СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING HEAT-INSULATING MATERIAL

Изобретение относится к строительной промышленности, в частности к способу изготовления теплоизоляционного материала, и может быть использовано для изготовления теплоизоляционного материала, предназначенного для термоизоляции чердачных и подвальных перекрытий, фасадов зданий, трубопроводов горячего теплоснабжения, конденсационных и терморасширительных баков, технологических трубопроводов пожароопасных производств, емкостей для хранения нефтепродуктов.
Материал, полученный предлагаемым способом, может быть также использован как звукоизоляционный материал.
Для теплоизоляционных материалов указанного назначения чрезвычайно важными показателями являются: коэффициент теплопроводности, экологическая и пожарная безопасность, температурный диапазон эксплуатации, механическая прочность.
Известен способ изготовления теплоизоляционного материала, который включает вспенивание и отверждение композиции, состоящей из карбамидо-формальдегидной смолы, поверхностно-активного вещества, кислого отвердителя, наполнителя и пластификатора (Пат.RU №2317272). Однако недостатками известного способа являются:
- выделение изделиями в процессе производства и эксплуатации экологически вредного формальдегида;
- низкие характеристики пожарной безопасности готового теплоизоляционного материала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления теплоизоляционного материала, состоящий из подготовки исходной композиции материала, путем перемешивания ее компонентов, вспенивания композиции, ее разлива и отверждения в форме, при этом в состав композиции входят 30-50% натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 2,8-4,5, отвердитель на основе соединений, выделяющих кислоту, пенообразователь, наполнитель и вода (Пат. US 3850650, по кл. С04В 38/00, 1974).
В известном способе смешивают водный раствор водорастворимого силиката - натриевого жидкого стекла, отвердитель, который выделяет кислоту в воду, и, по крайней мере, один вспенивающий агент, выбранный из группы, включающей алканы, алкены, галогенозамещенные алканы, галогенозамещенные алкены и алкиловые эфиры.
В известном способе вспенивание полученной композиции с одновременным ее отверждением ведут путем доведения температуры композиции выше точки кипения вспенивающего агента.
Названный водный раствор может содержать до 95% наполнителя.
Однако известный способ обладает рядом недостатков:
1. Высокая экологическая опасность как в процессе производства, так и при использовании готовых изделий, так как:
- вспенивание растворов жидкого стекла достигают введением в состав отверждаемой композиции экологически вредных органических жидкостей (трихлорфторметана, дихлордифторметана, хлороформа, винилхлорида, трихлорэтилена), которые в процессе производства и при последующем использовании полученных изделий выделяют в атмосферу в количествах, в десятки раз превышающих предельно допустимые концентрации;
- в качестве отверждающих реагентов используют органические соединения, например, бутиловый, изо-октиловый, фениловый эфиры хлормуравьиной кислоты, реагирующие с жидким стеклом, выделяя бутанол, изо-октанол, фенол в количествах, не совместимых с требованиями техники безопасности.
2. Низкие характеристики пожарной безопасности получаемого теплоизоляционного материала, теряющего при воздействии пламени в течение 30 мин с температурой 850°С более 50% массы (группа горючести Г2).
3. Низкое значение допустимой разности температур «холодной» и «горячей» поверхности теплоизоляционных изделий (не более 100°С при толщине теплоизолирующего слоя более 50 мм).
4. Низкие характеристики термостойкости теплоизоляционного материала, разрушающегося при температуре свыше 70°С.
