СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА Российский патент 2005 года по МПК C03C11/00 C03B19/08 

Изобретение относится к производству строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности, в частности касается производства блочного пеностекла, применяемого в качестве эффективного теплоизолирующего материала в различных строительных конструкциях.

Областью, в которой пеностекло находит широкое применение, является производство тепло- и звукоизоляционных материалов. Теплоизоляция из пеностекла в сравнении с другими строительными материалами более эффективна и экономична, имеет более продолжительный срок службы.

Предметом большинства исследований в данной области техники является получение материала со стабильными эксплуатационными свойствами, с низкой плотностью, что обеспечивает хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства, водонепроницаемость и устойчивость к воздействию кислот.

Твердые пены, типичным представителем которых является пеностекло, образуются в результате дисперсии газообразной фазы в вязкой жидкости (дисперсионной среде) в процессе охлаждения дисперсионной системы. При снижении температуры вязкая жидкость затвердевает и образовавшаяся таким образом пена стабилизируется. Процесс пенообразования определяется, прежде всего, температурой и природой ингредиентов, входящих в состав сырьевой смеси для получения пеностекла.

Пеностекло можно получать многими способами при использовании композиций на основе различного стекла. В качестве примеров можно привести два наиболее эффективных способа: первый - получение пеностекла из специально сваренного стекла требуемого состава; а второй - композиции на основе различного по составу стекольного порошка и газообразователя с последующим вспениванием в процессе постепенного нагревания всей спекшейся массы стекла. Стеклопорошок получают либо из специально сваренных стекломасс (US 4192664, кл. С 03 В 19/08, 1980 г., US 3403990, кл. 65-22, 1968 г.), либо из боя оконного, тарного, оптических и других стекол (US 4198224, кл. С 03 В 19/08, 1980 г., RU 2132307, кл. С 03 С 11/00, 1999 г.). Стекло обычно используют в порошкообразном виде. Для вспенивания стекломассы в состав стекольной шихты вводят газообразователи в количестве 1-5 мас.%. Для проведения вспенивания порошкообразную смесь стекла и газообразователя насыпают в формы, которые размещают в печи, где при температуре вспенивания шихта нагревается и вспенивается. Затем формы с пеностеклом охлаждают и стабилизируют при температуре ниже температуры вспенивания. После завершения термообработки полученные блоки пеностекла извлекают. Недостатками известной технологии являются ее высокая энергоемкость, связанная с высокими температурами термообработки, длительностью операций получения стекла нужного состава, и большое время вспенивания.

Так, известен способ получения пеностекла путем варки стекла в контролируемой атмосфере при температуре 1350-1510°С, его предварительной термообработки в области температур размягчения 700-800°С и последующей термообработки при температуре вспенивания. Известны также способы получения пеностекла, основанные на использовании еще одной технологической операции - гранулирование готовой стекломассы и последующее ее размалывание совместно с газообразователем перед вторичной термообработкой (US 4192664, кл. 65-22, 1980 г.). Известные способы требуют значительных энергетических затрат на приготовление шихты в виде тонкодисперсных порошков стекла и газообразователя, последующий их совместный помол и перемешивание в течение длительного времени для достижения требуемой однородности распределения компонент в объеме шихты, а также на технологические операции получения стекла требуемого состава.

Были предприняты различные попытки в данной области для получения высококачественного пеностекла с высокими теплотехническими характеристиками и с малой энергоемкостью производства.

Так, из патента RU 1719333, кл. С 03 С 11/00, 1992 г. известен способ получения пеностекла, включающий приготовление порошкообразной смеси стекла и газообразователя, в качестве которого используют карбид кремния, который перед смешиванием обрабатывают насыщенным водным раствором сульфата щелочного металла. Вспенивание смеси происходит при ее термообработке при температуре 850°С.

