Способ и состав для изготовления строительных древесно- композиционных материалов

 

Изобретение относится к получению композиционных смесей, приготавливаемых из измельченного растительного сырья, преимущественно из древесных отходов, минеральных вяжущих и может быть использовано для изготовления строительных древесно-композиционных материалов путем прессования сырьевых смесей. Измельченный наполнитель растительного происхождения подсушивают в сушилке для стабилизации (усреднения) содержания водной фазы и подают в реактор-смеситель для получения пресс-массы. Шлам производства металлического магния со стадии обезвоживания в виде слитков измельчают с последующим помолом до достижения дисперсности 50-150 мкм, определяют содержание активных компонентов MgCl₂ и Mg0 и используют в качестве магнийсодержащего вяжущего. В реакторе-смесителе наполнитель растительного происхождения смешивают сначала с расчетным количеством воды, а затем вводят расчетное количество минерального вяжущего 100-120% от массы абсолютно сухого наполнителя, обеспечивая соотношение MgCl₂:MgO:H₂O - 1:1,26-1,38:1,14-2,65. Полученную пресс-массу формуют и подвергают горячему прессованию в экструзионном прессе при давлении 80-100 атм. Ингредиенты пресс-массы присутствуют в композиции при следующем соотношении компонентов, в пересчете на абсолютно сухой наполнитель, мас.ч.: измельченный наполнитель растительного происхождения 100, отход производства металлического магния электролитическим способом в виде измельченного сухого шлама 100-120, вода 50-56. Изобретение позволяет улучшить экологическую ситуацию используя техногенные отходы производства металлического магния, улучшить физико-механические свойства готовых изделий и сократить энергозатраты на их производство. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к получению композиционных смесей, приготавливаемых из измельченного растительного сырья, преимущественно из древесных отходов, минеральных вяжущих и может быть использовано для изготовления строительных древесно-композиционных материалов путем прессования сырьевых смесей, например в деревообрабатывающей, гидролизной, строительной промышленности.

Известен способ производства строительных природных плит, включающий смешивание древесных частиц одновременно с минеральным и растительным вяжущим, при котором мелкую фракцию древесных частиц смешивают с минеральным, а кондиционную фракцию с растительным вяжущим, в качестве минерального вяжущего берут минеральные порошки на магниевой основе, которые затворяют водным раствором хлористого магния, формирование ковра ведут с расположением фракций с растительным вяжущим между фракциями с минеральным вяжущим, а облицовку ведут с использованием растительного вяжущего. (Патент RU N 2098269, B 27 N 3/00, 1997 г.).

Реализация известного способа требует больших трудо- и энергозатрат, получаемые плиты имеют весьма ограниченную область применения.

Известна сырьевая смесь для изготовления строительных изделий и способ их изготовления. Сырьевая смесь включает мас.ч: каустический магнезит - 1,0-1,5; хлормагниевый рассол - 1,4-1,9; заполнитель, в качестве которого используют древесный опил - 2,8-3,2; полиорганосилоксан - 0,01-0,03; каолин - 0,04-0,08 и ультрамарин - 0,03-0,07. (Патент RU N 2062763, C 04 B 28/30, 1996 г. ). Способ изготовления сырьевой смеси включает приготовление смеси смешиванием каустического магнезита, измельченного древесного заполнителя, который предварительно смешивают с каолином с последующим введением полиорганосилоксана, водного раствора хлористого магния карналлитового производства и ультрамарина, прессование полученной сырьевой смеси осуществляют при комнатной температуре, подсушивают сформованное изделие до схватывания вяжущего, чередуют вымачивание и высушивание до уменьшения массы изделия на 22-23% от первоначального и выхода солей до 70-72% от их исходного состояния.

