас.%:
песок
- 15-20
"корольки"
- 5-15
фосфогипс
- остальное
Смесь получают следующим образом. Все компоненты дозируют и засыпают в шаровую мельницу. Помол производят в зависимости от исходной влажности фосфогипса. Изделия, полученные из этой смеси, высушивают при температуре 50-55°С в течение 3-4 часов. Использование данной смеси позволяет получать достаточно прочные изделия, но при этом влагостойкость изделий невелика из-за использования фосфогипса. Кроме того, спектр применения этого композиционного материала крайне невелик, т.к. используется экологически нечистое сырье, а именно фосфогипс (патент РФ 2052416, С04В 28/14, 1996).
Известен способ получения композиционного материала, включающий дробление гипсового камня, его прокаливание при температуре 600-750°С с получением ангидрита, сушку и измельчение полученного вяжущего в присутствии добавки - сульфата натрия (Волженский А.В. Гипсовые вяжущие и изделия. - М.: Стройиздат, с.69-70). Данный способ предусматривает дополнительную операцию - сушку сульфата натрия, так как он достаточно гигроскопичен, а введение высушенного сульфата натрия в композиционный материал вызывает снижение качества готового продукта.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является композиционный материал и способ его получения, включающий гипсовое вяжущее и добавку, отличающийся тем, что в качестве гипсового вяжущего используют бета-полугидрат или водорастворимый ангидрит, а в качестве добавки - природный углеродсодержащий минерал - шунгит с дисперсностью от 1 до 200 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
указанное гипсовое вяжущее
- 50-90
указанный шунгит
- 10-50.
Способ получения композиционного материала, включающий дробление гипсового камня, его прокаливание при повышенных температурах и сухое смешение полученного гипсового вяжущего с добавкой, отличающийся тем, что при получении композиционного материала по п.1 прокаливание ведут до получения гипсового вяжущего - бетта-полугидрата или водорастворимого ангидрита сульфата кальция (Лавров B.C. (RU); Рак В.А. (RU); Колпаков Ю.А. (RU); Ануфриев А.А., Патент RU №2232733 от 20 июля 2004 г.).
К недостаткам композиции и способа относятся малая прочность получаемого материала, особенно при содержании шунгита от 40 до 50%, недостаточно высокое снижение уровня излучения, малое антисептическое воздействие на патогенную флору, незначительный эстетический показатель (черно-серый цвет изделий), сам способ получения энергоемок в части получения вяжущего - ангидрита, требующий значительных энергозатрат при обжиге гипса, его смешении с тонкоизмельченным шунгитом и при сушке изделий, содержащих большое количество воды (до 50% влажности).
Для практических целей представляет значительный интерес введения большего количества шунгита в композиционный материал, однако предложенный способ не позволяет вводить в состав композиционного материала более 50% шунгита, из-за значительного падения прочности и нестойкости получаемого материала.
2
2
2
3
2
Шунгит - уникальный природный НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ. Он необычен по происхождению, структуре входящего в его состав углерода и структуре самих пород, представляющих окаменевшую древнейшую нефть, или аморфный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный (т.е. содержащий определенные регулярные структуры) углерод. Его содержание в породе около 30%. Кроме углерода в состав шунгита входят также SiO (57,0%), TiO (0,2%), AlO (4,0%), FeO (2,5%), MgO (1,2%), KO (1,5%), S (1,2%).
Уникальные свойства шунгита объясняются его необычной структурой, образованной в породе матрицей, в которой равномерно распределены дисперсные силикаты со средним размером около 1 мкм.
Свойства шунгита определяются особенностью его состава и наличия фуллеренов, являющихся особой новой формой углерода, которая вначале была открыта в научных лабораториях при попытке моделировать процессы, происходящие в космосе, а позднее обнаружена в земной коре.
Цель предлагаемого технического решения заключается в повышении прочности получаемого композиционного материала в изделиях, уровня эстетичности, снижении энергозатрат на измельчении шунгита, сушку и испарение влаги из получаемого шунгитогипсового материала, снижении уровня излучения, радиопрозрачности, повышении эффективности антисептических эффектов и упрощении способа получения композиционного материала и его экономической выгоды.
