Способ получения кремнийсодержащего связующего

 

Изобретение относится к способам получения кремнийсодержащих связующих, которые широко используют для получения на их основе различных строительных материалов и изделий с различными потребительскими свойствами, а также для получения красок, покрытий, пропиток. Способ осуществляют путем перемешивания неорганической связки (силикатная связка или гидроксид щелочного металла или аммония) с кремнеземсодержащим сырьем с размером частиц от 0,5 до 2,0 мм или предварительно измельченного до размера частиц от 40 до 50 мкм, с влажностью не более 6% и водой (пресной, морской или минерализованной). Перемешивание осуществляют в высокоскоростном смесителе со скоростью перемешивания, по меньшей мере, 2000 об/мин, частоте колебаний перемешивающихся частиц 3500-30000 Гц в течение времени, необходимого и достаточного для достижения плотности 1,2-2,2 г/см³. Получают продукт с высоким модулем силикатным (М=15-30), что позволяет использовать связующее для получения материалов с высокой водостойкостью, кислотостойкостью, атмосферостойкостью, хорошими прочностными свойствами. 1 табл.

Изобретение относится к получению кремнийсодержащего связующего, используемого в производстве огнестойких, теплоизоляционных строительных материалов и изделий (кирпич, стеновые блоки, плиты, облицовочная плитка и т.д.), для получения красок, покрытий, в химической и металлургической промышленностях.

Известен способ получения аморфного кремнийсодержащего связующего (на основе силиката натрия) с содержанием влаги 0,3-6 мас.% и молярным соотношением SiO₂:Na₂О=(1,9-2,8):1 путем смешения кварцевого песка с раствором едкого натра при молярном соотношении=(2,0-2,8):1 при 180-240° С и давлении 10-30 бар.

При этом полученное жидкое стекло обрабатывают далее в зоне распылительной сушки горячим воздухом с температурой 200-300° С в течение 10-20 с до образования порошкообразного аморфного силиката натрия с влажностью 15-23 мас.% и насыпным весом более 300 г/дм³. Затем осуществляют термообработку в трубчатой печи при 270-490° С в течение 60 мин и последующее измельчение аморфного силиката натрия с помощью механической дробилки до размера частиц от 0,1 мм до менее 6 мм (RU 2039701 С1, 24.10.1990). Известный способ технологически очень сложен и им получают силикатное связующее с низким силикатным модулем.

Основным недостатком растворимого жидкого стекла как связующего является его высокая водорастворимость, что прежде всего связано с выщелачиванием щелочных ионов. Поэтому к одному из приемов достижения водостойкости (низкого водопоглощения) покрытий и изделий, и материалов на его основе является повышение кремнеземистого модуля связующего, например до значений 4-25 и выше, т.е. получение низкощелочных силикатных (кремнийсодержащих) связующих, относящихся к области "полисиликатов", золей кремнекислоты, представляющих собой водные дисперсии коллоидного кремнезема с кремнеземистым модулем 25 и выше.

Процесс получения кремнийсодержащего связующего (растворимого силиката щелочных металлов) может быть интенсифицирован и повышен его кремнеземистый модуль в результате обработки высококремнеземистых пород щелочным раствором, содержащим карбонат щелочного металла (SU 988767, А, 1973). Однако эти способом получают связующее также с невысоким силикатным модулем.

Известен ряд способов получения золей кремниевой кислоты с повышенным модулем (авт. св. ЧССР 239299; патент ГДР 237299) и полисиликатов щелочных металлов (ЕР 0141516).

Согласно этим способам повышение кремнеземистого модуля осуществляют пропусканием раствора через электродиализатор, содержащий чередующиеся анионо- и катионообменные мембраны.

В частности известен способ получения кремнезоля, согласно которому разжиженный раствор силиката натрия пропускают через кислотную ионно-обменную смолу для уменьшения содержания ионов щелочных металлов, что приводит к получению молярного соотношения не менее 10:1 (патент Англии 816233, кл. 22 N, 1967).

Или известен другой способ, по которому силикат натрия нейтрализуют кислотой до осаждения силикатного ила, после чего его подвергают синерезису, отжимают, промывают для удаления солей, заливают слабым щелочным раствором и затем прогревают в автоклаве при 80-200° С несколько часов (US 2914413, 1968).

Однако полученные связующие в основном используют для замазок, кроме того, процесс их получения также не лишен сложностей.

