Композиция для получения огнестойкого строительного материала при утилизации отходов
COMPOSITION FOR PRODUCING FIRE-RESISTANT CONSTRUCTION MATERIAL IN RECYCLING WASTES

Композиция для получения огнестойкого строительного материала на основе отходов поливинилхлорида и отходов вспученного вермикулита относится к области производства строительных и отделочных материалов.
Изобретение относится к приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (утвержденного Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. № 899) «Рациональное природопользование» и «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а так же к перечню критических технологий Российской Федерации «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения» и соответствует «Стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года» (утвержденной распоряжением Правительства РФ от 10 мая 2016 г. № 868-р) в части импортозамещении и размещении полимерных отходов в производстве строительных материалов и изделий, поскольку позволяет создать композицию для производства новых строительных материалов с применением отходов промышленности и утилизировать значительные объемы крупнотоннажных отходов.
Изобретение может быть использовано как для наружной, так и для внутренней отделки в качестве обшивки домов, фасадных облицовочных изделий, террасной доски, черепицы, отделочных материалов и иных изделий и конструкций, в том числе во влажных средах.
Известна композиция для получения строительного материала на основе отходов термопластичных полимеров - полиэтилена низкого давления и полиэтилена высокого давления, смешивание их с наполнителем (глиной), формование и прессование изделия, температурная обработка [Патент РФ № 2327712, МПК C08J 11/06, C08J 23/06, C04B 14/10. Способ переработки полимерных отходов с получением строительного материала, опубл. 27.06.08].
Признаками известной композиции, совпадающими с существенными признаками предлагаемой композиции для получения огнестойкого строительного материала, являются: наличие в составе композиции отходов полимеров.
Недостатками аналога являются низкие технико-эксплуатационные характеристики получаемого материала, такие как, высокое водопоглощение, низкая прочность на изгиб, низкая огнестойкость конечного продукта и высокая токсичность продуктов горения.
Известна композиция экологически чистой древесно-наполненной пластмассы, с использованием трибоактивированного древесно-растительного наполнителя [Патент РФ № 2081135, МПК C08L 97/02, опубликован 10.06.97].
Признаком, совпадающим с заявленным способом является переработка отходов.
Недостатками аналога являются сложная технологическая энергоемкая схема, включающая сушку, модифицирование трибоактивацией, смешение и термоформование, а также недостаточные технико-эксплуатационные характеристики получаемого материала, такие как высокое водопоглощение, низкая ударная вязкость, низкая огнестойкость конечного продукта и высокая токсичность продуктов горения.
Известна композиция для получения строительного материала на основе отходов, где используют: связующее вещество хитин, поливинилхлорид (ПВХ), сушеную древесную муку с влажностью менее 1% по весу для получения строительного материала типа искусственной древесины [Патент US № 7,446,138, МПК B29C 47/00; B29C 43/22; B29C 47/60; B29D 7/00; B32B 5/16; C08J 9/00; C08J 9/10; D01D 5/12. Wood particle filled polyvinyl chloride composites and their foams, опубл. 04.11.08].
Признаками известной композиции, совпадающими с существенными признаками предлагаемой композиции для получения огнестойкого строительного материала, является использование отходов в качестве наполнителя и использование модифицирующих добавок.
Недостатками по конечному продукту являются: в качестве основного связующего компонента применяется первичный поливинилхлорид, что приводит к снижению огнестойкости конечного продукта; в качестве наполнителя применяется древесная мука, представляющая собой гидрофильный органический материал на основе целлюлозы, что также повышает огнеопасность материала; древесная мука должна быть предварительно тщательно высушена (от 30-40 % до 1 % отн. влажности), что требует больших энергозатрат, значительно повышая себестоимость изделий; древесная мука значительно увеличивает водопоглощение.
Известна композиция по созданию сырьевой смеси для создания декоративно-отделочных материалов. [Патент РФ № 2488565, МПК С04В 28/26, С04В 111/28; опубл. 10.06.97].
Признаками композиции, совпадающими с существенными признаками предлагаемой композиции, является использование отходов вспученного вермикулита в качестве наполнителя и применение модифицирующих добавок.
