Способ получения наполнителей для строительных материалов Российский патент 2017 года по МПК C04B14/30 B22F9/16 

Описание патента на изобретение RU2625388C2

Изобретение относится к области порошкового материаловедения с использованием химических процессов, в частности к методу синтеза порошков оксидов металлов - наполнителей для строительных материалов с низкой насыпной плотностью, низкой теплопроводностью и высокой пористостью.

Возросший интерес к порошкам оксидов металлов с низкой насыпной плотностью и низкой теплопроводностью объясняется широким спектром применения таких материалов.

Так, использование порошков оксидов металлов с низкой насыпной плотностью позволяет изготавливать из них изделия, сочетающие в себе высокую пористость и хорошие прочностные характеристики [Андреевский Р.А. Порошковое материаловедение. - М.: Металлургия, 1991, RU 2553041].

Использование порошков с низкой теплопроводностью позволяет использовать их в качестве добавок к металлам, краскам и сухим смесям, бетонам и другим строительным материалам для увеличения их теплоизоляционных свойств [RU 94039976]. Известно, что теплопроводность бетона в значительной мере определяется видом используемого наполнителя. В настоящее время в строительстве широко используются легкобетонные стеновые панели. Расчетная теплопроводность (ватт на метр-кельвин) при комнатной температуре керамзитобетона при плотности 1000 кг/м3 составляет 0,41 Вт/(м⋅К), что в 2 раза меньше теплопроводности кирпичной кладки, а при плотности 1200 кг/м3 - 0,52 Вт/(м⋅К) и т.д. Имеется определенная общая зависимость между насыпной плотностью и теплопроводностью. Чем более плотный материал, тем выше у него теплопроводность, и наоборот [http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-98-beton/27.htm].

Известно, что порошки оксидов металлов при спекании до 1200°С характеризуются однородностью размера частиц [Панасюк Г.П., Ворошилов И.Л., Белан В.Н., Козерожец И.В. Метод получения наноразмерного порошка α-оксида алюминия // Химическая технология, 2011, №4, с. 227-231].

В настоящее время известен ряд методов синтеза, например гидротермальное осаждение и золь-гель метод, позволяющих получать порошки оксидов металлов, которые обладают целым рядом уникальных свойств: габитус, контролируемый размер частиц и их однородность [Козерожец И.В. Разработка метода получения и исследование субмикронных и наноразмерных частиц оксидов алюминия с низким содержанием примесей. Диссерт. на соиск. учен. степ. канд хим. наук. 2011, 129 с]. Однако возможности целенаправленного синтеза материала с заданными техническими и потребительскими характеристиками исследованы недостаточно.

Известен способ получения нанодисперсного порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия и/или скандия [RU 2492157], включающий получение исходной смеси нитратов соответствующих металлов и глицина, нагревание смеси до температуры 160÷250°С и выдержку при этой температуре с последующим отжигом, при этом в исходную смесь дополнительно вводят карбоновую кислоту и/или аммонийные соли карбоновой кислоты или аминоуксусной кислоты в количестве 5÷20 мас.% от содержания глицина и отжиг осуществляют при температуре 550÷570°С.

К недостаткам изобретения относится относительно высокая, от 1,1 до 1,9 г/см3, насыпная плотность получаемого продукта.

Известен способ получения нанокристаллов оксида алюминия, заключающийся в том, что соединение алюминия смешивают с целлюлозой в воде до образования однородной дисперсной фазы, дисперсную фазу отфильтровывают и нагревают до 500÷850°С, полученный агрегированный оксид алюминия помещают в автоклав, в котором осуществляют гидротермальную обработку в кислой среде, содержащей водный раствор кислоты с концентрацией 0,08÷2,20 мас.%, при температуре 180÷220°С в течение 4÷26 ч, полученный наноразмерный бемит сушат и прокаливают при 800÷850°С в течение 2÷3 ч [RU 242418].

Недостатком способа является то, что образующиеся кристаллы не обладают низкой насыпной плотностью и тем более высокой пористостью.

