Способ производства плит и фасонных изделий из композитов на основе гипса

 

Изобретение относится к способу производства плит на основе гипса и фасонных изделий из материалов, содержащих дигидрат сульфата кальция (CaSO₄), смешанного с каркасообразующим материалом и наполнителем. В способе образования гипсовой матрицы твердение основано на имеющей место рекристаллизации дигидрата вместо широко известных способов де- и регидратации. Изменения состояния достигают путем использования горячей воды при давлении, превышающем давление насыщенного пара, предпочтительно на кривой зависимости давление/температура для дигидрата или при более высоком давлении. В способе производства плит согласно изобретению плиты прессуют при 110-200°С, предпочтительно 130-180^oС, при 0,2-5,5 МПа, предпочтительно 0,4-2,5 МПа. Смесь 1 мас. ч. порошка дигидрата, 0,05-0,35 мас.ч. наполнителей и каркасообразующих материалов (главным образом волокон из бумажных отходов), 0,05-0,3 мас.ч. воды и предпочтительно 0-0,05 мас.ч. сульфатсодержащего вещества используют как основной материал смеси. В производстве фасонных изделий по способу согласно изобретению предварительно нагретую суспензию вводят в закрытую форму при 110-200°С, предпочтительно 130-180°C, при 0,2-5,5 МПа, предпочтительно 0,4-2,5 МПа. При установившемся там избыточном давлении смесь твердеет при охлаждении. Смесь 1 мас.ч. порошка дигидрата, 0,3-1,5 мас.ч. воды, 0-0,3 мас.ч. наполнителя и добавку, предпочтительно содержащую 0-0,05 мас.ч. сульфата, использовали как основной материал смеси. Технический результат - возможность использования в качестве сырья природного гипсового камня и гипсовых отходов без предварительной переработки их в гипсовое вяжущее, снижение энергетических затрат на обжиг и помол гипсового камня. 7 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способу производства композитных плит и фасонных изделий, целиком состоящих из гипса или из гипса, смешанного с каркасообразующими материалами и наполнителями. Вместо общеизвестного полугидрата сульфата кальция (CaSO₄· 1/2H₂O, в дальнейшем полугидрата) в качестве основного материала в способе согласно данному изобретению используют дигидрат сульфата кальция (CaSO₄· 2H₂O; ниже - дигидрат).

Для производства композитных плит на основе гипса известны по существу два типа способов [P.Takacs:Faipar (in English: "Woodworking Industry"), 8, 140-149 (1993)]. Согласно одному из них, полугидрат, являющийся основным материалом способа, получают из дигидрата в отдельной гипс-обжиговой печи. Этот вяжущий материал смешивают с водой, необходимой для твердения полугидрата, наполнителями и каркасообразующими материалами, а также другими материалами. Из смеси формируют мат, который затем прессуют. Во время сжатия гипс твердеет, и плита формируется. Содержание влаги в продукте регулируют искусственной заключительной сушкой. Способ называется мокрым, полусухим или сухим, в зависимости от количества воды, используемой для затворения, а также технологической стадии и времени добавления воды.

Согласно другому способу, порошок дигидрата используют как основной материал. Готовят суспензию из дигидрата, наполнителей и каркасообразующих материалов, других добавок, а также воды. Сначала из нее формуют мат, который затем обезвоживают. Дигидрат, образующий главную составную часть мата, сначала обжигают (дегидратируют) в обогреваемом прессе или автоклаве, затем полученный полугидрат снова гидратируют водой в том же самом месте, одновременно с понижением температуры и давления. Содержание влаги отвердевшей плиты регулируют так же, заключительной сушкой.

Не существует различия в основном принципе этих традиционных способов. Каждый из них основан на дегидратации и повторной гидратации гипса, известных несколько сотен лет. Основной принцип не изменяется при выполнении операций удаления кристаллизационной воды и ее повторного введения (де- и регидратации) в одну стадию или несколько стадий, соответственно.

