СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА Российский патент 2001 года по МПК C03C11/00 

Изобретение относится к производству теплоизоляционного материала, в частности пеностекла, которое может быть использовано в строительстве, для тепловой изоляции производственного оборудования, трубопроводов, для изоляции холодильных установок.

Известна шихта для изготовления пеностекла, имеющая в своем составе, мас.%:
Гидрат окиси натрия - 6 - 8,5
Перлит (вулканическое стекло) - 91,5 - 94,0
(см. а.с. N 292909, C 03 C 11/00, БИ N 5, 1971 г.).

Однако известный состав имеет сравнительно высокую температуру вспенивания 850 - 950^oC, длительный период обжига (15 - 60 мин) и невысокую термостойкость 300^oC. По известному составу плотность пеностекла достигает 0,9 г/см³, что нежелательно для теплоизоляционного материала.

Известна шихта для получения пеностекла, предусматривающая варку стекла с добавлением Al₂O₃, носители которого является нефелиновый концентрат, измельчение стекла в шаровой мельнице, смешение с газообразователем и дальнейшей термообработкой в туннельной печи по порошковому способу. Состав шихты при этом, мас. %:
SiO₂ - 68 - 71
CaO + MgO - 5 - 9
R₂O - 14,5 - 15,0
Fe₂O₃ - до 5
SO₃ - 0,2 - 0,4
и, кроме того,
Al₂O₃ - 3 - 10
(см. а.с. N 393227, C 03 C 11/00, БИ N 33, 1973 г.).

Однако стекло в известном способе варят в ванной печи при максимальной температуре 1450^oC, затем измельчают в шаровой мельнице, смешивают с газообразователем и получают пеностекло в туннельной печи при температурах выше 800^oC.

Аналогичным по технической сущности и по химическому составу используемой шихты является состав для получения пеностекла путем варки стекла при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ 72; Al₂O₃ + Fe₂O₃ до 1,2; CaO 6; MgO 0,4; Na₂O 16,5; SO₃ 0,3 (см. а.с. N 806627, C 03 C 11/00, БИ N 7, 1981 г.).

Однако в известном получении состава, как и в предыдущем присутствует высокотемпературная варка стекла с последующим вспениванием его по порошковой технологии. Нефелиновый концентрат от 5 до 15 мас.% вводится в отличие от предыдущего получения состава не на стадии варки основного стекла, а на стадии помола перед вспениванием. Составы характеризуются энергоемкостью процесса и сложностью технологии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является смесь для изготовления пеностекла, включающая сухой помол пород (вулканического стекла - перлита, осадочной кремнеземистой породы и газообразователя) до получения порошка с удельной поверхностью 3000 - 5000 см²/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:
гидрат окиси натрия - 6 - 15
газообразователь - 0,02 - 1,5
осадочная кремнеземистая порода - 15 - 70
вулканическое стекло - остальное
Для повышения температуроустойчивости в шихту, содержащую вулканическое стекло (перлит), гидрат окиси натрия и газообразователь, дополнительно введена осадочная кремнеземистая порода. В качестве осадочной кремнеземистой породы использованы диатомит, трепел, опока (а.с. 1073199, C 03 C 11/00, БИ N 6, 1984 г.).

К причинам, препятствующим использование известного вещества, относится то, что в местах, где не распространены осадочные кремнеземистые породы, становится проблематичной реализация описываемой технологии пеностекла с использованием названных пород. По нашему мнению, повышенное содержание гидрата окиси натрия (15%) способствует удорожанию пеностекла. Отдельные составы известного вещества (N 2, N 4) приводят к повышенному водопоглощению (53,1 и 75,1 об.%), что нежелательно в случае использования их для производства теплоизоляционного пеностекла.

Задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в создании теплоизоляционного материала на основе стеклобоя тарного стекла и щелочных алюмосиликатных пород Забайкалья.

