Патент на изобретение №2327672

(54) СОСТАВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

(57) Реферат:

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.%:

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.%:

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.%:

В качестве глинистого сырья использована глина типа красной железисто-монтмориллонитовой состава М_xSi_8-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	, 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	, 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	, 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

Формула изобретения

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.%:

2. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующей добавки используют стекловолокно, минеральную вату, асбест (волокнистый и порошкообразный) или корундовую вату.