Известный способ получения строительных изделий позволяет значительно снизить энергозатраты за счет исключения горячего прессования, однако процесс формирования готового изделия требует многоступенчатого высушивания и вымачивания до определенных параметров влажности и содержания солей, при этом получаемые изделия характеризуются высокой пористостью при высокой удельной плотности, высокими показателями водопоглощения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления комплектов строительных деталей малоэтажных строений, включающий измельчение наполнителя в виде частиц, подготовку пресс-массы, смешивание наполнителя с вяжущим, формирование порций пресс-массы, их подачу в узел прессования, прессование в непрерывную заготовку и разделение ее на детали, при этом вяжущее перед смешиванием нагревают, при смешивании удаляют парогазовую смесь, перед формированием порции пресс-массы прогревают, а узел прессования нагревают за счет передачи тепла от непрерывной заготовки, после разделения непрерывной заготовки на детали выполняют их влагозащиту. (Патент RU N 2038204, МПК B 27 N 3/02, 1995 г.). В качестве минерального вяжущего используют магнезитовый каустический порошок, обожженные магниевые руды, смесь магний- и кальцийсодержащих руд, в качестве наполнителя используют предварительно подготовленное и высушенное до определенной влажности растительное сырье - калиброванную щепу, древесный опил, однолетние растения, отжимки от дубильных экстрактов, влагозащиту осуществляют смесью обожженной глины и олифы.

При реализации известного способа требуется специальный постоянный прогрев узла подготовки пресс-массы, узла подготовки вяжущего, узла прессования, при этом нагрев ведут до достаточно высоких температур - температура минерального вяжущего достигает 200-800^o, температура узла подготовки пресс-массы от 100 до 275^oC, температура горячего прессования - 180-200^oC. Таким образом, известный способ требует высоких энергозатрат, значительных капитальных вложений, сложен в эксплуатации, не обеспечивает равномерной пропитки измельченного древесного сырья минерализатором. При изменении состава композиции известный способ имеет ограниченные технологические возможности.

Задача изобретения - уменьшение энергозатрат за счет сокращения температуры горячего прессования, упрощение процесса подготовки пресс-массы и улучшение стабильности процесса получения строительных элементов на минеральном вяжущем, при одновременном упрощении и удешевлении процесса получения пресс-массы и сохранении требуемых показателей готовой продукции.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от известного, в заявляемом способе пресс-массу готовят смешением измельченного наполнителя растительного происхождения с минеральным магнийсодержащим вяжущим, в качестве которого используют предварительно измельченные сухие шламы производства металлического магния электролитическим способом, при этом в наполнитель растительного происхождения вводят водную фазу до его смешения с минеральным вяжущим, обеспечивая массовое соотношение MgCl₂: MgO: H₂O = 1:1,26-1,38: 1,14-2,65, а горячее прессование ведут экструзионным способом при давлении, не превышающем 80-100 атм.

Поставленная задача решается также тем, что для реализации вышеназванного способа готовят сырьевую смесь, которая содержит измельченный наполнитель растительного происхождения, минеральное магнийсодержащее вяжущее и воду, при этом в качестве минерального вяжущего используют отход производства металлического магния в виде измельченного сухого шлама при следующем соотношении компонентов, в пересчете на абсолютно сухой наполнитель растительного происхождения, мас.ч.: Измельченный наполнитель растительного происхождения - 100 Отход производства металлического магния электролитическим способом в виде измельченного сухого шлама - 100-120 Вода - 50-56 В качестве измельченного наполнителя растительного происхождения используют древесный опил, древесную стружку, высушенные однолетние растения, например, в виде соломы, нейтрализованный и высушенный гидролизный лигнин и другие известные отходы деревоперерабатывающих производств.

В качестве магнийсодержащего вяжущего используют измельченные шламы магниевого производства, которые образуются в хлораторах на второй стадии переработки карналлита электролитическим способом. Образующийся шлам из хлораторов поступает в отвалы в виде монолитного куска - глыбы и содержит, % MgCl₂ - 28-32; MgO - 30-35; CaO - 1,5-2,0; KCl - 12,5-18,0; NaCl - 2,5-3,0; нерастворимый осадок - 2,7 (содержит FeO до 13%, Al₂O₃ до 30%, SiO₂ до 57%).