Технический результат изобретения заключается в:
- улучшении качества пеностекла (структуры и плотности) и снижении температуры вспенивания получаемого материала;
- снижении экологической нагрузки на окружающую среду за счет утилизации стеклобоя тарного стекла;
- снижении стоимости пеностекла за счет частичной замены кондиционного перлита более дешевым стеклобоем тарного стекла и нефелинового концентрата - нефелиновым сиенитом;
- упрощении технологии производства пеностекла.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что состав для получения пеностекла, состоящий из вулканического стекла, гидрата окиси натрия, согласно изобретению содержит стеклобой тарного стекла и нефелиновый сиенит при следующем соотношении компонентов. мас.%:
нефелиновый сиенит - 5 - 15
стеклобой тарного стекла - 45 - 55
гидрат окиси натрия - 7 - 9
вулканическое стекло (перлит) - остальное
Сравнение предлагаемого изобретения с другими известными техническими решениями позволило установить следующее.

Как и в известном техническом решении, предлагаемый состав позволяет исключить энергоемкую стадию стекловарения и получить пеностекло непосредственно из расплава, но при этом предлагаемый состав отличается меньшим содержанием вводимого гидрата окиси натрия, что способствует снижению себестоимости пеностекла. По нашему мнению, частичная замена перлита стеклобоем с повышенным содержанием R₂O (до 16%) позволит сэкономить природное вулканическое стекло (перлит), понизить температуру вспенивания пеностекла до 750 - 800^oC и количество дополнительно вводимой щелочи (гидрата окиси натрия) - до 7 - 9%, тогда как в известных композициях пеностекло получают при температурах порядка 850 - 950^oC при расходе щелочи до 15%.

Многокомпонентный состав предлагаемой шихты способствует повышению вязкости алюмосиликатного расплава в температурном интервале вспенивания, что положительно сказывается на торможении роста кристаллов и снижении скорости образования центров кристаллизации. В результате показатель водопоглощения в заявленном пеностекле ниже, чем в прототипе, и находится в пределах 0,5 - 4%.

Для проведения процессов выщелачивания с тем, чтобы максимально увеличить выход щелочи из щелочьсодержащих пород и материалов, согласно мнению В.В. Болдырева, высказанному им в работе ("Развитие исследований в области механохимии неорганических веществ в СССР" (Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1991, с. 20)), необходима повышенная активность вещества не только на поверхности, но и в объеме. В этом случае вещество должно быть измельчено до предельных размеров, а затем проактивировано. Достижение повышенной активности в объеме вещества с целью инициирования процессов выщелачивания представляет собой "ноу-хау" предлагаемого изобретения и в материалах заявки не описывается.

В известном техническом решении для получения пеностекла (см. а.с. N 292909, C 03 C 11/00, БИ N 5, 1971 г.) использовалась композиция в системе "вулканическое стекло - гидрат окиси натрия", что приводит к расходу кондиционного перлита (вулканического стекла), запасы которого за последние годы снизились и в связи с новыми реалиями основные источники перлитового сырья находятся за рубежом (Арагацкое месторождение и др.). В связи с этим замена части перлита стеклобоем тарного стекла способствует расширению сырьевой базы для производства пеностекла и снижению экологической нагрузки на окружающую среду: ввиду негорючести и биостойкости стеклоотходы необратимо загрязняют ландшафт. С другой стороны, использование стеклобоя тарного стекла является источником экономии щелочи и электроэнергии.

Известные составы, включающие только стеклобой и газообразователь (см. Ф. Шилл. Пеностекло (производство и применение). - Москва, Изд-во литературы по строительству, 1965, с. 53), приводят к повышенному водопоглощению в среднем до 70% из-за склонности стеклошихты к кристаллизации при повторном нагреве. Так, пеностекло, выпускаемое Лихоборским заводом теплоизоляционных изделий, не регламентировалось по показателю водопоглощения из-за неустойчивости тарных стекол к кристаллизации в интервале температур до 900^oC, что делает целесообразным их применение для производства пеностекла с более низким уровнем теплофизических и влажностных свойств.

