Изобретение относится к строительной индустрии, теплоэнергетике и может быть применено для получения теплоизоляционно-конструкционного материала, а также для тепловой изоляции производственного оборудования, холодильных установок и трубопроводов.
Известен способ получения пеношлакостекол на основе специально сваренного стеклогранулята с использованием шлаков Нижнетагильского и Новотульского металлургических заводов. При этом температуры варки исходных шлаковых стекол соответственно составили 1450°С и 1550°С. Последующие за этим грануляция, измельчение, вспенивание при температурах 920-980°С позволили авторам получить пеношлакостекло со следующими физико-химическими свойствами. У пеношлакостекол с использованием Нижнетагильского шлака со средней плотностью 0,26-0,28 г/см3 прочность при сжатии составила 2,6-2,8 МПа. Водопоглощение находится на уровне 25-27%, размер пор от 0,8 до 2,3 мм. Средняя плотность у пеношлакостекол на основе Новотульского шлака составила 0,19-0,28 г/см3, прочность при сжатии 1,5-4 МПа, водопоглощение - 28-35%, размер пор 0,6-4 мм (См. Сентюрин Г.Г., Егорова Л.Г., Ришина В.А. К вопросу получения пеностекол с малым объемным весом // Всесоюз. совещ. "Использование недефицитных материалов в стекольном производстве": Сборник материалов - М., 1971. - С.98-103) (1).
Указанный способ получения пеношлаковых стекол характеризуется наличием высокотемпературной варки основного шлакового стекла, передела грануляции и достаточно высокими температурами вспенивания, что способствует значительному увеличению энергозатрат и удорожанию пеношлакостекла. Повышенные значения водопоглощения пеношлакостекол, отрицательно влияющие на морозостойкость и долговечность этого материала, свидетельствуют о том, что в процессе вспенивания происходит частичная поверхностная кристаллизация, приводящая к созданию структуры пеностекла с сообщающимися порами.
Известен способ получения пеношлакоситалла при введении в состав шлакоситаллов газообразователей. В производстве его используют стекло, сваренное, как и в предыдущем способе, на основе доменного шлака.
Средняя плотность пеношлакоситалла составила 200-500 кг/м3, прочность на сжатие 2-10 МПа и водопоглощение 5-10% (См. Стекло. Справочник / Под ред. Н.М.Павлушкина, М.: Стройиздат. - 1973. - С.430) (2).
Указанный способ получения пеношлакоситалла требует также высокотемпературной варки основного шлакового стекла. Температура варки стекол на основе доменных шлаков обычно достигает 1550°С.
Известна шихта для изготовления пеностекла, имеющая в своем составе, мас.%:
К перлитовому порошку с удельной поверхностью 3000-6000 см2/г добавляют 8-8,5% NaOH в виде водного раствора. Изделия из шихты формуют прессованием при влажности шихты 15-17%. В известном способе состав имеет сравнительно высокую температуру вспенивания 850-950°С, длительный период обжига до 60 мин. По известному составу плотность пеностекла достигает 0,9 г/см3, что нежелательно для теплоизоляционного материала (См. а.с. №292909, С 03 С 11/00, БИ №5, 1971 г.) (3).
Известна смесь для изготовления пеностекла, включающая вулканическое стекло (перлит), осадочную кремнеземистую породу (диатомит, трепел и опоку), газообразователь, которую смешивают и подвергают сухому помолу до получения порошка с удельной поверхностью 3000-5000 см2/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:
(См. а.с.№1073199, С 03 С 11/00, БИ №6, 1984 г.) (4).
К недостаткам известного состава относится сложность сырьевой шихты, которая приводит к усложнению технологии получения пеностекла, а повышенное содержание гидроксида натрия (15%) кроме удорожания пеностекла способствует снижению его водостойкости. Отдельные составы этого пеноматериала по примерам №2, №4 приводят к повышенному водопоглощению 53,1 и 75,1 об.%, что нежелательно в случае использования их для производства теплоизоляционного пеностекла.
Также известно пеностекло, полученное непосредственно из шихт с использованием стекловулканических пород, а именно перлитов и обсидианов Арагацкого месторождения и отходов "хвостов" Каджаранского медно-молибденового комбината, где компоненты являются стеклообразными алюмосиликатами. Пеностекло получено без предварительного получения стекольного расплава. Для получения пеностекла в этом способе использован сложный состав, включающий "хвосты" и добавки (Арагацкий перлит, сода и порошок оконного стекла). В качестве газообразователей выбран в количестве 2-3% сверх 100% карбид кремния, как работающий в области пиропластического состояния вулканических стекол и «хвостов». Шихта составлялась порошковым методом с раздельным измельчением компонентов в шаровой мельнице до получения удельной поверхности 900-3600 см2/г. Спекание образцов производилось в лабораторных печах при температурах спекания от 1050 до 1200°С с экспозициями 10, 20, 30, 60 мин. Средняя плотность у пеностекол на основе перлитов по примерам №№ шихт - 41, 21а, 47 составила 0,456-0,535 г/см3, прочность при сжатии 2,08-3,67 МПа. У пеностекол с использованием шихты из "хвостов" со средней плотностью 0,28-0,40 г/см3 прочность при сжатии составила 1,75-3,34 МПа (См. Ованесова Н.Э., Элиазян Л.А., Дарбинян М.В. Получение теплоизоляционных материалов типа пеностекла из перлитов Армении и отходов «хвостов» Каджаранского медно-молибденового комбината // Сборник материалов Всесоюз. совещ. «Использование недефицитных материалов в стекольном производстве»: М. - 1971. - С.241-248) (5).