Шлам магниевого производства перед введением в композицию сырьевой смеси измельчают известными способами до дисперсности 50-150 мкм. После помола, шлам становится пригодным для использования в качестве вяжущего без дополнительной подготовки. Практическое отсутствие воды в шламе позволяет регулировать его вяжущие свойства путем определенного дозирования воды в процессе приготовления пресс-массы и получать, тем самым, конечный материал с заранее заданными свойствами. Как показали наши исследования, в шламе магниевого производства оксид и хлорид магния обладают высокой степенью активности, что обеспечивает его высокие вяжущие свойства, которые не теряются после помола.

Исследование процесса подготовки прессовочных масс по традиционной схеме: наполнитель растительного происхождения - порошок магнезитовый каустический - раствор хлористого магния с плотностью 1,2 г/см³ показали, что дозирование воды, входящей в состав насыщенного раствора хлористого магния имеет существенное значение для достижения прочностных показателей готовых изделий и на процесс горячего прессования. Добиться оптимального содержания водной фазы в пресс-массе бывает очень трудно, т.к. необходимо удалить воду, находящуюся в наполнителе растительного происхождения, что требует значительных трудо- и энергозатрат на его сушку до определенных параметров влажности - 4-10%.

В заявляемом способе обеспечивается возможность быстро и точно регулировать дозировку водной фазы без дополнительных усилий по ее удалению из исходных ингредиентов сырьевой смеси. Это не исключает процесс досушивания наполнителя растительного происхождения, но существенно снижает трудо- и энергозатраты, т. к. не требуется добиваться низких показателей относительной влажности, а достаточно только стабилизировать влажность наполнителя путем подсушивания до расчетной влажности. Это позволяет снизить энергозатраты на сушку исходного сырья. Кроме того, возможность независимого от других ингредиентов варьирования дозировки воды в пресс-массу позволяет существенно снизить температуру горячего прессования - проводить экструзионное прессование даже при температурах, не превышающих 150^oC, без ухудшения физико-механических характеристик.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа изготовления строительных деталей и состава для их изготовления с известными позволяет сделать вывод о новизне предлагаемого решения, т.к. предложена новая форма, в которой воплощено магнийсодержащее вяжущее - измельченный сухой шлам производства металлического магния при определенном соотношении его активных компонентов. Использование предлагаемого способа и состава позволяет добиться неочевидного результата - существенное снижение энергоемкости процесса изготовления строительных деталей за счет уменьшения энергозатрат на сушку исходного наполнителя и снижение температуры горячего прессования. Кроме того, предлагаемый способ изготовления строительных деталей и состав для его изготовления позволяет упростить процесс при сохранении основных показателей готовой продукции (плотности, водопоглощения, разбухания, морозостойкости, огнестойкости, токсичности) и улучшении механических показателей (прочности на сжатие), теплопроводности. Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ изготовления строительных деталей и состав для их изготовления связаны между собой единым изобретательским замыслом, т.е. заявляемое решение удовлетворяет требованию "единство изобретения".

Предлагаемый состав для изготовления строительных изделий может быть получен из известных в промышленности отходов деревоперерабатывающих производств, гидролизных производств и производства металлического магния из карналлита электролитическим способом. Используемые отходы однозначно идентифицируются специалистами этих отраслей промышленности. Способ получения строительных деталей может быть реализован на стандартном серийно выпускаемом оборудовании с использованием известных приемов их комплектации в технологическую линию. Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "промышленная применимость".