Недостатками по конечному продукту являются: использование первичных материалов (не отходов), сложная технологическая схема, включающая смешение, термоформование, подпрессовку под давлением, горячее прессование с выпаром пара, а также низкие технико-эксплуатационные характеристики получаемого материала, как самостоятельного облицовочного декоративно-отделочного материала, а именно: низкие прочностные характеристики и водостойкость, высокое водопоглощение.
За прототип принята композиция для получения строительного материала. По прототипу используют промышленные отходы поливинилхлорида (ПВХ) и золу уноса от сжигания угля на теплоэлектростанциях. [Патент РФ № 2469976, МПК С04В 26/08, С04В 18/10, С04В 111/28; опубл. 27.07.2013].
Признаками композиции по прототипу, совпадающими с существенными признаками предлагаемой композиции для получения огнестойкого строительного материала, является использование отходов в качестве связующего и наполнителя, а также использование вспенивателя и модифицирующих добавок.
Недостатками прототипа по конечному продукту являются: высокая плотность (удельный вес), более низкие физико-механические характеристики, а именно прочность при изгибе и разрыве, а также ударная вязкость по Шарпи.
Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявляемая композиция отличается от известной композиции наличием полимерного связующего поливинилхлорида с более низкой константой Фикентчера от 58 до 64, а так же химическим составом используемого наполнителя, формой его частиц, и применением специальных химических добавок (модификаторов) для улучшения эксплуатационных характеристик, то есть соответствует требованиям, предъявляемым к изобретению по критерию «новизна».
Задачей предлагаемого патента является разработка композиции для создания нового огнестойкого строительного материала на основе отходов поливинилхлорида (ПВХ), в качестве связующего, и дешевых доступных минеральных отходов в виде отходов вспученного вермикулита, в качестве наполнителя, не требующего предварительной сушки.
Предлагаемая композиция обладает лучшими в сравнении с рассмотренными аналогами технико-эксплуатационными характеристиками, такими как водопоглощение, ударная вязкость и прочностные характеристики. Наполнитель (мелкодисперсный отход) повышает технико-эксплуатационные качества конечных изделий. Строительные материалы на основе предлагаемой композиции соответствуют требованиям экологической безопасности.
Технический результат заключается в обеспечении повышенных технико-эксплуатационных показателей конечного продукта, а именно более низкого водопоглощения, по сравнению с аналогичными композиционными материалами с минеральными и органическими наполнителями, повышении ударной вязкости при использовании отходов вспученного вермикулита и в достижении более высоких прочностных показателей за счет увеличения уровня внутренних напряжений, которые зависят от формы и размера частиц исходных материалов (чем больше форма отличается от шарообразной, тем больше воспринимает напряжений на себя; чем больше разброс частиц наполнителя по размерам, тем больше плотность упаковки и, соответственно, высокая удельная поверхность (площадь соприкосновения), тем более высокие прочностные показатели композита.
Наряду с этим, технический результат заключается в увеличении температуры разрушения (деструкции) глобулярной структуры ПВХ и большом объеме утилизации отходов, среди материалов-аналогов, наполненных вермикулитом, а именно промышленных отходов поливинилхлорида (ПВХ) и отходами вспученного вермикулита.
Технический результат достигается тем, что композиция для получения огнестойкого строительного материала на основе отходов и модифицирующих добавок, включающая промышленные отходы поливинилхлорида ПВХ, наполнитель, термосветостабилизатор, модификатор перерабатываемости, модификатор ударной прочности и смазку, согласно изобретению, промышленные отходы поливинилхлорида ПВХ используют с константой Фикентчера (58 – 64)±1, в качестве наполнителя используют отходы вспученного вермикулита, в качестве термосветостабилизатора используют Naftomix MRX 2167, в качестве модификатора перерабатываемости используют Paraloid K 175, в качестве модификатора ударной прочности используют Tyrin 6000, в качестве смазки – Listab Ca, и дополнительно она содержит модификатор ударопрочности Paraloid KM1 и пигменты, при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:
Связующее
100
Наполнитель
20 – 37
Термосветостабилизатор
4 – 5,5
Модификатор перерабатываемости
0,7 – 1
Модификатор ударопрочности
4,5 – 5,2
Модификатор ударной прочности
1,7 – 2
Смазка
0,15 – 0,2
Пигменты
2 – 5
+2
+2
+3
3
4
10
2
2
Отходы вспученного вермикулита в настоящее время не используются или используются в незначительном объеме. Химический состав (таблица 1) отвечает формуле (Mg,Fe,Fe) [(AlSi)О]•(OH)•4HO. Однако, вермикулит редко отвечает общей формуле и обычно содержит примеси. Содержание элементов в расчете на оксиды в вермикулите.
