Способ изготовления композитного изделия Российский патент 2024 года по МПК C04B26/02 C04B18/14 

Область техники

Настоящее изобретение относится способу изготовления композитных изделий, в которых применены вторичные материалы и может быть применено, например, в области строительства, например блоков, лицевого и рядового кирпича, облицовочной и тротуарной плитки, бордюров, канализационных люков и тп., а также для в других отраслях, например при изготовлении шпал, систем хранения жестких изделий (рулонов стали, труб и т.п.) и других изделий, изготавливаемых из бетона.

Уровень техники

Известна «Сырьевая смесь для получения силикатных изделий с использованием вскрышных пород горнодобывающей промышленности» (№2439022, МПК С04В 28/18, опубл. 10.01.2012 г.), включающая известь, тонкодисперсный кремнеземистый компонент и заполнитель, причем в качестве тонкомолотого кремнеземистого компонента смесь содержит молотую песчаную перлито-алевритовую породу, а в качестве заполнителя - исходную песчаную перлито-алевритовую породу, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

известь негашеная 6-12 тонкомолотая песчаная перлито-алевритовая порода 12-24 исходная песчаная перлито-алевритовая порода 64-82

Недостатками прототипа является специфичность сырьевой базы, а также необходимость использования автоклавного оборудования для производства изделий на указанной сырьевой базе.

Известна сырьевая смесь для производства строительных композитных изделий, включающая в качестве наполнителя смесь, содержащую минеральное сырье с удельной поверхностью 500-2500 см2/г, в качестве связующего - смесь, содержащую вторичный полимерный материал, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: вторичный полимерный материал, состоящий из бытовых и производственных отходов полимерных материалов - 30,0-45,0; минеральное сырье - 55,0-70,0, отличающаяся тем, что в качестве минерального сырья содержит отходы металлургических производств, в том числе доменные гранулированные шлаки, или отходы очистки морских и речных судов (2628116, МПК C04B 26/02, C04B 28/00, C04B 18/04, опубл. 15.0.2017 г.).

Недостатком аналога является низкое и непрогнозируемое качество изготовленных из представленного состава изделий, в частности прочности на сжатие, предела прочности на изгиб и других показателей, что вызванное непостоянным составом сырьевой базы. Ещё одним недостатком решения является высокий показатель водопоглощения, варьирующийся в пределах от 6 до 12 %. Всё вышеперечисленное приводит к снижению срока эксплуатации изготовленного композитного изделия.

Известно вяжущее, полученное помолом смеси, включающей доменный шлак гранулированный, двуводный гипс, активизатор твердения - отходы обогащения железных руд, отличающееся тем, что содержит сталеплавильные шлаки, а именно электросталеплавильный, конверторный, мартеновский, и в качестве карбонатной добавки натрий, или калий, или аммоний углекислые или их смесь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

доменный шлак гранулированный 40-50 двуводный гипс 4-6 указанные отходы обогащения железных руд 3-6 натрий, или калий, или аммоний углекислые или их смесь 3-8 электросталеплавильный, мартеновский или конверторный шлак остальное

причем помол осуществляют до удельной поверхности 700 м2/кг (2430043, МПК C04B 26/02, B29B 17/00, опубл. 20.07.2001 г.).

Наиболее близким решением является конструкционный материал, полученный путем обработки давлением горячей смеси, включающей в себя расплав, по меньшей мере, одного термопластичного полимера и песок, и охлаждения его до отверстия, отличающийся тем, что охлаждение до отвердения осуществляют под давлением, при этом соотношение компонентов выбрано следующим, мас.%:

Песок 50 - 85 Полимер остальное

(2170716, МПК C04B 7/147, C04B 7/153, опубл. 20.07.2001 г.).

Недостатком аналога и прототипа является низкое и непрогнозируемое качество изготовленных из представленного состава изделий, в частности прочности на сжатие, предела прочности на изгиб и других показателей, что вызванное непостоянным составом сырьевой базы. Всё вышеперечисленное приводит к снижению срока эксплуатации изготовленного композитного изделия.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей заявляемого изобретения является создание сырьевой смеси для способа производства композитных изделий и их изготовления с получением прогнозируемых параметров качества готового изделия, повышающих его срок службы, в частности со значением водопоглощения менее 5%.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления композитного изделия включает смешивание шлака с полимером с образованием сырьевой смеси, содержащей 25-60 мас.% полимера размером фракции до 25 мм, 40-75 мас.% шлака размером фракции до 5 мм, при следующем соотношении компонентов последнего, мас. %:

СаО 30,0–45,0 SiO2 30,0–45,0 Al2O3 5,0–17,0 МgО 5,0–19,0 TiO2 0,1–2,0 МnО не более 1,0 FeO не более 1,5,

далее сырьевую смесь нагревают зонально, при этом в первой зоне нагрев ведут до температуры 50…140 °С, во второй до температуры 100…210 °С, в третьей до температуры 145…280 °С, в четвертой до температуры не превышающей 300 °С, при этом в каждой последующей зоне начальную температуру выдерживают не ниже температуры предыдущей зоны, после этого заливают расплавленную смесь в форму и осуществляют отверждение под давлением 1,5…12,5 МПа.