К недостаткам указанного способа относятся усложнение состава шихты и достаточно высокие температуры вспенивания (1050-1200°С), которые затрудняют реализацию данной технологии в промышленных масштабах. Карбид кремния (SiC), используемый в качестве газообразователя требует повышенных температур вспенивания, что характерно для углеродистых газообразователей. Прочностные характеристики материала находятся на уровне параметров пеностекол, получаемых традиционным путем из стеклобоя с карбонатными и другими типами газообразователей.
Известен способ получения пеностекла, при котором готовят композицию из порошков, полученных помолом в шаровой мельнице тарного стекла, силиката натрия и древесного угля. Указанные компоненты затворяют водой в количестве 400-500 мл и перемешивают. При перемешивании компонентов в смесь одновременно вводят силикат натрия и оксид кремния в виде песка. Полученную пасту нагревают со скоростью 5-10 град/мин до температур 750-850°С, выдерживают в течение 4-5 часов и охлаждают в печи. Количество исходных компонентов в предложенных композициях составляет 1000 г стеклопорошка бутылочного стекла, 50-150 г песка, 30-150 г силиката натрия и 5-10 г древесного угля (См. RU 2167112 С1, Кл. С 03 С 11/00, опубл. 20.05.2001) (6).
Полученное таким образом пеностекло представляет собой пеноматериал-полуфабрикат, поскольку при вспенивании пасты с таким повышенным содержанием воды можно получить материал произвольной формы. Такой материал требует дальнейшей переработки, например дробления, и после этого его можно использовать в качестве теплоизоляционного заполнителя в бетонах или теплоизоляционной засыпки. Поскольку направленность решения известного аналога - это получение сугубо теплоизоляционного пеностекла, вопрос о повышении прочности не рассматривается, так как основной задачей является упрощение процесса. В известном способе по аналогу (6) процессы вспенивания и кристаллизации практически совмещены. Однократная термическая обработка пеностекла при 750-850°С, предпринятая в аналоге (6), - это обычный способ осуществления самого процесса вспенивания пеностекла, причем отличающийся чрезвычайной длительностью (4-5 часов) этого процесса.
По мнению Б.К.Демидовича, при синтезе новых составов стекол особое внимание должно быть уделено поиску составов с минимальной склонностью к кристаллизации в области температур вспенивания, так как по мере приближения температуры кристаллизации к температуре вспенивания ухудшается одно из важнейших свойств пеностекла - водопоглощение, которое начинает возрастать (См. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла // Минск: Наука и техника. - 1972. - С.100-101). В результате роста этого показателя, как правило, снижаются показатели морозостойкости, прочности и долговечности пеностекла.
Кроме того, весьма трудно предположить, что при температурах 750-850°С оксид кремния в виде песка может связываться с оксидами других компонентов и дать какие-то кристаллические фазы. Скорее всего, это нерастворившиеся частицы песка, распределенные в стекломассе межпоровых перегородок. Тогда эти частицы могут стать концентраторами напряжений и способствовать разупрочнению структуры пеностекла. Как известно, для активизации химических и фазовых превращений необходимо иметь чрезвычайно высокую степень дисперсности контактирующих веществ. Известно, что для активизации выше указанных превращений и выщелачивания, согласно мнению В.В. Болдырева, необходима повышенная активность вещества как на поверхности, так и в объеме. Для повышения активности вещество должно быть измельчено до предельных размеров, а затем проактивировано (См. Развитие исследований в области механохимии неорганических веществ в СССР // Новосибирск: Наука. - Сиб. отд-ние, 1991, с.20). Кроме того, силикат натрия - это искусственный материал, для получения которого необходим дополнительный технологический передел. Предлагаемая многокомпонентность в аналоге (6) композиций несомненна и в определенной степени усложняет технологию пеностекла.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является получение пеностекла непосредственно из шихт с использованием щелочных алюмосиликатных пород, как вулканическое стекло (перлитовая порода Мухор-Талинского месторождения и нефелиновый сиенит Мухальского месторождения Республики Бурятия), и стеклобоя тарного стекла. Пеностекло получают путем измельчения сырьевой шихты, механоактивации, смешивания компонентов шихты с водным раствором гидроксида натрия, формования и вспенивания при температуре Т=750-800°С в течение 15 минут. В состав для получения пеностекла, содержащий вулканическое стекло, гидрат окиси натрия в виде раствора, 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 (См. RU 2164898 С2, кл. С 03 С 27/12, опубл. 10.04.2001) (7).
Недостатками этого способа являются пониженные показатели прочности пеностекла и усложнение состава стеклошихты благодаря наличию в стеклошихте нефелинового сиенита. Прочность пеностекол составила 2,1-3,1 МПа при средней плотности 0,24-0,302 г/см3.
Задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в моделировании состава шихты пеностекла на основе вулканических водосодержащих стекол месторождений Республики Бурятия и боя тарного стекла.
Технический результат изобретения заключается в:
- повышении физико-механических свойств, а именно прочностных показателей пеностекла путем объемной кристаллизации пеностекла при повторной его термической обработке;
- упрощении технологии получения пеностекла и снижении ресурсозатрат за счет исключения из состава стеклошихты природного минерального сырья - нефелинового сиенита;
- повышении эффективности использования перлитовых пород за счет вовлечения в сферу материального производства наряду со стекловидными перлитами сильно гидратированных и некондиционных закристаллизованных перлитов слабовспучивающихся пород при добыче стекловидных перлитов Мухор-Талинского месторождения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе получения пеностекла, заключающемся в получении пеностекла путем тонкого измельчения и механоактивации стеклошихты, состоящей из вулканического стекла, боя тарного стекла, гидроксида натрия в виде водного раствора, смешивании ее компонентов, формовании и вспенивании, согласно изобретению в качестве вулканического стекла используют или гидратированный перлит, или стекловидный перлит, или закристаллизованный перлит, а после вспенивания полученное пеностекло подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации.
