Способ получения пеностекла и шихта для его изготовления

Изобретение относится к области производства теплоизоляционных материалов. Технический результат изобретения заключается в снижении плотности пеностекла до 200-300 кг/м³ и температуры вспенивания до 780°С. Микрокремнезем конденсированный, гидроксид натрия и горячую воду с температурой 80-90°С перемешивают в реакторе в течение 10-15 мин до образования жидкого стекла. Затем жидкое стекло перемешивают со вспученным перлитом в течение 10 минут. Вспенивание шихты проводят в замкнутом объеме металлической формы при температуре до 780°С в течение 0,5-1 ч. Отжиг готовых изделий проводят при температуре от 780°С до 360°С в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе. Для приготовления шихты для получения пеностекла используют следующие компоненты, мас.%: перлит вспученный плотностью 75-100 кг/м³ - 20; микрокремнезем конденсированный - 28; гидроксид натрия - 12; вода - 40. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области производства теплоизоляционных строительных материалов и, в частности, пеностекла.

Известен состав шихты и способ получения пеностекла, предусматривающие варку стекла и его измельчение в шаровой мельнице, смешение с газообразователем и термообработку в печи вспенивания [а.с. №393227, С03С 11/00, БИ №33, 1973 г.]. Недостатком состава и способа является необходимость варки стекла при температуре 1450°С, тонкого помола шихты и ее вспенивания при температуре выше 800°С.

Известен способ и состав шихты для получения пеностекла, содержащий (мас.%) нефелиновый сиенит 5-15, стеклобой тарного стекла 45-55, гидроксид натрия 7-9, перлит (вулканическое стекло) - остальное [пат. РФ №2164698, С03С 11/00, опубл. 10.02.2001 г.]. Этот состав позволяет исключить из способа энергоемкую стадию стекловарения и получить пеностекло из шихты при ее нагреве до 750-800°С. Основным недостатком этого состава и способа является необходимость проведения дополнительной энергозатратной механохимической активации шихты, что позволяет получать пеностекло с плотностью 240-841 кг/м³. Если не проводится механоактивация шихты, то из нее можно получать пеностекло с плотностью 411-1023 кг/м³.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является состав и способ получения пеностекла [а.с. №1073199, С03С 11/00, БИ №6, 1984], включающий совместный помол перлита (вулканического стекла), осадочной кремнеземистой породы (диатомит, трепел, опока) и газообразователя до удельной поверхности 300-500 м²/кг при следующем содержании компонентов в шихте, мас.%:

осадочная кремнеземистая порода - 15-70,

гидроксид натрия - 6-15,

газообразователь - 0,02-1,5,

перлит - остальное.

Основным недостатком этого способа является необходимость тонкого помола трудноразмалываемого перлита в среде мягкой кремнеземистой породы, что существенно снижает интенсивность помола перлитовой породы и увеличивает расход энергии при помоле и его длительность. Основными недостатками состава шихты являются достаточно высокая температура ее вспенивания (800-850°С) и высокая плотность получаемого пеностекла (до 400 кг/м³).

Задачей предлагаемого изобретения является получение пеностекла с плотностью 200-300 кг/м³ с заданными геометрическими размерами и формой при температуре вспенивания шихты до 780°С. Поставленная задача достигается тем, что при получении пеностекла используется шихта, содержащая перлит, кремнеземистый компонент и гидроксид натрия, отличающаяся тем, что предлагаемый состав содержит вспученный перлит с плотностью 75-100 кг/м³ по ГОСТ 10832-91, микрокремнезем конденсированный, гидроксид натрия и воду при следующем содержании компонентов, мас.%:

Перлит вспученный	20
Микрокремнезем конденсированный	28
Гидроксид натрия	12
Вода	40

