СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО И УТЕПЛИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD TO PRODUCE HEAT INSULATION AND INSULANT MATERIAL FOR BUILDING PRODUCTS

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, конкретно относится к производству теплоизоляционных и утеплительных материалов для различных (и в различных) строительных изделий (изделиях), и может быть использовано в гражданском и промышленном строительстве, в частности при утеплении и тепло-, звукоизоляции различных конструкций и элементов зданий и сооружений стен, перегородок, мансард, лоджий, полов, потолков, в том числе и непосредственно на строящемся объекте.
Известны способы получения теплоизоляционных материалов на основе кремнистых пород, к которым относятся кремнистые породы осадочного происхождения, такие как диатомиты, трепелы и опоки. Это природные гидратные кремнеземы в аморфном состоянии (аморфные кремнеземы), относящиеся к группе опала.
Эти известные способы получения теплоизоляционных материалов на основе кремнистых пород могут быть подразделены, в частности, на две группы в зависимости от вида поризации:
- пенопоризация шликера с последующей сушкой и обжигом изделий;
- термохимическое вспучивание за счет использования выгорающих добавок (кокса), диссоциирующих добавок (известняка) или удаления гидратной воды.
Первая группа представлена технологией получения пенодиатомитовых изделий (Майзель И.Л., Сандлер В.Г. Технология теплоизоляционных материалов. М.: Высшая школа, 1988) заключается в тонком измельчении диатомита, приготовлении пенодиатомитовой массы и формовании изделий, стабилизации пористой структуры изделий посредством сушки и образования пористого керамического черепка обжигом высушенного сырца. Очень высокая влажность пеномассы, достигающая 200-250%, является причиной больших усадочных деформаций при сушке (20-25%), что ухудшает качество готовых изделий. Сушка пенодиатомитовых изделий производится в формах, что предопределяет неблагоприятные условия для удаления влаги, так как ее испарение может происходить только с поверхности. Это обстоятельство, а также значительные сушильные усадки пеномассы определяют большую (48-96 ч) продолжительность процесса сушки.
Обжигают изделия в туннельных печах при максимальной температуре 800-900°С в течение 18-22 часов.
3
Согласно другой известной монографии (Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных акустических материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1989, с.197-207) изделия имеют плотность 450-600 кг/м, прочность 0,6-0,9 МПа. Таким образом, недостатком данного способа являются повышенная плотность, высокие энергозатраты, связанные с длительными тепловыми процессами и высоким водосодержанием, значительная усадка полученного материала.
В частности, известен способ изготовления теплоизоляционного материала, включающий смешивание кремнистой породы из группы: трепел, диатомит, опока и щелочного компонента, укладку смеси в формы и ее термическую обработку (RU 2053984 С1, кл. С04В 38/02, 10.02.1996).
Полученные изделия не отличаются хорошей водостойкостью. К тому же данным способом не получают гранулированный теплоизоляционный материал.
Из RU 2293073, 10.02.2007 известен способ изготовления негорючего утеплителя, который включает приготовление сырьевой смеси путем совместного помола кварцевого песка и кремнефтористого натрия, смешения с жидким стеклом, предварительно приготовленным водным раствором пенообразователя ПО-6К и заливку полученной сырьевой смеси между наружным и внутренним слоями строительной конструкции, осуществляют совместный помол кварцевого песка и кремнефтористого натрия при их соотношении 9-10:1 вес.ч. Соответственно в течение 5-6 ч с получением продукта помола с удельной поверхностью 1700-2500 см/г жидкое стекло смешивают в течение 5-7 мин с предварительно приготовленным водным раствором пенообразователя ПО-6К в соотношении пенообразователя ПО-6К и воды 1:50 вес.ч. при соотношении указанного водного раствора и жидкого стекла 1:1,5 вес.ч. с получением сырьевой смеси непосредственно перед ее заливкой.
Однако данный способ также не предназначен для получения гранулированного теплоизоляционного материала.
3
3
Из SU 1548178, 07.03.1990 известен способ получения теплоизоляционного легкого пористого заполнителя путем смешения силикатного свяжующего (60-80 мас %), представляющего собой продукт плотностью 1,5-1,72 г/см, полученный в результате обработки раствором щелочи тонкомолотого туфа с тонкодисперсным туфом 11-25 мкм и газообразователем в виде сажи или технического углерода 0,5-1,5, силикатом кальция 2,5-4,5, метасиликатом натрия 6-9. Теплоизоляционный материал имеет следующие свойства: средняя плотность 300-600 кг/м, прочность при сжатии 2-6 МПа, термостойкость 680-820°С, температуроустойчивость 750-900°С, гидролитический класс 2-3-й, кислотостойкость минеральных кислот 80-99%, водопоглощение по объему 1,5-12%, теплопроводность 0,080-0,115 Вт/м*град, температура предварительной тепловой обработки 120-135°С.
