Состав для изготовления теплоизоляционного материала
Владельцы патента RU 2327672:
Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "Химические композиционные материалы" (ООО НПП "Хикома") (RU)
Изобретение относится к получению пенокерамики - высокоэффективного теплоизоляционного материала, предназначенного для применения в гражданском и промышленном строительстве, для теплоизоляции технологического оборудования, трубопроводов и т.д., эксплуатируемых при низких и высоких значениях температуры, а также в условиях прямого контакта с открытым пламенем газовых горелок, печей, котлов и др. Состав для изготовления теплоизоляционного материала включает, мас.%: высокомодульное жидкое стекло 20-45, глинистое сырье 20-60, армирующую добавку 1-3, пенообразователь 1-5, воду и дополнительно - по меньшей мере, один оксид металла II-IV группы 0.5-30. В качестве глинистого сырья используют глину, выбранную из группы: Афонинского, Богородского, Мордовского, Берлинского и Веселовского месторождений и глина ПГСОА (ГОСТ 2542-81), а в качестве пенообразователя - композицию, содержащую, мас.%: алюминиевая пудра (активный или пассивированный порошок) - 10-20; карбоксиметилцеллюлоза 0.01-0.4; оксид бария 0-0.1; хромокалиевые квасцы 0.02-0.03; вода 80-90. Технический результат: повышение прочности при сжатии получаемых теплоизоляционных изделий, расширение рабочего диапазона температур. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
Область техники
Изобретение относится к области промышленной продукции и может быть использовано для получения синтетической пенокерамики - высокоэффективного средства для теплоизоляции трубопроводов различного назначения, технологического оборудования, бытовых и технических сооружений, а также в виде фасонных изделий или формируется непосредственно на теплоизолируемой поверхности путем налива или намазывания.
Уровень техники
Разработанный способ решает ту же задачу - создание высокоэффективной теплоизоляции, работающей в области высоких и низких температур, что и известные технические решения [1-3].
Известен способ изготовления звукопоглощающего материала [SU №1216170, С1 24.11.1983], который включает следующие компоненты, в мас.%:
| Растворимое стекло | 10-12 |
| Минеральное волокно | 34-68 |
| Глинистый компонент | 10-30 |
| Поливинилацетат | 10-20 |
| Хлористый кальций | 1-2 |
| Борная кислота | 1-2 |
Недостатком данного способа является использование в составе керамики дорогостоящих соединений, таких как поливинилацетат, что приводит к повышению себестоимости конечного продукта и делает его производство экономически невыгодным.
Известен способ изготовления теплоизоляционного материала [RU №2026844, С1 10.05.1992], имеющий следующий состав, в мас.%:
| Жидкое стекло | 48-53 |
| Кремний | 15-23 |
| Гидрат окиси алюминия | 8-10 |
| Гидрат окиси натрия | 3-4 |
| Каолин | 17-19 |
Данный состав обладает клеящими свойствами и качествами связующего вещества для теплоизоляционных и диэлектрических материалов с высокими механическими свойствами в условиях нормальных, низких и высоких температур.
Недостатками этого способа являются высокая стоимость исходных компонентов, таких как кремний, гидрат окиси алюминия и гидрат окиси натрия, которые в данном составе составляют 30%; ограниченная доступность каолина, завоз которого в другие районы является экономически невыгодным.
Кроме того, недостаточная механическая прочность на сжатие и ограничение верхнего значения температуры эксплуатации до 1200°С ограничивают возможности применения данного способа при изготовлении теплоизоляционного материала.
В качестве прототипа выбран способ [RU №2091348, C1 14.09.1995], который содержит большее число признаков, общих с заявляемым способом, нежели приведенные выше.