Таблица 1
Соединение
Содержание по массе, %
Соединение
Содержание по массе, %
SiO<sub>2</sub>
38,0 – 49,0
TiO<sub>2</sub>
1,5
MgO
20,0 – 23,5
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0 - 0,5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12,0 – 17,5
MnO
0,1 – 0,3
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,4 – 9,3
Cl
0 – 0,5
FeO
0 – 1,2
CO<sub>2</sub>
0 – 0,6
K<sub>2</sub>O
5,2 – 7,9
S
0 – 0,2
Na<sub>2</sub>O
0 – 0,8
H<sub>2</sub>O
5,2 – 11,5
CaO
0,7 – 1,5
3
Гранулометрический состав, используемой в предлагаемой композиции, представлен в таблице 2 в соответствии с ГОСТ 12865-67 с насыпной плотностью 98 кг/м. По ГОСТ 12865-67 вспученный вермикулит отвечает марке 100.
Таблица 2
Сито, мм
2,5
1,25
0,63
0,315
0,16
>0,16
Частный остаток, %
1,98
23,2
49,6
20,4
4,2
0,57
Полный остаток, %
1,98
25,18
74,78
95,2
99,43
100
Технический результат достигается тем, что композиция для получения огнестойкого строительного материала на основе отходов и модифицирующих добавок, согласно изобретению, в качестве отходов используют промышленные отходы поливинилхлорида (ПВХ) с константой Фикентчера (58–64)±1) и отходы вспученного вермикулита, а в качестве модифицирующих добавок используют термосветостабилизатор Naftomix MRX 2167 на основе двухосновного фосфита свинца, модификатор перерабатываемости Paraloid K 175 на полиакрилатной основе, модификатор ударопрочности Paraloid KM1 на акриловой основе, модификатор ударной прочности Tyrin 6000 на основе хлорированного полиэтилена, смазку Listab Ca на основе стеарата кальция, пигменты, при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:
Связующее
100
Наполнитель
20 – 37
Термосветостабилизатор
4 – 5,5
Модификатор перерабатываемости
0,7 – 1
Модификатор ударопрочности
4,5 – 5,2
Модификатор ударной прочности
1,7 – 2
Смазка
0,15 – 0,2
Пигменты
2 – 5
В композиции в качестве связующего вещества используют промышленные отходы поливинилхлорида (ПВХ) со значением константы Фикентчера 58-64, в качестве наполнителя используют мелкодисперсный минеральный отход - отход вспученного вермикулита, не требующий дополнительной обработки. В качестве модифицирующих добавок используют: термосветостабилизатор Naftomix MRX 2167, который не оказывает дестабилизирующего действия на ПВХ, легко растворим в нем, не допускает расслоения. Использование модификатора перерабатываемости Paraloid K 175 уменьшает время плавления и увеличивает гомогенизацию расплава. Применение модификатора ударопрочности Paraloid KM1 обеспечивает высокие реологические характеристики, отсутствие остаточных напряжений, низкую усадку после экструзии, высокую ударную вязкость, атмосферостойкость, а также улучшает механические свойства, ударопрочность и эластичность ПВХ. В качестве модификатора ударной прочности используют Tyrin 6000, который обеспечивает высокую степень ударопрочности, эффективен при низких температурах, что обеспечивает изделиям хорошую износостойкость при любых климатических условиях. Смазка Listab Ca используется для переработки ПВХ со стабилизирующим действием.