5. Низкая механическая прочность отвердевшей пены, имеющей предел прочности при сжатии менее 50 кПа, что не позволяет использовать ее в качестве конструкционного теплоизоляционного материала.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа изготовления теплоизоляционного материала, обладающего одновременно низким коэффициентом теплопроводности, экологической и пожарной безопасностью, широким температурным диапазоном эксплуатации, высокими показателями механической прочности.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа изготовления теплоизоляционного материала, состоящего из подготовки исходной композиции материала, путем перемешивания ее компонентов, вспенивания композиции, ее разлива и отверждения в форме, при этом в состав композиции входят 30-50% натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 2,8-4,5, отвердитель на основе соединений, выделяющих кислоту в воду, пенообразователь, наполнитель и вода, в котором согласно изобретению подготовку компонентов композиции для их смешивания производят раздельно путем предварительного нагрева натриевого жидкого стекла, замачивания длинноволокнистого наполнителя, например, асбеста-хризотила в воде, подготовку пены из пенообразующего раствора, представляющего собой водный 1,5-3,2%-ный раствор триэтаноламмонийной или натриевой соли лаурилсульфата, при этом смешивание компонентов композиции ведут с одновременным вводом пены, кратность которой зависит от заданной плотности готового теплоизоляционного материала, причем перемешивание продолжают до образования однородной смеси, затем заполняют вспененной композицией термоизолированную форму и подвергают воздействию электромагнитного излучения с последующей сушкой, при этом композиция содержит компоненты или их смеси (при любом их соотношении) при следующем содержании компонентов в композиции, мас.%:
отверждаемая основа -
30-50%-ное натриевое жидкое
стекло с силикатным модулем 2,8-4,5
71-77
отвердитель -
или натрия гексафторсиликат (Na<sub>2</sub>SiF<sub>6</sub>),
или натрия гексафтортитанат (Nа<sub>2</sub>TiF<sub>6</sub>),
или их смеси при любом соотношении компонентов
8,5-9,1
пенообразователь -
или натриевая, или триэтаноламмонийная
соль лаурилсульфата
0,9-3,2
наполнитель - асбест-хризотил марок
или А5, или А4, или A3 или А2
2,4-5,5
вода
остальное
Нагрев натриевого жидкого стекла до температуры 35-45°С обеспечивает технологически приемлемое время отверждения пеномассы (15-40 мин), которое не должно превышать 40 мин, иначе происходит усадка пеномассы в процессе ее отверждения, и не должно быть менее 15 мин, иначе существенно уменьшается механическая прочность готового теплоизоляционного материала и возможно отверждение пеномассы в аппарате-смесителе.
Замачивание длинноволокнистого наполнителя, например асбеста-хризотила, в воде необходимо для получения однородной по составу вспененной композиции.
Обработка композиции электромагнитным излучения с частотой колебаний от 434 до 9100 МГц в течение 30-120 мин необходима для снятия внутренних напряжений в готовом теплоизоляционном материале.
Дополнительная кавитация пены перед заливкой позволяет увеличить ее дисперсность, что способствует снижению коэффициента теплопроводности и увеличению предела прочности при сжатии готового теплоизоляционного материала.
Ведение сушки композиции путем плавного поднятия температуры воздуха от 50 до 100°С при одновременном снижении его влажности от 100 до 0,5% дополнительно снижает внутренние напряжения в материале, что позволяет увеличить предельную температуру эксплуатации готовых теплоизоляционных изделий до 250°С и увеличить допустимую величину разности температур «холодной» и «горячей» поверхности теплоизоляционных изделий, например, более 100°С при толщине слоя теплоизолятора 100 мм.
3
Кратность закономерно увеличивают от 10 до 30 при увеличении заданной плотности готового теплоизоляционного материала от 100 до 250 кг/м, потому что при высокой заданной плотности пеномасса с высокой кратностью пены не имеет достаточной механической прочности и дает усадку в процессе ее отверждения.
Предлагаемый способ изготовления теплоизоляционного материала обладает высокой экологической безопасностью производства, так как в предлагаемом способе используют компоненты, не содержащие вредных легколетучих органических соединений.
Теплоизоляционный материал, получаемый предлагаемым способом, также обладает рядом существенных отличий от ранее известных:
материал пожарнобезопасностный, имеющий группу горючести НГ (несгораемый);
- широкий температурный интервал эксплуатации от -60 до 250°С;
- высокое значение допустимой разности температур «холодной» и «горячей» поверхности теплоизоляционных изделий (более 100°С при толщине теплоизолирующего слоя 100 мм);
3
- возможность регулирования предела прочности при сжатии в интервале от 100 до 250 кПа путем изменения плотности материала от 100 до 250 кг/м.
Для реализации заявленного способа можно использовать следующие экологически чистые вещества (компоненты).
В качестве жидкого стекла используют, например, 40%-ное натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 3 (ГОСТ 13078-81).
В качестве отвердителя используют, например, натрия гексафторсиликат (ТУ 113-08-587-86), или натрия гексафтортитанат (ТУ 6-09-01425-77), или их смеси при любом соотношении компонентов.
В качестве наполнителя используют, например, асбест-хризотил (ГОСТ 12871-93).
В качестве пенообразователя используют, например, триэтаноламмонийную соль лаурилсульфата (торговое название пенообразователь №3, ТУ 6-14-508-80, изменение №1) или натриевую соль лаурилсульфата.
