КОМПОЗИЦИЯ СВЯЗУЮЩЕГО НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН
AQUEOUS BINDER COMPOSITION FOR MINERAL FIBRES

Изобретение относится к области производства и применения термостойких, не содержащих фенола и формальдегида, связующих для теплоизоляционных материалов на основе силикатных (минеральных и стеклянных) волокон и к способу производства теплоизоляционных материалов на основе данных волокон и упомянутого связующего.
В настоящее время для производства волокнистых теплоизоляционных материалов на основе стеклянных волокон и минеральных волокон (базальтовая, каменная, минеральная, шлаковая, керамическая алюмосиликатная вата) в качестве базового компонента связующих композиций, в подавляющем большинстве случаев, используются жидкие резольные фенолформальдегидные смолы, модифицированные карбамидом. В качестве катализаторов в таких смолах используются различные органические и неорганические основания: триэтиламин, гидрооксиды, карбонаты, сульфиты щелочных металлов, гидрооксиды щелочноземельных металлов.
Помимо фенолформальдегидной смолы, модифицированной карбамидом, в состав раствора связующего входят также масляная (обеспыливающая) и силиконовая (гидрофобизирующая) эмульсии и различные технологические добавки, такие как сульфат аммония, водный раствор аммиака, водный раствор гидролизованного амино- или уреидосилана. Состав и концентрация технологических добавок могут отличаться в зависимости от плотности выпускаемой продукции и требований, предъявляемых к ней.
Недостатком таких связующих является токсичность исходных мономеров: фенола и формальдегида, из которых производится фенолформальдегидная смола, а также органических катализаторов (например: триэтиламина). В процессе производства, переработки фенолформальдегидных смол и при эксплуатации готовых теплоизоляционных материалов происходит выделение свободного фенола, формальдегида, аммиака и алкиламинов, которые наносят вред здоровью работающих и загрязняют окружающую среду.
Известно связующее для теплоизоляционных материалов на основе силикатных волокон, содержащие алканоламин и карбоновую кислоту с добавлением поликарбоновой кислоты (Заявка на изобретение РФ №2003101103 опубликована 10.07.2004).
Недостатком такого связующего является сложность производства и высокая стоимость такого связующего, по сравнению с традиционно используемыми резольными фенолформальдегидными смолами, модифицированными карбамидом ввиду использования чистых индивидуальных компонентов.
Известно связующее для теплоизоляционных материалов на основе силикатных волокон, получающееся взаимодействием алканоламина и ангидрида поликарбоновой кислоты с различными модифицирующими агентами (Патент на изобретение РФ №2377263 опубликован 27.12.2009).
Недостатком такого связующего является сложность производства связанная с необходимостью использования чистых индивидуальных компонентов, а также кислая реакция водного раствора, что делает затруднительным его применение для силикатных волокон с низким модулем кислотности.
Известно связующее для теплоизоляционных материалов на основе силикатных волокон, получающиеся взаимодействием алканоламина, ангидрида ароматической или алифатической поликарбоновой кислоты, а также гидроксилсодержащего соединения, такого как глицерин, сахар, полиэтиленгликоль (Патент на изобретение РФ 2441884 опубликован 10.02.2012).
3
Недостатком такого связующего является то, что при применении для производства теплоизоляционных материалов на основе силикатных волокон обеспечивают низкий показатель «прочность после сорбционного увлажнения при 10% деформации» и «сжимаемость после сорбционного увлажнения» готового материала, поэтому область применения данного связующего - только плиты низкой плотности (менее 50 кг/м), эксплуатирующиеся в ненагруженном состоянии.
Известно связующее для теплоизоляционных материалов на основе силикатных волокон, содержащие поливиниловый спирт с различными сшивающими добавками: крахмалами, сахарами, модифицированными крахмалами, поликарбоновыми кислотами, альдегидами. (Патент на изобретение РФ 2430124, опубликован 27.09.2011).
