ВСПЕНЕННАЯ ГРАНУЛА С УПРОЧНЯЮЩИМ ПОКРЫТИЕМ

Предложенное решение относится к получению вспененных гранул, которые могут быть использованы в различных областях техники, в частности, в качестве добавки для получения облегченных буровых и тампонажных растворов. В этом случае предъявляются особые требования к физико-химическим свойствам таких добавок: высокая прочность при гидростатическом сжатии, низкий удельный вес и пр.
Известна вспененная гранула из пенополистирола с упрочняющей оболочкой, выполненной из жидкостекольного связующего с поверхностно-активным веществом, предохраняющей пенополистирол от преждевременного разложения (термодеструкции), (патент на изобретение РФ №2542302, МПК С04В 16/08, 2015 г.). Однако известная оболочка повышает прочность гранулы при гидростатическом сжатии в недостаточной степени.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является вспененная гранула из бисерного полистирола, выполненная с непроницаемым упрочняющим покрытием из фенолформальдегидной смолы (авторское свидетельство СССР №745539, МПК B01J 13/02, 1980 г.). Фенолформальдегидное покрытие позволяет герметизировать открытые поры вспененной гранулы, но при этом:
- покрытие обладает слабой адгезией с поверхностью гранулы (в результате чего происходит отслаивание покрытия);
- покрытие повышает прочность гранулы при гидростатическом сжатии в недостаточной мере, поскольку а) покрытие является хрупким и б) при отслаивании от гранулы покрытие воспринимает возникающее в процессе эксплуатации давление сжатия не совместно с гранулой, а отдельно;
- покрытие имеет недостаточную водостойкость;
- материал покрытия подвержен деструкции.
Технический результат предложенного решения заключается в повышении прочности гранулы при гидростатическом сжатии.
Указанный технический результат достигается тем, что во вспененной грануле с упрочняющим покрытием упрочняющее покрытие выполнено из эластичного материала. Эластичный материал лучше заполняет открытые поры вспененной гранулы и позволяет более равномерно распределить внешнее давление сжатия, что повышает прочность гранулы. Вспененная гранула может быть выполнена из стекла или стеклокерамики, ее размер не превышает 1 мм, а масса упрочняющего покрытия составляет от 0,5 до 20% от массы гранулы. Упрочняющее покрытие может быть выполнено из полиметилметакрилата.
Для улучшения контакта с веществом, с которым вспененная гранула будет взаимодействовать в процессе эксплуатации, она выполняется с развитой внешней поверхностью, например, за счет добавления в упрочняющее покрытие наполнителя, в качестве которого используется волластонит или аэросил. Масса аэросила в этом случае составляет от 0,1 до 2% от массы гранулы.
Для предотвращения отслаивания покрытия от вспененной гранулы, между ней и упрочняющим покрытием размещают основное адгезионное покрытие из материала, обладающего повышенной адгезией к материалу гранулы и упрочняющего покрытия, например, из силана.
Для улучшения адгезии с веществом, с которым вспененная гранула будет взаимодействовать в процессе эксплуатации, на упрочняющее покрытие вспененной гранулы наносят внешнее адгезионное покрытие из материала, обладающего повышенной адгезией к материалу упрочняющего покрытия и веществам, с которыми оно будет взаимодействовать в процессе эксплуатации (например, цементный, буровой или тампонажный раствор). Внешнее адгезионное покрытие может быть выполнено из волластонита или цемента.
В первом эксперименте была получена стеклянная вспененная гранула, имеющая открытые поры и снабженная упрочняющим покрытием, выполненным из полиметилметакрилата. Стеклянная вспененная гранула имеет развитую внешнюю поверхность за счет добавки в упрочняющее покрытие в качестве наполнителя аэросила.
Во втором эксперименте была получена стеклокерамическая вспененная гранула, имеющая открытые поры и снабженная упрочняющим покрытием, выполненным из полиметилметакрилата. Между стеклокерамической вспененной гранулой и упрочняющим покрытием расположено основное адгезионное покрытие из силана. На упрочняющее покрытие стеклокерамической вспененной гранулы нанесено внешнее армирующее и адгезионное покрытие из волластонита.
Размер стеклянной и стеклокерамической вспененных гранул не превышает 1 мм, а масса упрочняющего покрытия составляет от 0,5 до 20% от массы гранулы. Упрочняющее покрытие может быть выполнено из полиметилметакрилата (оптимальный вариант) или включать в свой состав один или несколько полимерных материалов из следующей группы: полиметилметакрилат, поливиниловый спирт, поливинилбутераль, поливинилацетат, поливинилхлорид, алюмохромфосфатное связующее, полиуретан, поликарбонат, полистирол, латексы каучуков, силаны.
Для улучшения контакта с веществом, с которым стеклянная или стеклокерамическая вспененная гранула будет взаимодействовать в процессе эксплуатации, гранула выполняется с развитой внешней поверхностью, например, за счет добавления в упрочняющее покрытие наполнителя волластонита или аэросила. В качестве наполнителя также может использоваться цемент, базальтовое волокно, мраморный кальцит, кизельгур, стеклопорошок. Масса аэросила в качестве наполнителя составляет от 0,1 до 2% от массы гранулы.
Для предотвращения отслаивания упрочняющего покрытия от стеклянной или стеклокерамической вспененной гранулы, между гранулой и упрочняющим покрытием размещают основное адгезионное покрытие из материала, например, из силана обладающего повышенной адгезией к материалу гранулы и материалу упрочняющего покрытия.
