Способ получения пористого наполнителя - калиброванного микрогранулированного пеностекла

Изобретение относится к производству строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности, в частности касается производства гранулированного пеностекла из несортированного стеклобоя. Технический результат: получение пеностекла в виде гранул размером 50-1500 мкм и формой, близкой к шаровидной, при низких трудо- и энергозатрах. Способ получения пористого наполнителя микрогранулированного пеностекла на основе стеклобоя и газообразователя включает измельчение стеклобоя и газообразователя, приготовление исходной смеси, гранулирование, сушку, вспенивание и охлаждение полученных гранул. В способе используют углеродсодержащий газообразователь и дополнительно - 30-70 мас.% водного раствора силиката натрия и/или калия. Приготовление исходной смеси для гранулирования осуществляют путем перемешивания указанного водного раствора силиката с измельченным стеклобоем и углеродсодержащим газообразователем при температуре не выше 70°С, обработки полученной смеси при температуре 450-550°С до полного удаления воды, в том числе и химически связанной, измельчения полученного продукта, после его охлаждения, до размера частиц 10-150 мкм и приготовления водной дисперсии этих частиц. Гранулирование и сушку приготовленной исходной смеси осуществляют одновременно при температуре 450-500°С, вспенивание - при температуре 750-870°С в вихревом потоке воздушной струи, направленной под острым углом к направлению свободного падения гранул, с получением вспененных гранул размером 50-1500 мкм. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности касается производства калиброванного микрогранулированного пеностекла с размером гранул от 50 до 1500 мкм из тонкоизмельченного стеклобоя.

Пеностекло получают многими способами при использовании композиций на основе различного стекла и вспенивающих агентов (например, DE, 4696553; DE, 215123; DE, 3941732). Длительное время используют технологию производства пеностекла, включающую варку стекла специального состава, его помол с газообразователем для получения тонкодисперсной шихты, вспенивание формованной шихты в процессе термообработки при температуре не менее 700°С. (US, 4192664, кл. С 03 В 19/00, US, 3403990, US, 3325264, кл. 65-22). Вспенивающие агенты и вспениваемое стекло находятся в состоянии механической смеси, т.е. распределены в смеси относительно грубо.

В патенте US, 4198224, кл. С 03 В 19/08, 1980 г., раскрыт многостадийный энергоемкий способ получения пеностекла из тонкодисперсного порошка стеклобоя строго определенного химического состава, включающий нагрев порошкообразной шихты до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса ценообразования и последующее охлаждение. Пеностекло, производимое фирмой Pittsburgh Coming Corporation, получают из стекла, подлежащего утилизации, и газообра-зователя. Стекло строго определенного состава и газообразователь, находящиеся в твердой фазе, раздельно перемалывают и перемешивают в шаровой мельнице. Полученную порошкообразную смесь затем спекают и охлаждают. Известный способ также осложнен тем, что он связан с проблемой перемешивания исходных компонентов в состоянии твердой фазы, что не обеспечивает их высокую однородность распределения в объеме смеси.

В документе WO 00/61512, С 03 С 11/00, 2000 г., раскрыт способ получения гранулированного пеностекла с использованием отходов стекла с одно- или двухстадийной обработкой гранулята при температуре 200-300°С или 400-800°С в течение времени не более 15 минут.

Жидкое стекло известно как добавка при производстве гранулированного пеностекла, необходимая в качестве связующего для гранул (например, DE, 2010263, С 03 С 11/00, 1979 г.). В патенте RU, 2162825, кл. С 03 С 11/00, раскрыт способ изготовления пеностекла из стеклобоя определенного состава, включающий приготовление шихты путем совместного помола стеклобоя и газообразователя, гранулирование шихты с орошением ее водным раствором растворимого стекла.

В патенте RU, 2162825 раскрыт способ, включающий совместный помол стеклобоя и газообразователя, гранулирование шихты на тарельчатом грануляторе с орошением ее водным раствором растворимого стекла, сушку гранул на ленточно-сетчатой сушилке при температуре 400°С до влажности 2%, вспенивание гранул во вращающейся печи с речным кварцевым песком в качестве разделяющей среды при температуре 780-820°С и отделение гранул от разделяющей среды. Известный способ позволяет получать гранулы размером 5-40 мм, однако он также не позволяет получать однородные по размеру и форме гранулы пеностекла микронного размера.

Наиболее близким аналогом является способ получения микрогранулированного пеностекла на основе стеклобоя, газообразователя и связующего, описанный в RU, 2109700 C1, С 03 С 11/00, 27.04.1998. Известный способ включает приготовление исходной смеси из измельченных отходов стекла - стеклобоя, триплекса, карбонатного газообразователя и связующего - известкового молока одновременно с двухстадийной грануляцией, сушку полученных гранул при температуре 180-250°С, вспучивание при температуре 880-950°С и охлаждение. По известному способу получают гранулы, характеризующиеся плотностью в куске 0,49-0,50 г/см³ и прочностью при раскалывании 0,37-0,40 МПа. Использование двухстадийной грануляции обеспечивает возможность получения гранул заданного размера.