Кроме того, поставленная задача достигается за счет использования принципиально нового способа приготовления пеностекольной шихты из исходных тонкодисперсных микрокремнезема конденсированного и вспученного перлита, не требующих дополнительного измельчения. Реализуется предлагаемый способ получения пеностекла при выполнении операций приготовления шихты в следующей последовательности: отдозированные количества микрокремнезема конденсированного, гидроксида натрия и горячей воды с температурой 80-90°С подают в реактор с мешалкой, в котором при перемешивании в течение 10-15 мин образуются гидросиликаты натрия (жидкое стекло). Далее жидкое стекло поступает в интенсивный смеситель, где тщательно перемешивают с отдозированным количеством вспученного перлита в течение 10 минут. В результате перемешивания жидкого стекла и вспученного перлита получается шихта для получения пеностекла, представляющая собой рыхлую смесь с влажностью 40%. Приготовленную шихту в расчетном количестве загружают в разборную металлическую форму без уплотнения, поверхностный слой шихты выравнивают, форму закрывают крышкой с жесткими фиксаторами и подают в печь вспенивания для термообработки при температуре до 780°С в течение 0,5-1 ч. Время вспенивания зависит от габаритных размеров и объема изделий. Отжиг готовых изделий проводят при температуре от 780°С до 360°С в течение 1 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Основным преимуществом предлагаемого состава шихты является использование микрокремнезема конденсированного и вспученного перлита, находящихся в исходном тонкодисперсном состоянии, что исключает необходимость помола основных компонентов шихты. По сравнению с прототипом, в котором в качестве кремнеземистого компонента используется диатомит, трепел или опока, использование микрокремнезема конденсированного в предлагаемом составе шихты позволят синтезировать в присутствии горячей воды и гидроксида натрия высокоактивные по отношению к вспученному перлиту гидросиликаты натрия (жидкое стекло) в течение 10-15 мин при температуре до 100°С. Дополнительное диспергирование микрокремнезема конденсированного происходит при его химическом взаимодействии с гидроксидом натрия и последующим смешением продукта взаимодействия со вспученным перлитом. В составе шихты прототипа гидросиликаты натрия не образуются, т.к. шихта готовится при помоле сухих компонентов и взаимодействие между оксидами кремнезема и натрия начинается только при температуре более 700°С. Кроме того, наличие в составе микрокремнезема конденсированного свободного углерода (до 0,9%), свободного кремния (до 0,3%) и карбида кремния (до 0,5%) позволяет отказаться от дополнительного ввода углеродистого газообразователя в состав шихты.

Основным преимуществом предлагаемого способа получения пеностекла является использование шихты с влажностью до 40% и ее вспенивание в замкнутом объеме металлической формы.

При резком помещении формы с влажной шихтой в печь в зону с температурой 650°С образуется большой объем водяных паров, которые создают в объеме шихты гидротермальные условия, способствующие сохранению поризационной способности шихты за счет образования дополнительного количества гидросиликатов и гидроалюминатов натрия, при разложении которых происходит предварительное вспенивание шихты, а окончательное вспенивание происходит при нагреве форм до конечной температуры 780°С в процессе разложения газообразователей, входящих в состав микрокремнезема конденсированного.

Проведение процесса по предлагаемому способу в замкнутом объеме формы позволяет получать изделия с заданными геометрическими размерами и формой, с тонкой (0,1-0,3 мм) плотной остеклованной корочкой на поверхности изделий. Это позволяет исключить из процесса получения пеностекольных изделий операцию их опиловки.

Пример конкретного исполнения.

Для получения 1 м³ пеностекла с плотностью 240 кг/м³ необходимо взять 127,27 кг микрокремнезема конденсированного, 54,55 кг гидроксида натрия и 181,82 кг горячей воды. Указанные компоненты перемешивают в течение 10 мин, в результате чего образуется гидросиликат натрия (жидкое стекло), который затем тщательно перемешивают с 90,91 кг вспученного перлита. Полученную шихту с влажностью 40% загружают в разборную металлическую форму, внутреннюю поверхность которой для исключения прилипания к форме, предварительно смазывают глиноизвестковой или глиногипсовой суспензией. Расчетное количество шихты, загружаемое в форму, определяют по формуле:

m=1,894·p·V, г (кг),

где 1,894 - коэффициент, учитывающий потерю влаги при термообработке шихты;

p - заданная плотность пеностекла, г/см³ (кг/м³);

V - объем формы, см³ (м³).