Поставленная цель достигается в создании композиционного материала с использованием преимущественно щебня шунгита с крупностью 3-20 мм и гипсового вяжущего, пластификатора-поликарбоксилата натрия, гидроксида кальция и замедлителя схватывания - «амидокс», а также способа получения этого материала, заключающегося в предварительном смачивании шунгитового щебня раствором поликарбоксилата и амидокса, с последующим введением в массу при перемешивании порошкообразного гидроксида кальция и гипсового вяжущего. В качестве гипсового вяжущего может использоваться строительное гипсовое вяжущее, или высокопрочное гипсовое вяжущее, или их смеси.
Поверхностно-активное вещество "Амидокс" (ТУ 38-507-63-116-90) получают путем окисления крахмала или крахмалсодержащего растительного сырья в присутствии катализаторов.
Композиционный материал включает шунгитовый щебень указанной крупности, гипсовое вяжущее поликарбоксилат натрия, амидокс и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- указанное гипсовое вяжущее
- 18-38
- гидроксид кальция
- 0,5-1,0
- шунгитовый щебень
- 51-74
- поликарбоксилат натрия
- 0,5-0,8
- амидокс
- 0,2-0,5
- вода
- остальное
Способ получения предложенного композиционного материала включает смешивание шунгитового щебня с раствором, содержащим поликарбоксилат натрия и амидокс для закрепления на поверхности шунгита поликарбоксилата, затем введения в полученную массу порошкообразного гидроксида кальция для активации на поверхностях шунгита органических молекул и затем введение гипсового вяжущего, полученная шунгитогипсовая суспензия направляется на формование изделий.
Композиционный материал по данному изобретению (составу и способу) обеспечивает электрическую проводимость, поглощение нейтронного излучения, альфа-, бета-, гамма- и рентгеновского излучения, стойкость к солнечной радиации, обладает антисептическими и биоцидными свойствами.
Все вышесказанное обуславливает перспективу широкого применения предложенного композиционного материала.
Количество вводимого шунгита в композиционный материал значительно увеличено (до 74 мас.%), что позволяет повысить его защитные свойства от излучений в широком диапазоне, биоцидные и антисептические показатели, а с другой стороны, сохранить высокую прочность изделий при малых расходах вяжущего.
Примеры исполнения способа
Пример 1. В смеситель загружали 57 кг воды и 740 кг шунгитового щебня, в которую при непрерывном перемешивании добавляли 7 кг поликарбоксилата натрия, 2,0 кг замедлителя схватывания - амидокс, через 1-2 мин добавляли 5 кг порошкообразного гидроксида кальция и затем 180 кг строительного гипсового вяжущего, соблюдая В/Г=0,32; В/Т=0,06. Количество теплоэнергии, затрачиваемое на сушку изделия, равно 32500 ккал. Гипсошунгитовую бетонную массу выгружали в форму строительного изделия. Через 2 часа измеряли физико-механические показатели: прочность, снижение уровня поглощения излучения, радиопрозрачность, антисептические и эстетические свойства, результаты изучения представлены в табл.2.
Пример 2. В смеситель загружали 90 кг воды и 510 кг шунгитового щебня, в которую при непрерывном перемешивании добавляли 8 кг поликарбоксилата натрия, 2,0 кг замедлителя схватывания - амидокс, через 1-2 мин добавляли 10 кг порошкообразного гидроксида кальция и затем 380 кг строительного гипсового вяжущего, соблюдая В/Г=0,24; В/Т=0,10. Количество теплоэнергии, затрачиваемое на сушку изделия, равно 50600 ккал. Далее, как в примере 1.
Пример 3. В смеситель загружали 89 кг воды и 600 кг шунгитового щебня, в которую при непрерывном перемешивании добавляли 8 кг поликарбоксилата натрия, 5,0 кг замедлителя схватывания - амидокс, через 1-2 мин добавляли 10 кг порошкообразного гидроксида кальция и затем 295 кг строительного гипсового вяжущего, соблюдая В/Г=0,30; В/Т=0,1. Количество теплоэнергии, затрачиваемое на сушку изделия, равно 50900 ккал. Далее, как в примере 1.
Пример 4. В смеситель загружали 120 кг воды и 555 кг шунгитового щебня, в которую при непрерывном перемешивании добавляли 6 кг поликарбоксилата натрия, 5,0 кг замедлителя схватывания - амидокс, через 1-2 мин добавляли 10 кг порошкообразного гидроксида кальция и затем 304 кг строительного гипсового вяжущего, соблюдая В/Г=0,39; В/Т=0,14. Количество теплоэнергии, затрачиваемое на сушку изделия, равно 70800 ккал. Далее, как в примере 1.
