RU2844108C1 - Композиция для изготовления гранулированного теплоизоляционного материала - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области производства строительных материалов, а именно к составам для изготовления теплоизоляционного гранулированного материала, применяемого в качестве засыпного утеплителя и легкого заполнителя для бетона. Техническим результатом является повышение водостойкости гранулированного теплоизоляционного материала, уменьшение коэффициента теплопроводности при сохранении прочностных характеристик. Композиция для изготовления гранулированного теплоизоляционного материала, включающая кремнеземсодержащий компонент: опоку, или трепел, или диатомит, щелочной компонент в виде гидроксида натрия, воду, дополнительно содержит минеральный продукт содового производства на основе карбоната кальция и сульфата кальция и водно-спиртовой раствор ацетата цинка при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%: опока, или диатомит, или трепел 38-47, гидроксид натрия 7,8-12,2, минеральный продукт содового производства 6,1-10,5, водно-спиртовой раствор ацетата цинка 7,2-10,7, вода - остальное. Добавка водно-спиртового раствора ацетата цинка повышает водостойкость пористых гранул, полученных из композиции, за счет образования труднорастворимых гидросиликатов цинка. 3 табл.

Description

Область техники

Изобретение относится к области производства строительных материалов, а именно к составам для изготовления гранулированного теплоизоляционного материала, применяемого в качестве засыпного утеплителя и легкого заполнителя для бетона.

Способность водных щелочных растворов силикатов натрия (жидкого стекла) сохранять вязкопластическое состояние на стадии приготовления сырьевой смеси обеспечивает благоприятные условия для получения эффективных гранулированных теплоизоляционных материалов. Повышение водостойкости, в первую очередь, позволит расширить области их применения в строительстве.

Уровень техники

Известна композиция на основе жидкого стекла с добавкой ацетата цинка в виде 20-28%-ного водного раствора ацетата цинка (добавка повышающая водостойкость) и включающая кремнефтористый натрий, кварцевый наполнитель, кварцевый песок, раствор полистирола в органическом растворителе, используемый в виде эмульсии, полученной смешением с жидким стеклом, содержит 20-30%-ный раствор полистирола в неполярном органическом растворителе, имеющем показатель диэлектрической проницаемости 2,1-2,7 (патент RU 2580539 С1 «Жидкостекольная композиция», МПК С04В 28/26, С04В 111/20, опубл. 10.04.2016 г.). Данная сырьевая композиция характеризуется водостойкостью. Однако имеет другое функциональное назначение и не предназначена для изготовления пористых гранулированных материалов.

Известна композиция на основе жидкого стекла для получения теплоизоляционных изделий с добавкой ацетата натрия в виде водного раствора и содержащая в составе гидрофобизирующую добавку, вспученный легкий заполнитель (авторское свидетельство СССР №536152 «Композиция для получения теплоизоляционных изделий», М. кл. С04В 43/08, С04В 19/04, опубл. 12.01.1977 г.). В данной композиции в качестве связующего используется дорогостоящее товарное жидкое стекло, кроме этого недостатком известного состава является относительно низкая водостойкость.

Известна сырьевая смесь для получения теплоизоляционного материала, включающая жидкое стекло, гидроксид кальция - гашеную известь (компонент повышающий водостойкость), древесный опил, вода. Способ изготовления пеносиликатного теплоизоляционного материала включает приготовление сырьевой смеси смешением компонентов, получение гранул, их последующую термообработку. При этом перемешивание ведут до загустения композиции, полученную композицию выдерживают до образования устойчивого геля, гель дробят, помещают в формы и проводят термообработку (патент RU 2341483 C2 «Сырьевая смесь для получения пеносиликатного теплоизоляционного материала и способ его изготовления», МПК C04B 28/26 C04B 40/00, опубл. 20.12.2008 г.). Недостатком сырьевой смеси является использование дорогостоящего товарного жидкого стекла.

Известна композиция для изготовления сферических гранул для теплоизоляционного материала, включающая жидкое стекло, наполнитель и добавку. В качестве наполнителя используют опоку, а в качестве добавки - промежуточный продукт производства метилметакрилата (патент RU 2158716 С2, кл. С04В 28/26, С04В 14:24, С04В 111:20, опубл. 10.11.2000 г.). Технический эффект изобретения заключается в повышении водостойкости. Кроме этого, за счет используемых наполнителя и добавки, происходит огеливание поверхности материала, что способствует эффективному процессу формования гранулированного материала. Однако, данная композиция имеет относительно высокий показатель плотности и низкий показатель прочности, содержит дорогостоящее товарное жидкое стекло.

