КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЯЧЕИСТОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2000 года по МПК C04B28/26 C04B38/02 

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для изготовления поризованных строительных изделий и конструкций, теплоизоляции строительных конструкций, трубопроводов и технологического оборудования, работающих в широком диапазоне температур: от низких до высоких.

Известен состав для изготовления теплоизоляционного ячеистого материала, включающий следующие компоненты в мас.% (по сухому веществу):
Каолин - 92
Кремний - 4
Кремнефтористый натрий - 4
жидкое стекло - в количестве, обеспечивающем связывание компонентов до пастообразного состояния (см. Григорьев П.Н., Матвеев М.А. Растворимое стекло. -М.: Стройиздат, 1956, с. 332 - 335).

Недостатками известного состава являются низкая механическая прочность и высокий коэффициент теплопроводности за счет того, что при затвердевании образуется материал с неоднородной пористой структурой, имеющей "рваные" поры различного размера, которые неравномерно распределены по объему.

Наиболее близким аналогом к заявляемому веществу является состав для изготовления теплоизоляционного материала, включающий следующие компоненты, мас. %:
Жидкое стекло - 48-53
Кремний - 15-23
Гидрат окиси алюминия - 18-10
Гидрат окиси натрия - 3-4
Каолин - Остальное
(см. Патент РФ N 2026844, С 04 В 28/24, С 04 В 38/02).

Недостатком известного состава являются низкая механическая прочность и высокий коэффициент теплопроводности за счет того, что входящий в состав прототипа гидрат окиси алюминия способствует выделению дополнительного количества водяного пара, вследствие чего происходит увеличение размера и количества пор и нарушается их равномерность распределения в объеме материала.

В основу изобретения поставлена задача разработать такой состав композиции для изготовления ячеистого материала, который при отверждении в естественных условиях обеспечил бы значительное увеличение объема материала с равномерно распределенными мелкими порами, обладающего при этом одновременно высокими прочностными свойствами и низким коэффициентом теплопроводности.

Поставленная задача решается тем, что известная композиция для изготовления ячеистого материала, включающая жидкое стекло, кремний, гидрат окиси натрия и наполнитель, согласно изобретению дополнительно содержит лигносульфонат технический и ускоритель твердения жидкого стекла при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Жидкое стекло - 40,0 - 47,0
Кремний - 18,0 - 28,0
Гидрат окиси натрия - 1,0 - 3,0
Лигносульфонат технический - 0,2 - 0,6
Ускоритель твердения жидкого стекла - 3,0 - 7,0
Наполнитель - Остальное
При этом композиция в качестве ускорителя твердения жидкого стекла содержит кремнефтористый натрий, или портландцемент, или шлакопортландцемент, или молотый сталеплавильный шлак.

Лигносульфонат технический (ЛСТ) является побочным продуктом переработки древесины на целлюлозу сульфитным способом и представляет собой темно-коричневую жидкость или твердую массу, хорошо растворимую в воде (см. Пособие по применению химических добавок при производстве сборных железобетонных конструкций и изделий. К СНиП 3.09.01-85. М.: Стройиздат, 1989, с.28).

Кремнефтористый натрий (Na₂SiFe₆) является побочным продуктом при производстве суперфосфата и представляет собой кристаллическое вещество, малорастворимое в воде (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975, с.396).

Портландцемент является гидравлическим вяжущим, твердеющим в воде и на воздухе, получаемым путем совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса. Клинкер получается в результате обжига до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция (см. Пащенко А. А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975, с. 156).

Шлакопортландцемент является гидравлическим вяжущим, получаемым путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака с добавлением небольшого количества гипса (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975, с. 323).

Сталеплавильный шлак является отходом при производстве стали, который образуется за счет окисления примесей шихты специально вводимыми раскислителями и растворения флюса (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975, с. 314).

Сталеплавильный шлак имеет следующий химический состав, мас.%:
CaO - 35.3; SiO₂-20.9; А1₂O₃ - 12.2; Fe₂O₃ - 23.3; MgO - 6.93; SO₃ - 1.37.

В состав кристаллической фазы сталеплавильного шлака входят двухкальциевый силикат (2CaOSiО₂), мервинит, алюмоферриты кальция.