Известен способ получения аморфного мезопористого аэрогеля гидроксида алюминия со слоисто-волокнистой ориентированной наноструктурой [RU 2534096], обладающего высокими потребительскими характеристиками, такими как насыпная плотность 0,01÷0,09 г/см3, теплопроводность 0,008÷0,025 Вт/(м⋅К). Способ включает проведение реакции синтеза аэрогеля гидроксида алюминия в герметичной емкости путем обработки бинарного расплава парогазовым потоком на основе смеси инертных и (или) малоактивных газов с водяным паром при температуре расплава 280÷1000°С, отличающийся тем, что в качестве бинарного расплава используется висмут с содержанием алюминия 0,05÷7,00 мас.%.

Сущность изобретения заключалась в том, что в реакционную емкость с бинарным расплавом подавали смесь аргона и водяного пара с содержанием пара 30 об.% и объемным расходом 3 л/ч. Через 10 часов при проведении ревизии реакционной емкости были обнаружены на поверхности висмута массивные грушевидные образования белого цвета.

Недостатком способа является сложная, дорогостоящая и продолжительная по времени технология.

Вторым недостатком является то, что полученный продукт, а именно гидроксид алюминия, является неустойчивым при хранении, а при нагревании разлагается с выделением воды. По этой причине использование гидроксида алюминия в качестве наполнителя для строительных материалов является малоперспективным.

Наиболее близким к заявляемому способу по конечному результату является способ получения железного порошка с низкой насыпной плотностью [RU 2006344] (прототип). В приведенном изобретении описан метод, включающий сушку, измельчение, полное окисление и последующее восстановление железной окалины с размолом и классификацией полученного спека губчатого железа. Перед восстановлением проводят дополнительное измельчение железной окалины до заданной крупности порошка.

По существу, в изобретении используют гематит с химической формулой Fe2O3, который измельчают механически до заданной крупности порошка с последующим его восстановлением в токе водорода до образования порошка металлического железа. Таким образом, в прототипе присутствует механическая обработка исходного порошка Fe2O3 путем перемалывания в шаровой мельнице в течение 15 мин до крупности 0,16 мм с последующим его восстановления в токе водорода.

В качестве промежуточного продукта получают порошок оксида железа, в качестве конечного продукта получают порошок железа с максимальной крупностью частиц 0,16 мм, насыпной плотностью 1,3 г/см3, выход порошка с насыпной плотностью 1,3 г/см3 составил 97,3%, удельная поверхность частиц (по прибору "Аккусорб") 2,3 м2/г. Свойства порошка железа не отличались от свойств порошка оксида железа.

Недостатком способа по прототипу является относительно высокая насыпная плотность получаемых порошков. Использование шаровой мельницы не позволяет достичь необходимой низкой насыпной плотности и однородности как оксида железа, так и металлического железа.

Как следствие грубой механической обработки в шаровой мельнице получают агломерированные порошки, что обуславливает их высокую теплопроводность.

Также к недостаткам можно отнести то, что предложенная в прототипе технология является энергозатратной и требует дорогостоящего оборудования.

Предложенное нами изобретение направлено на изыскание простого и дешевого способа получения порошков оксидов металлов с высокими потребительскими характеристиками наполнителей для строительных материалов, с низкой насыпной плотностью, низкой теплопроводностью и высокой пористостью.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения наполнителей для строительных материалов, обладающих низкой насыпной плотностью, низким значением теплопроводности и высокой пористостью, представляющих собой порошки оксидов металлов, выбранных из ряда: алюминий, магний и цинк, заключающийся в том, что соли указанных металлов в количестве от 40 до 100 г/л растворяют в кипящем водном 10÷50 мас.% растворе углевода, далее добавляют разрыхлитель в виде 5-50 мас.% раствора нитрата этого же металла в количестве, доводящем содержание металла в растворе до 70÷350 г/л, затем раствор упаривают до образования коричневой массы вязкой консистенции, которую помещают в тигель и прогревают в муфельной печи на воздухе при температуре 250÷400°С до прекращения потери массы, после чего поднимают температуру до 800÷1200°С и прокаливают ее о полного выгорания углевода.