Для улучшения адгезии с веществом, с которым стеклянная или стеклокерамическая вспененная гранула будет взаимодействовать в процессе эксплуатации, на упрочняющее покрытие гранулы наносят внешнее адгезионное покрытие из материала, обладающего повышенной адгезией к материалу упрочняющего покрытия и веществам, с которыми оно будет взаимодействовать в процессе эксплуатации (например, цементный, буровой или тампонажный раствор). Внешнее адгезионное покрытие выполняют из волластонита или цемента (оптимальный вариант при взаимодействии с вышеперечисленными растворами). Кроме того, внешнее адгезионное покрытие может быть выполнено из аэросила базальтового волокна, мраморного кальцита, кизельгура, стеклопорошка, поливинилового спирта, поливинилбутерали, поливинилацетата, поливинилхлорида, алюмохромфосфатного связующего, полиуретана, поликарбоната, полистирола, латексов каучуков, силанов.
Стеклянная вспененная гранула получается путем вспенивания в печи гранулята-сырца, изготовленного (как один из вариантов) из стеклобоя и порообразователя - смеси доломита с мелом (до 4% от массы стекла), смешанных с водным раствором растворимого стекла. Затем на стеклянную вспененную гранулу наносят слой упрочняющего покрытия из полиметилметакрилата, содержащего в качестве наполнителя аэросил (от 0,1 до 2% от массы гранулы).
2
3
2
Стеклокерамическая вспененная гранула получается путем вспенивания в печи (как один из вариантов) углисто-глинистых сланцев, содержащих 20,93 мас. % AlO, 1,41 мас. % MgO и 1,10 мас. % KO. Упрочняющее покрытие выполнено из полиметилметакрилата. Между стеклокерамической вспененной гранулой и упрочняющим покрытием нанесено основное адгезионное покрытие из силана. На упрочняющее покрытие вспененной гранулы нанесено внешнее адгезионное покрытие из волластонита.
И у стеклянной и у стеклокерамической вспененной гранул масса упрочняющего покрытия составляет от 0,5 до 20% от массы гранулы. Размер гранул не превышает 1 мм.
Выполнение упрочняющего покрытия из эластичного материала (полиметилметакрилата) позволяет лучше заполнить открытые поры вспененных гранул и более равномерно распределить внешнее давление сжатия, что повышает прочность гранул.
Развитее внешней поверхности гранулы за счет добавления в упрочняющее покрытие аэросила улучшает контакт вспененной гранулы с веществом, с которым она будет взаимодействовать в процессе эксплуатации (например, цементный, буровой или тампонажный раствор).
Нанесение основного адгезионного покрытия из силана между вспененной гранулой и упрочняющим покрытием предотвращает отслаивание упрочняющего покрытия от гранулы.
Нанесение на упрочняющее покрытие внешнего адгезионного покрытия из волластонита улучшает адгезию с веществом, с которым вспененная гранула будет взаимодействовать в процессе эксплуатации (например, цементный, буровой или тампонажный раствор).
Внешнее адгезионное покрытие из волластонита не только улучшает адгезию вспененной гранулы с веществом, с которым она будет взаимодействовать в процессе эксплуатации (как это происходит в случае применения вместо волластонита цементного порошка), но и повышает прочность гранулы (как и в случае применения вместо волластонита порошка стеклянных шариков). При замене волластонита на аэросил, кроме повышения адгезии, уменьшается слипание гранул в процессе транспортировки и хранения.
Прочность вспененных гранул при гидростатическом сжатии оценивалась по количеству разрушенных гранул при их гидростатическом сжатии до давления 30 МПа.
Прочностные характеристики вспененных гранул, изготовленных в соответствии с предлагаемым решением, сравнивались с прочностными характеристиками аналогичных вспененных гранул, упрочняющее покрытие которых было выполнено из фенолформальдегидной смолы. Проведенные исследования показали, что применение упрочняющего покрытия из полиметилметакрилата на вспененных гранулах размером до 1 мм, выполненных из стекла или из стеклокерамики, позволяет снизить количество разрушенных гранул с 10,3% (у вспененных гранул, упрочняющее покрытие которых выполнено из фенолформальдегидной смолы) до 3,4% (у аналогичных вспененных гранул, упрочняющее покрытие которых выполнено из полиметилметакрилата).
При этом масса упрочняющего покрытия должна находиться в пределах от 0,5 до 20% от массы вспененной гранулы, что позволяет добиться максимального эффекта. Если масса упрочняющего покрытия ниже 0,5%, то на прочности гранулы это практически не сказывается, т.к. толщина образовавшегося слоя упрочняющего покрытия слишком мала, чтобы за счет его эластичности перераспределить внешнее давление сжатия. Если массу упрочняющего покрытия увеличивать свыше 20%, то это уже практически не дает прироста прочности гранулы, поскольку часть толщины образовавшегося слоя упрочняющего покрытия перестает перераспределять внешнее давление сжатия. Таким образом, пределы значений массы упрочняющего покрытия могут рассматриваться как необходимое условие повышения прочности вспененных гранул при гидростатическом сжатии.
Масса аэросила, добавляемого в качестве наполнителя упрочняющего покрытия, должна находиться в пределах от 0,1 до 2% от массы вспененной гранулы, что позволяет улучшить за счет развития внешней поверхности контакт вспененной гранулы с веществом, с которым гранула будет взаимодействовать в процессе эксплуатации.
Если масса аэросила ниже 0,1%, то на развитии внешней поверхности гранулы это не сказывается, т.к. практически все частицы аэросила окажутся внутри упрочняющего слоя. Если массу аэросила увеличивать свыше 2%, то это начинает сказываться на прочности гранулы, снижая ее. Таким образом, пределы значений массы аэросила могут рассматриваться как необходимое условие развития внешней поверхности гранулы.