Известно применение лигносульфоната технического (ЛСТ) в качестве пластифицирующей добавки в бетонные и растворные смеси для увеличения их подвижности или уменьшения жесткости, а также для уменьшения расхода цемента (см. Пособие по применению химических добавок при производстве сборных железобетонных конструкций и изделий (к СНиП 3.09.01-85). - М.: Стройиздат, 1989, с. 11).

Известно также использование лигносульфоната технического (ЛСТ) в качестве связующих материалов в литейном производстве (см. Борсук П.А. Жидкие самотвердеющие смеси. - М.: Машиностроение, 1979, с.87-94).

В заявляемой композиции лигносульфонат технический (ЛСТ) проявляет новые технические свойства, заключающиеся в регулировании размера пор и повышении однородности их распределения в объеме ячеистого материала. Это достигается в результате того, что при химическом взаимодействии кремния с гидратом окиси натрия происходит выделение газообразного водорода. Наличие при этом в композиции лигносульфоната технического (ЛСТ) будет способствовать образованию мелких пузырьков водорода и их равномерному распределению по объему за счет снижения величины поверхностного натяжения на границе раздела "газ-жидкость".

Кроме того, лигносульфонат технический (ЛСТ) нейтрализует избыточную щелочность композиции, вследствие чего снижается тепловыделение при реакции взаимодействия кремния с гидратом окиси натрия и уменьшается температура разогрева композиции и выделение в ней водяного пара. В результате этого повышается однородность распределения пор в объеме композиции и уменьшается их средний размер, что ведет к снижению теплопроводности ячеистого материала и увеличению его прочности.

Известно использование кремнефтористого натрия (Na₂SiFe) в качестве ускорителя твердения жидкого стекла в результате протекания химической реакции
2Na₂SiO₃+6H₂O + Na₂SiF₆ = 6NaF+3Si(OH)₄.

Образующийся по этой реакции гель кремнекислоты Si(OH)₄ коагулирует и полимеризуется, вследствие чего происходит отвердевание жидкого стекла (см. Тарасова А.П. Жаростойкие вяжущие на жидком стекле и бетоны на их основе. - М.: Стройиздат, 1982, с. 16-17).

В заявляемой композиции кремнефтористый натрий (Na₂SiF₆) также проявляет свойства ускорителя твердения жидкого стекла. Однако, наравне с известным техническим свойством, в заявляемой композиции кремнефтористый натрий (Na₂SiF₆) проявляет новое техническое свойство, заключающееся в регулировании пористости ячеистого материала. Это обеспечивается тем, что, во-первых, кремнефтористый натрий (Na₂SiF₆) связывает часть гидрата окиси натрия по реакции
Na₂SiF₆ + NaOH = 6NaF + Si(OH)₄,
вследствие чего снижается величина pH композиции, а это способствует уменьшению ее разогрева и образованию ячеистой структуры с мелкими равномерно распределенными по объему материала порами.

Во-вторых, кремнефтористый натрий (Na₂SiF₆) взаимодействует с водой, входящей в состав жидкого стекла по реакции
Na₂SiF₆+ 4H₂O = 2NaF + 4HF + Si(OH)₄,
в результате чего уменьшается количество воды в композиции, способной превратиться в водяной пар при ее разогреве, что уменьшает количество крупных пор в объеме ячеистого материала и способствует увеличению его прочности и снижению теплопроводности. Все это приводит к снижению теплопроводности и увеличению прочности ячеистого материала.

Кроме того, образующееся по указанным реакциям дополнительное количество кремнекислоты Si(OH)₄ вследствие ее коагуляции и полимеризации также ведет к увеличению прочности ячеистого материала.

Известно использование портландцемента и шлакопортландцемента в строительстве в качестве вяжущих материалов для производства бетона, железобетона и строительных растворов (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975, с. 156, 329).

Известно также использование портландцемента и шлакопортландцемента в качестве ускорителей твердения жидкого стекла (см. Шульце В. и др. Растворы и бетоны на нецементных вяжущих. - М.: Стройиздат, 1990, с.229).