Однако известный способ не позволяет получать калиброванное микрогранулированное пеностекло, т.е. пеностекло с заданными однородными по размеру и форме гранулами размером 50-1500 мкм.

В заявленном способе решается задача разработки технологии получения микрогранулированного пеностекла, позволяющая получать гранулы размером 50-1500 мкм с формой, близкой к шаровидной, независимо от химического состава стеклобоя. Кроме того, решается задача обеспечения воспроизводимости гомогенной структуры микрогранулированного пеностекла, содержащей поры замкнутой формы.

Сформулированная задача решается за счет того, что в способе получения пористого наполнителя - микрогранулированного пеностекла на основе стеклобоя и газообразователя, включающем измельчение стеклобоя и газообразователя, приготовление исходной смеси, гранулирование, сушку, вспенивание и охлаждение полученных гранул, используют углеродсодержащий газообразователь и дополнительно - 30-70 мас.% водного раствора силиката натрия и/или калия, приготовление исходной смеси для гранулирования осуществляют путем перемешивания указанного водного раствора силиката с измельченными стеклобоем и углеродсодержащим газообразователем при температуре не выше 70°С, обработки полученной смеси при температуре 450-550°С до полного удаления воды, в том числе и химически связанной, измельчения полученного продукта, после его охлаждения до размера частиц 10-150 мкм и приготовления водной дисперсии этих частиц, гранулирование и сушку приготовленной исходной смеси осуществляют одновременно при температуре 450-550°С, вспенивание - при температуре 750-870°С в вихревом потоке воздушной струи, направленной под острым углом к направлению свободного падения гранул, с получением вспененных гранул размером 50-1500 мкм.

При приготовлении исходной смеси компоненты могут быть использованы в следующем соотношении, мас.%:

водный раствор силиката натрия и/или калия	30-70
стеклобой	25-65
углеродсодержащий газообразователь	4-9.

Водную дисперсию готовят с содержанием воды 40-45 мас.%. Изобретение основано на установлении причинно-следственной связи между физико-химическими свойствами микрогранулированного пеностекла, термодинамическими режимами получения исходной смеси - водной дисперсии порошка термообработанной смеси указанного водного раствора силиката, измельченного стеклобоя и углеродсодержащего газообразователя - и режимом вспенивания в потоке вихревой воздушной струи.

При отсутствии общеизвестных закономерностей физико-химического состояния вещества после его обработки при температуре вспенивания от исходного состава смеси авторами экспериментально были найдены оптимальная последовательность операций способа и содержание водного раствора силиката натрия и/или калия в составе смеси, которые позволяют при последующей термообработке получить гранулы пеностекла размером 50-1500 мкм. Режимы приготовления исходной смеси, ее гранулирования и термообработки установлены эмпирически.

В данном способе получения микрогранулированного пеностекла перемешивание порошка тонкоизмельченных отходов технического стекла произвольного химического состава и углеродсодержащего газообразователя осуществляют не в твердом состоянии, а в водном щелочном растворе силиката натрия и/или калия, что обеспечивает однородность распределения порошкообразных добавок по объему шихты и протекание необходимых физико-химических процессов. Нагрев смеси исходных компонентов до температуры 450-550°С ведут для ее обезвоживания и удаления химически связанной воды. Перемешивание исходных компонентов в состоянии жидкой фазы при температуре не выше 70°С позволяет в дальнейшем получить равномерную по объему гранулы пеностекла структуру закрытых газонаполненных пор при низкой энергоемкости производства безотносительно к химическому составу используемых отходов стекла.

Регулирование конечного размера гранул получаемого пеностекла осуществляют, в том числе, за счет помола приготовленной из исходных компонентов, термообработанной и охлажденной смеси до размера частиц 10-150 мкм, а также за счет регулирования при вспенивании гранул в вихревом потоке воздушной струи скорости потока и соотношения расходов воздуха и вспениваемых гранул. При увеличении скорости потока и/или увеличении соотношения расходов воздуха и вспениваемых гранул внутри интервалов экспериментально подобранных значений этих величин размер вспененных гранул снижается.

Разработанный способ позволяет получать из стеклобоя произвольного химического состава калиброванное микрогранулированное пеностекло с формой гранул, близкой к шаровидной, воспроизводимых размеров в диапазоне 50-1500 мкм с мелкопористой структурой. Поры газонаполненные замкнутые.

Для лучшего понимания сущности данного изобретения ниже приведен конкретный неограничивающий пример реализации способа получения калиброванного микрогранулированного пеностекла.