Этот способ характеризуется тем, что для создания теплоизоляционного материала на базе дешевого и доступного сырья использован следующий состав, включающий жидкое стекло, глинистое сырье и пенообразователь, стекловолокно (или родственный материал), карбоксиметилцеллюлозу и воду при следующем содержании компонентов, в мас.%:
| Жидкое стекло | 18-30 |
| Глинистое сырье | 47-57 |
| Пенообразователь | 1-3 |
| Стекловолокно | 4-9 |
| Карбоксиметилцеллюлоза | 1-4,5 |
| Вода | 9-19.5 |
В качестве глинистого сырья использована глина типа красной железисто-монтмориллонитовой состава МxSi8-хAl4O20(OH)4×nH2О, где М - металл из ряда Fe, Al, Mg, Ca, Na и другие, чаще всего 1<х<4.
В качестве пенообразователя в данном техническом решении использована алюминиевая пудра.
Данный состав дает прочность керамики на сжатие 2.5-3 МПа и диапазон эксплуатации теплоизоляционного материала до 1500°С при использовании экологически чистых сырьевых источников.
Этот способ обладает следующими недостатками. Использование в качестве пенообразователя алюминиевой пудры марки ПАП-1 (ГОСТ 5494-71), производимой промышленностью, при производстве синтетической пенокерамики приводит к тому, что вспенивание происходит слишком быстро, через 2-3 мин, и массу трудно выложить в формы, если производство идет в большом масштабе. Поэтому в производстве остро стоит проблема снижения активности промышленного порошка алюминия, чтобы увеличить время начала вспенивания массы.
Другим недостатком данного способа является высокая летучесть порошкообразного алюминия, которая создает экологические проблемы на производстве: запыленность помещений и аллергические реакции у работающих с ним.
Еще одним недостатком данного способа является низкая механическая прочность получаемой пенокерамики и высокая влагонасыщаемость.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на получение следующего технического результата:
- для регулирования прочности, плотности, пористости, влагонасыщаемости и термической стойкости в зависимости от поставленной технологической задачи используется разнообразное глинистое сырье - глины Афонинского, Богородского, Мордовского, Берлинского и Веселовского месторождений и глина ПГСОА, различающиеся соотношением SiO2/Al2О3;
- для регулирования времени начала вспенивания керамической массы пенообразователь вводится в виде алюминийсодержащих композиций (АСК) следующего состава, в мас.%: алюминиевая пудра (активный или пассивированный порошок) - 10-20; карбоксиметилцеллюлоза 0.01-0.4; оксид бария 0-0.1; KCr(SO4)2·12H2O 0.02-0.03; вода 80-90. Применение АСК позволяет увеличить время начала вспенивания до 20 мин и при этом полностью устранить запыленность помещений.
Кроме того, способ обладает следующими достоинствами - для увеличения прочности и термостойкости образцов в состав керамики вводятся оксиды металлов II-IV групп и их композиции.
Кроме того, способ характеризуется тем, что для удешевления конечного продукта, уменьшения плотности и улучшения изолирующих свойств в качестве армирующей добавки используется стекловолокно, минеральная вата, волокнистый и порошкообразный асбест, корундовая вата.
В соответствии с изобретением в способ, включающий изготовление теплоизоляционного материала, введены новые признаки, а именно:
- для повышения прочности и термостойкости расширен спектр глинистого сырья, и в состав керамики вводят оксиды металлов II-IV групп и их композиции;
- для регулирования времени начала вспенивания и устранения запыленности при производстве керамики пенообразователь вводится в виде алюминийсодержащих композиций;
- для удешевления конечного продукта, уменьшения плотности и улучшения изолирующих свойств в качестве армирующей добавки использованы стекловолокно, минеральная вата, асбест, корундовая вата.
В основе изобретения лежат новые теоретические и экспериментальные исследования по изучению влияния различных факторов на параметры вспенивания при производстве теплоизоляционных материалов [ЖОХ. 2003. Т.73. Вып.5. С.729; Вестник ННГУ. Н.Новгород. 1999, Вып.2. С.86], а также исследования по способам снижения активности алюминиевой пудры и способам создания устойчивых алюминийсодержащих композиций.