Известна композиция для изготовления теплоизоляционного материала, включающая кремнеземсодержащий компонент - опоку, или трепел, или диатомит, гидроксид натрия и воду, содержит дополнительно пиролизную сажу от сжигания резиновых покрышек, фильтрационный осадок сахарного производства и мелкодисперсный порошок боя керамического кирпича или керамзита (патент RU 2424214 С1, кл. C04B 38/00, C04B 28/26, C04B 111/40, опубл. 20.07.2011 г.). В процессе приготовления композиции образуются метасиликатнатриевое связующее, что снижает стоимость готового материала. В композиции используются компоненты, содержащие ионы кальция, цинка, магния, алюминия, способствующие повышению водостойкости. Кроме этого композиция обладает относительно низким показателем средней плотности и коэффициентом теплопроводности. Однако известная композиция относится к составам для получения плитных утеплителей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является состав композиционного материала для изготовления пористых гранул широкого спектра применения (патент RU 2725997 С1, кл. C04B 20/06 , C04B 28/26 , C04B 111/20, C04B 111/40, опубл. 08.07.2020 г.), принятый за прототип и содержащий диатомит или трепел как кремнеземсодержащий компонент, жидкое стекло, каустическую соду (гидроксид натрия) как щелочной компонент, доломит и воду в следующем соотношении, мас.%:

диатомит или трепел	57-72
жидкое стекло	5-12
каустическая сода	13-20
доломит	4-6
вода	остальное

Пористые гранулы на основе известного состава обладают относительно высокими теплотехническими и прочностными характеристиками, относительно низким водопоглощением по объему. Однако к недостаткам следует отнести пониженную стойкость к разрушающему воздействию воды как из-за малого содержания компонентов способствующих повышению водостойкости, так и из-за недостаточно эффективного процесса образования водостойких соединений в силикатнатриевой системе при взаимодействии с доломитом (компонентом состоящим преимущественно из карбонатов кальция и магния) как на начальных этапах структурообразования, так и на этапе термической обработки. Кроме этого в составе содержится дорогостоящее товарное жидкое стекло и ввиду отсутствия гелеобразующей добавки композиция характеризуется относительно не высокими технологическими показателями.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является получение композиции с улучшенными эксплуатационными и теплотехническими показателями.

Технический результат заключается в повышении водостойкости гранулированного теплоизоляционного материала, уменьшении коэффициента теплопроводности при сохранении прочностных характеристик.

Технический результат достигается тем, что композиция для изготовления гранулированного теплоизоляционного материала, включающая опоку или трепел, или диатомит как кремнеземсодержащий компонент, гидроксид натрия как щелочной компонент и воду, согласно решению, дополнительно содержит минеральный продукт содового производства и водно-спиртовой раствор ацетата цинка при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:

кремнеземсодержащий компонент
(опока, или диатомит, или трепел)	38-47
щелочной компонент (гидроксид натрия)	7,8-12,2
минеральный продукт содового производства	6,1-10,5
водно-спиртовой раствор ацетата цинка	7,2-10,7
вода	остальное

Осуществление изобретения

Сущность изобретения заключается в следующем. Комплексное использование сырьевых компонентов, содержащих ионы кальция и цинка, позволяет повысить водостойкость гранулированного теплоизоляционного материала за счет образования различного рода труднорастворимых силикатов кальция и цинка.

В предлагаемой композиции в качестве компонента, выполняющего роль заполнителя объема и образующего пространственную структуру пористых гранул используется тонкодисперсная добавка - минеральный продукт содового производства (отход содового производства), состоящий в основном из карбоната и сульфата кальция. В качестве компонента-коагулянта, который оказывает влияние на вязко-пластичные свойства композиции и увеличивает степени ее поризации, что приводит к улучшению технологических показателей композиции и теплотехнических показателей пористых гранул, используется водно-спиртовой раствор ацетата цинка.

Рациональное соотношение щелочного компонента (гидроксида натрия) и кремнеземсодержащего компонента составляет 0,21-0,26. При меньшем соотношении увеличивается плотность и коэффициент теплопроводности гранулированного материала, при большем соотношении ухудшаются эксплуатационные характеристики, а также происходит удорожание материала.

Рациональное содержание в композиции минерального продукта содового производства составляет 6,1–10,5 (мас.%). При уменьшении его содержания гранулированный материал обладает неправильной формой и неоднородной пустотело-пористой структурой, происходит снижение водостойкости. Увеличение доли данного компонента приводит к повышению плотности и коэффициента теплопроводности пористых гранул. Минеральный продукт содового производства представляет собой достаточно крупные и влажные куски, которые подвергаются сушке и измельчению до состояния тонкодисперсного порошка с удельной поверхностью S_уд=300-500 м²/кг. Повышение водостойкости пористых гранул при введении тонкодисперсного содового продукта в композицию осуществляется за счет образования труднорастворимых силикатов кальция в результате взаимодействия силикатнатриевой системы с кальциевыми солями серной и угольной кислоты и активной окисью кальция, содержащейся в продукте. Минеральный продукт содового производства является достаточно пористым продуктом с плотностью 1780-1800 кг/м³, что позволяет получить пористые гранулы с относительно низкими показателями плотности. Кроме этого использование отхода содового производства в композиции позволяет расширить сырьевую базу и решить экологическую проблему утилизации данного вида отходов.