В другом предпочтительном варианте изобретения отверждение под давлением осуществляют при температуре 160…210 °С.

В другом предпочтительном варианте изобретения шлак дополнительно содержит не более 1,0 мас.% серы.

В другом предпочтительном варианте изобретения в качестве шлака применяют доменный гранулированный шлак.

В другом предпочтительном варианте изобретения в качестве полимера применяют по меньшей мере один компонент, выбранный из группы: смесь на основе полиэтилена высокого давления (ПВД), смесь на основе полиэтилена низкого давления (ПНД), смесь на основе полипропилена (ПП), смесь на основе поливинилхлорида (ПВХ), смесь на основе полиамида (ПА), смесь на основе акрилонитрилбутадиенстирола (АБС).

В другом предпочтительном варианте изобретения в качестве полимера применяют пластиковые отходы.

Осуществление изобретения

Соотношение ингредиентов в составе сырьевой смеси для производства композитных изделий, мас. %: полимер 25-60 размером фракции до 25 мм; шлак 40-75 размером фракции до 5 мм, позволяет получать разнообразные композитные изделия, с необходимыми для эксплуатации заранее заданными высокими физическими свойствами и эксплуатационными параметрами. Наличие в составе заявляемой смеси менее 25% вторичного полимерного материала приводит к хрупкости готовых изделий из-за недостаточного количества связующего вещества в сырьевой смеси и высокому показателю по водопоглощению из-за низкого содержания полимера, а наличие в составе заявляемой смеси шлака менее 40 % приводит к снижению прочностных характеристик изделия. В описанных ситуациях характеристики готового изделия выходят за заданные значения по пределам прочности на сжатие и на изгиб и не обеспечивается низкий показатель водопоглощения.

Размер фракции полимера и шлака для постоянности характеристик готового изделия определен в ходе испытаний, в результате которых было установлено, что применение размера фракции более заявленной приводит к неравномерному распределению компонентов смеси между собой, как следствие неравномерности предела прочности на изгиб и на сжатие изготовленного и неравномерности водопоглощения, в том числе с выходом за предел более 5%, композитного изделия по его длине.

Выдерживание показателя водопоглощения менее 5% влияет на срок эксплуатации изделия. Предел выше заявленного приводит к постоянному расширению композитного изделия, впитывающего в себя влагу, чередующегося с высыханием впитавшейся влаги и сжатию композитного изделия. Периодическое расширение композитного изделия чередующегося со сжатием приводит к появлению трещин на композитном изделии и снижению его срока эксплуатации, в связи с его быстрым разрушением.

В качестве шлака применяют доменный гранулированный шлак, а в качестве полимера применяют по меньшей мере один компонент, выбранный из группы: смесь на основе ПВД, смесь на основе ПНД, смесь на основе ПП, смесь на основе ПВХ, смесь на основе ПА, смесь на основе АБС, в частности в одном из вариантов осуществления качестве полимера применяют пластиковые отходы.

Испытания показали, что применение в составе смеси шлака разнообразного состава может приводить к получению различных показателей готового изделия. Компонентным составом шлака определены характеристики готового изделия, что обуславливает его стандартизацию и приведение в возможные пределы для отнесении к категории допустимого.

Для обеспечения постоянных характеристик по переделу прочности на изгиб по переделу прочности на сжатие и значению показателя водопоглощения менее 5%, шлак применен при следующем соотношении компонентов, мас. %:

оксид кальция СаО 30,0–45,0 оксид кремния SiO2 30,0–45,0 оксид алюминия Al2O3 5,0–17,0 оксид магния МgО 5,0–19,0 оксид титана TiO2 0,1–2,0 оксид марганца МnО не более 1,0 оксид железа FeO не более 1,5

Данный состав применяемого шлака позволяет получать готовые изделия с установленными характеристиками, в том числе с показателем водопоглощения менее 5%, выход за пределы указанных количественных значений состава приводит к снижению тех или иных параметров готового изделия, что приводит к получению каждого нового изделия с различными показателями, выходящими за их заданные значения.