Известен способ получения гидрозоля диоксида кремния, используемого в качестве связующего при изготовлении красок, оболочковых форм для точного литья, для гидроизоляционного материала, согласно которому осуществляют ионообменную конверсию раствора силиката натрия в поликремниевую кислоту, стабилизацию ее натрийсодержащим раствором и термообработку полученного гидрозоля SiO₂ острым паром при 100° С и атмосферном давлении 2,5-3 ч (RU 2124474 С1, 10.01.1999). Полученный продукт в основном используют в качестве связующего для красок, в производстве бумаги.

Известен другой способ получения связующего, используемого для получения строительных огнестойких и теплоизоляционных материалов путем предварительного измельчения кварцевого песка до удельной поверхности 7000-49000 см²/г, взаимодействия его с неорганической связкой - гидроксидом щелочного металла (с концентрацией его 12-47 мас.%) при 115-250° С и давлении 2,5-80 ати. Получают продукт с модулем 1-4,2 и плотностью - 1,2-1,55 г/см³ (RU 2049060 С1, 23.12.1992).

Однако он также технологически сложен, т.к. требует использования повышенной температуры и давления, а полученный продукт имеет невысокий модуль.

Известен способ получения кремнийсодержащего (кремнеземсодержащего) связующего на основе кремнеземсодержащего сырья (диатомита, 10-100 мас.% в шихте (неорганической связки-щелочи и/или силикат-глыбы (RU 2064431 С1, 27.07.1996).

Однако и данным способом не получают связующее с повышенным силикатным (кремнеземистым) модулем, что не позволяет в свою очередь использовать его по широкому назначению: для получения широкого ассортимента изделий с заданными свойствами (низким водопоглощением, повышенной водостойкостью, прочностью, кислотостойкостью и т.д.).

Данный способ по технической сущности является наиболее близким к заявленному изобретению.

Технической задачей настоящего изобретения является получение кремнийсодержащего связующего с повышенным кремнеземистым модулем, упрощение процесса, снижение себестоимости продукта, а также обеспечение получения на его основе различных материалов с повышенной водостойкостью, пониженным влагопоглощением, высокими прочностными свойствами, кислотостойкостью, нейтральных по отношению к воздействию солей и других веществ, содержащихся в атмосфере.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения кремнийсодержащего (кремнеземсодержащего) связующего на основе неорганической связки и кремнеземсодержащего сырья осуществляют перемешивание их в высокоскоростном смесителе при скорости перемешивания по меньшей мере 2000 об/мин и частоте колебаний перемешиваемых частиц 3500-30000 Гц, при этом перемешивают неорганическую связку с кремнеземсодержащим сырьем с размером частиц от 0,5 до 2,0 мм или с предварительно измельченным кремнеземсодержащим сырьем с размером частиц от 40 до 50 мкм и водой, при этом в качестве неорганической связки используют силикатную связку или гидроксид щелочного металла или аммония, используют кремнеземсодержащее сырье с влажностью не более 6% и содержанием SiO₂≥ 50 мас.%, в качестве воды используют пресную, морскую или минерализованную воду, а перемешивание осуществляют в течение времени от 20 мин до 10 ч при следующем соотношении компонентов исходной смеси, мас.%:

Вышеуказанное кремнеземсодержащее сырье 15-65

Силикатная связка или гидроксид

щелочного металла или аммония 5-30

Вода пресная или морская,

или минерализованная 30-62,5

В результате осуществления способа получают аморфное кремнеземсодержащее связующее с модулем 15-30 и плотностью 1,2-2,2 г/см³ с текучестью воды, обладающее высокой смачивающей способностью.

В способе по изобретению в качестве кремнеземсодержащего сырья используют, например, кварцевый песок, кварцевую муку с содержанием SiO₂ до 99 мас.%, диатомит, трепел, маршалит (аморфные кремнеземы), опоки, например химического состава: SiO₂ - 69-89, Al₂O₃ - 3,94-11,6, TiO₂ - 0,16-0,55, Fe₂O₃+FeO - 1,44-3,6, CaO - 0,2-0,9, МgО - 0,5-1,2, Na₂О - 0,08-1,1, K₂O - 0,7-1,53, Mn<0,01 (% к весу сухого вещества).

В качестве силикатной связки используют жидкое стекло с модулем 2,3-4,0; силикат-глыбу (безводная стекловидная масса различной окраски в порошкообразном виде или в виде кусков размерами от 0,1 до 25 мм), отходы производства и применения оконного и технического стекла, например с содержанием SiO₂ 71,2-72,8 мас.%, а также кремнегели и кремнезоли, например кремнегель - отход производства металлургического, имеющий следующий состав, мас.%: SiO₂ - 88,2, H₂О - 1,7, прочие примеси - 8,3, Fe₂O₃ - 0,035, Al₂O₃ - 0,16, Na₂O - 1,86, SO₄ - 0,12 (SU 1724638, 1989) и другие, как например отход производства фтористого алюминия (SU 1121233, 1986).