Однако способ достаточно сложен, так как основан на использовании многокомпонентного состава и является неэкономичным.
Известен способ изготовления утеплительного материала, преимущественно керамзита с коэффициентом формы 1,05-1,2, путем измельчения глины, формования крошки в виде стержней, подсушивания и вылеживания в течение 2-6 часов в герметизированном бункере-накопителе. После вылеживания крошку подают на формование сырцовых гранул объемным сжатием /SU 8676603, 1979 г./.
Известный способ изготовления керамзита с коэффициентом формы 1,05-1,2 является сложным и длительным. В известном способе необходимо соблюдать размеры крошки 5-30 мм, поддерживать определенную влажность и соблюдать подсушивание в течение 2-6 часов.
Известен способ формования заготовок из глинистого сырья в виде куба при изготовлении обжигового искусственного заполнителя - керамдора (SU 765236, 1980).
В известном способе необходимо получить керамдор, являющийся заменителем природного щебня и гравия, с высокой плотностью и прочностью, для чего проводят прокаливание по новому режиму, что позволяет практически полностью осуществить процессы, связанные с выделением газообразных продуктов до обжига, что исключает получение пористых гранул для легких марок керамзита.
Каждый из указанных известных способов не лишен определенных недостатков, а именно отличаются определенной сложностью, длительностью и не позволяют получить экологически чистый и одновременно прочный и водостойкий материал с хорошими теплоизоляционными свойствами.
Технической задачей изобретения является получение экологически чистого продукта с хорошими прочностными свойствами, пониженной теплопроводностью, а также упрощение процесса и снижение себестоимости готового продукта.
Поставленная техническая задача достигается заявленной группой изобретения, касающейся способа получения теплоизоляционного и утеплительного матариала.
2
Одним из изобретений заявленной группы является способ получения теплоизоляционного и утеплительного материала для строительных изделий на основе аморфного кремнезема, включающий перемешивание связующего на основе аморфного кремнезема с дисперсностью 1-10 мм с сыпучим теплоизоляционным наполнителем с дисперсностью 0,5-15,0 мм в течение 3-10 мин до получения однородной сухой смеси, последующее затворение сухой смеси водным раствором щелочного компонента при дальнейшем перемешивании их в течение 1-5 мин и последующем формовании изделий методом сухого прессования с усилием 5-10,2 кг/см и термообработку их при 150-850°С.
3
3
При этом в составе связующего (вяжущего) на основе аморфного кремнезема дополнительно можно использовать кремнеземсодержащее вяжущее (связующее) с плотностью 1,2-2,2 г/см или 1,3-2,4 г/см и модулем 15-30 при различных соотношениях их, полученное на основе кремнеземсодержащего сырья (компонента) и неорганической связки.
И в частности, используют кремнеземсодержащее вяжущее, полученное с использованием карьерной глины, обожженной глины, суглинки, супесей, лессовых отложений.
При получении указанного кремнеземсодержащего вяжущего, которое может быть дополнительно использовано в составе связующего совместно с аморфным кремнеземом, в качестве неорганической связки используют, например, силикатную связку (жидкое стекло с модулем 2,3-4,0, силикат-глыбу, гидросиликаты натрия, алюмосиликаты, отходы производства оконного и технического стекла, кремнегели (отход металлургического производства или производства фтористого алюминия с содержанием диоксида кремния, например, 88,0-88,2 мас.%.
Таким вяжущим, в частности, является известное вяжущее, описанное в патенте RU 2236374, 20/09/2004 или вяжущее по патенту RU 2283818, 20.09.2006.
Способ осуществляют с использованием в качестве сыпучего теплоизоляционного наполнителя минерального наполнителя на основе кремнеземсодержащей породы, древесных отходов, растительных отходов сельскохозяйственного производства.
Способ осуществляют с использованием в качестве минерального наполнителя керамзита, вспученного вермикулита, перлитового песка; а также с использованием в качестве растительных отходов таких отходов, как шелуха подсолнечника, соломокостра от переработки льна.
Способ осуществляют с использованием в качестве аморфного кремнезема, например, трепела или микрокремнезема промышленного производства.
Для осуществления способа по изобретению используют различные измельчающие устройства и различные перемешивающие устройства, обеспечивающие измельчение компонентов до необходимого заданного размера и эффективное перемешивание исходной смеси. К числу таких устройств относятся валковые и дисковые мельницы, различные диссольверы, шаровые мельницы, бисерные, дисковые мешалки, смесители с якорной мешалкой, планетарный смеситель, шнековые, планетарные смесители с трехмерным движением спирально-ленточных рабочих органов.