Загруженную шихту в форме разравнивают в поверхностном слое, форму закрывают крышкой с фиксаторами и помещают в муфельную печь, предварительно нагретую до температуры 650°С. Дальнейший нагрев формы до конечной температуры 780°С проводят в течение 30 мин, после чего печь отключают и охлаждают формы с изделием до температуры 360°С в течение часа. После этого форму извлекают из печи и охлаждают на воздухе в течение 30 мин до температуры 50-60°С, разбирают и из нее извлекают изделие, у которого определяют все необходимые параметры.

Необходимо отметить, что все изделия имели четкую геометрическую форму и размеры, а их поверхность была покрыта сплошной остеклованной корочкой толщиной 0,1-0,3 мм. Размер полученных изделий 10×10×5 см³, объем - 500 см³.

По такому способу были изготовлены изделия с плотностью в пределах 200-300 кг/м³ с шагом в 20 кг/м³. Расчетные количества компонентов шихты для получения изделий с заданной плотностью и их свойства представлены в таблице, из которой следует, что использование предлагаемых состава шихты и способа позволяет получать изделия из пеностекла со свойствами, превосходящими свойства изделий, получаемых из известных составов по известным способам.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с известными способами и составами, используемыми в технологии пеностекла, обладает существенным преимуществом, среди которых необходимо выделить следующие:

- упрощается технология получения пеностекла;

- из технологического процесса исключается энергозатратная стадия высокотемпературной варки стекла;

- исключается операция тонкого помола компонентов шихты;

- активация шихты осуществляется не механическим, а химическим способом;

- утилизируется техногенный отход - микрокремнезем конденсированный;

- более эффективно используется вспученный перлит по сравнению, например, с производством цементно-перлитовых изделий;

- существенно сокращаются температура и время вспенивания шихты и время отжига изделий;

Получаемые по предлагаемому техническому решению изделия из пеностекла можно использовать для теплоизоляции различных строительных объектов, энергетических установок и трубопроводного транспорта.

Способ получения пеностекла и шихта для его изготовления
Компоненты шихты и свойства изделий	Расход компонентов шихты на 1 м3 пеностекла (кг), режим термообработки и показатели свойств изделий
1	2	3	4	5	6
Вспученный перлит, кг	75,76	83,34	90,91	98,49	106,06	113,64
Микрокремнезем конденсированный, кг	106,06	116,67	127,27	137,88	148,50	159,09
Гидроксид натрия, кг	45,46	50,00	54,55	59,09	63,63	68,18
Вода, кг	151,52	166,67	181,82	196,98	212,13	227,28
Температура вспенивания, °С	780	780	780	780	780	780
Время вспенивания, ч	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Плотность изделий, кг/м3	200	220	240	260	280	300
Прочность при сжатии, МПа	1,28	1,36	1,55	1,67	1,71	1,75
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·град	0,058	0,061	0,066	0,068	0,072	0,078

1. Способ получения пеностекла, включающий дозирование компонентов шихты, их диспергирование, вспенивание шихты и отжиг изделий, отличающийся тем, что используют тонкодисперсный микрокремнезем конденсированный и вспученный перлит, предварительно микрокремнезем конденсированный, гидроксид натрия и горячую воду с температурой 80-90°С перемешивают в реакторе в течение 10-15 мин до образования жидкого стекла, затем жидкое стекло перемешивают со вспученным перлитом в течение 10 мин, а вспенивание шихты проводят в замкнутом объеме металлической формы при температуре до 780°С в течение 0,5-1 ч, отжиг готовых изделий проводят при температуре от 780°С до 360°С в течение 1 ч с последующим охлаждением на воздухе.

2. Шихта для изготовления пеностекла, включающая перлит, кремнеземистый компонент и гидроксид натрия, отличающаяся тем, что содержит вспученный перлит с плотностью 75-100 кг/м³, микрокремнезем конденсированный и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Перлит вспученный	20
Микрокремнезем конденсированный	28
Гидроксид натрия	12
Вода	40