Кроме того, технический результат достигается также и тем, что используют гидратированный перлит (с содержанием кристаллической фазы 5% и гигроскопической воды 0,6-3,2%) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
при этом пеностекло вспенивают при температуре 830°С в течение 7 минут и подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации при температуре 625°С в течение 15 минут.
Кроме того, технический результат достигается также и тем, что используют стекловидный перлит (с содержанием кристаллической фазы 2-5% и гигроскопической воды 0,3-1,0%) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
при этом пеностекло вспенивают при температуре 825°С в течение 5 минут и подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации при температуре 600°С в течение 20 минут.
Кроме того, технический результат достигается также и тем, что используют закристаллизованный перлит (с содержанием 60-80% криптокристаллических агрегатов и гигроскопической воды 0,3-1,3%) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
при этом пеностекло вспенивают при температуре 825°С в течение 5 минут и подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации при температуре 615°С в течение 25 минут.
Сравнение предлагаемого изобретения с другими известными технологическими решениями позволило установить следующее.
В отличие от известного способа получения пеностекла (1) с использованием высокотемпературной варки основного стекла при 1450°С и 1550°С в заявленном техническом решении пеностекло получают непосредственно из расплава, минуя процесс высокотемпературной варки стекла, что способствует снижению энергозатрат и упрощению технологии получения пеностекла (См. Сентюрин Г.Г., Егорова Л.Г., Ришина В.А. К вопросу получения пеностекол с малым объемным весом // Всесоюз. Совещ. «Использование недефицитных материалов в стекольном производстве»: Сборник материалов - М., 1971. - С.98-103) (1).
В отличие от известной композиции (5) с использованием перлитов Армении и отходов «хвостов» Каджаранского медно-молибденового комбината, при использовании которых пеностекло получено при температуре 1050-1200°С (См. Ованесова И.Э., Элиазян Л.А., Дарбинян М.В. Получение теплоизоляционных материалов типа пеностекла из перлитов Армении и отходов «хвостов» Каджаранского медно-молибденового комбината // Сборник материалов Всесоюз. совещ. «Использование недефицитных материалов в стекольном производстве»: М. - 1971. - С.241-248) (5), в заявленном способе пеностекла получены при температурах 830, 825 и 815°С, что также способствует снижению энергозатрат и упрощению технологии получения пеностекла.
В отличие от известного способа получения пеностекла (См. RU 2167112 С1, Кл. С 03 С 11/00, опубл. 20.05.2001) (6), в котором пеностекло получают по схеме: приготовление композиции из молотого бутылочного стекла, песка, силиката натрия, древесного угля → перемешивание смеси указанной композиции в воде с добавлением силиката натрия и оксида кремния в виде песка → нагрев пенообразующей пасты до температур 750-850°С и выдержка при этих же температурах в течение 4-5 часов → охлаждение в печи, в заявленном изобретении после вспенивания пеностекла с целью повышения физико-механических свойств, а именно прочности, его подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации. При этом состав стеклошихты в заявленном изобретении отличается меньшим количеством компонентов, что способствует упрощению технологии пеностекла.
Оптимальная температура вспенивания в заявленном способе зависит от максимальной вспенивающейся способности пенообразующей смеси из перлитовых пород, стеклобоя и гидроксида натрия и составляет 830, 825 и 815°С соответственно для вспенивания стеклошихты с использованием гидратированного, стекловидного и закристаллизованного перлитов. А максимальная вспенивающаяся способность, как известно, зависит от вязкости алюмосиликатного расплава. При температурах, меньших вышеуказанных, вязкость расплава достаточно высока, вследствие чего образующиеся газы не способны интенсивно вспенить стекломассу, а при температурах выше оптимальных вязкость расплава понижается, в результате чего происходит коалесценция газовых пузырьков за счет их соединения между собой, и пузырьки беспрепятственно уходят из стекломассы.
В предлагаемом изобретении так же, как и в прототипе (7), применяется механоактивация стеклошихты, что позволило снизить температуру размягчения стеклошихты и вспенивания пеностекла в результате интенсивного воздействия на структуру исходных пород в подготовительный период.
Как и в известном техническом решении по прототипу (7), предлагаемый способ получения пеностекла позволяет получить пеностекло непосредственным вспениванием алюмосиликатного расплава, но при этом предлагаемый способ отличается отсутствием в шихте нефелинового сиенита, что упрощает технологию получения пеностекла и способствует сохранности природного минерального сырья.
