Теплоизоляционная композиция для производства строительных материалов на основе торфа
Владельцы патента RU 2393128:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет" (ГОУВПО "ТГАСУ") (RU)
Теплоизоляционная композиция для производства материалов на основе торфа может найти применение при изготовлении плит, блоков для теплоизоляции жилых и промышленных зданий. Композиция содержит в качестве вяжущего диспергированный в воде низинный торф в количестве 90,0 мас.%. В качестве заполнителя использован вспученный острым паром бисерный полистирол в количестве 10,0 мас.%. Водотвердое отношение составляет 2,5. Бисерный полистирол имеет вид гранул мелкопористой структуры и занимает 80-85% объема композиции. Торфяное связующее прочно склеивает частицы заполнителя, обладающего низким показателем средней плотности. Технический результат: получение однородного строительного материала, характеризующегося низкой плотностью, низким коэффициентом теплопроводности и улучшенными прочностными характеристиками. 2 табл.
Изобретение относится к области производства строительных материалов на основе модифицированного торфяного сырья и вспененного полистирола, может найти применение при изготовлении плит, скорлуп для теплоизоляции жилых, промышленных зданий и промышленного оборудования.
Известна также сырьевая смесь для изготовления древесно-торфяных строительных материалов, содержащая верховой торф (степень разложения 5-15%) в количестве 10-25 мас.%, древесные отходы 20-40 мас.%, бишофит 6-25 мас.%, алюмохромофосфат 1-3 мас.% и магнезит - остальное. Смесь тщательно перемешивают и формуют изделия при 150-160°С и давлении 3,0-5,0 МПа. Прочность при сжатии торфяных изделий указанного состава составляет 11,0-18,0 МПа. Недостатком указанных торфяных изделий является их высокая плотность 960-1000 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,11-0,17 Вт/м·К (ав.св. СССР № 2005108. Бюл. №47-48 от 30.12.93).
Известна также композиция, содержащая в качестве связующего портландцемент, верховой торф и его производные, древесные отходы и воду в качестве жидкости затворения при следующих соотношениях ингредиентов, мас.%: портландцемент 33-38; древесные отходы торфяных месторождений 20-25; верховой торф 4-12; торфяная вытяжка 1-3; вода 22-42. При этом верховой торф используют со степенью разложения 5-10% и влажностью 55-70%, который вместе с древесными отходами вымачивают предварительно в воднометинольном растворе с концентрацией метанола 6-10 г/л при 80-100°С в течение 2-5 мин. Максимальная прочность композиции составляет 6,41 МПа, коэффициент теплопроводности 0,12 Вт/м·К (ав.св. СССР № 1244122. Бюл. №26 от 16.07.86). Недостатком данной композиции является высокая средняя плотность, которая отрицательно сказывается на теплопроводности материала.
Известны композиции для изготовления теплоизоляционных материалов, в которых в качестве вяжущего использован низинный торф. Низинный торф по сравнению с верховым обладает рядом преимуществ. Он более влагостоек, имеет лучшие адгезионные свойства, обладает большей однородностью гранулометрического состава.
Известна композиция для изготовления конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов по патенту РФ на изобретение №2307813. Она содержит диспергированный в воде низинный торф в количестве 80-90 мас.% (в качестве вяжущего), древесные опилки в количестве 5-10 мас.% (в качестве заполнителя), синтетические волокна в количестве 5-10 мас.% (в качестве армирующей добавки) при водотвердом отношении 2,0-2,5. В состав композиции входят синтетические волокна, температура перехода в упруго-пластичное состояние которых лежит в диапазоне от 105 до 130°С. При этой температуре волокна становятся вязкими, но сохраняют свою форму и склеиваются между собой окончаниями, образуя при нормальной температуре прочный, пространственный, связанный, армирующий каркас. Древесные опилки в этой известной композиции выполняют роль основного каркасообразующего компонента (определяют структуру материала), поскольку низинный торф обладает высоким сродством природы, а следовательно, высокую адгезию к древесине, то композиция по патенту № 2307813 обладает высокими прочностными характеристиками, что важно для изготовления конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов. Однако средняя плотность материала при этом высока и, следовательно, такой материал имеет довольно высокий коэффициент теплопроводности, что ограничивает его теплоизоляционную способность, а понижение плотности ведет к уменьшению прочностных характеристик, что отрицательно влияет на конструкционные качества материала.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой композиции является торфодревесная композиция для изготовления теплоизоляционных строительных материалов по патенту РФ на изобретение №2273620. Торфодревесная композиция имеет следующий состав, мас.% сухого вещества: диспергированный в воде низинный торф 20,5-28,5; древесный заполнитель (опилки) 61,0-73,0; пенообразователь 3,5-6,5 и гидрофобизирующая добавка 3,0-5,0 при водотвердом отношении 2,0-2,4.
Низинный торф имеет высокую адгезию к древесному заполнителю, происходит налипание торфа на древесные опилки. Хороший контакт благоприятно сказывается на структурообразовании композиционного материала, где древесные опилки выполняют роль каркасообразующего компонента по всему объему материала. Пенообразователь способствует образованию равномерной пористой структуры, уменьшая среднюю плотность материала, которая составляет 150-200 кг/м3. Коэффициент теплопроводности - от 0,04 до 0,06 Вт/м·К. По механизму и форме структурообразования, назначению и достигаемому результату эта известная композиция наиболее близка к заявляемой, поэтому принята за прототип. Недостатками прототипа являются сравнительно низкие прочностные характеристики.