Подготовку заявляемой композиции для получения огнестойкого строительного материала, осуществляют в две стадии: сначала проводят горячее смешение промышленных отходов поливинилхлорида (ПВХ) и модифицирующих добавок в высокоскоростном двухстадийном смесителе при скорости вращения порядка 1200 об/мин. до нагрева смеси до температуры 105-115ºС, затем подается в охлаждающий смеситель, куда затем вводится наполнитель отходы вспученного вермикулита и перемешивают до получения однородной массы. Вторая стадия смешивания осуществляется при скорости вращения 180 об/мин. с охлаждением смеси до температуры 40ºС. Время смешения зависит от состава смеси и степени наполнения композиции и составляет 9-15 минут. Затем смесь подается в бункер, отстаивается (не менее 24 часов) и после загружается в экструдер. Далее композиционная смесь экструдируется под действием температуры и давления с получением изделий заданного профиля. Основные параметры процессов, происходящих при экструзии различных составов композиции, представлены в таблице 3.
Таблица 3
Наименование параметра
Единица измерения
Значения
Температура экструдера
°С
175 - 194
Температура фильеры
°С
168 - 175
Давление массы расплава (с пластификатором и без него)
МПа
13,5 - 18,5
Обороты шнека главного экструдера
об/мин
5,7 - 13,2
Скорость отвода профиля
м/мин
2,6 - 3,0
Совместное использование ингредиентов композиции, а именно промышленных отходов поливинилхлорида (ПВХ) с константой Фикентчера (58-64)±1, наполнителя - отходов вспученного вермикулита, модифицирующих добавок таких, как термосветостабилизатор Naftomix MRX 2167, модификатор перерабатываемости Paraloid K 175, модификатор ударопрочности Paraloid KM1, модификатор ударной прочности Tyrin 6000 и смазка Listab Ca в представленном объеме, позволяет наполненной полимерной композиции, имеющей неоднородную структуру, где возникают области с высокой и низкой концентрацией напряжений в результате адсорбционного взаимодействия молекул полимера с твердым телом, изменять уровень внутренних напряжений и, тем самым, регулировать физико-механические характеристики и эксплуатационные свойства конечного изделия. Данный состав компонентов смеси позволяет в значительной степени снизить вязкость исходной композиции за счет использования как процессинговой добавки, модификатора перерабатываемости на основе акриловых сополимеров, так и отходов вспученного вермикулита тонкой фракции. Анализ полученных результатов показал, что варьируя содержанием наполнителя в композиции, можно управлять свойствами материала, как, например, прочность, ударная вязкость, поверхностная текстура. Установлено оптимальное содержание отходов вспученного вермикулита от 20 до 37 массовых частей.
Кроме того, технико-экономический эффект заключается:
- в утилизации крупнотоннажных полимерных и минеральных (отходы вспученного вермикулита) отходов, что позволит существенно сократить потребление природных ресурсов и сохранить окружающую среду;
- в стимуляции развития рынка вторичных материальных ресурсов техногенного происхождения и активизации процесса создания производств по переработке отходов в готовую продукцию, в том числе строительных материалов;
- во введении на рынок новой продукции - огнестойкого строительного материала, обладающего улучшенными по сравнению с аналогичными материалами с наполнением органическими и минеральными частицами, такими как водопоглощение, ударной вязкости, прочностные показатели композита, температура разрушения (деструкции) глобулярной структуры ПВХ и объеме утилизации отходов.
Значительное количество аналогов данного материала в настоящее время ввозится из-за рубежа; данная продукция соответствует поддержки политики импортозамещения в РФ;
- конкурентоспособности композиции для получения строительного материала, так как он соответствуют критериям стандарта организации СТО НОСТРОЙ 2.35.4-2011: «Комфорт и экология внутренней среды», «Энергосбережение и энергоэффективность», отвечают современным требованиям экологической безопасности;
- в дополнительном эколого-экономическом эффекте для предприятий за счет снижения экологических платежей за размещение отходов.
