СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА
METHOD OF MAKING EXPANDED GLASS

Изобретение относится к технологиям производства наполнителей, имеющих высокую термостойкость, низкую теплопроводность и плотность, предназначенных для использования в составе теплоизоляционных материалов и покрытий, например лакокрасочных, при производстве огнезащитных и/или теплоизоляционных красок или мастик.
Теплоизоляция из пеностекла в сравнении с другими материалами более эффективна и экономична, применима при более высоких температурах, не горит, имеет более продолжительный срок службы.
Известен способ получения пеностекла, включающий приготовление порошкообразной смеси стекла и газообразователя, в качестве которого используют карбид кремния, который перед смешиванием обрабатывают насыщенным водным раствором сульфата щелочного металла. Вспенивание смеси осуществляют ее термообработкой при температуре 850°C (см. патент РФ №1719333, МПК C03C 11/00, 1992 г.).
Известен способ получения пеностекла из порошкообразной смеси тонкомолотого стекла и газообразователя, содержащего восстановитель в виде углеродистого ингредиента и окислитель из числа сульфатов, оксидов и др. (см. патенты US 3151966, кл. 65-22, US 3403990, кл. 65-22, 1968 г.).
Применение известной технологии позволяет получать пеностекло достаточно высокого качества с однородной структурой, обеспечивающей его эксплуатационную стабильность. Однако пеностекло имеет высокую себестоимость за счет трудоемкости операции получения стекла требуемого состава и высоких энергетических затрат.
Известен также способ получения пеностекла, включающий нагрев до температуры вспенивания стеклосодержащего порошкообразного материала, включающего жидкое стекло, выдержку стеклосодержащего порошкообразного материала при этой температуре и последующее охлаждение (патенты РФ №№2255059, 2255060, C03C 11/00, C03B 19/08, 2005 г.). Способ предусматривает приготовление шихты, включающей смесь тонкомолотого порошка стеклобоя, углеродсодержащего газообразователя и жидкого стекла при содержании последнего компонента 30-70 мас.% от массы смеси, смешивание осуществляют при температуре не выше 70°C, после чего сырьевую смесь подвергают термообработке при температуре 450-550°C и после ее охлаждения проводят нагрев шихты до температуры вспенивания из диапазона 750-830°C.
Недостаток известного технического решения - высокие энергозатраты на подготовку сырьевой смеси к вспениванию (измельчение и термообработка) и последующее ее вспенивание, определяемые высокими температурами обработки и высокой твердостью одного из компонентов шихты (стеклобоя).
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является снижение энергозатрат на различных стадиях процесса и возможность варьирования в широких пределах теплотехнических (теплозащитных) характеристик материалов, изготовленных из пеностекла.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в снижении температур режимов термообработки на различных стадиях процесса подготовки сырьевой массы - ее отверждение и сушка осуществляется при температурах, фактически не требующих подвода тепла извне (от 5 до 40°C), и может осуществляться, по крайней мере в теплое время года, за счет естественного тепла окружающей среды; процесс вспенивания фактически осуществляется при температурах ниже или не превышающих температурный диапазон, который в прототипе соответствует режиму подготовки шихты к процессу вспенивания. Кроме того, ингредиенты, используемые для производства пеностекла, не являются дефицитными.
Для решения поставленной задачи способ получения пеностекла, включающий нагрев до температуры вспенивания стеклосодержащего порошкообразного материала, включающего жидкое стекло, выдержку стеклосодержащего порошкообразного материала при этой температуре и последующее охлаждение, отличается тем, что в качестве сырья для приготовления стеклосодержащего порошкообразного материала используют жидкое стекло, которое предварительно отверждают смешением с порошком карбоната магния в количестве от 3-5 до 10% в общем объеме смеси, которую затем сушат при температуре от 5 до 40°C, после чего измельчают до крупности 3-100 мкм, а затем проводят термообработку стеклосодержащего порошкообразного материала при температуре в диапазоне от 150 до 500°C в соответствии с заданным уровнем вспенивания. Кроме того, при изготовлении пеностекла, предназначенного для использования в составе огнезащитного покрытия, кратность вспенивания устанавливают как 10% от исходного объема, а термообработку ведут в нижней части заданного температурного диапазона. Кроме того, при изготовлении пеностекла, предназначенного для использования в составе теплоизолирующего покрытия, кратность вспенивания устанавливают не меньше чем 1000% от исходного объема, а термообработку ведут в верхней части заданного температурного диапазона.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают возможность реализации следующих функциональных задач.