Предлагаемый способ изготовления теплоизоляционного материала осуществляют следующим образом:
Предлагаемый способ можно осуществлять, например, при атмосферном давлении.
Сначала компоненты композиции перед их смешиванием готовят раздельно:
1) нагревают натриевое жидкое стекло до температуры 35-45°С, при которой обеспечивается технологически приемлемое время отверждения пеномассы (15-40 мин).
2) замачивают длинноволокнистый наполнитель, например, асбест-хризотил в воде при соотношении асбест-хризотил - вода 1:4÷1:8 в течение 1-4 час для обеспечения последующего образования однородной по составу вспененной композиции.
Жидкое стекло, водную взвесь асбеста-хризотила и отвердитель последовательно загружают в аппарат-смеситель при работающей мешалке и с помощью пеногенератора включают подачу пены.
3
3
3
Пену готовят из пенообразующего раствора, представляющего собой водный 1,5-3,2%-ный раствор триэтаноламмонийной или натриевой соли лаурилсульфата. Кратность пены регулируют в зависимости от заданной плотности готового теплоизоляционного материала. Более плотному конечному продукту соответствует пена с низкой кратностью. Например, при плотности теплоизоляционного материала 100 кг/м следует использовать пену с кратностью примерно 30, при плотности 150 кг/м - 15, при плотности 250 кг/м - 10.
С увеличением кратности пены, с одной стороны, уменьшается ее механическая прочность и при получении материала с высокой конечной плотностью твердеющая пена будет давать нежелательную усадку.
С другой стороны, при низкой кратности пены в композиции уменьшается содержание воды, которую впоследствии необходимо испарить, что требует дополнительных энергозатрат.
Смешивание компонентов композиции ведут в течение 5-6 мин до образования однородной смеси.
Вспененную композицию выливают в термоизолированную форму и подвергают воздействию электромагнитного излучения с последующей сушкой.
Вспененная композиция может быть подвергнута воздействию электромагнитного излучения с частотой электромагнитных колебаний от 434 до 9100 МГц в течение 30-120 мин.
Сушку композиции могут вести в сушилке туннельного типа путем плавного поднятия температуры воздуха от 50 до 100°С при одновременном снижении его влажности от 100 до 0,5% в зависимости от технологических возможностей производства и технических требований, предъявляемых к теплоизоляционному материалу.
Рассмотрим пример выполнения способа изготовления теплоизоляционного материала.
В аппарат-смеситель емкостью 10 л заливают предварительно подготовленные 1,5 л 40%-ного натриевого жидкого стекла с силикатным модулем 3, включают мешалку и загружают 100 г асбеста-хризотила, предварительно суспендированного в 500 мл воды, и 300 г натрия кремнефтористого, через 2-3 мин с помощью пеногенератора в аппарат подают пену с кратностью, равной 25, полученную из раствора 50 г триэтаноламмонийной соли лаурил-сульфата в 450 мл воды до заполнения аппарата. Суммарное время перемешивания составляет 5-6 мин.
Для увеличения дисперсности полученной пены и уменьшения размеров пузырьков, ее образующих, вспененную композицию подвергают дополнительной кавитации.
Полученную пену выливают в термоизолированную форму размерами 210×215×220 мм и подвергают электромагнитному излучению с частотой 433,92±0,87 МГц и мощностью 1 КВт в течение 40 минут. Отвердевшую композицию перекладывают на поддон и высушивают, плавно поднимая температуру до 95-100°С при одновременном снижении влажности воздуха от 100 до 10% в течение 6-8 час.
В аппарат-смеситель емкостью 10 л заливают 2,2 л 40%-ного натриевого жидкого стекла с силикатным модулем 2,8, включают мешалку и засыпают 80 г асбеста-хризотила и 400 г натрия гексафтортитаната, через 2-3 мин с помощью пеногенератора в аппарат подают пену с кратностью, равной 15, полученную из раствора 50 г натриевой соли лаурилсульфата в 450 мл воды до заполнения аппарата. Суммарное время перемешивания составляет 5-6 мин.
Для увеличения дисперсности полученной пены и уменьшения размеров пузырьков, ее образующих, вспененную композицию подвергают дополнительной кавитации.
Полученную вспененную композицию выливают в термоизолированную форму размерами 210×215×220 мм и воздействуют на нее электромагнитным излучением с частотой 2375±50 МГц и мощностью 1 КВт в течение 30 минут.