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Компоненты смеси пресс-массы готовят следующим образом. Измельченный наполнитель растительного происхождения подсушивают в комбинированной сушилке для стабилизации (усреднения) содержания водной фазы и подают в шнековый реактор-смеситель для получения пресс-массы. Магнийсодержащий металлургический шлам, образующийся в производстве металлического магния в виде слитков измельчают известными способами, например дроблением с последующим помолом до достижения дисперсности 50-150 мкм. Измельченный шлам исследуют на содержание активных компонентов - MgCl₂ и MgO для определения массового их соотношения и количества необходимо добавляемой воды и используют в качестве магнийсодержащего вяжущего. В реакторе-смесителе наполнитель растительного происхождения смешивают сначала с расчетным количеством воды в течение 1-2-х минут, а затем вводят расчетное количество минерального вяжущего 100-120% от массы абсолютно сухого наполнителя, обеспечивая соотношение MgCl₂:MgO:H₂O = 1: 1,26-1,38: 1,14-2,65, смешивают полученную пресс-массу в течение 1-2- минут. Указанные ингредиенты пресс-массы присутствуют в композиции при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: Измельченный наполнитель растительного происхождения - 100 Отход производства металлического магния электролитическим способом в виде измельченного сухого шлама - 100-120 Вода - 50-56 Строительную деталь изготавливают из расчетной дозы пресс-массы путем прессования в экструзионном прессе, представляющим собой горизонтально расположенный пресс с подвижным пуансоном (плунжером) и неподвижной матрицей открытого типа (стволом), снабженной на конце боковыми прижимами и отрезным станком. Плунжер представляет из себя монолитный металлический брус заданной конфигурации, снабженный "языком" - пустотообразователем. Приводом для плунжера служат гидравлические цилиндры, приводимые в действие гидростанцией и обеспечивающие ему возвратно-поступательное движение. Режимы прессования определяют исходя из количественного содержания введенной в пресс-массу воды. Использование заявляемого соотношения позволяет провести процесс прессования при давлении не превышающем 80-100 атм. и температуре, не превышающей 150^oC. Процесс формования готовых изделий можно условно разделить на следующие стадии: начало прогрева, при котором процесс идет с интенсивным парообразованием и быстрым распространением тепла внутрь по сечению заготовки, начинается процесс образования магнезиальных цементов; стабилизация прогрева, при котором интенсивность проникновения тепла внутрь изделия резко снижается, идет перекристаллизация минерального вяжущего в зависимости от содержания влаги и температуры в каждой точке процесса образования цементного камня; завершение процесса формирования изделия, при котором заканчивается процессы перекристаллизации. Заготовка из камеры формирования экструзионного пресса поступает в камеру стабилизации, в которой происходит стабилизация геометрических и прочностных параметров готового изделия. Незначительный избыток влаги 10-12% постепенно испаряется через оставшиеся поры до влажности 6-8%, отпускаются внутренние напряжения, заготовка набирает прочностные характеристики до заданных параметров.

Примеры конкретного выполнения.

Измельченные древесные отходы (древесные опилки или калиброванную щепу или гидролизный лигнин или другой известный материал) подают в комбинированную сушилку, подсушивание материала ведут до заданной влажности, определяют относительную влажность и через разгрузочное устройство подают в бункер-дозатор наполнителя. При достижении заданной массы высушенного материала в бункер-дозатор наполнителя через блок АСУ поступает команда на отключение комбинированной сушилки, на опорожнение бункера-дозатора наполнителя в загрузочный люк реактора-смесителя. В реактор-смеситель подают 100 мас.ч. наполнителя в пересчете на абсолютно сухой материал, включают приводы вращения лопастных валов и разгрузочно-смесовые шнеки реактора-смесителя. В реактор-смеситель подают расчетное количество воды - до достижения содержания воды 56, 54 и 50 мас.ч. (примеры 1-3 таблицы соответственно) и включают привод перемешивающего механизма, после чего из бункера-дозатора измельченного шлама по команде блока АСУ шнековым питателем подают минеральное вяжущее в количестве 100, 110 и 120 мас.ч. (примеры 1-3 таблицы 1 соответственно). Соотношение активных компонентов шлама MgCl₂:MgO = 1:1,26; 1:1,32, 1: 1,38 (примеры 1-3). В реакторе-смесителе компоненты пресс-массы перемешиваются двумя лопастными мешалками и двумя разгрузочно-смесовыми шнеками. По завершении процесса перемешивания, разгрузочно-смесовые шнеки реверсивно переключаются на разгрузочный ход, выгружают готовую пресс-массу на транспортер и подают на узел раздачи, где пресс-массу распределяют на объемные дозы и подают в камеры формирования экструзионных прессов. Оптимальные режимы прессования определяют исходя из полученных данных о количестве введенной воды и количественного состава шлама магниевого производства. Готовые строительные элементы, например стеновые панели, раскраивают делительной пилой на типы-размеры, охлаждают в естественных условиях и складируют.