Другим изобретением заявленной группы (вариантом изобретения) является способ получения теплоизоляционного и утеплительного материала для строительных изделий на основе глинистого кремнеземсодержащего вяжущего (связующего), полученного из глинистого сырья и неорганической связки, включающей перемешивание вяжущего с сыпучим теплоизоляционным наполнителем, выбранным из группы, включающей вспученный вермикулит, перлитовый песок керамзит, древесные отходы в виде опилок и стружек, растительные отходы сельскохозяйственных производств, последующее введение в полученную при перемешивании смесь щелочесодержащего компонента в виде его водного раствора и дальнейшего перемешивания их до получения однородной массы и дальнейшее формование из нее теплоизоляционных изделий методом полусухого прессования при усилии прессования 2,5-35,0 кг/см и термообработку их при 150-850 С в зависимости от типа теплоизоляционного наполнителя в течение периода времени, обеспечивающего полное отверждение его.
При этом в качестве вяжущего (связующего) используют вяжущее, полученное на основе глинистого сырья, такого как карьерные глины, обожженные глины, суглинки, супеси, лессовые отложения с влажностью не более 6%, так и более 10%, и неорганической связки.
В частности, в качестве такого вяжущего (связующего) в способе используют вяжущее, полученное известным способом, полученным по патенту RU 2236374, 20.09.2004, или способом, полученным по заявке RU №2009121120, поданной в Патентное ведомство РФ 03.06.2009, или по патенту RU 2283818, 20.09.2006.
При осуществлении заявленного способа (вариантов его) в качестве щелочесодержащего компонента используют, например, едкий натр. При этом при получении утеплительного и теплоизоляционного материала заявленным в качестве изобретения способом с использованием в качестве связующего аморфного кремнезема соотношения исходных компонентов выбирают, например, следующее, мас.%:
аморфный кремнезем
39,0-39,5
вышеуказанный теплоизоляционный наполнитель
26,0-26,5
щелочной компонент (в виде водного раствора)
3,0-3,5
вода
остальное
При этом, как указано выше, глинистое вяжущее, используемое при осуществлении заявленных вариантов способа, как и кремнеземсодержащее дополнительное вяжущее, используемое наряду (или совместно) с аморфным кремнеземом получают либо по известному патенту RU 2236374, 20.09.2004, либо по заявке №2009121120 от 03.06.2009.
3
Согласно способу, описанному в патентной заявке №2009121120 от 03.06.2009, получают кремнеземсодержащее связующее на основе неорганической связки, кремнеземсодержащего компонента и воды при их интенсивном перемешивании, заключающемся в том, что перемешивание осуществляют в присутствии солей плавиковой кислоты, взятой в количестве от 0,5 до 10,0 мас.% в расчете на смесь, в качестве неорганической связки используют гидроксид щелочного металла или аммония или силикатную связку, в качестве кремнеземсодержащего компонента используют кремнеземсодержащий компонент с размером частиц от 0,2 до 20,0 мм или предварительно измельченный до размера частиц от 40 Å до 60 мкм, выбранный из группы, включающей песок кварцевый или кварцевую муку с влажностью не более 4%, карьерные глины с влажностью более 10%, обожженные глины, суглинки, супеси, лессовые отложения, микрокремнеземы, полученные из отходов производства ферросплавов, отходы камнеобработки, полученные при распиловке или шлифовке, например, гранита или при производстве гранитного щебня, гидрослюду, такую как используют при производстве вермикулита или вспученного перлита, при этом интенсивное перемешивание осуществляют в высокоскоростном смесителе со скоростью перемешивания 1500-6000 об/мин, частоте колебаний перемешиваемых частиц 2000-45000 об/мин, при 80-90°С или при воздействии электрического поля с напряженностью 15-40 Вт и силой тока до 60А, и перемешивание осуществляют в течение периода времени от 10 минут до 12 часов в зависимости от дисперсности кремнеземсодержащего компонента, после чего осуществляют охлаждение смеси при постоянном перемешивании со скоростью от 40 до 100 об/мин при 15-25°С в течение 10-12 часов или с использованием воздушной аэрации при 10-20°С в течение 6-11 часов до получения связующего с плотностью 1,3-2,4 г/см и силикатным модулем 15-30 при следующем соотношении компонентов, исходной смеси, мас.%:
вышеуказанная неорганическая связка
5,0-30,0
вышеуказанный кремнеземсодержащий компонент
15,0-65,0
соль плавиковой кислоты
0,5-10,0
вода
остальное
В качестве неорганической связки используют силикатную связку, выбранную из группы, включающей гидросиликаты натрия, жидкое стекло, силикат-глыбу, стеклобой, образующийся при производстве или применении стекла, кремнезоли, кремнегели, алюмосиликаты, а качестве воды используют воду пресную, воду морскую, воду минерализованную.