Предлагаемое изобретение также отличается от прототипа повторной термической обработкой - объемной кристаллизацией для увеличения прочностных показателей пеностекла путем создания объемно закристаллизованной структуры в материале межпоровых перегородок. При этом диапазон температур объемной кристаллизации принят на основе анализа дифференциально-термического анализа перлитовых пород. Этот анализ показал, что в диапазоне температур кристаллизации 600-625°С наблюдаются экзотермические эффекты, соответствующие выделению кристаллических фаз. Оптимальными температурами кристаллизации являются 625, 600 и 615°С соответственно для пеностекол с использованием гидратированного, стекловидного и закристаллизованного перлитов. При температуре кристаллизации меньше 625°С для пеностекол с использованием гидратированного перлита, 600°С - для пеностекол с использованием стекловидного перлита и 615°С - для пеностекол с использованием закристаллизованного перлита ввиду того, что кристаллические фазы в структуре межпоровых перегородок пеностекла еще не сформировались, прочность пеностекол не возросла. А увеличение температуры кристаллизации выше температуры, указанной для каждого из пеностекол приводит к росту размеров кристаллов, а следовательно, к ослаблению структуры пеностекол. Продолжительность кристаллизации, которая составила 15, 20 и 25 минут соответственно для пеностекол с использованием гидратированного, стекловидного и закристаллизованного перлитов, зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и роста размеров кристаллов. При продолжительности кристаллизации меньше указанных 15, 20 и 25 минут в материале межпоровых перегородок пеностекла, по нашему мнению, еще недостаточно центров кристаллизации, предшествующих образованию кристаллофаз. Поэтому прочность пеностекол еще не высока. А при увеличении продолжительности кристаллизации свыше 15, 20 и 25 минут происходит рост размеров кристаллов, что нежелательно при создании материалов с мелкокристаллической структурой. Поэтому при дальнейшем увеличении продолжительности прочность пеностекла снижается.
В предлагаемом изобретении целенаправленно решается вопрос синтеза на основе системы Na2O-Al2О3-SiO2 кристаллических фаз во вспениваемой стекломассе, способствующих улучшению прочностных характеристик пеностекла. При этом наличие в стеклошихте различных дополнительных оксидов, кроме Na2O, Al2О3 и SiO2, вносимых со стеклобоем тарного стекла и вулканическим стеклом, увеличивает вероятность одновременного выпадения двух и более кристаллических фаз в рассматриваемой авторами системе. А это приводит к торможению роста размеров кристаллов каждого из соединений и вследствие этого - к формированию при дополнительной термообработке (кристаллизации) мелкокристаллической структуры в материале межпоровых перегородок (См. Физическая химия силикатов. Под ред. А.А.Пащенко. - М.: Высшая школа, 1986, с.285). Такой подход к получению составов пеностекла позволил улучшить показатели его долговечности. Пеностекла, не подвергнутые направленной кристаллизации, характеризуются стекловидной структурой межпоровых перегородок. А стекловидное состояние, как известно, это метастабильное состояние, которое при соответствующих термодинамических условиях может привести к нерегулируемой спонтанной кристаллизации и зарождению крупных по размеру кристаллов, способных разрушить целостность межпоровых перегородок пеностекла, в результате чего пеностекло может потерять свои первоначальные свойства. Во избежание указанного нежелательного явления в классическом пеностекле содержание кристаллических фаз ограничивают на уровне 5%. В предлагаемом изобретении целенаправленно синтезируются мелкокристаллические структуры, равномерно распределенные во всем объеме материала межпоровых перегородок пеностекла.
В известном техническом решении (3) для получения пеностекла (См. а.с. №292909, С 03 С 11/00, БИ №5, 1971 г.) использовалась композиция в системе «вулканическое стекло - гидроксид натрия», которая приводит к расходу кондиционного перлита (стекловидного перлита), запасы которого за последние годы снизились или оказались за рубежом (Арагацкое месторождение). В связи с этим замена большей части шихты боем тарного стекла перлитовых пород способствуют расширению сырьевой базы для производства пеностекла и снижению экологической нагрузки на окружающую среду ввиду негорючести и биостойкости стеклоотходов, которые необратимо загрязняют ландшафт и являются источниками для травматизма в местах для отдыха граждан. В заявленном изобретении в сочетании с боем тарного стекла используются различные разновидности перлитовой породы.
Известные порошковые способы получения пеностекла с использованием только стеклобоя и газообразователя (См. Ф.Шилл. Пеностекло (производство и применение). - Москва, Изд-во литературы по строительству, 1965, с.53), приводят к повышенному водопоглощению в пеноматериале в среднем до 70%, что приводит к получению пеностекла с более низким уровнем теплофизических и влажностных свойств. В заявленном техническом решении достаточно низкий по сравнению с известным показатель водопоглощения (0,5-5%) свидетельствует о формировании структуры межпоровых перегородок пеностеклита с мелкими кристаллами, не способными прорывать стенки пор, вследствие чего поры остаются преимущественно замкнутыми, что способствует улучшению теплофизических свойств материала.
В отличие от известного способа с использованием высокотемпературной варки основного стекла при 1450 и 1550°С (См. Сентюрин Г.Г., Егорова Л.Г., Ришина В.А. К вопросу получения пеностекол с малым объемным весом // Всесоюз. совещ. "Использование недефицитных материалов в стекольном производстве": Сборник материалов - М., 1971. - С.98-103) (1) в заявленном техническом решении пеностекло получают непосредственно из расплава, минуя процесс высокотемпературной варки стекла, что способствует снижению энергозатрат и упрощению технологии пеностекла. Повторная термическая обработка пеностекла (объемная кристаллизация) по заявленному изобретению, проводимая с целью упрочнения структуры пеностекла, осуществляется при достаточно низких температурах (600-625°С). Последнее позволяет при реализации технологии пеностекла использовать в печах кристаллизации тепло отходящих газов от печи обжига 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 аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного способа 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: упрощение технологии пеностекла и снижение ресурсозатрат, повышение эффективности использования перлитовых пород, повышение прочностных показателей пеностекла, отличительных признаков в заявленном изобретении, изложенных в формуле изобретения, а именно повторная термическая обработка пеностекла - объемная кристаллизация при использовании компонентов стеклошихты: вулканического стекла, боя тарного стекла и гидроксида натрия в виде раствора.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям "новизна" и "изобретательский уровень".
В заявленных композициях предлагаемого способа использованы вулканические стекла (перлиты) Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия и бой тарного стекла, химический состав которых приведен в табл.1.