Технический результат достигаются также тем, что в качестве солей металлов используют оксихлориды, ацетаты и сульфаты алюминия, магния и цинка.

Целесообразно, что в качестве углевода используют тростниковый сахар.

Выбор диапазона концентрации соли металла в исходном растворе обусловлен тем, что при массовой доле соли металла менее 40 г/л процесс синтеза порошка оксида металла становится более энергоемким на стадии упаривания. При массовой доле соли металла более 100 г/л не происходит равномерного распределения ионов металлов в растворе углевода, и получение порошков оксидов металлов с требуемыми свойствами становится затруднительным.

Выбор диапазона концентрации углевода в горячем водном растворе определен экспериментальным путем и является оптимальным для получения конечного продукта с заявленными техническими характеристиками, то есть с низкой насыпной плотностью, низкой теплопроводностью при комнатной температуре и высокой пористостью. Так, при значениях концентрации углевода ниже 10 мас.% вспенивание раствора недостаточно интенсивное для образования порошков оксидов металлов с заданными свойствами, а при концентрации выше 50 мас.% не удается полностью растворить исходные соли металлов.

Выбор диапазона концентрации нитрата металла 5÷50 мас.% в качестве разрыхлителя для доведения содержания металла в растворе до 70÷350 г/л обусловлен, с одной стороны, минимизацией энергозатрат, а с другой стороны - пределами растворимости солей.

Сущность изобретения состоит в том, что обнаружено свойство нитратов металлов выполнять функцию разрыхлителя в оксихлоридах, ацетатах и сульфатах тех же металлов за счет разложения нитрата в присутствии углевода по следующей схеме:

MNO3→МО+NO2+O2.

В процессе упаривания вышеуказанного раствора происходит активация разрыхлителя, что приводит к образованию коричневой массы вязкой консистенции, которую помещают в тигель и прогревают в муфельной печи на воздухе при температуре 250÷400°С до прекращения потери массы. Выбранный диапазон является оптимальным с точки зрения энергозатрат.

Температуру прокаливания в муфельной печи на воздухе выбирают из тех соображений, что при температуре меньше 800°С не происходит полного выгорания углевода, а при температуре выше 1200°С наблюдается укрупнение частиц и образование агломератов порошков оксидов металлов.

Изобретение позволяет получать порошки оксидов металлов с высокими потребительскими и техническими характеристиками.

Заявляемое изобретение поясняется следующими прилагаемыми иллюстрациями.

Фиг. 1. ПЭМ-изображение порошка оксида алюминия, полученного по заявленному изобретению.

Фиг. 2. ПЭМ-изображение порошка оксида магния, полученного по заявленному изобретению.

Фиг. 3. ПЭМ-изображение порошка оксида цинка, полученного по заявленному изобретению.

Изображения получены с помощью просвечивающего электронного микроскопа на приборе Jem-1001.

Ниже приведены примеры реализации заявляемого способа. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенный способ.

Пример 1. Получение порошка оксида алюминия

Оксихлорид алюминия массой 45 г растворяли в 1 литре кипящего водного 40 мас.% раствора тростникового сахара при равномерном перемешивании, затем добавляли разрыхлитель в виде 40 мас.% водного раствора нитрата алюминия, содержащий 45 г нитрата алюминия, с тем чтобы довести содержание металла в растворе до 90 г/л. Затем раствор упаривали до образования коричневой массы вязкой консистенции, которую помещали в тигель и прогревали в муфельной печи на воздухе при температуре 350°С до прекращения потери массы и затем при температуре 800°С до полного выгорания углевода. Получили порошок γ-Al2O3 с насыпной плотностью 0,018 г/см3, с теплопроводностью (ватт на метр-кельвин) при комнатной температуре 0,03 Вт/(м⋅К), пористостью 99,5% и значением удельной поверхности 160 м2/г.