Отвердевшую композицию перекладывают на поддон и высушивают, плавно поднимая температуру до 95-100°С при одновременном снижении влажности воздуха от 100 до 5% в течение 6-8 час.
Все приведенные режимы способа получения теплоизоляционного материала были получены экспериментальным (лабораторным) путем.
Полученные изделия подвергали испытаниям: теплопроводность определяли по ГОСТ 7076-99, показатели пожарной опасности - по ГОСТ 30244-94, механические характеристики - по ГОСТ 17177-94.
Показатель горючести определяли по двум параметрам: 1) убыль массы (в процентах) образцов диаметром 45 мм и высотой 50 мм и 2) прирост температуры пламени над образцами (°С).
Предельную допустимую разность температур «холодной» и «горячей» поверхности теплоизоляционных изделий определяли следующим образом. Образцы изделий размерам 220×210×100 мм помещали между стеклянной и стальной пластинами, температура стеклянной оставалась постоянной в пределах (0±0,1°С), а стальной постепенно повышалась на 10°С в час. При этом фиксировали разность температур, при которой появлялась первая трещина в материале.
Эта разность, обозначаемая в табл.2 как Δt, определяет возможность использования изделий в качестве строительных теплоизоляторов.
Для сравнения изготавливали изделия способом-прототипом, используя следующие компоненты, мас.%:
- натриевое жидкое стекло (плотность 1,36, содержание Na<sub>2</sub>O 8,6%
40
по весу, содержание SiO<sub>2</sub> 25,4% по весу)
- отвердитель - эфир хлормуравьиной кислоты
10
- вспенивающий агент - трихлорфторметан
10
- эмульгатор - Nа-С<sub>14</sub>-алкилсульфонат
0,5
- наполнитель-асбест
3
Для получения корректных сравнительных данных изделия, полученные способом-прототипом, испытывали в условиях, аналогичных условиям испытаний изделий, полученных заявляемым способом.
Примеры способов получения теплоизоляционных изделий заявленным способом при разном содержание различных компонентов смесей и режимов их обработки электромагнитным излучением приведены в табл.1.
Результаты сравнительных испытаний изделий, указанных в табл.1, и изделий по прототипу представлены в табл.2.
Как с очевидностью следует из представленных данных, заявленный способ позволяет получать изделия с высокими качественными характеристиками.
Таблица 1Примеры заявленного способа
Состав композиции, мас.%
Примеры способов
1
2
3
Натриевое жидкое стекло -
30%, силикатный модуль 2,8
77
-
-
40%,силикатный модуль 4
-
74
-
50%, силикатный модуль 4,5
-
-
71
Отвердитель -
натрия гексафторсиликат
9,1
-
-
натрия гексафтортитанат
-
8,9
-
смесь натрия гексафторсиликата и натрия гексафтортитаната (9:1 по весу)
-
-
8,5
Пенообразователь -
триэтаноламмонийная соль лаурилсульфата
3,2
-
-
триэтаноламмонийная соль лаурилсульфата
-
1,2
-
натриевая соль лаурилсульфата
-
-
0,9
Наполнитель -
асбест А2
2,4
-
-
асбест A3
-
3,4
-
асбест А5
-
-
5,5
Вода
остальное
остальное
остальное
Условия воздействия электромагнитным излучением
Частота электромагнитного излучением излучения, МГц
2375±50
5800±75
433,9±0,9
Продолжительность облучения, мин
30
45
60
Таблица 2Качественные показатели
Примеры
Наименование показателя
1
2
3
Прототип
Выделение трихлорфторметана, мг/м<sup>3</sup>:
в воздухе рабочей зоны*
0
0
0
2100
в помещении**
0
0
0
110
Показатель горючести:
- убыль массы, %
5
3
10
65
- прирост температуры, °С
11
12
10
50
- группа горючести
НГ
НГ
НГ
Г2
Δt, °C
120
130
150
60
Предел прочности при сжатии, кПа
200
145
120
50
Коэффициент теплопроводности, λ·10<sup>3</sup>, Вт/(м·К)
38
36
34
34
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
200
150
120
60
* Предельно допустимая концентрация трихлорфторметана в воздухе рабочей зоны 1000 мг/м<sup>3</sup>
** В соответствии с гигиеническими нормативами ГН 2.1.6.1338-03. предельно допустимая среднесуточная концентрация трихлорфторметана в атмосферном воздухе составляет 10 мг/м<sup>3</sup>.