Химический состав сырьевых материалов
Известно, что перлит - это кислое водосодержащее вулканическое стекло, все типы которого содержат воду и кристаллические включения (Горная энциклопедия, том 4, М.: Советская энциклопедия. - 1991. - с.73). Существует классификация отечественного перлитового сырья, в том числе перлитов Мухор-Талинского месторождения, предложенная Н.И. Сергеевым, В.В.Наседкиным и др. Проведенные ими исследования по изучению влияния структуры перлитовых пород, в том числе содержания воды и кристаллических включений на физико-механические свойства вспученных перлитов, применяемых в качестве легкого заполнителя в бетонах, свидетельствуют в пользу того, что при оценке возможности использования указанных пород необходимо подразделять их на разновидности по содержанию воды и кристаллических включений (Сергеев Н.И. Перлитовое сырье для получения вспученных щебня и песка и его классификация // Сборник трудов ВНИИСтром, вып.33(61): М. - 1975. - С.83-97).
В соответствии с классификацией перлитовых пород Мухор-Талинского месторождения, предложенной Н.И.Сергеевым, В.В.Наседкиным и др., по содержанию воды и кристаллических включений в заявленном изобретении для получения пеностекол рассмотрены следующие разновидности перлитовых пород указанного месторождения:
1) сильногидратированные массивные перлиты (гидратированные перлиты по заявленному изобретению) с количеством стекловидной фазы не менее 95% с объемной массой 1,9-2,1 г/см3, содержанием гигроскопической воды 0,6-3,2% и п.п.п. 6,5-11%,
2) неизмененные массивные перлиты (стекловидные перлиты по заявленному изобретению) без микролитов и кристаллитов с количеством стекловидной фазы не менее 90-95%, с объемной массой 2,2-2,3 г/см3, содержанием гигроскопической воды 0,3-1,0% и п.п.п. 5,5-6,5%,
3) массивные перлиты с кристаллитами и микролитами (закристаллизованные перлиты по заявленному изобретению) с количеством стекловидной фазы не менее 20-40% и 60-80% криптокристаллических агрегатов, с объемной массой 2,1-2,4 г/см3, содержанием гигроскопической воды 0,3-1,3% и п.п.п. 4,3-6,6%.
В предлагаемом изобретении подразделение перлитового сырья на гидратированный, стекловидный и закристаллизованный сделано на основании отличия их по содержанию воды и кристаллических включений. Целесообразность такого подразделения основана на том, что при добыче кондиционных стекловидных перлитовых пород гидратированные породы в силу высокого водосодержания и закристаллизованные в силу слабой вспучиваемости часто не попадают в сферу материального производства и тем самым снижается эффективность их использования.
Перлит гидратированный Мухор-Талинского месторождения представлен на 95% стеклом. На рентгенограмме гидратированного перлита отмечается один небольшой пик с d/п=3,29 Å, относимый к минералу санидину. Полосы поглощения у частот 790 см-1 и 465 см-1 на ИК-спектрах перлита указывают на незначительное присутствие в них различных модификаций SiO2. Цвет от грязно-желто-зеленого до буро-красноватого за счет окисления магнетита и появления трехвалентного железа.
Перлит стекловидный Мухор-Талинского месторождения представлен на 90-95% стеклом, обладает сетью тонких концентрированных трещинок, являющихся зонами девитрификации стекла. Цвет породы от светло-зеленого до темно-зеленого.
Закристаллизованный перлит Мухор-Талинского месторождения представлен на 20-40% стекловидной фазой и на 60-80% криптокристаллическими агрегатами, предположительно из кристобалита, тридимита, халцедона и минералов группы полевых шпатов, равномерно распределенных в метастабильной стекловидной фазе. Рентгеновский спектр закристаллизованного перлита подтверждает наличие структурных мотивов, близких к минералам тридимиткристобалитового ряда (3,99; 3,72; 2,51 Å) и полевых шпатов - санидина (3,31 Å) и альбита (См. Глуховский В.Д., Цыремпилов А.Д., Рунова Р.Ф., Меркин А.П. и др. Щелочные бетоны на основе эффузивных пород. - Иркутск: Изд-во Иркут. Ун-та, 1990. - 176 с.).
Наличие структурных мотивов в гидратированном, стекловидном и закристаллизованном перлитах может способствовать развитию процесса кристаллизации в процессе повторного нагрева пеностекла. Несмотря на то, что указанные перлитовые разновидности характеризуются близким химическим составом, некоторые отличия по содержанию воды и кристаллических включений могут существенно повлиять на процесс вспенивания и фазообразования в пеностекле. Так, например, стекловидные и гидратированные перлиты, несмотря на сходство по содержанию стекловидной фазы, отличаются содержанием гигроскопической воды и общей потерей по массе. Вода, по мнению А.А.Аппена, способствует снижению вязкости силикатных расплавов и может при этом оказывать минерализующее воздействие. Минерализующая роль анионов ОН в силикатных расплавах заключается в формировании тех или иных кристаллических частиц (Аппен А.А. Химия стекла. - Ленинград: Химия. - 1970. - С.254). Главное отличие закристаллизованных перлитов от стекловидного и гидратированного состоит в повышенном содержании кристаллических фаз в виде криптокристаллических агрегатов.