Выбор оптимальных соотношений компонентов состава высокомодульного жидкого стекла, глинистого сырья, армирующих добавок, пенообразователя, оксидов металлов II-IV групп и воды позволяет повысить пределы прочности на сжатие до 3.1-4.5 МПа и расширить предел рабочего диапазона эксплуатации получаемого теплоизоляционного материала до 1600÷1800°С при использовании экологически чистых сырьевых источников.
Состав готовят следующим образом. Отдозированное глинистое сырье определенного состава подают в шаровую мельницу, где его измельчают и перетирают до дисперсии 0.2-0.3 мм. Затем в шаровую мельницу добавляют отдозированный армирующий материал.
Массу перемешивают с целью получения сухой шихты с равномерным распределением всех компонентов. Сухую шихту после шаровой мельницы подают в бетоносмеситель, куда добавляют отдозированное жидкое стекло с модулем 2.1-2.6, определенное количество оксидов металлов II-IV групп и воду. Смесь перемешивают до однородной пластичной массы. К полученной массе добавляют отдозированное количество вспенивателя в виде алюминийсодержащих композиций с определенной активностью, что позволяет регулировать время начала вспенивания. Смесь перемешивают до получения однородной пластичной массы, которую затем наносят на поверхность конструкции или заполняют конструкцию.
Формирование пенокерамики и ее отверждение происходит в две стадии. Первая стадия - вспенивание (4-100 мин) и последующее отверждение массы 10-120 мин, вторая - нарастание механической прочности материала до максимального значения в течение 1-2-х суток при комнатной температуре.
В табл.1 приведена зависимость параметров вспенивания керамики и ее свойств от состава пенообразователя, в табл.2, 3 - зависимость свойств керамики от состава глин и добавок оксидов металлов II-IV групп.
| Таблица 1 Зависимость параметров вспенивания керамики и ее свойств от состава пенообразователя (состав керамики, мас.%: высокомодульное жидкое стекло (М=2.6) - 42, глинистое сырье - 23, пенообразователь - 1, стекловолокно - 2, вода - 33) | |||||||
| № | Пенообразователь | Время обработки Al при 200°С, мин | Время хранения, сутки | Время начала подъема массы, мин | Время паровыделения, мин | ρ, кг/м3 | Предел прочности на сжатие, МПа |
| 1 | Алюминиевая пудра | прототип (без обработки) | без ограничения | 3 | 4 | 600 | 2.0 |
| 2 | АСКa) | 0 | 1-12 | 2.5 | 6.3-7.6 | 310 | 3.4 |
| 3 | 15 | 1-12 | 6.5-8.0 | 21-40 | 460 | 3.5 | |
| 4 | 30 | 1-12 | 11-20 | 78-105 | 520 | 3.4 | |
| а) АСК - алюминийсодержащая композиция, в мас.%: алюминий 10-20; карбоксиметилцеллюлоза 0.01-0.4: хромокалиевые квасцы 0.02-0.03; вода 80-90. |
| Таблица 2 Зависимость свойств керамики от состава глин (армирующая добавка - стекловолокно 3%, высокомодульное жидкое стекло (М=2.6) - 42%, пенообразователь - 3%) | |||||||
| Глина | мас.% в составе керамики | ρ, кг/м3 | Предел прочности при сжатии, МПа | Водопоглощение по объему % (за 10 дней) | Рабочий диапазон температур, °С | Пористость, % | Коэффициент: теплопроводности, Вт/м°C |