В заявляемой композиции портландцемент и шлакопортландцемент, наравне с вышеуказанным известным техническим свойством, проявляют новое техническое свойство, заключающееся в регулировании порообразования за счет взаимодействия входящих в их состав силикатов кальция (3CaOSО₂, 2CaOSiO₂) с жидким стеклом, вследствие чего снижается температура разогрева композиции и уменьшается количество образующегося водяного пара. Это способствует образованию ячеистой структуры с мелкими равномерно распределенными в объеме порами, обладающей низкой теплопроводностью и высокой механической прочностью.

Кроме того, портландцемент и шлакопортландцемент химически связывают часть воды, входящей в состав жидкого стекла, что приводит к уменьшению количества образующегося при саморазогреве композиции водяного пара, вследствие чего в ячеистом материале формируются мелкие равномерно распределенные поры, также способствующие увеличению его прочности и снижению теплопроводности.

Известно использование сталеплавильного шлака в качестве компонента вяжущих веществ совместно с известью, гипсом или портландцементным клинкером, твердеющих при автоклавной обработке (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975, с.315-321).

В заявляемой композиции сталеплавильный шлак проявляет новое техническое свойство, заключающееся в ускорении твердения жидкого стекла за счет того, что входящий в его состав силикат кальция (2CaOSiO₂) вступает во взаимодействие с жидким стеклом, вследствие чего уменьшается температура разогрева композиции и снижается количество образующегося водяного пара, что приводит к формированию ячеистого материала с равномерной мелкопористой структурой, обладающей низкой теплопроводностью и высокой механической прочностью.

На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемая композиция для изготовления ячеистого материала не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности - "изобретательский уровень".

Пример конкретного выполнения
Для приготовления заявляемой композиции для изготовления ячеистого материала в лабораторных условиях были использованы следующие исходные сырьевые компоненты: - жидкое стекло по ГОСТ 13079-67 плотностью 1,41 г/см²; гидрат окиси натрия по ГОСТ 2263-71; кремний, представляющий собой пылевидный отход производства ферросплавов; - лигносульфонат технический по ОСТ 13-188-83.

В качестве ускорителя твердения жидкого стекла был использован - кремнефтористый натрий; портландцемент (шлакопортландцемент) по ГОСТ 10178-85; молотый сталеплавильный шлак, имеющий следующий химический состав, маc.%: СаО - 35.3; SiO₂ - 20.9; Al₂O₃ - 12.2; Fе₂O₃ - 23.3; MgO - 6.93; SO₃ - 1.37.

В качестве наполнителя была использована пыль электрофильтров вращающихся печей обжига шамота.

В заявляемой композиции в качестве наполнителя может быть использован любой тонкодисперсный минеральный материал.

Готовят композицию следующим образом.

Вначале в жидком стекле растворяют гидрат окиси натрия и лигносульфонат технический (ЛСТ), а затем вводят 80% наполнителя от общей его массы. Полученную смесь перемешивают в течение 5 минут, затем в нее вводят ускоритель твердения жидкого стекла, кремний и остальной наполнитель. Смесь вновь перемешивают до получения однородной текучей массы в течение 3 минут, после чего она готова к употреблению и ее могут заливать в формы для изготовления строительных изделий, например теплоизоляционных плит, скорлуп и т.п., или непосредственно в опалубку при изготовлении монолитных сооружений.

Для обоснования преимуществ заявляемой композиции для изготовления ячеистого материала по сравнению с прототипом, а также для обоснования количественного содержания компонентов в заявляемой композиции в лабораторных условиях было проведено три серии опытов: в 1 серии (опыты N 1-5) в качестве ускорителя твердения жидкого стекла был использован кремнефтористый натрий, во II серии (опыты N 6-10) в качестве ускорителя твердения жидкого стекла был использован портландцемент (шлакопортландцемент), в III серии (опыты N 11-15) в качестве ускорителя твердения жидкого стекла был использован молотый сталеплавильный шлак.

В каждой серии опытов было приготовлено и испытано по пять составов композиции:
составы N 1-3, N 6-8 и N 11-13 - с заявляемым содержанием компонентов:
составы N 4, N 9 и N 14 - с содержанием компонентов, выходящим за минимальные заявляемые значения:
составы N 5, N 10 и N15 - с содержанием компонентов, выходящим за максимальные заявляемые значения.