Задача изобретения - получить на основе низинного торфа строительный материал с низким коэффициентом теплопроводности и улучшенными прочностными характеристиками.
Технический результат заключается в получении однородного строительного материала с низким показателем плотности, низким коэффициентом теплопроводности и улучшенными прочностными характеристиками.
Задача решена следующим образом
Общим с известной композицией, принятой за прототип, является наличие в ее составе диспергированного в воде низинного торфа в качестве вяжущего и заполнителя при водотвердом отношении (В/Т) не менее 2,0. Но в отличие от прототипа в заявляемой теплоизоляционной композиции в качестве заполнителя использован вспученный острым паром бисерный полистирол, при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
| Низинный торф | 90 |
| Вспученный бисерный полистирол | 10 |
| При водотвердом отношении (В/Т) | 2,5 |
Теплоизоляционный торфяной композит с использованием добавки вспученного бисерного полистирола приобретает упорядоченную структуру с плотной упаковкой частиц, обмазанных торфяным связующим, при этом содержание вспученного бисерного полистирола в объеме материала составляет 80-85% для заявленного количества 10 мас.%. Учитывая тот факт, что вспученный полистирол имеет очень низкий показатель плотности, вся композиция характеризуется очень низким показателем средней плотности. В данной композиции торфяное связующее выполняет роль клея, прочно удерживающего сферические частицы, образуя при этом довольно прочный материал с низкой средней плотностью.
Учитывая значительные запасы низинных торфов, невостребованность его в других отраслях, а также наличие в его составе активных функциональных групп, обеспечивающих потенциальные возможности физико-химического модифицирования, можно отнести низинный торф к перспективным местным природным сырьевым материалам, пригодным, как показали эксперименты, для применения его в качестве вяжущего, при изготовлении не только конструкционно-теплоизоляционных, но и теплоизоляционных строительных материалов.
Заявляемая композиция не выявлена из уровня техники, это доказывает новизну заявляемой композиции. Использование в качестве заполнителя вспученного острым паром бисерного полистирола в сочетании с низинным торфом и в предложенном количественном соотношении явным образом не следует из уровня техники, что подтверждает наличие «Изобретательского уровня».
Оптимальные содержания ингредиентов получены в результате экспериментальных исследований и оптимизации полученных результатов. При этом обеспечивается решение поставленной задачи и достижение технического результата, направленного на получение однородного строительного материала с низким показателем средней плотности, низким коэффициентом теплопроводности и улучшенными прочностными характеристиками.
Низинный торф измельчают совместно с водой в шаровой мельнице до степени измельчения 5-10 мкм. К полученному торфяному вяжущему добавляют вспученный острым паром бисерный полистирол. Смесь тщательно перемешивают до однородного состояния, формуют вибролитьевым способом образцы-кубики 70×70×70 мм, которые затем сушат при температуре 60-80°С в течение 24 ч, прочность после сушки составляет 1,95-2,45 МПа (в прототипе 1,55-1,92 МПа), средняя плотность составляет 90-115 кг/м3 (у прототипа 150-200 кг/м), коэффициент теплопроводности 0,037-0,043 Вт/м·К (в прототипе 0,04-0,06 Вт/м·К).
Для приготовления композиции готовят пять смесей ингредиентов (табл.1), отличающиеся водотвердым отношением (от 2,0 до 2,5). Представленный интервал водотвердого отношения получен в результате экспериментальных исследований и оптимизации полученных результатов. Технические характеристики композиции за пределами полученных значений водотвердого отношения не обеспечивают решения поставленной задачи получения однородного материала с низким значением средней плотности и улучшенными прочностными показателями.
| Таблица 1 | |||||
| Составы смесей | |||||
| Компоненты смеси | Содержание компонентов, мас.% | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Торф низинный | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 |
| Вспученный бисерный полистирол | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| В/Т | 2,0 | 2,2 | 2,3 | 2,4 | 2,5 |
Результаты испытаний различных составов приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||||
| Показатель | Прототип | Номер смеси | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Средняя плотность, кг/м3 | 150-200 | 115 | 110 | 100 | 90 | 95 |
| Прочность на сжатие, МПа | 1,55-1,92 | 1,95 | 2,00 | 2,25 | 1,90 | 2,45 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К | 0,04-0,06 | 0,043 | 0,042 | 0,041 | 0,04 | 0,037 |
Как видно, в сравнении с прототипом заявляемая композиция (оптимальным при этом является состав №5) имеет значительно более низкую плотность, более низкий коэффициент теплопроводности. Прочность заявляемой композиции соответствует нормативным данным для теплоизоляционных материалов, композиция промышленно применима. Следовательно, эту композицию можно использовать в строительстве при изготовлении теплоизоляционных материалов.
Теплоизоляционная композиция для производства строительных материалов на основе торфа, содержащая диспергированный в воде низинный торф в качестве вяжущего и заполнитель при водотвердом отношении (В/Т) не менее 2,0, отличающаяся тем, что в качестве заполнителя использован вспученный острым паром бисерный полистирол при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| низинный торф | 90,0 |
| вспученный бисерный полистирол | 10,0 |
| при водотвердом отношении (В/Т) 2,5 |