Оксидный и фазовый состав компонентов предлагаемых композиций способствует, по нашему мнению, увеличению вязкости алюмосиликатного расплава в температурном интервале вспенивания, что положительно повлияло на торможение роста кристаллов и снизило скорость образования центров кристаллизации во время вспенивания стеклошихты. Мелкокристаллическая структура в материале межпоровых перегородок пеностекла формируется во время повторной термообработки (кристаллизации) пеностекла, о чем свидетельствуют данные рентгенофазового анализа, проведенного в лаборатории кафедры стекла и стеклокристаллических материалов Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова. Так, например, на рентгенограмме пеностекла с использованием стеклобоя тарного стекла и гидратированного перлита отмечаются небольшие пики с d/п=4,077; 3,801; 3,751; 3,20; 2,952; 2,541 Å, относимые к минералу альбит (Na, Ca)(Si, Al)4O8, к минералам санидина KALSi3O8 (d/п=3,801; 2,139; 1,774 Å), нефелина NaAlSiO4 (d/п = 3,042; 2,838; 2,387; 1,563 Å). Также обнаружены пики, соответствующие минералам K2MgSi6O12 с d/п=5,353; 3,356; 3,200; 2,838; 2,387 Å, тридимита SiO2 с d/п = 4,328; 4,077; 3,920; 3,801; 2,541; 2,387 Å и β-кварца SiO2 с d/п=4,077; 2,838; 2,541; 2,139; 1,873 Å.
На рентгенограмме пеностекла с использованием боя тарного стекла и стекловидного перлита отмечаются аналогичные небольшие пики, относимые к минералам санидина, нефелина, альбита, β-кварца SiO2. Также обнаружены и идентифицированы минералы Ca(Al2Si2O8)4H2O (d/п=4,230; 3,356; 3,160; 2,705; 1,805 Å) и CaFe3AlSiO6 (d/п=3,002; 2,940; 2,516 Å).
Идентифицирование кристаллических фаз в пеностекле с использованием боя тарного стекла и закристаллизованного перлита показало наличие минерала санидина и появление анортита CaAl2Si2O8 (d/п=7,375; 4,475; 3,763; 3,636; 2,849; 2,527; 1,493; 1,467 Å). Наряду с ними обнаружены следующие минералы: Mg3Si2O5(OH)4, Са3Al6Si2O16; CaAl2Si7O186H2O; Ca4Al2Fe2O10.
Благодаря формированию объемно закристаллизованной структуры в виде равномерно распределенных в стеклофазе межпоровых перегородок пеностекла различных мелких кристаллов во время его кристаллизации по предлагаемому способу стало возможным создание пеностекла с повышенными физико-механическими свойствами.
Для выбора оптимального состава стеклошихты были приготовлены составы, отличающиеся друг от друга соотношением вулканического стекла и боя тарного стекла (в % по массе): 40; 45; 50; 55; 60 стеклобоя тарного стекла и 51; 46; 41; 36; 31 перлита гидратированного (композиция 1); 45; 50; 55; 60; 65 стеклобоя тарного стекла и 46; 41; 36; 31; 26 перлита стекловидного (композиция 2); 50; 55; 60; 65; 70 стеклобоя тарного стекла и 41; 36; 31; 26; 21 перлита закристаллизованного (композиция 3). Гидроксида натрия во всех композициях 9% (см. табл.2, 3, 4). Принятые нами композиции 1, 2 и 3 отличаются тем, что они в качестве вулканического водосодержащего стекла содержат перлиты трех разновидностей, характеризующиеся различной способностью к поризации и кристализации. Соотношения в стеклошихте вулканического стекла и стеклобоя по каждой композиции приняты с учетом отличий в морфологии гидратированных, стекловидных и закристаллизованных перлитов.
Предлагаемый способ получения пеностекла на основе гидратированной перлитовой породы и боя тарного стекла (композиция 1) осуществляется следующим образом.
Сухой бой тарного стекла и гидратированный перлит подвергают раздельному помолу в шаровой мельнице до порошкообразного состояния с Sуд=3000-3500 см2/г. Для снижения температуры вспенивания пеностекла производят механоактивацию стеклошихты в течение 5-10 мин. К готовому порошку добавляют 9% NaOH в виде водного раствора, обеспечивающего влажность шихты 16-19%. Смесь тщательно перемешивают и прессуют в виде образцов размером 2×2×2 см при удельном давлении 25-30 кг/см2. Отпрессованные образцы подвергают обжигу при температуре Т=830°С, при которой происходит вспенивание образца и образуется пеностекло. Пеностекло с целью снятия внутренних напряжений подвергают отжигу, для чего его остужают вместе с печью до комнатной температуры.
В предлагаемом способе для увеличения прочности пеностекла за счет формирования мелкокристаллических фаз в стекловидном материале межпоровых перегородок пеностекло подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации с последующим его охлаждением вместе с печью.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Стеклошихту, состоящую из боя тарного стекла и гидратированного перлита, размалывают в шаровой мельнице до удельной поверхности Sуд=3000-3500 см2/г. Механоактивацию стеклошихты производят в стержневой вибрационной мельнице до Sуд=4000 см2/г в течение 5-10 минут.
Гидроксид натрия добавляют в количестве 10% сверх массы стеклошихты по сухим составляющим, что в пересчете на 100% составляет 9%. В шихту 9% NaOH вводят в виде водного раствора, обеспечивающего влажность шихты 16-19%. Смесь тщательно перемешивают и формуют образцы прессованием в виде образцов размером 2×2×2 см. Отпрессованные образцы обжигают при температуре Т=830°С в муфельной печи по режиму: 1,5 часа - подъем температуры, 7 минут - обжиг (вспенивание), 5 минут - снижение температуры на 100-150°С с целью фиксации пены, а затем - охлаждение вместе с печью до комнатной температуры.