Анализ литературных данных показывает, что широко распространено производство пеностекла с использованием специально сваренного и гранулированного пеностекла, для улучшения свойств которого используют дефицитные и дорогостоящие ингредиенты (WO 00/61512, кл. С 03 С 11/00, С 03 В 19/08, 2000 г.). Длительное время используют технологию получения пеностекла из порошкообразной смеси тонкомолотого стекла и газообразователя (US 3151966, кл. 65-22, US 3403990, кл. 65-22, 1968 г.), который содержит восстановитель в виде углеродистого ингредиента и окислитель из числа сульфатов, оксидов и др. Применение известной технологии позволяет получать пеностекло достаточно высокого качества с однородной структурой, обеспечивающей его эксплуатационную стабильность, однако пеностекло имеет высокую себестоимость за счет трудоемкости операции получения стекла требуемого состава.

Из патента RU 2187473, кл. С 03 В 19/08, 2000 г. известен способ получения блочного пеностекла, включающий диспергирование утилизируемого стеклобоя и добавки вспенивающей смеси, содержащей кремнезем, углеродсодержащий компонент, сульфат металла и жидкое натриевое стекло в количестве 0,5-5,0 мас.%, спекание, вспенивание при температуре 790-860°С, закалку и отжиг. Стекло, подлежащее утилизации, подвергают диспергированию в мельнице в присутствии водной добавки, в результате чего происходит гидроксилирование стекла. Готовят вспенивающую добавку путем перемешивания кремнезема, жидкого стекла, сажи, сульфата и борной кислоты. Затем гидроксилированный тонкомолотый порошок стекла перемешивают с пенообразующей смесью с соблюдением требуемых концентраций, добиваясь возможно большей однородности. Полученную смесь подвергают грануляции в присутствии жидкого стекла для улучшения собирания материала в гранулы. Заполняют металлические формы гранулированным материалом и направляют в печь для спекания, вспенивания, отжига. Для улучшения грануляции материала смесь увлажняют, если жидкое стекло вводится сухим порошком. Известный способ позволяет получать пеностекло со структурой преимущественно или полностью замкнутых пор, обладающее высокими теплоизоляционными свойствами, с объемным поглощением не более 10%. Получаемое по известной технологии пеностекло характеризуется высокой себестоимостью, связанной со сложностью получения шихты, необходимостью долгого и достаточно сложного механического перемешивания компонентов до очень равномерного распределения частиц пенообразователя в стеклопорошке. Исключительное внимание следует обращать на степень дисперсности помола стекла, который разрешается производить лишь в мельницах определенного типа, например с керамическими или кремниевыми футеровками и мелющими телами. Помол в металлических мельницах приводит к загрязнению шихты металлом шаров и футеровки, что в дальнейшем нарушает условия порообразования в спекаемой шихте. Это в свою очередь сказывается на устойчивости, равномерности и воспроизводимости структуры закрытых пор пеностекла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному способу является способ получения пеностекла, включающий нагрев порошкообразной шихты до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение (US 4198224, кл. С 03 В 19/08, 1980 г.). Пеностекло, производимое фирмой Pittsburgh Coming Corporation, получают из тонкодисперсного порошка стекла и газообразователя. Сырьевую смесь для производства пеностекла готовят из стекла, подлежащего утилизации (так называемого стеклобоя), и газообразователя. Стекло и газообразователь, находящиеся в твердой фазе, тщательно перемалывают и перемешивают в шаровой мельнице до среднего размера зерна 3-10 мкм. При этом помол компонентов осуществляют раздельно и в несколько стадий: сначала осуществляют помол стекла в течение 4-6 часов, затем - помол газообразователя в течение 6-8 часов, затем проводят совместный помол в течение 4-5 часов. Перемешивание тонкодисперсных компонентов сырьевой смеси осуществляют в твердой фазе. Полученную порошкообразную смесь затем спекают в два этапа при температуре ниже температуры вспенивания, а затем охлаждают. Известный способ позволяет получать пеностекло плотностью 0,17-0,25 г/см³. К сожалению, известный способ осложнен тем, что он также связан с проблемой энерго- и трудоемкой операции варки стекла специального состава и помола, при этом перемешивание исходных компонентов проводят в состоянии твердой фазы, что не обеспечивает их высокого уровня однородности распределения в объеме смеси. Кроме того, помол в металлических мельницах приводит к загрязнению смеси металлом шаров и футеровки, что, как уже указывалось выше, в дальнейшем нарушает условия порообразования на стадии производства пеностекла. Кроме того, в условиях резкого подъема цен на энергоносители использование известной порошкообразной шихты и способа ее получения приводит к удорожанию пеностекла. Это требование налагает ограничения на выбор подвергаемой вспениванию композиции.