Таким образом, как это известно, например, из опубликованной патентной заявки Германии 3419558 A1, операции дегидратации и регидратации выполняют в одном и том же автоклаве. В этом способе водную суспензию готовят из смеси, содержащей тонкоизмельченный дигидрат, волокнистый материал (например, отходы бумажных волокон) в количестве не более 10 мас.%, а также веществ, регулирующих твердение. После помещения на бесконечный ленточный грохот разбавленную тестоподобную суспензию обезвоживают до содержания влаги менее 40 мас.% в ленточном прессе при одновременном использовании вакуума и давления. После нарезания бесконечного мата на куски требуемого размера сырые плиты сначала обжигают в автоклаве, затем регидратируют в одну стадию. Температуру в автоклаве сначала поддерживают при 135-145^oC, затем ниже 100^oC для превращения полученного полугидрата опять в дигидрат. Значения температуры 142^oC и давления 4 бар (0,4 МПа), данные в примере описания, соответствуют одной точке на кривой насыщенного пара.

Другие известные способы могут быть рассмотрены как варианты дальнейшего развития предшествующей основной концепции. Таким образом, например, согласно Европейской опубликованной патентной заявке 0173351 A2, отличие состоит только в том, что полугидрат готовят в обогреваемом прессе, а не в автоклаве. Из Европейской опубликованной патентной заявки 0309709 A1 следует, что на первой стадии плиты обжигают при 100-170^oC при атмосферном давлении в автоклаве, затем их отверждают, то есть регидратируют водой в том же самом месте. Способ согласно Европейской опубликованной патентной заявке 0294566 A1 является дальнейшим примером уменьшения недостатков предшествующих способов; согласно ему, воду, содержащую также ускорители твердения, пропускают через обожженные плиты.

В качестве наиболее важных недостатков известных способов должны быть отмечены значительные энергетические потери, происходящие вследствие повторного нагревания оборудования большой массы; кроме того, процессы де- и регидратации могут длиться несколько часов.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является получение плит и фасонных изделий из композита, содержащего дигидрат гипса, с благоприятными технологическими параметрами путем устранения недостатков предшествующих способов, наряду с понижением капиталовложений и производственных затрат.

Изобретение основано на открытии того, что во время превращения, имеющего место при совокупности давления/температуры, определенных ниже, дигидрат, являющийся основным материалом, состоящим из отдельных кристаллов, рекристаллизуется [кристаллы "соединяются путем сращивания" (коалесцируют), их размер увеличивается, их форма изменяется] и образуют гипсовую матрицу [которая является основой образования любого искусственного камня на основе гипса], не подвергаясь никакому де- и регидратационному процессу.

Таким образом, согласно нашему открытию, условия превращения состоят в том, что давление среды, окружающей дигидрат, должно быть выше, чем парциальное давление пара дигидрата. По сравнению с традиционными способами существенное отличие состоит в том, что традиционные способы осуществляют в соответствии с зависимостью давление/температура насыщенного водяного пара или под более низким давлением; тогда как способ согласно настоящему изобретению осуществляют при давлении выше давления насыщенного пара, предпочтительно в соответствии с функцией давление/температура дигидрата или при более высоких давлениях. Под термином "давление" подразумевается давление внутри плиты или фасонного изделия. Это условие не было реализовано ни в каком из предшествующих способов, следовательно, рекристаллизация согласно изобретению не может происходить там даже временно. Обобщающий справочник, озаглавленный "Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie" [vol. 8, N.28, Part I, Verlag Chemie/Weinheim (1961)] содержит почти все основные данные, относящиеся к химии гипса. Из этого справочника очевидно, что ряд исследователей [например, Vant Hoff (1900), a также Toriumi (1938)] изучали установление структурной диаграммы гипса. Основные данные, упомянутые здесь, также широко используются в настоящее время. Все исследователи изучали только изменения состояния дигидрата, протекающие при давлении ниже функциональной кривой давление/температура; часть выше этой функциональной кривой не была исследована, потому что считали, что в этой области дигидрат находится в равновесном состоянии.

Таким образом, изобретение относится к способу производства плит и фасонных изделий из композитов на основе гипса из смеси дигидрата сульфата кальция как каркасообразующего материала, воды и обычных добавок. Способ согласно изобретению включает отверждение смеси водой, имеющей давление, превышающее давление насыщенного пара.

Практическое воплощение способа согласно изобретению осуществляют следующим образом.