В предлагаемом составе проблема снижения водопоглощения пеностекла решается путем подбора многокомпонентной сырьевой шихты. Известно, что уменьшение склонности к кристаллизации можно добиться усложнением состава шихты. Введение дополнительных оксидов увеличивает вероятность одновременного выпадения двух и более кристаллических фаз, что сопровождается торможением роста кристаллов каждого из соединений и соответственно понижением общей кристаллизационной способности стекла (см. Физическая химия силикатов. Под ред. А.А. Пащенко. - М.: Высшая школа, 1986, с. 285).

Введение в шихту в предлагаемом составе нефелинового сиенита способствует не только усложнению состава, но и повышению термостойкости стекла за счет оксида алюминия.

В известной композиции (см. а.с. N 393227, C 03 C 11/00, БИ N 33, 1973 г. ) оксид алюминия вводится нефелиновым концентратом на уровне высокотемпературной (1450^oC) варки основного стекла, а также после высокотемпературной варки стекла на стадии помола перед вспениванием (см. а.с. N 806627, C 03 C 11/00, БИ N 7, 1981 г.).

В отличие от известных составов с введением нефелинового концентрата в предлагаемый состав нефелиновый сиенит вводится вместе с остальными компонентами и пеностекло получают непосредственно из расплава, что способствует снижению энергозатрат и упрощению технологии производства пеностекла.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного состава для получения пеностекла. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату (улучшению качества пеностекла - структуры и плотности; снижению температуры вспенивания получаемого материала; снижению энергозатрат, стоимости; упрощению технологии) отличительных признаков в заявленном изобретении, изложенных в формуле изобретения, а именно взаимодействие нефелинового сиенита, стеклобоя тарного стекла, вулканического стекла и гидрата окиси натрия.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям "новизна" и "изобретательский уровень".

Интенсифицирующим фактором при использовании состава, состоящего из перлита, и, кроме того, из стеклобоя тарного стекла и нефелинового сиенита, является высокое содержание в них щелочных компонентов, которые являются плавнями и способствуют снижению температуры вспенивания стеклошихты. В заявленной композиции основными стеклообразующими компонентами являются вулканические стекла Мухор-Талинского месторождения, нефелиновый сиенит Мухальского месторождения Республики Бурятия и стеклобой тарного стекла, химический состав которых приведен в табл. 1.

Вулканическое стекло (перлит) Мухор-Талинского месторождения представлено на 90-95% стеклом, обладает сетью тонких концентрированных трещинок, являющихся зонами девитрификации стекла.

Мухальское месторождение щелочных пород находится в Прибайкалье и является источником сырья для различных отраслей промышленности. Данная щелочная порода представлена минералом нефелин (56%), вторичными по нефелину (21,6%), в том числе канкринитом (7%), анальцимом (2,2%), слюдами (3,3%); полевыми шпатами (3,1%): плагиоклазы (1,4%), калиево-натриевые (1,7%); цветными и рудными минералами (18,1%), а также акцессорными минералами (сфеном - 0,3% и апатитом - 0,9%) и состоит из трех основных компонентов - кремнезема, глинозема и щелочей. Для сравнения приводим химический состав сырьевых материалов, используемых в известных композициях (табл. 2).

Стоимость нефелинового сиенита, используемого в заявленном составе, составляет 3,29 руб. за 1 т в ценах 1981 г. В известные составы включают дорогостоящий компонент - нефелиновый концентрат стоимостью за 1 т - 47,8 руб. в ценах 1981 г. При этом в работе Б.К. Демидовича ("Производство и применение пеностекла". - Минск, Наука и техника, 1972, с. 124) указано, что при варке высокоглиноземистых стекол с применением нефелинового концентрата, вулканических стекол хороший провар достигается при температуре максимума 1450 - 1480^oC. Так, для нефелинового концентрата оптимальная температура варки при содержании Al₂O₃ в стекле в пределах 5 - 7% определена равной 1460^oC, а в заявленном составе при таком же содержании нефелинового сиенита пеностекло получают непосредственно из расплава при температуре максимума вспенивания 750 - 800^oC.