В рамках данной заявки решается задача разработки такой технологии получения пеностекла, которая позволила бы производить пеностекло с высокими технологическими характеристиками, но с малой энергоемкостью производства. Кроме того, решается задача повышения воспроизводимости структуры пеностекла с гомогенной мелкопористой структурой, содержащей поры замкнутой формы. Имеется также необходимость в достижении равномерного распределения по объему пеностекла мелких пор закрытого характера.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения пеностекла, включающем нагрев порошкообразной шихты с углеродсодержащим газообразователем до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение, в качестве шихты используют измельченную до порошкообразного состояния охлажденную сырьевую смесь, полученную путем термообработки до обезвоженного состояния при температуре 450-550°С смеси водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и порошкообразных химически активных в отношении силиката добавок, при этом содержание водного раствора силиката щелочного металла при получении сырьевой смеси составляет 30-70 мас.%, а нагрев шихты проводят до температуры вспенивания из диапазона 770-830°С. Кроме того, водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия смешивают с добавками при температуре не выше 70°С.

Целесообразно использовать водный раствор силиката натрия и/или калия плотностью 1,3-1,5 г/см³ с величиной силикатного модуля 2-3,5.

Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между физико-химическими свойствами пеностекла и исходным составом сырьевой смеси, ее последовательными термообработкой с начальным этапом смешивания исходных ингредиентов при температуре не выше 70°С, охлаждением и помолом до получения порошкообразной шихты и температурой вспенивания шихты. При отсутствии общеизвестных закономерностей состояния вещества после его обработки при температуре вспенивания и исходным составом шихты авторами экспериментально были найдены те оптимальные значения содержания водного раствора силиката щелочного металла при температуре обработки 450-550°С, при которых обеспечиваются требуемые параметры пеностекла, обладающего низкой себестоимостью его производства. Наиболее приемлемый силикатный модуль водного раствора силиката щелочного металла составляет 2-3,5 при плотности раствора 1,3-1,5 г/см³.

В данном способе получения пеностекла перемешивание исходных компонент осуществляют не в твердом состоянии, а в водном растворе силиката щелочного металла при температуре не выше 70°С, представляющем собой вязкотекучую жидкость и являющимся таким компонентом, который обеспечивает как однородность распределения порошкообразных добавок по объему шихты, так и протекание физико-химических процессов при нагревании до температуры 450-550°С, связанных, в том числе с обезвоживанием смеси и удалением химически связанной воды. Перемешивание исходных компонент смеси в состоянии жидкой фазы без предварительного нагрева основного компонента и добавок позволяет в дальнейшем получить равномерную по объему пеностекла структуру закрытых газонаполненных пор при низкой энергоемкости производства.

Пример.

Сущность изобретения поясняется способом получения пеностекла. В качестве стеклообразующего компонента используют 120 кг водного щелочного раствора силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1), изготовленного на Рязанском заводе из трепела автоклавным или безавтоклавным методом гидротермального выщелачивания оксида кремнезема в щелочной среде при температуре 90-100°С. Водный раствор силиката щелочного металла перемешивают при температуре окружающей среды с добавками в виде тонкомолотого порошка стеклобоя, взятого в количестве 60 кг в течение 10-15 минут. При перемешивании вязкотекучей композиции в нее добавляют 30 кг углеродсодержащего газообразователя. В процессе перемешивания композиции происходит связывание свободной воды и щелочи, находящейся в жидком стекле и негативно влияющей на водорастворимость конечного продукта - пеностекла. Увеличение вязкости получаемой композиции свидетельствует о протекании физико-химического взаимодействия ее компонент уже при температуре окружающей среды. Полученная смесь имеет серый цвет. После перемешивания всех компонент сырьевой смеси проводят ее термообработку при температуре 480°С в течение 65 минут. При термообработке происходят дальнейшие физико-химические процессы, сопровождающиеся удалением свободной гидратной и химически связанной воды и увеличением вязкости смеси, после чего она приобретает темно серый цвет. Вес охлажденной до температуры окружающей среды сырьевой смеси составляет около 60% от веса исходных компонент. Затем осуществляют помол смеси до величины зерна 15-20 мкм. Измельченную сырьевую смесь засыпают в металлические формы, обработанные специальным составом, и термообрабатывают при температуре вспенивания 780°С не менее 90 минут.