Для формирования объемной мелкокристаллической структуры в материале межпоровых перегородок пеностекла и получения пеностекла с улучшенными физико-механическими свойствами пеностекло подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации при температуре Т=625°С в течение 15 минут. Пеностекло также остывает вместе с печью.
Средняя плотность пеностекла составляет 395 кг/м3, прочность при сжатии 6,72 МПа, структура пеностекла равномернопористая, диаметр пор составляет менее 0,5-2,5 мм.
Пример 2.
Проводится аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов:
Средняя плотность пеностекла составляет 303 кг/м3, прочность при сжатии пеностекла 5,40 МПа, структура пеностекла равномернопористая, диаметр пор составляет менее 0,5-2,5 мм.
Пример 3.
Проводится аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов:
Средняя плотность пеностекла составляет 400 кг/м3, прочность при сжатии пеностеклита 4,80 МПа, структура пеностеклита равномернопористая, диаметр пор составляет менее 0,5-2,5 мм.
Предлагаемый способ получения пеностекла на основе боя тарного стекла и стекловидного перлита (композиция 2) осуществляется следующим образом.
Пример 4.
Стеклошихту, состоящую из сухого боя тарного стекла и стекловидного перлита, размалывают в шаровой мельнице до удельной поверхности Sуд=3000-3500 см2/г. Затем для снижения температуры вспенивания пеностекла производят механоактивацию стеклошихты в стержневой вибрационной мельнице до Sуд=4000 см2/г в течение 5-10 минут.
Гидроксид натрия добавляют в количестве 10% сверх массы стеклошихты по сухим составляющим, что в пересчете на 100% составляет 9%. В шихту 9% NaOH вводят в виде водного раствора, обеспечивающего влажность шихты 16-19%. Смесь тщательно перемешивают и формуют образцы прессованием в виде образцов размером 2×2×2 см. Отпрессованные образцы обжигают при температуре Т=825°С в муфельной печи по режиму: 1,5 часа - подъем температуры, 5 минут - обжиг (вспенивание), 5 минут - снижение температуры на 100-150°С с целью фиксации пены, а затем - охлаждение вместе с печью до комнатной температуры.
Для формирования объемной мелкокристаллической структуры в материале межпоровых перегородок пеностекла и получения пеностекла с улучшенными физико-механическими свойствами пеностекло подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации при температуре Т=600°С в течение 20 минут. Пеностекло также остывает вместе с печью.
Средняя плотность пеностекла составляет 407 кг/м3, прочность при сжатии пеностекла 6,54 МПа, структура пеностекла равномернопористая, диаметр пор составляет менее 0,5-1,5 мм.
Пример 5.
Проводится аналогично примеру 4 при следующем соотношении компонентов:
Средняя плотность пеностекла составляет 271 кг/м3, прочность при сжатии пеностекла 5,16 МПа, структура пеностекла равномернопористая, диаметр пор составляет менее 0,5-1,5 мм.
Пример 6.
Проводится аналогично примеру 4 при следующем соотношении компонентов:
Средняя плотность пеностекла составила 431 кг/м3, прочность при сжатии пеностекла 4,26 МПа, структура пеностекла равномернопористая, диаметр пор составляет менее 0,5-1,5 мм.
Предлагаемый способ получения пеностекла на основе боя тарного стекла и закристаллизованного перлита (композиция 3) осуществляется следующим образом.
Пример 7.
Стеклошихту, состоящую из сухого боя тарного стекла и закристаллизованного перлита, размалывают в шаровой мельнице до удельной поверхности Sуд=3000-3500 см2/г. Затем для снижения температуры вспенивания производят механоактивацию стеклошихты в стержневой вибрационной мельнице до Sуд=4000 см2/г в течение 10-15 минут.
Гидроксид натрия добавляют в количестве 10% сверх массы стеклошихты по сухим составляющим, что в пересчете на 100% составляет 9%. В шихту 9% NaOH вводят в виде водного раствора, обеспечивающего влажность шихты 16-19%. Смесь тщательно перемешивают и формуют образцы прессованием в виде образцов размером 2×2×2 см. Отпрессованные образцы обжигают при температуре Т=815°С в муфельной печи по режиму: 1,5 часа - подъем температуры, 5 минут - обжиг (вспенивание), 5 минут - снижение температуры на 100-150°С с целью фиксации пены, а затем - охлаждение вместе с печью до комнатной температуры.
Для формирования объемной мелкокристаллической структуры в материале межпоровых перегородок пеностекла и получения пеностекла с улучшенными физико-механическими свойствами пеностекло подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации при температуре Т=615°С в течение 25 минут. Пеностекло также остывает вместе с печью.
Средняя плотность пеностекла составила 504,2 кг/м, прочность при сжатии пеностекла 7,80 МПа, структура пеностекла равномернопористая, диаметр пор составляет менее 0,5-1 мм.
Пример 8.
Проводится аналогично примеру 7 при следующем соотношении компонентов:
Средняя плотность пеностекла составляет 325 кг/м3, прочность при сжатии пеностекла 5,95 МПА, структура пеностекла равномернопористая, диаметр пор составляет менее 0,5-1 мм.
Пример 9. Проводится аналогично примеру 7 при следующем соотношении компонентов:
Средняя плотность пеностекла составляет 451 кг/м3, прочность при сжатии пеностекла 5,46 МПА, структура пеностекла равномернопористая, диаметр пор составляет менее 0,5-1 мм.
В таблицах 2, 3 и 4 приведены сравнительные характеристики свойств пеностекол, полученных соответственно с использованием различных составов стеклошихт (композиции 1, 2 и 3).
