Сырьевая смесь для получения облицовочных минерально-полимерных материалов Российский патент 2024 года по МПК C04B18/04 C04B18/16 C04B26/02 C04B111/20 

Сырьевая смесь относится к получению композиционных материалов из полимерных и минеральных отходов для производства изделий в виде плит, блоков и стеновых панелей для наружной и внутренней облицовки стен и цоколей зданий и сооружений.

Известен способ переработки полимерных отходов с получением строительного материала [1], заключающийся в предварительном измельчении смеси несортированных отходов ПЭНД и ПЭВД в количестве 10-50 %, последующем смешиванием с глиной влажностью 8-12 %, прессовании при 10 МПа, сушке и температурной обработке в течение 90-180 мин при температуре плавления полимерной составляющей смеси. Преимуществами данной смеси являются возможность утилизации полимерных отходов и достаточно низкое водопоглощение (2,61-5,71 %), а к недостаткам относятся низкая прочность на сжатие (9,11-20,45 МПа) и изгиб (2,61-5,71 МПа). Технологическими недостатками способа являются энергоемкость процесса плавления полимеров и возможность их термодеструкции в процессе переработки.

Известна смесь для получения композиционных строительных материалов, содержащая компоненты коммунальных отходов [2], состоящая из 75 мас. ч. отходов полиэтилентерефталата, 25 мас. ч. отходов полиолефинов, 5 мас. ч. модифицированного сополимера этилена и винилацетата, 0-160 мас.ч. минерального наполнителя с содержанием карбонатов кальция и магния не менее 80%, 8-48 мас.ч. древесного наполнителя, обработанного в 20%-ном растворе силиката натрия. Преимуществами данной смеси является возможность комплексной утилизации разнородных отходов, низкое водопоглощение (0,4-2,7 мас.%), высокая морозостойкость (более 200 циклов) и достаточно высокая прочность на сжатие (25,1-35,9 МПа) изделий. К недостаткам смеси можно отнести сравнительно низкие показатели изделий по прочности на изгиб (6,2-16,1 МПа), возможность деструкции полимеров при плавлении, длительность и многостадийность производственного цикла и его высокую энергоемкость, связанные с необходимостью отдельного плавления, измельчения и сушки отходов полиэтилентерефталата, обработкой древесных отходов с последующей сушкой, предварительный прогрев минерального наполнителя до 150 °С и высокое давление прессования изделий, равное 25 МПа.

Известен способ производства композитных строительных изделий [3], заключающийся в перемешивании и экструдировании смеси из бытовых отходов полимерных материалов и карбонатного наполнителя. В качестве карбонатного наполнителя используют отходы камнепиления и переработки известняков-ракушечников или нуммулитовых известняков и/или отходы дробления и переработки известняковых пород на щебень фракцией до 5 мм. Преимуществами способа являются возможность комплексной переработки разнородных отходов, а к недостаткам относятся энергоемкость процесса плавления полимеров и возможность их термодеструкции в процессе переработки, высокая плотность (1820-1900 кг/м³) и низкая прочность (5-15 МПа) изделий.

Известен способ переработки полимерных отходов и стекольного боя с получением облицовочных и отделочных материалов [4], заключающийся в предварительном перемешивании отходов непластифицированного поливинилхлорида с метиленом хлористым техническим при соотношении полимер : растворитель от 1 : 1,5 до 1 : 2,5. Полученный раствор перемешивают с измельченным и высушенным стекольным боем с размером частиц не более 0,63 мм. Из полученной смеси при давлении 8 МПа формуют изделия. Преимуществами данного способа являются комплексная утилизация разнородных отходов, низкая энергоемкость производства и исключение вероятности термодеструкции непластифицированного поливинилхлорида за счет замены плавления полимера на его растворение, достаточно низкое водопоглощение (3,8-9,5 %) и относительно высокая морозостойкость (37-52 циклов). Недостатком данной смеси является низкая прочность на сжатие (13,2-15,5 МПа) и изгиб (3,3-3,7 МПа).

Наиболее близкой к предлагаемому решению является сырьевая смесь для производства облицовочных полимерных композитных изделий [5], включающая, мас.%: кирпичный бой с удельной поверхностью 50-160 см²/г (т.е. минеральный наполнитель) 45-75; раствор отходов пенополистирола в метилене хлористом техническом в соотношении пенополистирол : метилен хлористый технический от 1:1,2 до 1:1,8 - остальное; при этом содержание отходов пенополистирола составляет от 8,9 до 25,0 мас.%, а содержание метилена хлористого технического составляет от 16,1 до 30 мас.%. Преимуществами данного способа является одновременная переработка разнородных отходов, низкая энергоемкость производства и исключение вероятности деструкции пенополистирола, низкое водопоглощение (2,1-4,34 %) и относительно высокая морозостойкость (52-58 циклов). Недостатком данной смеси является низкая прочность на сжатие (12,6-16,2 МПа) и изгиб (3,2-4,0 МПа).