Рациональное содержание водно-спиртового раствора ацетата цинка составляет 7,2-10,7 (мас.%), так как уменьшение содержания добавки в композиции ниже указанных пределов приводит к снижению водостойкости и при этом ухудшаются технологические показатели композиции, а превышение выше указанных пределов приводит к выраженной коагуляция силикатнатриевой системы с нарушением структуры и как следствие снижением прочности и водостойкости. Для получения однородной смеси и повышения эксплуатационных и теплотехнических характеристик оптимальной является концентрация раствора 20-22%. Положительный эффект, проявляющийся в комплексном повышении теплотехнических характеристик и водостойкости пористых гранул, проявляется при введении в композицию ацетата цинка именно в виде водно-спиртового раствора, где используется этиловый спирт (второй после воды растворитель для цинковой соли). При введении в композицию этилового спирта и водного раствора ацетата цинка по отдельности происходит формирование крупнопористой структуры в объеме вспученной гранулы, что приводит к снижению прочности и повышению водопоглощения по массе. Рациональное содержания указанного раствора способствует увеличению вязкости композиции, за счет чего значительно снижается ее наполнение, что обеспечивает уменьшение плотности гранул. Уменьшение величины коэффициента теплопроводности происходит, в том числе и за счет дополнительной поризации гидрогеля в результате испарения спирта из интермицеллярной жидкости в процессе нагрева. Предлагаемая добавка повышает водостойкость пористых гранул за счет образования различных форм труднорастовримых гидросиликатов цинка через стадию щелочного гидролиза на начальных этапах взаимодействия компонентов, а также термолиза ацетата цинка непосредственно в объеме силикатнатриевой системы в процессе термовспучивания сырцовых гранул.

Для получения композиции используются следующие сырьевые материалы: гидроксид натрия технический ГОСТ 2263-79 «Натр едкий технический», кремнистые породы с содержанием SiO₂ 82-92%: опока карьера села Поливановка Саратовской области, трепел Зикеевского месторождения Калужской области, диатомит Балашейского месторождения Самарской области; минеральный продукт содового производства ТУ 2149-33400203312-2015 (в таблице 1 представлен минералогический состав); цинк уксуснокислый 2 - водный (дигидрат ацетата цинка (ЧДА) ГОСТ 5823-78 (с изм. 1,2.)); этиловый спирт (ГОСТ Р 558778-2013).

Приготовление композиции производят в следующей последовательности: в аппарат-нагреватель, снабженный перемешивающим устройством заливается расчетное количество воды с температурой от 30°С до 40°С, в воду дозируется сухой концентрат смесь тонкомолотой опоки и гидроксида натрия (S_уд.сух.концентрата=550-600 м²/кг) и перемешивается до получения равномерной консистенции. Гидротермальная обработка осуществляется при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Образовавшееся метасиликатнатриевое связующее загружается в смеситель. После чего подается добавка - водно-спиртовой раствор ацетата цинка и перемешивается в течение 1-1,5 мин со скоростью перемешивания 600-800 об/мин, далее подается минеральный наполнитель - тонкодисперсный минеральный продукт содового производства и перемешивается в течение 2-2,5 мин со скоростью перемешивания 3000-3500 об/мин. Далее осуществляется механическое гранулирование: формирование сырцовых гранул в шнековом грануляторе в форме цилиндров с последующим приданием им шарообразной формы в тарельчатом окатывателе и их опудриванием (тонкодисперсной опокой) для предотвращения слипания при вспучивании. Далее осуществляется вспучивание сырцовых гранул в камере, оснащенной тремя СВЧ-магнитронами мощностью 2,5-5,0 кВт в течение 3-3,5 мин (на частотах от 915 до 5200 МГЦ до Т=400-450°С).

В таблице 2 приведены конкретные составы предлагаемой композиции, в таблице 3 - физико-механические характеристики гранулированного теплоизоляционного материала на основе заявленной композиции.

Таким образом, гранулированный теплоизоляционный материал на основе предлагаемой композиции по сравнению с прототипом обладает стойкостью к разрушающему воздействию воды, меньшим коэффициентом теплопроводности при сохранении прочностных характеристик. Данное изобретение позволяет расширить область применения пористых гранулированных материалов на основе щелочных растворов силикатов натрия, повысить их долговечность.

Claims (2)

1. Композиция для изготовления гранулированного теплоизоляционного материала, включающая кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент и воду, отличающаяся тем, что содержит дополнительно минеральный продукт содового производства на основе карбоната кальция и сульфата кальция и водно-спиртовой раствор ацетата цинка с концентрацией 20-22%, при этом в качестве кремнеземсодержащего компонента композиция содержит опоку, или трепел, или диатомит, а в качестве щелочного компонента - гидроксид натрия, при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:
2. опока, или диатомит, или трепел 38-47 гидроксид натрия 7,8-12,2 минеральный продукт содового производства 6,1-10,5 водно-спиртовой раствор ацетата цинка 7,2-10,7 вода остальное