Зональный нагрев смеси, при котором в первой зоне нагрев ведут до температуры 50…140 °С, во второй до температуры 100…210 °С, в третьей до температуры 145…280 °С, в четвертой до температуры не превышающей 300 °С, при этом в каждой последующей зоне начальную температуру выдерживают не ниже температуры предыдущей зоны. Постепенный подход к нагреву позволяет обеспечить равномерное выплавление сырьевой смеси для композитных изделий и получить равномерные характеристики готового композитного изделия, в том числе значения показателя водопоглощение менее 5% по всей длине изделия, что обеспечивает более длинный срок эксплуатации изготовленного композитного изделия. Пределы менее заявленных не обеспечивают должного расплавления и смешения сырьевой смеси, что приводит к неравномерности характеристик по длине композитного изделия и снижению его сроку эксплуатации из-за наличия не нем зон с более низкими характеристиками. Пределы более заявленных приводят к перегреву, содержащегося в составе смеси полимеру, его тепловому разложению, что приводит к прекращению сшивания полимеров и ухудшению их свойств, что снижает срок службы композитного изделия, а в некоторых случаях приводит к невозможности его изготовления.

Нагретую расплавленную смесь после этого заливают в форму, соответствующую по форме композитному изделию, которое необходимо изготовить, и осуществляют отверждение под давлением 1,5…12,5 МПа. Предел давления менее заявленного не обеспечивает прочность изделия необходимую для долгой эксплуатации с учетом места его применения, а более заявленного может привести к нарушению целостности композитного изделия, что также снизит его срок эксплуатации.

Отверждение под давлением осуществляют при температуре 160…210 °С. Низкая температура отверждения снижает пластичность ранее нагретой смеси, а высокая температура увеличивает время отвержения.

Примеры реализации

Получение композиционного изделия производилось на основе составов шлака, (мас.%), приведенных в таблице 1.

Таблица 1 № образца 1 2 3 4 5 6 7 8 СаО: 30,0–45,0 30,0 31,3 38,1 37,8 38,5 39,0 44,1 45,0 SiO2: 30,0–45,0 45,0 43,8 40,2 39,2 36,9 39,8 30,9 30,0 Al2O3: 5,0–17,0 17,0 13,2 10,6 11,1 9,3 10,6 7,5 5,0 МgО: 5,0–19,0 5,0 6,8 8,8 10,2 13,2 9,4 15,5 19,0 TiO2: 0,1–2,0 1,5 2,0 1,5 1,2 0,3 0,3 0,8 0,1 МnО: не более 1,0 0,0 0,8 0,4 0,2 0,6 0,3 1,0 0,4 FeO: не более 1,5. 1,5 1,1 0,4 0,3 1,2 0,6 0,1 0,5 1,0 мас.% серы 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0

В таблице 2 приведен компонентный состав сырьевой смеси для композитных изделий с показателями изделий, полученных в ходе испытаний изготовленных композитных изделий.

Таблица 2 № образца 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Шлак, мас.% 40 40 45 55 60 60 65 70 75 75 Полимер, мас.% 60 60 55 45 40 40 35 30 25 25 Размер фракции шлака, мм 1 5 5 2 4 5 4 1 1 5 Размер фракции полимера, мм 1 25 25 8 11 15 20 1 1 25 Водопоглощение, % по массе 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,01 0,02 0,07 0,02 Плотность материала образца в состоянии естественной влажности, г/см³ 1,275 1,245 1,348 1,455 1,510 1,500 1,542 1,604 1,674 1,652

В таблице 3 приведены производственные режимы, применявшиеся при изготовлении композитного изделия из смеси шлака с полимером.

Таблица 3 № образца 1 2 3 4 5 6 7 8 Температура в первой зоне, °С 50 65 80 90 100 110 125 140 Температура во второй зоне, °С 100 125 150 160 170 180 195 210 Температура в третьей зоне, °С 145 175 200 215 225 240 265 280 Температура в четвертой зоне, °С 175 190 210 220 230 245 275 300 Давление при отверждении, МПа 1,5 3,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 Температура при отверждении, °С 160 165 170 180 190 195 205 210

Температурные режимы, приведенные в таблице 3 применялись, значения предела прочности на сжатие и изгиб находились в заявленных диапазонах, показатель водопоглощения был около нуля при применении при изготовлении композитных изделий сырьевой композиции с шлаком регламентированного состава.