2
В качестве кремнеземсодержащего сырья (компонента) используют, например, кварцевый песок, кварцевую муку с содержанием SiO до 99 мас.% и влажностью не более 4%, микрокремнеземы, полученные из отходов производства ферросплавов, отходы камнеобработки, полученные при распиловке или шлифовке, например, гранита или при производстве гранитного щебня, гидрослюду, такую как используют при производстве вермикулита или вспученного перлита, а также различные глины (карьерные с влажностью не более 10%) обожженные, суглинки, супеси, лессовые отложения.
2
В качестве соли плавиковой кислоты, в частности, используют фтористый кальций (CaF), фтористый натрий (NaF), кремнефтористый натрий, фтористый алюминий и другие.
Таким образом, в соответствии с заявленной группой изобретения тепоизоляционные и утеплительные материалы получают с использованием известного кремнеземсодержащего вяжущего, в том числе и из глинистого сырья и/или с использованием в качестве связующего аморфного кремнезема как природного, так и промышленного происхождения, смешивания их с сыпучими утеплителями, например вспученный вермикулит, перлитовый песок, керамзит, или отходами производства, например древесные стружки и опилки, или переработки сельскохозяйственной деятельности, например шелуха подсолнечника, соломакостра от переработки льна и затворения их водным раствором щелочесодержащего компонента.
2
2
Формование изделий осуществляется методом полусухого прессования при усилии прессования от 2,5 кг/см до 35,0 кг/см. Отформованные изделия подвергаются термообработке при температурах 150-850°С в течение времени, необходимого для полного отверждения изделия.
Введение в состав формовочной шихты, приготовленной с использованием кремнеземсодержащего вяжущего, аморфного кремнезема, например трепела, позволяет снизить термообработку изделий с 850°С до 150°С.
При незначительном изменении объема используемого сыпучего утеплителя и усилия прессования использование аморфных кремнеземов и изменения режимов термообработки позволяют регулировать в широких пределах прочностные характеристики изделий и их теплопроводность. Увеличение прочностных характеристик связано с кристаллизацией кремнезема вплоть до его остеклования, а низкая теплопроводность связана с увеличением пористости за счет выделяемого газа аморфным кремнеземом при его термообработке в присутствии щелочной среды и полного обезвоживания изделия.
Такие свойства утеплителей, изготовленных по данной технологии, позволяют использование их в любых сферах строительного производства, например при производстве железобетонных панелей, утеплении различных конструкций и поверхностей.
Увеличение прочностных характеристик с одновременным снижением коэффициента теплопроводности изделий, термообработка которых проходила при температурах до 250°С, под воздействием высоких температур, например при пожаре, позволяет их использовать как огнезащитные покрытия строительных конструкций в промышленных и гражданских зданиях и сооружениях.
Ниже приводятся примеры осуществления заявленной группы изобретения, иллюстрирующие его, но не ограничивающие объем его притязаний.
В приведенных примерах используют вяжущее в виде аморфного кремнезема (трепел, микрокремнеземы промышленного производства), в виде глинистого вяжущего, а также на основе их смесей.
Пример (с использованием аморфного кремнезема в качестве связующего)
В качестве сыпучих утеплителей - любые указанные выше. Технологический процесс изготовления следующий. Сыпучий утеплитель, например вермикулит фракции 2 мм, перемешивается с аморфным кремнеземом, например трепел фракции 1-10 мм, до получения однородной сухой смеси в смесителях принудительного действия, например планетарном, в течение 3-10 мин. Затем эта смесь затворяется водным раствором щелочного компонента, например едкого натра, и перемешивается в течение 1-5 мин.
2
Готовая шихта подвергается прессованию, например, с усилием 10,2 кг/см. Сырец изделия подвергается термообработке при 780°С. Полученное изделие по своим характеристикам полностью соответствует приведенным в таблице для изделий, изготовленных с использованием вяжущего.
При этом состав формовочной шихты выглядит следующим образом, мас.%:
Вермикулит
26,2
Кремнезем (трепел)
39,3
Вода
31,4
Едкий натр
3,1
Свойство растворения аморфных кремнеземов в водной щелочной среде с образованием клеящего вещества, которое после термообработки становится практически нерастворимо в воде, позволяет использовать его при производстве теплоизоляционных материалов. При этом свойства изделий ничем не будут отличаться от изготовленных на основе кремнеземсодержащего вяжущего.