Пример 5. В смеситель загружали 95 кг воды и 700 кг шунгитового щебня, в которую при непрерывном перемешивании добавляли 8 кг поликарбоксилата натрия, 5,0 кг замедлителя схватывания - амидокс, через 1-2 мин добавляли 10 кг порошкообразного гидроксида кальция и затем 182 кг строительного гипсового вяжущего, соблюдая В/Г=0,52; ВТ=0,11. Количество теплоэнергии, затрачиваемое на сушку изделия, равно 53800 ккал. Далее, как в примере 1.
Пример 6. (по прототипу). 1000 кг гипсового камня (дигидрата сульфата кальция) дробят с получением фракции 0-8 мм, а затем прокаливают при температуре в слое продукта - 170°С с получением 843 кг гипсового вяжущего (бета-полугидрата сульфата кальция), которое затем смешивают с 168,6 кг (20 мас.%) шунгита дисперсностью 1-200 мкм. Смесь гомогенизируют и затворяют 506 кг воды для получения изделия, которое сушат до постоянной массы. Количество теплоэнергии, затрачиваемой на сушку изделия, равно 320000 ккал.
Пример 7. (по прототипу). 1000 кг гипсового камня (дигидрата сульфата кальция) дробят с получением фракции 0-10 мм, а затем прокаливают при температуре в слое продукта 335°С с получением 791 кг гипсового вяжущего (водорастворимого ангидрита сульфата кальция), которое затем смешивают с 237,3 кг (30 мас.%) шунгита дисперсностью 1,0 мм. Затем смесь размалывают в мельнице в течение 60 мин до получения шунгита в нем с дисперсностью 1-200 мкм и затворяют 475 кг воды для получения изделия, которое сушат до постоянной массы. Количество теплоэнергии, затрачиваемое на сушку изделия, равно 304000 ккал.
Составы композиционного материала представлены в табл.1.
Таблица 1
№ примера
Содержание компонента, мас.%
Шунгит
Поликарбоксилат натрия
Гипсовое вяжущее
Амидокс
Гидроксид кальция
Количество воды на затворение, %
1
74,0
0,7
18,0
0,2
0,5
6,6
2
51,0
0,8
38,0
0,2
1,0
9,0
3
60,0
0,5
29,5
0,3
0,8
8,9
4
55,5
0,6
30,4
0,5
1,0
12,0
5
70,0
0,8
18,2
0,5
1,0
9,5
6 (прототип)
20,0
-
50,0
-
-
30,0
50,0
-
32,0
-
-
18,0
Результаты испытаний композиционного материала представлены в табл.2.
Таблица 2
№ примера
Результаты физико-технических испытаний
Прочность, МПа
Снижение интенсивности радиоактивного излучения (в число раз)
Прозрачность в диапазонах УКВ, СВ, ДВ и ЧВ, %
Антисептические св-ва, *%
Эстетичность, балл
Энергозатраты, на 20 кг изделия, тыс. ккал
альфа
бета
гамма
1
45,0
20,0
18,0
19,0
0
99,9
7,5
0,7
2
12,5
5,0
2,7
4,6
0,1
98,0
8,0
1,0
3
38,0
10,5
8,0
12,0
0
98,9
7,8
1,1
4
40,9
14,0
10,0
13,0
0
99,2
7,7
1,6
5
15,0
8,5
4,5
7,0
0
98,0
8,0
1,2
6 (прототип)
9,0
3,2
2,8
3,0
10,0
50,0
2,0
6,0
7 (прототип)
4,9
2,3
1,5
1,8
80,0
35,0
0,5
5,6
* % подавления размножения патогенной микрофлоры
Таким образом, композиционный материал, получаемый по данному способу изобретения, позволяет достичь следующие показатели:
2
Прочность образцов (полученных по технологии гипсового замеса и высушенных до постоянной массы) - от 120,5 до 450,0 кгс/см.
Снижение уровня излучения (в раз):
Альфа-лучи
5,0 - 20,0
Бета-лучи
2,7-18,0
Гамма-лучи
4,6-19,0
Радиопрозрачность (в %) -
0
Эстетический показатель -
8,0
Снижение расхода теплоэнергии на сушку изделий -
3,7-8,6 раз.