3
Недостатком такого связующего является то, что при применении для производства теплоизоляционных материалов, данное связующее обеспечивают низкий показатель «прочность после сорбционного увлажнения при 10% деформации» и «сжимаемость после сорбционного увлажнения» готового материала, поэтому область их применения - только плиты теплоизоляционных материалов низкой плотности (менее 50 кг/м), эксплуатирующиеся в ненагруженном состоянии.
Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является разработка композиции связующего для минерального или стеклянного волокна, не содержащей фенола и формальдегида, при этом характеризующейся простотой производства, за счет отсутствия необходимости предварительного получения чистых индивидуальных компонентов, и одновременно обеспечивающей достаточно высокие показатели таких характеристик готовых изделий, как «прочность после сорбционного увлажнения при 10% деформации» и «сжимаемость после сорбционного увлажнения», «прочность на отрыв слоев», «прочность на «сдвиг-срез», «прочность при 10% деформации» готового теплоизоляционного материала.
Технический результат достигается в композиции, не содержащей фенола и формальдегида и состоящей из гидроксиполикарбоновой кислоты и полимера, полученного в результате реакции в несколько стадий такой же, или другой гидроксиполикарбоновой кислоты, с технической смесью этаноламинов.
При этом гидроксиполикарбоновая кислота в композиции может быть любой кислотой из ряда: лимонная кислота, винная кислота, яблочная кислота, содержащая две или более карбоксильные функциональные группы и, одновременно, одну или более гидроксильную группу, или комбинацией таких кислот.
Предпочтительно в композиции в качестве технической смеси этаноламинов использование смеси продуктов реакции окиси этилена и аммиака без разделения на индивидуальные продукты, такие как: моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин Композиция предпочтительно изготовлена с использованием так называемых «пленочных реакторов» либо «трубчатых реакторов» в которых исходная смесь компонентов течет в зоне высокой температуры в виде тонкой пленки, способствующей ускоренному протеканию процесса поликонденсации.
Не содержащая фенола и формальдегида композиция, согласно настоящему изобретению, содержит свободную гидроксиполикарбоновую кислоту и полимер, полученный в результате реакции в нескольких стадий из гидроксиполикарбоновой кислоты с технической смесью этаноламинов, который изготовляется следующим способом:
В реактор с мешалкой помещается техническая смесь этаноламинов и нагревается до температуры 60-160°С. При включенной мешалке, порциями вводится гидроксиполикарбоновая кислота, которая постепенно растворяется с образованием желто-коричневатой гомогенной жидкости, вязкость которой по мере дальнейшего нагревания и добавления последующих порций кислоты увеличивается (увеличение молекулярной массы полимера в результате поликонденсации).
Для получения продукта с более высоким молекулярным весом, вводят последующие порции кислоты, нагрев продолжается до достижения необходимых характеристик, таких как уровень рН (4,0-4,5) вязкость (700-900 мПа⋅с).
Пример получения композиции: В исходную техническую смесь этаноламинов и помещенную в реактор с мешалкой, и предварительно нагретую до температуры 60-160°С добавляют лимонную кислоту (в объеме 100% масс. от объема исходной технической смеси этаноламинов), которая постепенно растворяется с образованием желто-коричневатой гомогенной жидкости. После полного растворения лимонной кислоты вводится следующая порция лимонной кислоты (в объеме 100% масс. от объема исходной технической смеси этаноламинов) и перемешивается при температуре около 120°С также до полного растворения кислоты. Всего вводится 2-3 порции лимонной кислоты. Полученная гомогенная смесь пропускается через пленочный реактор с температурой до 180°С с такой скоростью, чтобы общее время нахождения реакционной смеси в реакторе составляло не менее 20 минут, полученное вещество растворяется при перемешивании в теплой воде до содержания «нелетучих веществ» 50-70% масс.