Для того, чтобы получить соответствующие кристаллические формы, в качестве добавок могут быть использованы соединения, содержащие сульфаты, например сульфат алюминия, которые, кроме придания гипсу более благоприятной кристаллической структуры, также ускоряют процесс рекристаллизации.

Природные или искусственные наполнители и каркасообразующие материалы, предназначенные для упрочнения продуктов, полученных способом согласно изобретению, могут быть или органического происхождения (предпочтительно опилки, целлюлозные волокна, синтетические нити) и/или неорганического происхождения (предпочтительно стекловолокно, углеродные волокна). Под наполнителями и каркасообразующими материалами подразумевают волокнистые или гранулированные материалы, придающие изделиям более благоприятные параметры, а также группу материалов, при добавлении которых стоимость материала может быть уменьшена. Процесс превращения не связан с условием присутствия наполнителей и каркасообразующих материалов или добавок, кроме того, они являются известными материалами [G.Kuhne: Baustoffindustrie 2, 40-46(1989)].

В способе согласно изобретению давление, являющееся функцией температуры, имеет не теоретические, но технические ограничения. При повышении температуры на 20-30^oC время обработки может быть несколько уменьшено, однако вследствие неизбежного экспоненциального увеличения давления, прочное оборудование с очень большой массой должно быть использовано при высоких температурах. Таким образом, нежелательно увеличивать температуру выше 180^oC.

В соответствии с запросами потребления, параметры продуктов, произведенных при использовании способа согласно изобретению, могут различаться в широких пределах. Таким образом, например, могут быть получены и легкий продукт с плотностью 900 кг/м³ и пределом прочности на изгиб 5 МПа, и продукт с плотностью 1400 кг/м³ с прочностью в три раза более высокой, чем у первого.

Одна из областей предпочтительного использования изобретения представлена способом производства плит на основе гипса. Он может быть осуществлен на установке, подобной действующей поточной линии, предназначенной для производства цементных плит, отверждаемых диоксидом углерода (M.Tompa: United Nations TIM/SEM, 1991/14 R5). Основной материал наполнителей и каркасообразующие материалы должны быть нарезаны, измельчены на волокна традиционным способом. Бумажные отходы наиболее часто используют как один из таких материалов. Измельченный дигидрат можно смешивать в смесителе с факультативными добавками, обязательно - с каркасообразующими материалами и заполнителями, а также с небольшим количеством воды, необходимой для адгезии и пластификации. Из этой смеси формуют мат. Принципы формования мата не отличаются от обычных. Формование мата выполняют на секционном грохоте. Мат вместе с грохотом ставят в необогреваемый одноуровневый гидравлический пресс с плитой большого размера, закрывая также вдоль краев. Плиты пресса снабжены отверстиями, перпендикулярными к плоскости плиты, для введения и удаления горячей воды. После закрытия пресса плиту прессуют с горячей водой, поступающей через эти отверстия. Формируется гипсовое вяжущее, и плита твердеет за короткий период времени. Потом воду выпускают через упомянутые отверстия, после чего пресс открывают. Горячие плиты, поступающие с пресса, перемещают в аппарат заключительной сушки. После этого остаются только обработка краев и упаковка. Нет дополнительного твердения. Вытекающую горячую воду использовали как воду затворения для следующих плит; таким образом, сточные воды не образуются. В течение процесса гипс находится в своем дигидратном состоянии в любой момент. Система, включающая пресс и другое технологическое оборудование, а также способ теплопередачи могут быть при необходимости изменены.

Другая важная область использования способа согласно изобретению представлена производством строительных блоков и фасонных изделий на основе гипса. Традиционно блоки получают путем смешивания обожженного гипса (полугидрата) с водой и заливкой жидкого теста в форму, где оно затвердевает и может быть удалено из формы. Впоследствии избыток влаги удаляют сушкой. Любой способ производства гипсовых блоков прямым использованием дигидрата в качестве основного материала был до настоящего времени неизвестным.

Другой вариант выполнения способа согласно изобретению включает образование суспензии из измельченного дигидрата, воды и гранулированных добавок и нагревание ее выше 100^oC в автоклаве. Горячую смесь переносят в закрытую форму для дополнительного увеличения давления. Вследствие того, что парциальное давление выше равновесного давления дигидрата, вещество рекристаллизуется, твердеет, то есть образует гипсовое вяжущее при охлаждении. Фасонные изделия охлаждают, удаляют из формы, а избыток влаги удаляют сушкой.