Состав N 16 был приготовлен по прототипу.

Составы композиции приведены в таблице 1, а результаты их испытания в таблице 2.

Анализ результатов исследования показывает, что приготовление композиции по заявляемому составу (опыты N 1-3, N 6-8 и N 11-13) позволяют по сравнению с прототипом снизить теплопроводность от 6,6 до 19,8% и повысить прочность от 17 до 67% при сохранении практически одинаковой средней плотности ячеистого материала. Снижение коэффициента теплопроводности ячеистого материала и повышение его прочности достигается вследствие того, что входящий в состав заявляемой композиции лигносульфонат технический (ЛСТ) снижает величину поверхностного натяжения на границе раздела "газ-жидкость", что приводит к образованию мелких пузырьков водорода и их равномерному распределению в объеме заявляемой композиции, а входящий в состав композиции ускоритель твердения жидкого стекла химически связывает часть воды, имеющейся в составе жидкого стекла, что способствует уменьшению количества образующегося при твердении композиции водяного пара, вследствие чего устраняется образование в ее объеме "рваных пор".

При этом одновременное использование лигносульфоната технического (ЛСТ) и ускорителя твердения жидкого стекла в составе заявляемой композиции также способствует снижению ее pH, что приводит к уменьшению температуры разогрева композиции и, следовательно, количества образующегося в ней водяного пара. В результате этого уменьшается размер образующихся пор и повышается равномерность их распределения в объеме ячеистого материала, что способствует снижению его теплопроводности. Снижение pH композиции за счет одновременного использования лигносульфоната технического (ЛСТ) и укорителя твердения жидкого стекла также способствует образованию в объеме композиции дополнительного количества кремнекислоты Si(OH)₄, коагуляция и полимеризация которой приводят к увеличению прочности межпоровых перегородок и, следовательно, к повышению механической прочности ячеистого материала.

Использование композиций составов N 4, 9 и 14 нецелесообразно ввиду того, что получаемый ячеистый материал обладает высокой теплопроводностью. Для композиций составов N 5, 10 и 15 наблюдается снижение прочности ячеистого материала, поэтому, несмотря на низкий коэффициент теплопроводности, их использование нецелесообразно.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемая композиция для изготовления ячеистого материала работоспособна и устраняет недостатки, имеющие место в решении - прототипе, что подтверждается примерами конкретного выполнения. Соответственно, заявляемое решение может быть применено как в заводских условиях при изготовлении конструкционных, конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных изделий, так и на строительных площадках при возведении монолитных зданий и сооружений, устройстве теплоизоляции технологического оборудования и трубопроводов. Следовательно, заявляемая композиция соответствует условию "промышленной применимости".

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для изготовления поризованных строительных изделий и конструкций, теплоизоляции строительных конструкций, трубопроводов и технологического оборудования, работающих в широком диапазоне температур - от низких до высоких. Технический результат - уменьшение коэффициента теплопроводности и повышение прочности изготавливаемых из материала изделий. Композиция для изготовления ячеистого материала имеет следующий состав, мас.%: жидкое стекло - 40,0-47,0; кремний - 18,0-28,0; гидрат окиси натрия - 1,0-3,0; лигносульфонат технический - 0,2-0,6; ускоритель твердения жидкого стекла - 3,0-7,0; наполнитель - остальное. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Композиция для изготовления ячеистого материала, включающая жидкое стекло, кремний, гидрат окиси натрия и наполнитель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лигносульфонат технический и ускоритель твердения жидкого стекла при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Жидкое стекло - 40,0 - 47,0
Кремний - 18,0 - 28,0
Гидрат окиси натрия - 1,0 - 3,0
Лигносульфонат технический - 0,2 - 0,6
Ускоритель твердения жидкого стекла - 3,0 - 7,0
Наполнитель - Остальное
2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ускорителя твердения жидкого стекла она содержит кремнефтористый натрий, или портландцемент, или шлакопортландцемент, или молотый сталеплавильный шлак.