Пример 2. Получение порошка оксида магния

Ацетат магния массой 100 г растворяли в 1 литре кипящего водного 40 мас.% раствора тростникового сахара при равномерном перемешивании, затем добавляли разрыхлитель в виде 10 мас.% водного раствора нитрата магния, содержащего 250 г нитрата магния, с тем чтобы довести содержание металла в растворе до 350 г/л. Затем раствор упаривали до образования коричневой массы вязкой консистенции, которую помещали в тигель и прогревали в муфельной печи на воздухе при температуре 350°С до прекращения потери массы и затем при 800°С до полного выгорания углевода. Получили порошок MgO с насыпной плотностью 0,060 г/см3 с теплопроводностью (ватт на метр-кельвин) при комнатной температуре 0,095 Вт/(м⋅К), пористостью 98,3% и значением удельной поверхности 120 м2/г.

Пример 3. Получение порошка оксида цинка

Сульфат цинка массой 70 г растворяли в 1 литре кипящего водного 40 мас.% раствора тростникового сахара при равномерном перемешивании, затем добавляли разрыхлитель в виде 45 мас.% водного раствора нитрата цинка, содержащего 100 г нитрата цинка, с тем чтобы довести содержание металла в растворе до 170 г/л. Затем раствор упаривали до образования коричневой массы вязкой консистенции, которую помещали в тигель и прогревали в муфельной печи на воздухе при температуре 350°С до прекращения потери массы и затем при 1200°С до полного выгорания углевода. Получили порошок ZnO с насыпной плотностью 0,200 г/см3, пористостью 98,3%, теплопроводностью (ватт на метр-кельвин) при комнатной температуре 0,350 Вт/(м⋅К) и значением удельной поверхности 100 м2/г.

Во всех примерах значение удельной поверхности значительно превышает аналогичный показатель в прототипе, что также может оказаться важным показателем в номенклатуре характеристик строительных материалов.

Предложенное изобретение позволяет получать порошки оксидов металлов с высокими потребительскими характеристиками, а именно низкими насыпной плотностью и теплопроводностью и высокой пористостью, достаточно простым и дешевым способом.

Похожие патенты RU2625388C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА 1993
  • Чеголя Т.Н.
  • Гринев Д.А.
  • Саблуков К.Ю.
  • Наумов А.В.
  • Пономарев Н.Г.
RU2031705C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ) 2004
  • Бевз Анатолий Павлович
  • Молчанов Кирилл Владимирович
  • Молчанов Артём Владимирович
  • Минскер Феликс Ефимович
  • Поливода Анатолий Иванович
  • Поливода Владимир Анатольевич
  • Поливода Фёдор Анатольевич
  • Цой Герман Алексеевич
  • Цой Алексей Данилович
RU2275961C1
Способ получения порошка оксида кобальта 2018
  • Журавлев Виктор Дмитриевич
  • Ермакова Лариса Валерьевна
  • Нефедова Ксения Валерьевна
RU2680514C1
Способ приготовления катализатора для конверсии углеводородных топлив в синтез-газ и процесс конверсии с применением этого катализатора 2018
  • Кириллов Валерий Александрович
  • Амосов Юрий Иванович
  • Шигаров Алексей Борисович
  • Брайко Андрей Сергеевич
  • Киреенков Виктор Викторович
  • Кузин Николай Алексеевич
  • Шойнхорова Туяна Баировна
  • Снытников Павел Валерьевич
  • Потемкин Дмитрий Игоревич
  • Собянин Владимир Александрович
RU2665711C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВАРИСТОРНОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА 2014
  • Громов Олег Григорьевич
  • Савельев Юрий Алексеевич
  • Тихомирова Елена Львовна
  • Локшин Эфроим Пинхусович
  • Данилин Аркадий Николаевич
  • Колобов Виталий Валентинович
RU2564430C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОКСИДНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ 2010
  • Ткачев Алексей Григорьевич
  • Мележик Александр Васильевич
  • Иванова Ирина Владимировна
RU2476268C2
ШАРИКОВЫЙ КАТАЛИЗАТОР ДЛЯ ГИДРООЧИСТКИ НЕФТЯНЫХ ФРАКЦИЙ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ 2011
  • Красий Борис Васильевич
  • Кустова Тамара Сергеевна
  • Пукшанский Леонид Исидорович
  • Сорокин Илья Иванович
RU2472583C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ОКСИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ 2010
  • Кузнецов Максим Валерьевич
  • Морозов Юрий Георгиевич
RU2430884C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ АПАТИТО-НЕФЕЛИНОВЫХ РУД 2021
  • Васкалов Владимир Федорович
  • Нежиков Андрей Викторович
  • Малявский Николай Иванович
  • Ведяков Михаил Иванович
RU2781680C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА НА ОСНОВЕ ОКСИДА КОБАЛЬТА (II) 1992
  • Гайдей Т.П.
  • Хаустова Э.С.
RU2030211C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 625 388 C2