Использование такого способа производства теплоизоляционных изделий позволяет наиболее рационально использовать все компоненты, входящие в состав формовочной шихты в целях получения изделий с заранее задаваемыми параметрами как прочностных характеристик, так и коэффициентом теплопроводности.
В таблицах 1-3 и 4 представлены примеры осуществления заявленного способа (и его вариантов) с использованием других вяжущих и аморфных кремнеземов, указанных выше, а также свойства их.
Таблица 1
Вяжущее из глины
№ пп
Показатели
Ед. изм.
Керамзит
Керамзит
Керамзит
Керамзит
1
Объем сухого материала
см<sup>3</sup>
400
400
500
500
2
Объемный вес сухого материала
кг/м<sup>3</sup>
450
450
450
450
3
Расход связующего (из глины)
мл
90
90
90
90
4
Расход воды
мл
0
0
0
0
5
Расход аморфного кремнезема (микрокремнезем пром.)
г
15
15
25
25
6
Нагрузка прессования
кг/см
2,5
2,5
12,0
12,0
7
Температура термообработки
°С
250
850
250
850
8
Прочность при сжатии
кг/см<sup>2</sup>
18,4
22,8
27,1
31,3
9
Прочность при изгибе
кг/см<sup>2</sup>
8,2
5,1
11,7
6,4
10
Теплопроводность
ккал/м·ч·град
0,062
0,059
0,075
0,069
Таблица 2
Вяжущее из микрокремнезема промышленного
№ пп
Показатели
Ед. изм.
Перлит
Перлит
Перлит
Перлит
1
Объем сухого материала
см
400
400
600
600
2
Объемный вес сухого материала
кг/см<sup>3</sup>
50
50
50
50
3
Расход связующего
мл
35
35
35
35
4
Расход воды
мл
0
0
0
0
5
Расход аморфного кремнезема (микрокремнезем пром.)
г
10
10
15
15
6
Нагрузка прессования
кг/см<sup>2</sup>
3,1
3,1
8,0
8,0
7
Температура термообработки
°С
250
780
250
780
8
Прочность при сжатии
кг/см<sup>2</sup>
6,5
7,8
11,4
16,8
9
Прочность при изгибе
кг/см<sup>2</sup>
7,1
5,4
13,1
12,1
10
Теплопроводность
ккал/м·ч·град
0,054
0,049
0,063
0,059
Таблица 3
Вяжущее трепел
№ пп
Показатели
Ед. изм.
Вермикулит
Вермикулит
Вермикулит
Вермикулит
l
Объем сухого материала
см<sup>3</sup>
300
300
500
500
2
Объемный вес сухого материала
кг/м<sup>3</sup>
100
100
100
100
3
Едкий натр
г
6
6
9
9
4
Расход воды
мл
200
200
250
250
5
Расход аморфного кремнезема (трепе)
г
150
150
200
200
6
Нагрузка прессования
кг/см<sup>2</sup>
5,0
5,0
10,2
10,2
7
Температура термообработки
°С
250
780
250
780
8
Прочность при сжатии
кг/см<sup>2</sup>
14,0
18,1
21,5
29,1
9
Прочность при изгибе
кг/см<sup>2</sup>
15,5
13,2
19,4
16,2
10
Теплопроводность
ккал/м·ч·град
0,056
0,051
0,061
0,058
Таблица 4
Свойства теплоизоляционных изделий (полуцилиндров). (на основе аморфных кремнеземов)
Наименование изделия
Прочность МПа
Теплопроводность, Вт/(м·К)
Температура испытаний, °С
25
100
200
300
600
750
Челябинский
0,37
Экспериментальные данные
0,030
0,034
0,065
0,078
0,110
0,167
0,029
0,038
0,069
0,075
0,113
0,160
0,031
0,036
0,063
0,073
0,106
0,163
Среднее значение
0,030
0,036
0,066
0,075
0,110
0,163
Кольский
0,38
Экспериментальные данные
0,040
0,043
-
0,078
0,130
0,125
0,036
0,037
0,079
0,133
0,130
0,039
0,044
0,080
0,128
0,129
Среднее значение
0,038
0,041
0,079
0,130
0,128
Таким образом, теплоизоляционные и утеплительные материалы, полученные способом (и вариантов его) по заявленной группе изобретений, ввиду их многообразия форм и достаточно хороших свойств, в том числе и таких, как огнестойкость, могут найти широкое использование в промышленности строительных материалов.