Анализ данных таблиц 2, 3 и 4 показывает, что повторная термическая обработка (кристаллизация) пеностекол на основе предлагаемых композиций с использованием механоактивированной стеклошихты из вулканических стекол и боя тарного стекла приводит к росту прочности при сжатии у пеностекол на 45-52%. Предположение о том, что вода и кристаллические включения могут способствовать интенсификации процесса объемной кристаллизации пеностекла при повторном его нагреве подтвержается тем, что результаты по прочности, полученные для пеностекол с использованием гидратированных, стекловидных и закристаллизованных перлитов в сочетании с боем тарного стекла, возрастают в ряду композиция 2 → композиция 1 → композиция 3. Несмотря на то, что гидратированный и стекловидный перлиты незначительно отличаются содержанием кристаллических включений, прочность у пеностекол композиции 1 с использованием гидратированных перлитов выше, чем у пеностекол композиции 2 с использованием стекловидных перлитов. Это объясняется повышенным содержанием воды в структуре гидратированных перлитов, что подтверждает минерализующую роль воды, о чем указано в работе А.А.Аппен (Аппен А.А. Химия стекла. - Ленинград: Химия. - 1970. - С.254). Наилучшие результаты по прочности достигнуты для пеностекол композиции 3 с использованием закристаллизованных перлитов.
Данные рентгенофазового анализа структуры пеностекла подтверждают наличие в материале межпоровой перегородки пеностекла различных кристаллических соединений. Достаточно низкие показатели водопоглощения (1-5 мас.%) также косвенно свидетельствуют о том, что в материале межпоровой перегородки сформировалась объемнозакристаллизованная структура в виде равномерно распределенных в стекломассе мелких кристаллов, не способных прорывать стенки пор.
В табл.5 приведены сравнительные данные по физико-механическим свойствам пеностекол, полученных по предлагаемому изобретению в сравнении с прототипом (См. RU 2164898 С2, Кл. С 03 С 27/12, опубл. 10.04.2001).
Таким образом, предлагаемый способ получения пеностекла имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- повышение физико-механических свойств пеностекла (по структуре и прочности);
- упрощение технологии пеностекла и снижение потребления природного минерального сырья за счет исключения из состава стеклошихты нефелинового сиенита;
- повышение эффективности использования перлитовых пород за счет вовлечения в сферу материального производства наряду со стекловидными перлитами сильно гидратированных и некондиционных закристаллизованных перлитов - сопутствующих пород при добыче стекловидных перлитов Мухор-Талинского месторождения;
Предлагаемый способ получения пеностекла разработан в лаборатории строительных материалов кафедры «Производство строительных материалов и изделий» ВСГТУ и может быть использован в строительной индустрии в качестве теплоизоляционно-конструкционного материала в ограждающих конструкциях и в качестве теплоизоляции в теплоэнергетике и утепления теплопроводов. На основе вышеуказанного можно сделать заключение, что пеностекло на основе природных вулканических водосодержащих стекол и боя тарного стекла является долговечным строительным теплоизоляционно-конструкционным материалом, который целесообразно использовать в виде плит, мелкоштучных блоков, скорлуп для тепловой изоляции строительных конструкций, тепловых установок, а также для самонесущих элементов ограждения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА | 2012 |
|
RU2503647C1 |
| СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА | 1999 |
|
RU2164898C2 |
| Способ изготовления гранулированного пеностекла | 2018 |
|
RU2698388C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУЩЕГО (ВАРИАНТЫ) | 2000 |
|
RU2196748C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И ШИХТА ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2011 |
|
RU2478586C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА И ШИХТА ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2011 |
|
RU2478587C2 |
| СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСИЛИКАТНОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОСИЛИКАТНОГО МАТЕРИАЛА (ВАРИАНТЫ) | 2009 |
|
RU2405743C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО МАТЕРИАЛА И ШИХТА ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2013 |
|
RU2520280C1 |
| СОСТАВ ШИХТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА | 2017 |
|
RU2655499C1 |
| ЯЧЕИСТЫЙ ТЕПЛОЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ | 2013 |
|
RU2540732C1 |
Изобретение относится к строительной индустрии, теплоэнергетике и может быть применено для получения теплоизоляционно-конструкционного материала. Технический результат изобретения заключается в повышении прочностных показателей пеностекла, снижении температуры вспенивания, упрощении технологии пеностекла и снижении экологической нагрузки на окружающую среду. Способ получения пеностекла заключается в получении пеностекла путем тонкого измельчения, мехноактивации стеклошихты, состоящей из вулканического стекла, боя тарного стекла, гидроксида натрия в виде водного раствора, смешивании ее компонентов, формовании и вспенивании. В качестве вулканического стекла используют или гидратированный перлит, или стекловидный перлит, или закристаллизованный перлит. После вспенивания полученное пеностекло охлаждают до комнатной температуры и подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации в температурном интервале 600-625°С. 3 з.п. ф-лы, 5 табл.
при этом пеностекло вспенивают при температуре 830°С в течение 7 мин и подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации при температуре 625°С в течение 15 мин.
при этом пеностекло вспенивают при температуре 825°С в течение 5 мин и подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации при температуре 600°С в течение 20 мин.
при этом пеностекло вспенивают при температуре 815°С в течение 5 мин и подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации при температуре 615°С в течение 25 мин.
| СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА | 1999 |
|
RU2164898C2 |
| 2000 |
|
RU2167112C1 | |
| Композиция для получения пеностекла | 1981 |
|
SU1071587A1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЗАМОЧНОЙ СКВАЖИНЫ | 1998 |
|
RU2132436C1 |
| Загрузочное приспособление к автоклавам, в особенности для подачи торфа | 1935 |
|
SU45910A1 |