В качестве гидроксидов щелочных металлов используют, например, гидроксид натрия (как предпочтительно из-за его более низкой стоимости по сравнению с гидроксидом калия).

В способе по изобретению используют пресную, например техническую, воду, воду морскую, минерализованную воду, что позволяет осуществить способ по изобретению в различных природных условиях, а также утилизировать различную техническую воду, улучшая тем самым окружающую экологию.

Для осуществления способа по изобретению используют различные измельчающие устройства и различные перемешивающие устройства, обеспечивающие предварительное измельчение кремнеземсодержащего сырья до необходимого заданного размера и эффективное перемешивание исходной смеси. К числу таких устройств относятся валковые и дисковые мельницы, различные диссольверы, шаровые мельницы, биссерные; высокоскоростные смесители - дисковые мешалки, дисково-пропеллерные и дисково-лопастные мешалки, смесители с якорной мешалкой, высокоскоростной роторно-статорный смеситель, планетарный смеситель, шнековые, планетарные смесители с трехмерным движением спирально-ленточных рабочих органов, обеспечивающие перемешивание при скорости перемешивания по меньшей мере 2000 об/мин и частоту колебаний перемешиваемых частиц 3500-30000 Гц.

В случае смешения кремнеземсодержащего сырья с неорганической связкой и водой без предварительного измельчения кремнеземсодержащего сырья предпочтительное время перемешивания составляет 8-10 ч, в случае использования предварительно измельченного кремнеземсодержащего сырья время перемешивания его с неорганической связкой и водой составляет от 20 мин до 0,5 ч. Способ осуществляют следующим образом.

В высокоскоростной роторно-статорный смеситель загружают кремнеземсодержащее сырье, например песок, с размером частиц (дисперсностью) от 0,5 до 2,0 мм или из измельчителя (шаровой мельницы) предварительно измельченное кремнеземсодержащее сырье с размером частиц (дисперсностью) от 40 до 50 мкм; туда же загружают силикатную связку или гидроксид натрия (твердом состоянии или в виде раствора) и воду (пресную, морскую или минерализованную). Осуществляют интенсивное перемешивание данной смеси при скорости перемешивания по меньшей мере 2000 об/мин и частоте колебаний перемешивающихся частиц 3500-30000 Гц в течение времени, достаточного для достижения плотности 1,2-2,2 г/см³, например в течение 20 мин - 0,5 ч или 8-10 ч. В результате этого смесь подвергается ударно-сдвиговому воздействию (деформации) и получают однородный гомогенный продукт, имеющий текучесть, подобную воде с модулем 15-30.

В таблице представлены примеры осуществления изобретения.

Полученное способом по изобретению связующее используют для получения различных строительных материалов и изделий последующим формованием смеси его с различными целевыми добавками, такими как наполнители, отверждающие добавки, пигменты-красители и другими добавками в зависимости от конкретного назначения изделия методом простого прессования под давлением или ударно-прессовым способом, например, далее отформованные изделия сушат, при необходимости термообрабатывают (обжиг) при 200-1200° С. Связующее также используют для приготовления различных красок, пропиток, замазок. Изделия и покрытия с его использованием водостойки, имеют небольшое влагопоглощение (практически 0%), кислотостойки, атмосферостойки, имеют хорошие прочностные свойства.

Формула изобретения

Способ получения аморфного кремнийсодержащего связующего на основе неорганической связки, кремнеземсодержащего сырья и воды путем их перемешивания, отличающийся тем, что в качестве неорганической связки используют силикатную связку или гидроксид щелочного металла или аммония, в качестве кремнеземсодержащего сырья используют кремнеземсодержащее сырье с влажностью не более 6%, с содержанием SiO₂≥ 50 маc.% с размером частиц от 0,5 до 2,0 мм или предварительно измельченное до размера частиц от 40 A до 50 мкг, в качестве воды используют пресную воду, морскую или минерализованную, при этом перемешивание осуществляют в высокоскоростном смесителе со скоростью перемешивания по меньшей мере 2000 об/мин, частоте колебаний перемешивающихся частиц 3500-30000 Гц и времени перемешивания от 20 мин до 10 ч до достижения плотности 1,2-2,2 г/см³ при следующем соотношении компонентов исходной смеси, мас.%:

Вышеуказанное кремнеземсодержащее сырье 15-65

Силикатная связка или гидроксид щелочного металла или аммония 5-30

Вода пресная, морская или минерализованная 30-62,5