Как видно из представленных данных, использование заявляемого способа и состава для изготовления строительных деталей с несущими свойствами позволяет добиться существенного повышения прочности на сжатие (в 2,5-3,0 раза) и улучшение показателей теплопроводности.

Процесс формирования свойств готового изделия зависит от способа приготовления пресс-массы. На свойства готовой продукции влияет не только состав и соотношение компонентов, но и степень ее однородности. Точность дозировки водной фазы, участвующей в реакции образования магнезиального цемента, существенно влияет на прочностные характеристики готового изделия, т.к. прием досушивания наполнителя растительного происхождения с последующим незначительным увлажнением до требуемого содержания суммарного количества воды приводит к улучшению однородности получаемой пресс-массы. Соотношение активных компонентов шлама магниевого производства также влияет на процесс образования необходимой структуры, и как следствие на основные характеристики готового изделия. При использовании измельченного шлама магниевого производства, увеличиваются вяжущие свойства минеральной составляющей по сравнению с традиционно используемой смесью каустического магнезита и рассола хлористого магния, что, по нашему мнению может объясняться увеличением доли активного оксида магния. Улучшение вяжущих свойств минеральной составляющей позволяет увеличить долю наполнителя растительного происхождения и, как следствие, снизить теплопроводность готового изделия, как минимум в 2,5 раза. Отсутствие воды в измельченном шламе позволяет в широких пределах регулировать вяжущие свойства путем определенного дозирования воды на определенной стадии смешения компонентов.

Заявляемый способ позволит реализовать легко автоматизируемое непрерывное управляемое производство строительных деталей с несущими свойствами, например, для малоэтажного домостроения, стабильных по физико-механическим свойствам и геометрическим размерам.

Формула изобретения

1. Способ изготовления прессованных строительных деталей, включающий подготовку измельченного наполнителя растительного происхождения, смешивание его с измельченным минеральным магнийсодержащим вяжущим в присутствии воды с получением пресс-массы, дозирование пресс-массы для формирования заготовок деталей, их горячее прессование с получением готовых изделий, отличающийся тем, что подготовку измельченного наполнителя растительного происхождения ведут путем подсушивания до заданной величины, в качестве минерального магнийсодержащего вяжущего используют отход производства металлического магния электролитическим способом из карналлита в виде предварительно измельченного сухого шлама с соотношением хлористого магния и оксида магния MgCl₂ : MgO = 1 : 1,26 - 1,38 в количестве 100 - 120 мас.% от массы абсолютно сухого наполнителя растительного происхождения, водную фазу вводят в наполнитель растительного происхождения до его смешивания с минеральным вяжущим, обеспечивая соотношение MgCl₂ : H₂O = 1 : 1,14 - 2,65, а горячее прессование ведут экструзионным способом при давлении, не превышающем 80 - 100 атм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение минерального вяжущего ведут до дисперсности 50 - 150 мкм.

3. Состав для изготовления прессованных строительных деталей, включающий измельченный наполнитель растительного происхождения, минеральное магнийсодержащее вяжущее и воду, отличающийся тем, что в качестве минерального магнийсодержащего вяжущего используют отход производства металлического магния электролитическим способом из карналлита в виде измельченного сухого шлама при следующем соотношении компонентов, в пересчете на абсолютно сухой наполнитель, мас.ч.:
Измельченный наполнитель растительного происхождения - 100
Отход производства металлического магния электролитическим способом в виде измельченного сухого шлама - 100 - 120
Вода - 50 - 56

РИСУНКИ

Рисунок 1