Способ согласно изобретению обеспечивает следующие технические и экономические преимущества по сравнению с мокрым, полусухим и сухим способами производства плит.

- Не нужно обжигать гипс, составляющий 70-80% от массы гипсоволокнистых плит, а измельченный гипсовый камень может быть использован без какой-либо предварительной обработки.

- Не только порошок измельченного гипсового камня, но также гипс химического происхождения и содержащийся в газообразных отходах (REA), а также гипсовые формы керамической промышленности, не пригодные для повторного применения, пригодны для использования в способе изобретения. Гипс из газообразных отходов является наиболее полезным для этой цели, поскольку, благодаря совершенной структуре частиц, он может быть использован без какой-либо предварительной обработки (брикетирования, сушки, обжига, измельчения). Образцы из газовых отходов гипса имеют более высокое содержание дигидрата, и из них могут быть получены плиты с более высокой прочностью.

- Более низкие энергетические затраты необходимы для измельчения гипсового камня (в случаях гипсовых форм и минерального гипса), что сопровождается меньшими техническими проблемами.

- Необработанный и измельченный гипсовый камень и гипс из газообразных отходов могут храниться даже в открытом месте. Дождевые осадки и замораживание не вызывают в нем каких-либо изменений, не вызывают какого-либо процесса твердения, как, например, в случае обожженного гипса или цемента. Способность дигидрата к хранению является неограниченной.

- Смесь, приготовленная с упрочняющими материалами и/или наполнителями, а также добавленной водой может также храниться неограниченное время, в противоположность влажным технологическим способам, в которых твердение начинается с момента введения воды и не может быть остановлено. В случае аварии, особенно в способе, где используют ленточный пресс или системы прижимных устройств, смесь твердеет в смесителе [P.Takats: Faipar 8., 140-149 (1993)]. В способе согласно изобретению твердение начинается только в прессе.

- Отходы, полученные при обработке краев и из поврежденных бракованных плит, целиком могут быть повторно использованы, следовательно, отходов не образуется. Способ полностью безопасен для окружающей среды.

- Обычно растворенные вещества, экстрагируемые из древесины и других наполнителей, нарушают твердение гипса или цемента. В случае способа согласно изобретению это не вызывает каких-либо проблем, так как они не могут вызвать вредного эффекта в этой среде и даже способствуют развитию благоприятной кристаллической структуры.

- Могут быть полностью сэкономлены затраты на обжиговую печь для гипса, которые составляют 30-40% от полной стоимости капиталовложений (обжиговая печь и производственная линия плит) для комплексного технологического процесса.

- Общая потребность тепла (около 1200 МДж/т) и потребность в электроэнергии (около 30 кВт/т полугидрата) для обжиговой печи исключаются. Во время горячего прессования требуется тепло для подогрева плит и покрытия тепловых потерь. В течение превращения требуется только тепло, используемое для подогрева плит, так как превращение само по себе является нейтральным. Только небольшая часть тепла, предназначенного для обжига гипса, требуется для горячего прессования.

- Требуется производственное помещение меньшего размера. Для способа согласно изобретению необходимо меньше пространства, чем для традиционных способов, так как пространство, требуемое для оборудования, является меньшим, а обжиговая печь не нужна. Основная часть аппаратуры может быть составлена из ранее созданного и широко используемого оборудования.

- Меньшие сушилки и меньше тепла требуется потому, что плита, покидающая пресс, доставляется горячей в сушилку, следовательно, требуемое для подогрева плит тепло может быть сэкономлено.

По сравнению со способами производства плит на основе дигидрата способ согласно изобретению обладает следующими дополнительными преимуществами.

- В предшествующих способах время ре- и дегидратации может длиться несколько часов; оно уменьшено до нескольких (2-10) минут в способе, основанном на принципе рекристаллизации.

- Из-за повторных нагревов и охлаждений оборудования большой массы в оборудовании могут развиться напряжения, и много энергии теряется в ходе этих процедур. В способе согласно изобретению обратное охлаждение оборудования является ненужным.