Признаки «… в качестве сырья для приготовления стеклосодержащего порошкообразного материала используют жидкое стекло, которое предварительно отверждают смешением с порошком карбоната магния…» позволяют исключить процессы термообработки шихты при высоких температурах, необходимые для ее обезвоживания. При этом указание на использование порошкообразных фракций отвердителя позволяет увеличить его удельную поверхность, что при распределении порошка по массе жидкого стекла (при их смешивании) позволяет повысить скорость и эффективность процесса отверждения.
Признаки, указывающие, что порошок карбоната магния используют в количестве «от 3-5 до 10% в общем объеме смеси», обеспечивают скорость и эффективность процесса отверждения, оптимальные физико-механические характеристики шихты и получаемого из нее пеностекла (при содержании карбоната магния меньше названного диапазона процесс отверждения идет медленнее, при этом остается непрореагировавший объем жидкого стекла, что может быть компенсировано на стадии сушки, но потребует увеличения ее продолжительности и/или выхода за верхний предел температурного диапазона процесса сушки; при содержании карбоната магния больше названного диапазона скорость процесса отверждения не увеличивается, при этом избыток этого компонента приводит к ухудшению вспенивания.
Признаки, указывающие, что полученную шихту (сырьевую смесь) «сушат при температуре от 5 до 40°C», позволяют подсушить отвержденную массу, которая довольно сыровата, поэтому необходимо ее подсушить перед дроблением и помолом, чтобы легче дробилось и мололось, менее налипало на рабочие поверхности измельчителя.
Признаки, указывающие, что подсушенную шихту «измельчают до крупности 3-100 мкм», позволяют получить на выходе процесса вспенивания материал с крупностью, варьирующей в широких пределах, что в результате позволяет использовать полученное пеностекло для получения как грубых покрытий (с крупным зерном наполнителя до 1 мм), так и тонких, позволяющих получать гладкие, блестящие покрытия.
Признаки, указывающие, что термообработку стеклосодержащего порошкообразного материала ведут «при температуре от 150°C», позволяют осуществлять процесс вспенивания без использования специальных газообразующих добавок - за счет парообразования (испарения) кристаллической воды, содержащейся в составе стеклосодержащего порошкообразного материала, при этом можно получать пеностекло, предназначенное для использования в составе огнезащитного покрытия, с низкой кратностью вспенивания (10% от исходного объема частиц), при проведении термообработки в нижней части заданного температурного диапазона. Причем огнезащитность покрытия достигается за счет последующего дополнительного вспенивания частиц покрытия при воздействии на них пламени. При этом выход ниже заданного температурного диапазона приведет к получению пеностекла, растворимость которого в воде будет очень высока, которое быстро будет переходить в жидкое стекло при смешивании с водой или водным раствором жидкого стекла, а потому формируемое из такого материала огнезащитное покрытие не будет эффективным (огнезащитность покрытия достигается в том случае, если на защищаемой поверхности формируются слои, составленные из множества отдельных частиц пеностекла, которые могут работать (вздуваться при дополнительном пенообразовании) при термическом воздействии на них пламени или раскаленных пожарных газов. Если в наносимом покрытии отдельные частички растворены и покрытие является аморфным, состоящим из одного слоя отвердевшего жидкого стекла, то при его нагреве при пожаре «надувается большой пузырь», который легко разрушается, что лишает огневой защиты защищаемую поверхность.
Признаки, указывающие, что термообработку стеклосодержащего порошкообразного материала ведут «при температуре до 500°C», позволяют получать пеностекло, предназначенное для использования в составе теплоизолирующего покрытия, кратность вспенивания которого устанавливают не меньше чем 1000% от исходного объема, при проведении термообработки в верхней части заданного температурного диапазона. При этом выход выше заданного температурного диапазона приведет к оплавлению получаемого пеностекла и к снижению его кратности вспенивания.
Признаки, указывающие, что диапазон термообработки стеклосодержащего порошкообразного материала составляет от «150 до 500°C», позволяют варьировать свойствами получаемого пеностекла (получать материал, сочетающий и хорошую огнестойкость, и теплоизолирующие свойства).
Признаки второго пункта формулы определяют параметры процесса вспенивания, при которых получается пеностекло, предназначенное для использования в составе огнезащитного покрытия.
Признаки третьего пункта формулы определяют параметры процесса вспенивания, при которых получается пеностекло, предназначенное для использования в составе теплозащитного покрытия.
Заявленный способ осуществляется в следующем порядке.