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение прочности на сжатие и изгиб изделий.

Для достижения поставленной задачи предлагается в качестве наполнителя применять измельченные до размера частиц не более 0,63 мм базальтовые отходы, а соотношение отходы пенополистирола (отходы ППС) : метилен хлористый технический (растворитель) составляет от 1 : 1,2 до 1 : 1,8 при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

Базальтовые отходы 34,9-72,0 Отходы ППС 11,8-27,0 Метилен хлористый технический 15,3-41,8

В данном изобретении предлагается использовать базальтовые отходы в виде крошки или аспирации базальтовой ваты, образующиеся при обрезке и подгонке по форме готовых изделий. Допускается использовать базальтовый отсев, образующийся при дроблении и фракционировании базальта при производстве щебня, а также отходы резания, распиловки, шлифовки и полировки базальта, а также базальтовую муку. Перед использованием базальтовые отходы высушиваются до постоянной массы и измельчаются до размера частиц не более 0,63 мм.

Для получения полимерного связующего предлагается использовать отходы потребления изделий из пенополистирола, в частности отработанных элементов упаковки для бытовой техники, оборудования и т.п. Перед использованием отходы ППС также предварительно высушиваются до постоянной массы и измельчаются до размера кусков не более 6 см. Допускается использование других отходов других изделий из полистирола.

Применение базальтовых отходов и отходов ППС обосновано тем, что они накапливаются в больших количествах, превышающих объемы их утилизации. Особенно это актуально для отходов ППС, что связано с сравнительно небольшим периодом эксплуатации изделий и большими объемами из-за низкой плотности. В тоже время изделия из базальта широко используются для строительной облицовки за счет своей прочности, а изделия из полистирола отличаются прочностью и влагостойкостью.

Для получения из отходов ППС вторичного полистирольного связующего и перевода вторичного полистирола в вязкотекучее состояние в данном изобретение предусматривается их растворение в метилене хлористом техническом первого сорта по ГОСТ 9968-86 с последующей термообработкой отформованных изделий при температуре не ниже температуры кипения растворителя. Применение растворения полимера в отличии от его плавления позволяет понизить энергоемкость производственного цикла за счет холодных стадий перемешивания и прессования, а также исключает вероятность термодеструкции полимера, что особенно важно для вторичных полимеров. Следует отметить, что температура кипения метилена хлористого технического (39,6 °С) существенно ниже температуры начала термодеструкции полистирола (около 180-200 °С). Чтобы максимально снизить потери растворителя в процессе улетучивания при термообработке для промышленного применения предлагаемой сырьевой смеси предусматривается применение герметичного оборудования, улавливание и конденсация паров метилена хлористого технического для его повторного использования.

Применение метилена хлористого технического обосновано высокими показателями растворяющей и проникающей способностей, позволяющими быстро и в достаточно больших количествах растворять отходы ППС, а также высокой летучестью, что позволяет быстро удалить его при термообработке. Это позволяет уменьшить продолжительность и энергоемкость производственного цикла. Также следует отметить, что метилен хлористый технический отличается низкими показателями по горючести и взрывоопасности, является веществом 4 класса опасности и его стоимость ниже, чем у большинства других растворителей.

Соотношение и количество вводимых добавок влияет на достижение поставленной технической задачи.

При содержании базальтовых отходов в количестве менее 34,9 мас.% сырьевая смесь получается излишне пластичной, что приводит к перепрессовке, деформации и образованию облоя у изделий, которые отличаются низкой прочностью из-за неэффективного наполнения полимерного связующего. При содержании базальтовых отходов в количестве более 72 мас.% сырьевая смесь получается неоднородной и сыпучей, а у изделий наблюдается недостаток связующего, проявляющийся в низкой прочности, осыпании граней и высоком водопоглощении из-за высокой пористости и преобладании открытых пор.

Отходы ППС и метилен хлористый технический должны вводиться в состав смеси в определенных соотношениях. При соотношениях отходы ППС : растворитель менее 1 : 1,2 раствор связующего отличается излишней вязкостью, что не позволяет получить однородную сырьевую смесь при перемешивании и приводит к неоднородному распределению связующего в объеме изделий. При этом время растворения отходов ППС увеличивается, а удаление растворителя происходит быстрее, чем требуется для завершения стадий перемешивания и прессования, что не позволяет получить изделия с высокими эксплуатационными характеристиками. При соотношениях отходы ППС : растворитель более 1 : 1,8 сырьевая смесь получается избыточно влажной и пластичной, что затрудняет перемешивание, приводит к образованию облоя и перепрессовке, является причиной недостатка связующего, последствия которого описаны выше. При этом избыточное количество метилена хлористого технического ускоряет растворение отходов ППС, но при этом существенно увеличивается время термообработки для его удаления, что повышает энергоемкость и длительность производственного цикла.