В заявленном изобретении появляется неочевидный новый технический результат, обусловленный составом композиции, а именно то, что коэффициент линейного температурного сжатия–расширения до эксплуатационных значений в 80-90°С имеет значение близкое к нулю. Таким образом, материал не меняет геометрические размеры (по трем направлениям, длина, ширина, высота) в широком диапазоне температур.
Таким образом, заявляемая композиция обладает новой совокупностью признаков, которая обеспечивается взаимодействием полимерной связующей матрицы (поливинилхлорид) с функциональным наполнителем (отходом вспученного вермикулита). Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сравнение технических характеристик строительного материала, полученного из заявляемой композиции и строительного материала по патенту № 2469976 приведено в таблице 4.
Таблица 4
Показатели
Технические характеристики
Патент №246997640% з.у.
Заявляемая композиция
Водопоглощение и набухание материалов в воде за 24 часа при 20С<sup>о</sup>
Водопоглощение, %
0,01
0,1
Набухание по длине, %
0,03
0,03
Набухание по ширине, %
0,02
0,00
Набухание по толщине, %
0,11
0,00
Водопоглощение и набухание материалов в кипящей воде за 2 часа
Водопоглощение, %
0,84
0,07
Набухание по длине, %
-3,16
-1,35
Набухание по ширине, %
0,54
0,13
Набухание по толщине, %
0,87
0,39
Физико-механические характеристики материала
Прочность при изгибе, МПа
49,5
54,9
Модуль упругости при изгибе, МПа
5719
3213
Прочность при разрыве, МПа
21,8
25,6
Прочность при растяжении, МПа
18,9
16,17
Ударная вязкость по Шарпи, кДж/м<sup>2</sup>
7,61
13,4
Прочность при изгибе профильной доски
Разрушающая нагрузка при изгибе при расстоянии между опорами 400 мм
Н
3834
4305
Несущая способность по распределенной нагрузке на 1м<sup>2</sup> напольного покрытия
При расстоянии между опорами
400 мм
кг
14795
13176
500 мм
9469
8433
Огнестойкость (класс горючести)
ГОСТ 30244-94
Г2
Г2
Из таблицы видно, что разработанный материал, полученный по заявляемой композиции обладает высокой ударной вязкостью, прочностью при изгибе и разрыве, а также пониженным водопоглощением, по сравнению с аналогичным композиционным материалом, наполненным золой уноса.
Таким образом, предлагаемая композиция для производства строительных и отделочных материалов позволяет включить в жизненный цикл продукции отходы производства, которые будут переработаны на конкурентоспособную и импортозаменяющую продукцию, отвечающую требованиям экологической безопасности. Это позволит сэкономить соответствующее количество природного сырья.
Изобретение позволяет создать и вывести на рынок конкурентоспособные, как с точки зрения технологических, так и с точки зрения экологических характеристик изделия из нового материала, обладающего уникальными качествами: водостойкостью, химической стойкостью, биологической стойкостью (гниение, плесневение), морозоустойчивостью, долговечностью.
Наполнитель (отходы вспученного вермикулита) увеличивает удельную поверхность соприкосновения при взаимодействии со связующим (поливинилхлоридом), в силу своего строения (пластинчатая структура) без применения модификатора текучести, обеспечивая повышенные физико-механические показатели конечного продукта.
Данное изобретение применимо для производства строительных и отделочных материалов, которые могут быть использованы как для наружной, так и для внутренней отделки помещений в качестве обшивки домов, фасадных облицовочных изделий, террасной доски, черепицы, отделочных материалов и иных изделий и конструкций, в том числе во влажных средах. Изделия, на основе заявляемой композиции, обладая более высокими значениями показателей физико-механических характеристик, по сравнению с материалами-аналогами, не требуют дополнительной окраски, устойчивы к воздействию УФ-облучения, не требуют применения дополнительных мероприятий для поддержания внешнего вида и их замены в течение длительного времени, создавая дополнительный эколого-экономический эффект при ремонте и реставрации, а также воздействии на природную среду.