В качестве жидкого стекла используют щелочной раствор силиката натрия и/или калия, например, изготовленного на Рязанском заводе из трепела автоклавным или безавтоклавным методом гидротермального выщелачивания оксида кремнезема в щелочной среде при температуре 90-100°C. В жидкое стекло вводят порошок карбоната магния (в количестве от 3-5 до 10% в общем объеме смеси) и тщательно перемешивают при температуре окружающей среды в течение до 45 минут (при использовании карбоната магния в количестве 10% от общего объема смеси продолжительность процесса достигает 12-15 минут; при использовании карбоната магния в количестве 5% от общего объема смеси продолжительность процесса достигает 25-30 минут; при использовании карбоната магния в количестве 3% от общего объема смеси продолжительность процесса достигает 40-45 минут, при этом названные параметры соответствуют температуре окружающей среды около 20°C (при увеличении температуры скорость процесса увеличивается на 10-30% - большие значения скорости процесса соответствуют большим концентрациям карбоната магния). В процессе перемешивания композиции происходит связывание свободной воды и щелочи, находящейся в жидком стекле и негативно влияющей на водорастворимость конечного продукта - пеностекла. Увеличение вязкости получаемой композиции свидетельствует о протекании физико-химического взаимодействия ее компонентов уже при температуре окружающей среды. Полученная смесь имеет белый цвет и имеет рыхлую консистенцию с хорошими пластическими свойствами. Поэтому после ее «схватывания» и завершения перемешивания проводят ее термообработку при температуре (от 5 до 40°C) в течение до 60 минут. В принципе, если температура окружающей среды достаточно велика, то процесс сушки фактически совмещают с процессом перемешивания смеси. При сушке происходят дальнейшие физико-химические процессы, сопровождающиеся удалением свободной гидратной и химически связанной воды и увеличением вязкости смеси, после чего она приобретает светло-серый цвет. Вес охлажденной до температуры окружающей среды сырьевой смеси составляет около 80% от веса исходных компонент. Затем после потери пластичности («липкости») смеси известным образом, с использованием известных средств осуществляют помол смеси до величины зерна 3-100 мкм. Измельченную сырьевую смесь засыпают в металлические формы, обработанные специальным составом, и термообрабатывают в заданном диапазоне температур вспенивания от «150 до 500°C» не менее 60 минут. В результате образуются порошки пеностекла или пенопорошки с различной степенью вспененности. При этом вспенивающими агентами являются пары выделяющейся «собственной, т.е. имеющейся в составе жидкого стекла» воды. Эти порошки можно использовать в производстве различных теплоизолирующих изделий: смесей, панелей, блоков, огнезащитных и теплоизолирующих красок. При этом при изготовлении пеностекла, предназначенного для использования в составе огнезащитного покрытия, кратность вспенивания устанавливают как 10% от исходного объема, а термообработку ведут в нижней части заданного температурного диапазона. Кроме того, при изготовлении пеностекла, предназначенного для использования в составе теплоизолирующего покрытия, кратность вспенивания устанавливают не меньше чем 1000% от исходного объема, а термообработку ведут в верхней части заданного температурного диапазона.
Суть изобретения поясняется следующими примерами.
Пример 1.
В раствор силиката натрия смешали карбонат магния, не более 5 мас.%. Вязкость смеси постепенно нарастает. Сушкой, дроблением и помолом полученная стеклообразная масса переводится в стеклопорошок с размерами частиц менее 0,01 мм. Порошок насыпается в «котел», нагретый до 150°C. Перемешиванием достигается равномерный нагрев всей загрузки порошка. При этом выделяющаяся («собственная» в частицах порошка) вода слегка (увеличение объема на 10%) вспенивает частицы порошка. Из этого пенопорошка можно изготавливать различные огнезащитные изделия: смеси для обмазок, панели, краски. В частности, смешением с водой получена огнезащитная краска. Такая краска при огневой атаке вспучивается с увеличением объема в 10 и более раз, создавая теплоизолирующий и огнезащитный слой. При этом в данном случае целесообразно использовать стеклопорощок с крупностью частиц, соответствующей большим размерам, поскольку в процессе приготовления покрытия частицы полученного пеностекла будут частично растворяться в воде (водном растворе жидкого стекла), используемых в процессе приготовления покрывающего раствора на месте (непосредственно перед употреблением).
Пример 2.
Порошок пеностекла с размерами частиц до 0,01 мм изготавливается аналогичным примеру 1 способом. Но температура обжига увеличивается до 350-500°C. При такой температуре частицы порошка подвергаются полному вспениванию с увеличением размера в 10 и более раз. Теплопроводность такого пенопорошка порядка теплопроводности пенопласта, и его можно использовать, в частности, для изготовления теплоизолирущей обмазки или краски с обычно используемыми в производстве лакокрасочных материалов связующими, например акриловыми, изготавливается теплоизолирующая краска.