Таким образом, техническая задача по повышению прочности на сжатие и изгиб изделий при реализации данного изобретения может быть решена при содержании в сырьевой смеси от 34,9 до 72,0 мас.% базальтовых отходов, от 11,8 до 27,0 мас.% отходов ППС и от 15,3 до 41,8 мас.% метилена хлористого технического при условии, что соотношение отходы ППС : метилен хлористый технический составит от 1 : 1,2 до 1 : 1,8.

Реализация предлагаемого изобретения предпочтительна по следующей технологии: предварительно высушенные до постоянной массы и измельченные отходы ППС смешивают с метиленом хлористым техническим в заданных соотношениях с получением раствора связующего. Полученный раствор перемешивают до однородной сырьевой смеси с заданным количеством базальтовых отходов, которые предварительно высушивают до постоянной массы, измельчают и фракционируют до размера частиц не более 0,63 мм. Из полученной сырьевой смеси при удельном давлении 8,5 МПа прессуют изделия, которые после извлечения из пресс-формы подвергаются термообработке при температуре не менее 40 °С в течение 30 - 180 мин в зависимости от габаритов изделий, количества раствора связующего и содержания в нем отходов ППС.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами:

1. К 40,5 мас.% базальтовых отходов добавляют 27,0 мас.% отходов ППС, растворенных в 32,5 мас.% метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;

2. К 38,5 мас.% базальтовых отходов добавляют 25,6 мас.% отходов ППС, растворенных в 35,9 мас.% метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;

3. К 64,5 мас.% базальтовых отходов добавляют 16,1 мас.% отходов ППС, растворенных в 19,4 мас.% метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;

4. К 53,6 мас.% базальтовых отходов добавляют 17,9 мас.% отходов ППС, растворенных в 28,5 мас.% метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;

5. К 45,5 мас.% базальтовых отходов добавляют 19,5 мас.% отходов ППС, растворенных в 35,0 мас.% метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии.

Свойства материалов, полученных с использованием известного и предлагаемого составов сырьевой смеси, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Свойство Состав Прототип Предлагаемый по примеру 1 2 3 4 5 Плотность, кг/м³ 1220,7 – 1550,2 1277,9 1351,4 1377,7 1560,5 1605,5 Предел прочности на сжатие, МПа 12,6 – 16,2 20,5 21,6 23,1 26,6 24,7 Предел прочности на изгиб, МПа 3,2 – 4,0 12,8 14,2 14,4 18,6 16,6 Водопоглощение, % 2,1 – 4,34 9,7 9,3 17,1 13,5 11,6 Морозостойкость, циклы 52 – 58 37 37 31 34 35

Источники информации

1. Патент на изобретение № 2327712, кл. C08J 11/06, C08L 23/06, С04В 14/10, 2005;

2. Патент на изобретение № 2688718, кл. С04В 26/02, С04В 18/30, 2018;

3. Патент на изобретение № 2629033, кл. С04В 18/04, 2017;

4. Патент на изобретение № 2679017, кл. С04В 14/22, С04В 18/20, С04В 26/02, С04В 40/02, С04В 111/20, 2019.

5. Патент на изобретение № 2698352 C1, кл. C04B 26/02, C04B 18/16, С04В 111/20, 2019.

Изобретение относится к получению композиционных материалов из полимерных и минеральных отходов для производства изделий в виде плит, блоков и стеновых панелей для наружной и внутренней облицовки стен и цоколей зданий и сооружений. Сырьевая смесь для получения облицовочных минерально-полимерных материалов включает, мас.%: отходы пенополистирола (отходы ППС) 11,8-27,0, метилен хлористый технический 15,3-41,8, измельченные до размера частиц не более 0,63 мм базальтовые отходы 34,9-72,0. Соотношение отходов ППС к метилену хлористому техническому составляет от 1:1,2 до 1:1,8. Технический результат – повышение прочности на сжатие и изгиб облицовочных материалов. 1 табл., 5 пр.

Сырьевая смесь для получения облицовочных минерально-полимерных материалов, включающая отходы пенополистирола - отходы ППС, метилен хлористый технический и наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя используются измельченные до размера частиц не более 0,63 мм базальтовые отходы, а соотношение отходы ППС : метилен хлористый технический составляет от 1:1,2 до 1:1,8 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Базальтовые отходы 34,9-72,0 Отходы ППС 11,8-27,0 Метилен хлористый технический 15,3-41,8