| Мызинская (прототип) | 47 | 600 | 2.0 | 8-10 | 1500 | 72 | 0.14 |
| Афонинская | 7 | 190 | 3.1 | 4.5 | 1550 | 92 | 0.08 |
| 13 | 300 | 3.3 | 4.0 | 1600 | 84 | 0.09 | |
| 21 | 430 | 3.4 | 3.4 | 1600 | 88 | 0.10 | |
| 21 | 430 | 3.4 | 3.5 | 1600 | 87 | 0.10 | |
| 21a) | 420 | 3.4 | 3.6 | 1600 | 86 | 0.10 | |
| 21б) | 425 | 3.3 | 3.5 | 1600 | 85 | 0.10 | |
| 33 | 600 | 3.6 | 8.7 | 1600 | 81 | 0.11 | |
| Мордовская | 7 | 250 | 3.2 | 4.5 | 1550 | 87 | 0.08 |
| 13 | 350 | 3.6 | 5.0 | 1600 | 84 | 0.10 | |
| 21 | 420 | 3.8 | 7.3 | 1600 | 81 | 0.11 | |
| Богородская | 21 | 460 | 4.2 | 9.7 | 1650 | 78 | 0.12 |
| Берлинская | 21 | 470 | 4.0 | 4.5 | 1750 | 80 | 0.12 |
| ПГСОА | 21 | 380 | 3.9 | 4.5 | 1650 | 85 | 0.12 |
| Веселовская | 21 | 400 | 4.0 | 5.0 | 1750 | 83 | 0.12 |
| Армирующая добавка: а) корундовая вата - 3%, б) асбест - 3%, в) минеральная вата - 3%. |
| Таблица 3 Зависимость свойств керамики от добавок оксидов металлов II-IV групп (глина афонинская - 21% в составе керамики, пенообразователь - 3%, стекловолокно - 3%, высокомодульное жидкое стекло (М=2.6)-42%) | ||||||
| Оксиды | мас.% в составе | ρ, кг/м3 | Предел прочности при сжатии, МПа | Водопоглощение по объему % (за 10 дней) | Рабочий диапазон температур, °С | Пористость, % |
| ВаО | 0.25-3 | 440 | 4.5 | 5.0 | 1600 | 80 |
| ZrO2 | 0.5-5 10-21 30 | 370-400 420 600 | 3.5 4.5 4.5 | 6.2 7.0 7.0 | 1750 1800 1800 | 72-85 80 73 |
| СаО | 1-5 | 410-430 | 3.1 | 5.3 | 1500 | 82 |
| ВаО-ZrO2 | 1-1 | 420 | 4.4 | 5.3 | 1600 | 78 |
| КМЦ-ВаО | 1-2 | 430 | 4.5 | 6.0 | 1600 | 83 |
| ZnO | 2-5 | 350-400 | 4.3 | 7.1 | 1650 | 85 |
| СаО-КМЦ | 1-1 | 430 | 3.4 | 5.7 | 1600 | 85 |
| MgO | 2-3 | 350 | 3.1 | 6.0 | 1600 | 83 |
| Al2O3 | 3-5 30 | 400 420 | 3.3 3.5 | 5.8 5.8 | 1600 1650 | 79 76 |
1. Состав для изготовления теплоизоляционного материала, включающий высокомодульное жидкое стекло, глинистое сырье, армирующую добавку, пенообразователь и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, один оксид металла II-IV группы, в качестве глинистого сырья используют глину, выбранную из группы: Афонинского, Богородского, Мордовского, Берлинского и Веселовского месторождений и глина ПГСОА (ГОСТ 2542-81), а в качестве пенообразователя - композицию, содержащую, мас.%: алюминиевая пудра (активный или пассивированный порошок) 10-20; карбоксиметилцеллюлоза 0,01-0,4; оксид бария 0-0,1; хромокалиевые квасцы 0,02-0,03; вода 80-90 при следующем соотношении компонентов в составе, мас.%:
| высокомодульное жидкое стекло | 20-45 |
| глинистое сырье | 20-60 |
| армирующие добавки | 1-3 |
| пенообразователь | 1-5 |
| оксиды металлов II-IV групп | 0.5-30 |
| вода | 5-30 |
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующей добавки используют стекловолокно, минеральную вату, асбест (волокнистый и порошкообразный) или корундовую вату.