В таблице 1 приведены свойства пеностекла, получаемого с использованием данной технологии, а в таблице 2 приведены результаты в сравнении с пеностеклом "FOAMGLASS" производства компании "Pittsburgh Coming Еигоре"(Бельгия).

Табл. 1

1. Плотность, кг/м³.от 100до 200Возможно и выше 5002. Прочность на сжатие, МПаот 0,5до 5,0 3. Коэффициент теплопроводности, Вт/м К0, 048...0,10 4. Объемная доля закрытых пор, %92-94Поры газонаполненные5. Водопоглощение, при кипячении в течение 90 минут, % по объему2-6 6. Гигроскопичность, мас.% (выдержка в течение 24 часов в эксикаторе при t°C=20° ^(±2) при относительной влажности воздуха - 100%)0,1....0,2 7. Потеря массы после кипячения в воде 3 часа(водостойкость),%(0,2...0,4) 8. Коэффициент теплоемкости, кДж/кгК0,966-0,973 9. Рабочий интервал температур применения изделий из данного пеностекла-60 - + 600Стандартная для пеностекла область применения и потенциальные возможности10. Коэффициент температурного линейного расширения, а 10^-6К^-1 для интервала температур от 20°...до 600°С6,0-5,1 

Изобретение может быть использовано при получении пеностекла с воспроизводимой мелкопористой структурой. Изобретение предусматривает использование водного раствора силиката натрия и/или калия и химически активных к нему добавок, позволяющих получать после их перемешивания и термообработки при температуре 450-550°С обезвоженную композицию, пригодную после измельчения для получения пеностекла с высокими теплотехническими характеристикам, но с малой энергоемкостью производства за счет исключения варки специального по химическому составу стекла при высоких температурах.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности. Способ получения пеностекла включает нагрев порошкообразной шихты с углеродсодержащим газообразователем до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение. В качестве шихты используют измельченную до порошкообразного состояния охлажденную сырьевую смесь, полученную путем термообработки при температуре 450-550°С до полного удаления воды, в том числе химически связанной, смеси водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и химически активной в отношении указанного силиката добавки – тонкомолотого порошка стеклобоя и углеродсодержащего газообразователя, при этом содержание водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия при получении смеси составляет 30-70 мас.%, смешивание осуществляют при температуре не выше 70°С, а нагрев шихты проводят до температуры вспенивания из диапазона 750-830°С. Технический результат: получение пеностекла, имеющего высокие теплотехнические характеристики при малой энергоемкости производства. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения пеностекла, включающий нагрев порошкообразной шихты с углеродсодержащим газообразователем до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение, отличающийся тем, что в качестве шихты используют измельченную до порошкообразного состояния охлажденную сырьевую смесь, полученную путем термообработки при температуре 450-550°С до полного удаления воды, в том числе химически связанной смеси водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и химически активной в отношении указанного силиката добавки – тонкомолотого порошка стеклобоя и углеродсодержащего газообразователя, при этом содержание водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия при получении смеси составляет 30-70 мас.%, смешивание осуществляют при температуре не выше 70°С, а нагрев шихты проводят до температуры вспенивания из диапазона 750-830°С.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют водный раствор силиката натрия и/или калия плотностью 1,3-1,5 г/см³ с величиной силикатного модуля 2-3,5.