Содержание «нелетучих веществ» определяется по следующей методике: около 0,6 г. готового продукта, взвешенные с точностью до 0,1 мг помещается в предварительно взвешенную с точностью до 0,1 мг чашечку из нержавеющей стали диаметром 37 мм. Чашечка помещается в сушильный шкаф без принудительной циркуляции воздуха нагретый до 135°С на 1 час. После извлечения из сушильного шкафа чашечка охлаждается в эксикаторе с прокаленным хлористым кальцием и повторно взвешивается. «Содержанием нелетучих веществ» является выраженное в процентах значение:
3
1
2
М=((m-m)/m)×100%,
1
где m - масса пустой металлической чашечки, г.
2
m - масса вещества без металлической чашечки до высушивания в сушильном шкафу, г.;
3
m - масса вещества с металлической чашечкой после высушивания, г.
Пример получения теплоизоляционных материалов (готовых изделий).
Теплоизоляционные изделия могут быть получены с использованием указанной полимерной композиции следующими способами:
Готовое связующее разбавляется до содержания нелетучих веществ от 1,0% до 52%, смешивается с различными технологическими добавками, такими как эмульсии минеральных и силиконовых масел, амино- и уреидосиланами (например, гидролизованные гамма-аминопропилтриэтоксисилан или гамма-уреидопропилтриметоксисилан в виде 4% гидролизованных водных растворов), ускорителями отверждения и регуляторами уровня рН (раствор водного аммиака и сульфата аммония), красителями, воднодисперсионными пигментами, устойчивыми к действию температуры и используется следующим способом:
- подается на узел или агрегат волокнообразования, где распыляется при помощи воздушно-жидкостных форсунок или центробежной силы движущихся частей (валков);
- распыляется при помощи безвоздушных форсунок непосредственно на первичный слой волокна, образовавшийся на конвейере камеры волокноосаждения;
- смешивается с волокном путем получения «гидромассы» и отсасыванием при помощи вакуума избытка связующего;
- подается «водопадиком» на первичный слой минеральной ваты или стекловолокна, после чего избыток связующего отсасывается на вакуум-столе и возвращается в цикл.
После этого, обработанный связующим слой (ковер) из волокон, движется по конвейеру в камеру термообработки, где путем конвекционного нагрева, нагрева при помощи микроволн или просасывания нагретого воздуха происходит испарение воды и окончательное отверждение связующего.
Количество и тип дополнительных технологических добавок определяется для каждой конкретной марки готовой продукции в зависимости от ее плотности и требований к ней.
После выхода из камеры термообработки, ковер охлаждается, путем просасывания воздуха и разрезается при помощи пил различной конструкции на готовые изделия необходимой геометрии (плиты) либо сворачивается в рулоны.
В готовом изделии теплоизоляционного назначения на основе стеклянных силикатных или минеральных (базальтовых, каменных) волокон может содержаться от 0,1 до 10,0% масс. так называемых «органических веществ» представляющих собой отвердевшее под действием температуры связующее.
В таблице 1 приведены показатели готовых теплоизоляционных изделий (плит) на основе минерального волокна «Стандарт 50», «Вент-фасад 80» и «Кровля H120» различной плотности с использованием связующего по настоящему изобретению (Связующее 1) в сравнении с аналогами: связующими на основе фенолформальдегидной смолы (Показатели по ТУ ФФС - техническим условиям на теплоизоляционные плиты на основе фенолформальдегидной смолы), по патенту на изобретение РФ 2441884 (Связующее 2) и патенту на изобретение РФ 2430124 (Связующее 3). Видно, что продукт по настоящему изобретению обладает повышенными характеристиками «прочность после сорбционного увлажнения при 10% деформации» и «сжимаемость после сорбционного увлажнения», а также «предел прочности на отрыв слоев» готового материала по сравнению с существующими нормативными показателями и аналогами. Поэтому область применения продукта по изобретению существенно шире аналогов.
Таким образом, достигается технический результат изобретения: использование композиции, не содержащей фенола и формальдегида и обеспечивающей высокие показатели качества готовой продукции при низком расходе связующего.
Таблица1. Сравнительные показатели качества теплоизоляционных плит.