Жидкостекольная композиция
Владельцы патента RU 2440945:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) (RU)
Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к составам полимерсиликатных смесей для изготовления светопрозрачных конструкций и элементов, например для обустройства подземных переходов, складов, помещений общественных зданий, работающих в условиях химически агрессивных сред, а также светопрозрачных элементов технологического оборудования, баковой аппаратуры - технологических ванн, баков, кислотохранилищ, отстойников, и может быть использовано на предприятиях строительной, химической, металлургической, нефтехимической, энергетической индустрии. Технический результат - повышение прочности на растяжение при изгибе и обеспечение светопрозрачности материала. Жидкостекольная композиция содержит, мас.%: жидкое стекло натриевое 14,5-15,5; кремнефтористый натрий 2,0-2,2; фуриловый спирт 0,4-0,5; наполнитель из молотого стеклобоя 17,5-18,5; полипропиленовое волокно - фибра 0,2-0,4; наноструктурный углеродный комплекс 0,01-0,03; дробленый песок из стеклобоя 63,87-66,39. 4 табл.
Изобретение относится к области производства строительных материалов, а именно к составам полимерсиликатных смесей, предназначенных для изготовления светопрозрачных конструкций и элементов (для обустройства подземных переходов, складов, помещений общественных зданий и др.), работающих в условиях химически агрессивных сред, а также светопрозрачных элементов технологического оборудования, баковой аппаратуры (технологических ванн, баков, кислотохранилищ, отстойников), и может быть использовано на предприятиях строительной, химической, металлургической, нефтехимической, энергетической индустрии.
Известна жидкостекольная композиция а.с. СССР №697445, МКИ С04В 28/26, опубликованная в 1979 году, при следующем соотношении компонентов, мас.%: жидкое стекло 14,81-14,92; кремнефтористый натрий 2,22-2,24; кварцевый наполнитель 40,77-41,05; добавка 0,74-1,42; кварцевый песок остальное. В качестве добавки используют кубовые остатки фурилового спирта.
Однако как недостатки аналога следует отметить сложность процесса за счет длительной термообработки изделий (12 часов при t=120°C), невысокую прочность.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прочности на сжатие) является жидкостекольная композиция, патент РФ №223597, МПК7 С04В 28/26, опубликованный в 2004 году, включающая компоненты, мас.%: жидкое стекло 14,0-16,0; кремнефтористый натрий 1,4-1,6; кварцевый наполнитель 22,5-24,5; акриламид 0,2-0,8; кварцевый песок 57,1-61,9.
Однако как недостатки прототипа следует отметить меньшую прочность на растяжение при изгибе, что особенно важно для конструкций и элементов, работающих на изгиб, и для баковой аппаратуры, а также отсутствие светопрозрачности материалов.
Задачей является повышение прочности на растяжение при изгибе и обеспечение светопрозрачности материала.
Поставленная задача решается тем, что жидкостекольная композиция включает жидкое стекло, кремнефтористый натрий, наполнитель - молотый стеклобой и дополнительно фуриловый спирт, дробленый песок из стеклобоя, полипропиленовое волокно - фибру, наноструктурный углеродный комплекс, мас.%:
Жидкое стекло натриевое 14,5-15,5
Кремнефтористый натрий 2,0-2,2
Фуриловый спирт 0,4-0,5
Наполнитель из молотого стеклобоя 17,5-18,5
Полипропиленовое волокно - фибра 0,2-0,4
Наноструктурный углеродный комплекс 0,01-0,03
Дробленый песок из стеклобоя 63,87-66,39
Влияние компонентов жидкостекольной композиции на технический эффект заключается в следующем:
1. Для улучшения процесса структурообразования жидкостекольной матрицы, повышения прочностных и деформативных свойств в состав жидкостекольных композитов вводится наноструктурный углеродный комплекс, представляющий углеродную смесь высокой реакционной способности (УСВР). Наноструктуры химически инертны, устойчивы к агрессивным средам, экологически чисты. Насыпная плотность наноструктурного углеродного комлекса - 0,01-0,001 г/см3. Содержание углерода не менее 99,4%. Удельная поверхность 2000 м2/г. Процент возврата присоединенного вещества - до 98%, рабочая температура от -60 до +3000°С.