Реферат патента 2017 года Способ получения наполнителей для строительных материалов

Изобретение относится к получению наполнителя для строительных материалов. Соль алюминия в количестве от 40 до 100 г/л растворяют в кипящем водном 10-50 мас.% растворе углевода, добавляют разрыхлитель в виде 5-50 мас.% раствора нитрата алюминия с обеспечением содержания алюминия в растворе до 70-350 г/л, затем раствор упаривают до образования коричневой массы вязкой консистенции, полученную массу помещают в тигель и прогревают в муфельной печи на воздухе при температуре 250-400°С до прекращения потери массы, после чего поднимают температуру до 800-1200°С и прокаливают ее до полного выгорания углевода. В качестве соли алюминия может быть использован оксихлорид, ацетат и сульфат алюминия, а в качестве углевода - тростниковый сахар. Обеспечивается получение наполнителя для строительных материалов в виде порошка оксида алюминия, обладающего низкой насыпной плотностью, низким значением теплопроводности и высокой пористостью. 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 3 ил.

Формула изобретения RU 2 625 388 C2

1. Способ получения наполнителя для строительных материалов, обладающего низкой насыпной плотностью, низким значением теплопроводности и высокой пористостью, представляющего собой порошок оксида алюминия, характеризующийся тем, что соль алюминия в количестве от 40 до 100 г/л растворяют в кипящем водном 10-50 мас.% растворе углевода, добавляют разрыхлитель в виде 5-50 мас.% раствора нитрата алюминия с обеспечением содержания алюминия в растворе до 70-350 г/л, затем раствор упаривают до образования коричневой массы вязкой консистенции, полученную массу помещают в тигель и прогревают в муфельной печи на воздухе при температуре 250-400°С до прекращения потери массы, после чего поднимают температуру до 800-1200°С и прокаливают ее до полного выгорания углевода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соли алюминия используют оксихлорид, ацетат и сульфат алюминия.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углевода используют тростниковый сахар.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2625388C2

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛОВ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ 2010
  • Панасюк Георгий Павлович
  • Козерожец Ирина Владимировна
  • Азарова Лидия Алексеевна
  • Ворошилов Игорь Леонидович
  • Белан Виктор Николаевич
  • Першиков Александр Васильевич
RU2424186C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА α--ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И ПОРОШОК α--ОКСИДА АЛЮМИНИЯ 1994
  • Масахиде Мохри
  • Норио Мацуда
  • Синитиро Танака
  • Есио Утида
  • Есинари Савабе
  • Хисаси Ватанабе
  • Хироси Огава
RU2136596C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ 2002
  • Калиниченко И.И.
  • Вайтнер В.В.
  • Березюк В.Г.
  • Ващенко С.Д.
  • Антаниади В.Г.
  • Томилов С.А.
  • Матвеев В.Ф.
RU2202516C1
US 20090104108 A1, 23.04.2009
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ 2009
  • Салдаев Александр Макарович
RU2394005C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ 2006
  • Баронин Игорь Васильевич
  • Иванов Игорь Геннадьевич
  • Раков Эдуард Григорьевич
RU2318723C2

RU 2 625 388 C2

Авторы

Панасюк Георгий Павлович

Семенов Евгений Алексеевич

Козерожец Ирина Владимировна

Азарова Лидия Алексеевна

Ворошилов Игорь Леонидович

Белан Виктор Николаевич

Першиков Александр Васильевич

Даты

2017-07-13Публикация

2015-08-11Подача