Для получения оптимального состава пеностекла и температурных режимов обработки были приготовлены составы, отличающиеся друг от друга содержанием, мас. %: стеклобоя тарного стекла 40,0; 45,0; 50,0; 55,0; 60,0; нефелинового сиенита 1,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; гидроксида натрия 7,75 - среднее значение для всех составов; а также содержанием вулканического стекла - перлита, составляющего дополнительную до 100% часть в каждом составе. Пеностекло предлагаемого состава получали при температурах обработки составов шихты пеностекла 700, 750, 775, 800, 850^oC.

Полученные составы пеностекла имели следующие характеристики (см. табл. 3 и 4, примеры 1 - 5).

Анализ полученных результатов (табл. 3 и 4) позволяет сделать выводы:
- с увеличением расхода стеклобоя тарного стекла до 60% ухудшается структура пеностекла: крупнопористая с диаметром пор более 2-4 мм; с уменьшением расхода стеклобоя тарного стекла до 40% резко увеличивается плотность пеностекла (1023 кг/м³ без механоактивации, 841 кг/м³ при механоактивации);
- в наибольшей степени снижению температуры вспенивания способствует содержание стеклобоя тарного стекла в количестве 45 - 55%, при содержании нефелинового сиенита в количестве 5 - 15%;
- повышение содержания нефелинового сиенита свыше 15% нецелесообразно из-за увеличения плотности пеностекла, а понижение содержания нефелинового сиенита ниже 5% приводит к ухудшению структуры пеностекла;
- рост температуры значительно снижает плотность, но начиная с температуры вспенивания выше 800^oC происходит укрупнение пор за счет коалесценции пузырьков в расплаве. Оптимальный температурный интервал вспенивания определен 750 - 800^oC.

В связи с введением водного раствора гидроксида натрия в шихту и содержанием в шихте водосодержащего вулканического стекла (перлита) становится возможным получение пеностекла без введения дополнительных реагентов - газообразователей.

Следовательно, оптимальными являются составы пеностекла, содержащего, мас. %: стеклобоя тарного стекла 45 - 55%, нефелинового сиенита 5-15%, гидрата окиси натрия 7-9%, остальное - вулканическое стекло (перлит), обеспечивающие улучшение качества пеностекла (структуры и плотности), снижение температуры вспенивания получаемого материала до 750 - 800^oC.

Предлагаемое пеностекло готовят следующим образом.

Производят сухой помол пород до получения порошка с удельной поверхностью 3000 - 3500 см²/г в шаровой мельнице. Затем производят механоактивацию шихты при содержании компонентов: стеклобоя тарного стекла 45 - 55%; нефелинового сиенита 5-15%; вулканического стекла - остальное. К готовому порошку добавляют 7 - 9% NaOH в виде водного раствора, обеспечивающим влажность шихты 18 - 21%. После перемешивания смеси изделия формуют прессованием при усилии прессования 25 - 30 кг/м³. Отпрессованные образцы обжигают в печи при температуре 750 - 800^oC. Выдержка изделий при этой температуре 15 мин. Полученные изделия отжигают по режиму: быстрое охлаждение от температуры вспучивания на 100 - 150^oC, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением до температуры окружающей среды.

Пример 1.

стеклобой тарного стекла - 45,00
нефелиновый сиенит - 15,00
вулканическое стекло (перлит) - 32,25
гидрат окиси натрия - 7,75
Сырьевую шихту, состоящую из стеклобоя, нефелинового сиенита, вулканического стекла размалывают в шаровой мельнице до удельной поверхности (S_уд) стеклошихты до 3500 см²/г и затем подвергают механоактивации в стержневой вибрационной мельнице до S_уд = 4000 см²/г при содержании компонентов в шихте (мас.%).

Гидрат окиси натрия добавляют в количестве 10% сверх массы шихты по сухим составляющим, что в пересчете на 100% составляет 7,75%. В шихту NaOH вводят в виде водного раствора, обеспечивающим влажность шихты 18-21%. Смесь тщательно перемешивают и формуют образцы прессованием. Отпрессованные образцы обжигают при температуре 800^oC в муфельной печи по режиму: 1,5 часа - подъем температуры, 15 минут - обжиг (вспенивание), 5 минут снижение температуры на 100 - 150^oC с целью фиксации пены, а затем - охлаждение вместе с печью до комнатной температуры.