Введенный в состав композитов до 0,03 от массы композита наноструктурный углеродный комплекс армирует его матрицу, превращая его в композиционный материал и повышая его прочность. Эффект повышения прочности возникает не только за счет непосредственного армирования, которое действительно по размерам ничтожно, но и за счет направленного регулирования процессов коагуляции и уплотнения структуры матрицы. Наноструктуры ведут себя в композите как «зародыши» коагуляционных процессов, и, поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, коагулянты образуются вытянутые, армирующие. Образование вытянутых коагулянтов приводит к потере жидкостекольным композитом эластичности, увеличению жесткости, прочности и уменьшению деформативной способности.
2. Введение небольших количеств дисперсно-армирующего компонента - полимерного волокна - фибры (длина волокна - 3 мм, диаметр - 18 мкм), имеющего гофрированную структуру, способствует формированию более прочной структуры композита, повышению предела прочности на сжатие и растяжение при изгибе.
3. С целью уменьшения расхода жидкого стекла, снижения усадки жидкостекольных композитов наполнитель получают измельчением стеклянного боя промышленного тарного стекла и строительного стекла до удельной поверхности Sуд=300 м2/кг.
4. Мелкий заполнитель крупностью до 5 мм получали измельчением стеклянного боя промышленного тарного стекла и строительного стекла. Применение мелкого заполнителя - песка из стеклобоя позволяет получить прочный светопрозрачный жидкостекольный композит с достаточно высокой характеристикой по светопроницаемости.
5. Снизить усадку жидкостекольных композитов можно также за счет введения добавок фурилового спирта. Этот полимер, обволакивая частицы геля кремниевой кислоты, образующегося при твердении жидкого стекла, содержании воды 50-70% (ГОСТ 13078-81*). Состав щелочных силикатов выражается формулой Na2O·mSiO2, где m - модуль жидкого стекла. У натриевого стекла он 2,5-3.
В таблице 1 приведены составы количественного соотношения ингредиентов меньше нижнего предела, больше верхнего и среднее значение количественного соотношения ингредиентов, при котором достигнут тот технический результат, который поставлен в задаче, в таблице 2 показаны предлагаемые составы, в таблице 3 приведены составы прототипа, в таблице 4 сведены свойства предлагаемых составов и прототипа.
Способ получения жидкостекольной композиции происходит в две стадии. На первой стадии в течение 1-1,5 мин в смесителе-активаторе готовят жидкую активированная смесь, содержащую жидкое стекло, кремнефтористый натрий, фуриловый спирт, наполнитель, полимерное волокно, наноструктурный углеродный комплекс.
Под активацией смеси понимается дополнительная диспергация, гомогенизация составляющих материалов в смесителе-активаторе, представляющем собой корпус, внутри которого со скоростью 6-8 м/с вращается ротор. При вращении ротора материалы приходят в вихревое хаотическое движение, в процессе которого происходит активация смеси.
На второй стадии активированная смесь из активатора-смесителя по наклонному трубопроводу поступает в работающий бетоносмеситель принудительного действия, в который одновременно поступает весь мелкий заполнитель из стеклобоя. Общий цикл приготовления смеси составляет до 4 мин.
Полученную смесь укладывают в формы с последующим уплотнением на виброплощадке со стандартной частотой и амплитудой. Отформованные изделия после выдержки в нормальных условиях в течение суток подвергают тепловой обработке при температуре 65-70°С.
По результатам исследований установлено, что введение в состав жидкостекольных композитов дисперсно-армирующего компонента увеличивает предел прочности при сжатии и особенно на растяжение при изгибе.