- Вследствие длительной обработки из каркасообразующего материала (например, отходов бумаги) растворяются вещества, ингибирующие процесс твердения. Этой проблемы нет в способе согласно изобретению.

Способ согласно изобретению иллюстрирован более подробно в следующих не ограничивающих его примерах.

Пример 1. (Способ производства плит).

Гомогенную смесь готовят из 0,2 мас. ч. бумажных отходов, измельченных до волокон; 1 мас. ч. порошка дигидрата ситовой фракции ниже 0,2 мм; 0,2 мас. ч. воды и 0,001 мас. ч. сульфата алюминия. Из этой смеси формуют мат толщиной приблизительно 5 см на секционном грохоте. Мат помещают под пресс вместе с грохотом. После закрытия пресса воду с температурой 160^oC под давлением 1,4 МПа вдавливают в плиту через отверстия, перпендикулярные плоскости плиты, в течение 5 мин. В конце периода прессования внутреннее давление в плите снижают до атмосферного давления через вышеупомянутые отверстия, и пресс открывают. Затем готовые плиты сушат в сушилке для плит до содержания влаги приблизительно 3 мас. %. Параметры готового продукта: прочность на изгиб 8 МПа, плотность 1150 кг/м³.

При сравнении способа, описанного выше в примере 1, со способом, известным из опубликованной патентной заявки Германии 3419558 A1, установлено, что продукт с почти одинаковыми параметрами получен из смеси почти такого же состава, при меньшей на порядок величине энергозатрат. Это обусловлено тем фактом, что в способе согласно изобретению нет нагрева оборудования большой массы до рабочей температуры и охлаждения его ниже 100^oC в каждом рабочем цикле. Параметры также существенно различаются. При работе обоих типов оборудования, например, при 160^oC, в способе, использованном для сравнения, насыщенный пар с давлением 0,63 МПа вводили в автоклав в течение приблизительно 2 часов, тогда как в способе согласно изобретению горячую воду с давлением 1,4 МПа использовали в течение 5 мин.

Пример 2. (Способ производства фасонных изделий).

Смесь готовят из 1 мас. ч. порошка дигидрата, 0,6 мас. ч. воды и 0,01 мас. ч. сульфата алюминия и нагревают ее до 170^oC в автоклаве. Горячую смесь вводят в закрываемую форму и устанавливают давление 1,7 МПа путем уменьшения внутреннего объема формы. При охлаждении примерно в течение 10 мин продукт твердеет. Форма может быть открыта при 100^oC, и фасонное изделие может быть удалено. Затем фасонное изделие сушат на воздухе. Параметр продукта: плотность - 900 кг/м³.

Формула изобретения

1. Способ производства плит и фасонных изделий из композитов на основе гипса из смеси дигидрата сульфата кальция, каркасообразующего материала, воды и факультативно других дополнительных материалов, который включает твердение смеси при использовании воды, имеющей давление, превышающее давление насыщенного пара.

2. Способ по п.1, который включает осуществление твердыми смеси в температурном диапазоне 110 - 200^oC, предпочтительно 130 - 180^oC.

3. Способ по п.1 или 2, который включает использование дигидрата сульфата кальция ситовой фракции ниже 0,2 мм, предпочтительно ниже 0,05 мм.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, который включает использование в качестве источника дигидрата сульфата кальция минерального порошка и/или химических отходов гипса, предпочтительно гипса из газообразных отходов и/или фосфогипса, а также порошка из гипсовых форм керамической промышленности, не прогодных для повторного использования.

5. Способ производства композитных плит по п.1, который включает подачу воды с давлением, превышающим давление насыщенного пара, и раствора, содержащего основные материалы, между прессующими поверхностями.

6. Способ производства фасонных изделий по любому из пп.1 - 4, который включает охлаждение предварительно нагретой суспензии в закрытой форме после твердения.

7. Способ по п. 6, который включает выполнение охлаждения в течение времени менее 1 ч, предпочтительно в течение 2 -10 мин.

8. Способ по любому из п.1 или 7, который включает регулирование массового отношения каркасообразующего материала и наполнителей к дигидрату до значения 0 - 0,35, предпочтительно 0,1 - 0,25.