Пример.

Для производства микрогранулированного пеностекла готовят смесь с использованием 150 кг (50 мас.%) коммерчески доступного, т.е. имеющегося в продаже, водного раствора силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1), характеризующегося плотностью 1,3-1,5 г/см³ и величиной силикатного модуля 2-3,5. Водный раствор силиката натрия и калия при температуре не выше 70°С перемешивают в течение 10-15 минут с тонкомолотым порошком нерассортированного стеклобоя разных марок и химического состава, взятого в количестве 65 кг (45 мас.%). К полученной вязкотекучей композиции добавляют 20 кг (5 мас.%) углеродсодержащего газообразователя. После перемешивания всех компонентов смесь имеет серый цвет. Проводят ее термообработку при температуре 520°С в течение 65 минут. При термообработке происходят физико-химические процессы, сопровождающиеся удалением свободной и химически связанной воды и увеличением вязкости смеси, после чего она приобретает темно-серый цвет. Вес охлажденной до температуры окружающей среды смеси составляет около 60% от веса исходных компонентов. Затем осуществляют помол смеси до величины зерна 15-20 мкм и готовят водную дисперсию смеси. Содержание воды в дисперсии составляет 40 мас.%. Полученную дисперсию обрабатывают в вертикальной сушильно-грануляционной установке при температуре 470°С, где она превращается в обезвоженную «микрокрупу», каждая крупинка которой имеет форму, близкую к шарообразной. Полученный промежуточный продукт подвергают термообработке при температуре вспенивания 800°С в вихревом потоке воздушной струи, направленной под острым углом к направлению свободного падения гранул. После завершения процесса вспенивания микрогранулы, имеющие размер 150-200 мкм, охлаждают и направляют в бункер-накопитель готовой продукции. Полученное калиброванное микрогранулированное пеностекло имеет форму гранул, близкую к шарообразной, и обладает при этом всеми свойствами высококачественного теплоизоляционного материала.

Изготавливаемое данным способом калиброванное микрогранулированное пеностекло может быть использовано в качестве неорганического теплоизоляционного материала, состоящего из гранул размером 50-1500 мкм, характеризующихся низкой теплопроводностью 0,05-0,12 Вт/м К и низкими значениями насыпной плотности - от 250-500 кг/м³.

Полученное калиброванное микрогранулированное пеностекло с шаровидной формой гранул позволяет в максимальной степени заполнить любой теплоизолируемый объем конструкции, что в значительной мере улучшает ее теплотехнические и эксплуатационные характеристики, а при изготовлении бетонных и железобетонных изделий - в значительной степени снижает удельный расход цемента или иного связующего материала без повышения водопотребности смеси. Полученное микрогранулированное пеностекло может быть использовано как эффективный микронаполнитель при изготовлении облегченных штукатурок, сухих композиционных смесей; в нефте- и газодобыче - для производства облегченных цементных тампонажных, в ряду случаев - буровых растворов. Полученное микрогранулированное пеностекло может быть использовано как неорганический микронаполнитель при производстве термопластиков, сферопластиков, композиционных пластмасс.

Использование водного раствора силиката натрия и/или калия и тонкоизмельченного порошка стеклобоя произвольного химического состава при получении калиброванного микрогранулированного пеностекла с высокими теплотехническими свойствами обеспечивает снижение энергоемкости производства за счет исключения варки специального по химическому составу стекла при высоких температурах.

1. Способ получения пористого наполнителя - микрогранулированного пеностекла на основе стеклобоя и газообразователя, включающий измельчение стеклобоя и газообразователя, приготовление исходной смеси, гранулирование, сушку, вспенивание и охлаждение полученных гранул, отличающийся тем, что используют углеродсодержащий газообразователь и дополнительно - 30-70 мас.% водного раствора силиката натрия и/или калия, приготовление исходной смеси для гранулирования осуществляют путем перемешивания указанного водного раствора силиката с измельченным стеклобоем и углеродсодержащим газообразователем при температуре не выше 70°С, обработки полученной смеси при температуре 450-550°С до полного удаления воды, в том числе и химически связанной, измельчения полученного продукта после его охлаждения до размера частиц 10-150 мкм и приготовления водной дисперсии этих частиц, гранулирование и сушку приготовленной исходной смеси осуществляют одновременно при температуре 450-500°С, вспенивание - при температуре 750-870°С в вихревом потоке воздушной струи, направленной под острым углом к направлению свободного падения гранул, с получением вспененных гранул размером 50-1500 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при приготовлении исходной смеси компоненты используют в следующем соотношении, мас.%:

Водный раствор силиката натрия и/или калия	30-70
Стеклобой	25-65
Углеродсодержащий газообразователь	4-9

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что водная дисперсия содержит 40-45 мас.% воды.