Таким образом, техническое решение позволило на 30-40% увеличить прочность жидкостекольной матрицы.
| Таблица 1 | |||
| Компоненты | Составы, мас.% | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Жидкое стекло натриевое (плотность 1550 кг/м3, модуль жидкого стекла - 2,5-3) | 13 | 15 | 14,0 |
| Кремнефтористый натрий | 1,9 | 2,3 | 2,1 |
| Фуриловый спирт | 0,3 | 0,55 | 0,45 |
| Наполнитель из молотого стеклобоя (Sуд=300 м2/кг) | 17,0 | 19,0 | 18,0 |
| Полипропиленовое волокно - фибра (длина волокна 3 мм, диаметр - 18 мкн) | 0,1 | 0,5 | 0,3 |
| Наноструктурный углеродный комплекс | 0,005 | 0,04 | 0,02 |
| Дробленый песок из стеклобоя (крупностью до 5 мм) | 65,5 | 64 | 65,13 |
| Таблица 2 | |||
| Компоненты | Составы, мас.% | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Жидкое стекло натриевое (плотность 1550 кг/м3, модуль жидкого стекла - 2,5-3) | 13,5 | 14,0 | 14,5 |
| Кремнефтористый натрий | 2,0 | 2,1 | 2,2 |
| Фуриловый спирт | 0,4 | 0,45 | 0,5 |
| Наполнитель из молотого стеклобоя (Sуд=300 м2/кг) | 17,5 | 18,0 | 18,5 |
| Полипропиленовое волокно - фибры (длина волокна 3 мм, диаметр - 18 мкн) | 0,2 | 0,3 | 0,4 |
| Наноструктурный углеродный комплекс | 0,01 | 0,02 | 0,03 |
| Дробленый песок из стеклобоя (крупностью до 5 мм) | 66,39 | 65,13 | 63,87 |
| Таблица 3 | |||
| Компоненты | Составы прототипа, мас.% | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Жидкое стекло натриевое | 14 | 15 | 16 |
| Кремнефтористый натрий | 1,4 | 1,5 | 1,6 |
| Кварцевый наполнитель (Sуд=500 м2/кг) | 22,5 | 23,5 | 24,5 |
| Акриламид | 0,2 | 0,5 | 0,8 |
| Кварцевый песок (0,65-2,5 мм) | 61,9 | 59,5 | 57,1 |
| Таблица 4 | ||||||
| Свойства | Известная (прототип) | Предлагаемые | ||||
| составы прототипа | составы | |||||
| 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | |
| Прочность на сжатие, МПа | 47,56 | 50,0 | 45,17 | 60,2 | 64,6 | 65,1 |
| Прочность на растяжение, на изгиб, МПа | 17,9 | 18,07 | 16,7 | 20,6 | 21,4 | 22,5 |
| Светопрозрачность, % | - | - | - | 34 | 32 | 29 |
Таким образом, предлагаемый состав жидкостекольной композиции позволяет повысить прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе в 1,25 раза и обеспечить светопрозрачность материала продукции.
Жидкостекольная композиция, включающая жидкое стекло натриевое, кремнефтористый натрий, наполнитель, отличающаяся тем, что она содержит в качестве наполнителя молотый стеклобой и дополнительно фуриловый спирт, дробленый песок из стеклобоя, полипропиленовое волокно - фибру и наноструктурный углеродный комплекс при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Жидкое стекло натриевое | 14,5-15,5 |
| Кремнефтористый натрий | 2,0-2,2 |
| Фуриловый спирт | 0,4-0,5 |
| Наполнитель из молотого стеклобоя | 17,5-18,5 |
| Полипропиленовое волокно - фибра | 0,2-0,4 |
| Наноструктурный углеродный комплекс | 0,01-0,03 |
| Дробленый песок из стеклобоя | 63,87-66,39 |