Плотность пеностекла при механоактивации составляет 302 кг/м³, структура пеностекла - равномернопористая, диаметр пор 0,5 - 1,5 мм.

Пример 2.

Проводится аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонента, мас. %:
стеклобой тарного стекла - 50,00
нефелиновый сиенит - 10,00
вулканическое стекло (перлит) - 32,25
гидрат окиси натрия - 7,75
При этом отпрессованные образцы обжигают при температуре 775^oC. Плотность пеностекла при механоактивации составляет 321 кг/м³, структура пеностекла - равномернопористая, диаметр пор 0,5 - 1,5 мм.

Пример 3.

Проводится аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов, мас. %:
стеклобой тарного стекла - 55,00
нефелиновый сиенит - 5,00
вулканическое стекло (перлит) - 32,25
гидрат окиси натрия - 7,75
При этом отпрессованные образцы обжигают при температуре 750^oC. Плотность пеностекла при механоактивации составляет 240 кг/м³, структура пеностекла - равномернопористая, диаметр пор 0,5 - 1,5 мм.

В табл. 5 приведены сравнительные данные по физико-механическим свойствам пеностекла, полученного по предлагаемому изобретению в сравнении с прототипом (а.с. N 1073199, C 03 C 11/00, БИ N 6, 1984 г.).

Таким образом, предлагаемый состав для получения пеностекла имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- получен теплоизоляционный материал - пеностекло на основе щелочных алюмосиликатных пород Забайкалья и стеклобоя тарного стекла с улучшенными качествами (по структуре и плотности);
- снижение температуры обжига (вспенивания) получаемого материала до 750 - 800^oC за счет введения в состав пеностекла щелочьсодержащих сырьевых пород и материалов (нефелиновых сиенитов и стеклобоя);
- эффект уменьшения плотности пеностекла в предлагаемом материале выше при меньших энергетических и материальных затратах;
- снижение экологической нагрузки на окружающую среду за счет утилизации стеклобоя тарного стекла;
- упрощение технологии производства пеностекла;
- снижение стоимости сырья за счет замены в составе стеклошихты части кондиционного перлита (вулканического стекла) на стеклобой тарного стекла и нефелинового концентрата - нефелиновым сиенитом; за счет сокращения количества вводимого гидрата окиси натрия до 8% (в прототипе до 15%) и за счет одностадийного процесса тепловой обработки.

Предлагаемый состав шихты разработан в НИЛСТРОМе ВСГТУ совместно с лабораторией химии и технологии минерального сырья Байкальского института природпользования СО РАН и может быть использован в строительстве, в теплоэнергетике в качестве теплоизоляционного материала.

Обобщая результаты, можно сделать заключение, что пеностекло на основе щелочных алюмосиликатов, стеклобоя тарного стекла является долговечным строительным теплоизоляционным материалом, который целесообразно использовать в виде плит, блоков, скорлуп для тепловой изоляции строительных конструкций, тепловых установок, а также для самонесущих элементов ограждения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к производству теплоизоляционного материала, в частности пеностекла, и может быть использовано в строительстве для тепловой изоляции производственного оборудования, трубопроводов, для изоляции холодильных установок. Технический результат изобретения - улучшение качества пеностекла, его структуры, плотности и снижение температуры обжига получаемого материала. В состав для получения пеностекла, содержащий вулканическое стекло, гидрат окиси натрия, дополнительно вводят стеклобой тарного стекла и нефелиновый сиенит при следующем соотношении компонентов, мас.%: нефелиновый сиенит 5-15, стеклобой тарного стекла 45-55, гидрат окиси натрия 7-9, вулканическое стекло - остальное. 5 табл.

Состав для получения пеностекла, включающий вулканическое стекло, гидрат окиси натрия, отличающийся тем, что дополнительно содержит стеклобой тарного стекла, нефелиновый сиенит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нефелиновый сиенит - 5 - 15
Стеклобой тарного стекла - 45 - 55
Гидрат окиси натрия - 7 - 9
Вулканическое стекло - Остальное