В качестве полимера при испытаниях применяли по меньшей мере один компонент, выбранный из группы: смесь на основе ПВД, смесь на основе ПНД, смесь на основе ПП, смесь на основе ПВХ, смесь на основе ПА, смесь на основе АБС, в том числе и полимерные пластиковые отходы, при этом полученные смеси в различных вариациях показали свою пригодность для применения в составе заявленной 1.

Результаты испытаний показывают, что значение предела прочности на сжатие у изготовленного изделия на уровне со значением аналогичного показателя у бетона марки М300, а в части случаях выше него, значение предела прочности на изгиб на уровне со значением аналогичного показателя у дерева, а в части случаях выше него. Достигнут показатель водопоглощения на уровне с бетоном, а также ниже, чем у него, чем обеспечивается увеличение срока эксплуатации композитных изделий, полученных из заявленной сырьевой смеси для изготовления композитных исследований и/или полученных заявленным способом изготовления композитных изделий.

Номенклатура изделий, которые могут быть изготовлены из заявленной сырьевой смеси и/или заявленным способом широка, в том числе включает в себя тротуарную, настенную и другую плитку, бордюры, стеновые панели, балки, шпалы и многие другие изделия, изготавливаемые на данный момент времени из бетона.

Следует отметить, что бетон изготавливается из минеральной смеси, например, цемента, которая требует произведения различных манипуляций и подбора минеральных компонентов для ее изготовления, а шлак является отходом, который очень часто просто складируется, вместе с этим по заявленному изобретению возможно применение пластиковых отходов, в связи с чем настоящие изобретение позволяет повысить экологичность, при выполнении из него композитных изделий, обеспечивающих замену собой бетонных изделий, а в ряде случаев и превосходящих их по характеристикам и сроку эксплуатации.

Изобретение относится способу производства композитных изделий с применением вторичных материалов и может быть использовано для изготовления строительных блоков, лицевого и рядового кирпича, облицовочной и тротуарной плитки, бордюров, канализационных люков и других бетонных изделий. Технический результат заключается в получении изделий с водопоглощением менее 5% с повышенными физико-механическими свойствами. Сырьевая смесь для производства композитных изделий содержит 25-60 мас.% полимера размером фракции до 25 мм и 40-75 мас.% шлака размером фракции до 5 мм при следующем соотношении компонентов шлака, мас.%: СаО 30,0-45,0; SiO₂ 30,0-45,0; Al₂O₃ 5,0-17,0; MgO 5,0-19,0; TiO₂ 0,1-2,0; MnO не более 1,0; FeO не более 1,5. Способ изготовления композитного изделия включает смешивание шлака с полимером с образованием смеси, которую нагревают зонально, при этом в первой зоне нагрев ведут до температуры 50-140°С, во второй - до температуры 100-210°С, в третьей - до температуры 145-280°С, в четвертой - до температуры, не превышающей 300°С. При этом в каждой последующей зоне начальную температуру выдерживают не ниже температуры предыдущей зоны. Расплавленную смесь заливают в форму и осуществляют отверждение под давлением 1,5-12,5 МПа. 5 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ изготовления композитного изделия, включающий смешивание шлака с полимером с образованием сырьевой смеси, отличающийся тем, что осуществляют смешивание 25-60 мас.% полимера размером фракции до 25 мм, 40-75 мас.% шлака размером фракции до 5 мм при следующем соотношении компонентов последнего, мас.%:

СаО 30,0-45,0 SiO₂ 30,0-45,0 Al₂O₃ 5,0-17,0 МgО 5,0-19,0 TiO₂ 0,1–2,0 МnО не более 1,0 FeO не более 1,5,

далее сырьевую смесь нагревают зонально, при этом в первой зоне нагрев ведут до температуры 50-140°С, во второй до температуры 100-210°С, в третьей до температуры 145-280°С, в четвертой до температуры, не превышающей 300°С, при этом в каждой последующей зоне начальную температуру выдерживают не ниже температуры предыдущей зоны, после этого заливают расплавленную смесь в форму и осуществляют отверждение под давлением 1,5-12,5 МПа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отверждение под давлением осуществляют при температуре 160-210°С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют шлак, дополнительно содержащий не более 1,0 мас.% серы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве шлака применяют доменный гранулированный шлак.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимера применяют по меньшей мере один компонент, выбранный из группы: смесь на основе ПВД, смесь на основе ПНД, смесь на основе ПП, смесь на основе ПВХ, смесь на основе ПА, смесь на основе АБС.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимера применяют пластиковые отходы.