Патент на изобретение №2165904
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
(57) Реферат: Изобретение относится к производству высоконаполненных материалов на базе термопластичных полимеров с высоким содержанием наполнителей и может быть использовано при изготовлении кровельных материалов, плиток для пола, элементов отделки зданий. Измельченные отходы полиолефинов, используемые в качестве связующего, смешивают с минеральным наполнителем, нагретым выше температуры плавления связующего. Перед смешением производят фракционирование наполнителя с отбором фракции с размером частиц до 3 мм и фракционирование отходов полиолефинов с отбором фракции с размером частиц до 10 мм. Смешение осуществляют введением в нагретый наполнитель порционно в несколько этапов связующего и служебных веществ с последующим формованием под давлением полученной композиции и охлаждением. В качестве служебного вещества используют полифункциональную добавку, представляющую собой комплекс меламина и хлорпарафина, взятых в эквимолярном соотношении, в количестве 10-30 мас.% на полимерное связующее, причем подачу полифункциональной добавки производят на заключительном этапе приготовления композиции при температуре не выше 400°С. Использование изобретения позволяет существенно повысить устойчивость строительного материала к динамическим нагрузкам путем снижения температуры хрупкости, а также значительно понизить горючесть при высоком комплексе физико-механических свойств. Предлагаемое изобретение относится к производству строительных материалов и изделий, в частности высоконаполненных материалов с преобладающим массовым содержанием наполнителей, и может быть использовано в гражданском строительстве, например, при изготовлении кровельных материалов (черепица), плиток для пола, элементов отделки зданий, наружных облицовочных материалов и малых архитектурных форм (элементы скамеек, детских площадок, элементов ограждений и др. конструкций). Известен способ изготовления полимербетонных изделий (авт. свид. N 1756300, кл. C 04 B 26/04, опубл. 23.08.92 г. бюл. N 31), используемый при изготовлении элементов отделки зданий, кровельного материала, плиток для пола и т.д. По этому способу минеральный заполнитель нагревают до 100-250oC, смешивают с полимерным связующим в помольно-смесительных бегунах с одновременной вибрацией и полученную смесь формуют с подпрессованием, причем смесь содержит минеральный заполнитель в трех фракциях, что позволяет получить более плотную упаковку зерен заполнителя и повысить тем самым прочностные характеристики изделий. Однако изделия, изготовленные данным способом, обладают горючестью, а для реализации способа требуется дополнительное оборудование, что усложняет технологический процесс. Известен другой способ изготовления строительных изделий (авт. свид. N 1719345, кл. C 04 B 26/04, опубл. 15.03.92 г. бюл. N 10), который заключается в смешении термопластичного связующего с минеральным наполнителем, нагретым выше температуры плавления связующего, формовании, прессовании изделий при давлении 0,1-10 МПа и их охлаждении, при этом в качестве связующего используют волокнистые или тонкослойные отходы термопластичных полимерных материалов, в том числе в нерегенерированном и неуплотненном состоянии. Недостатком этого способа является невысокое качество изготовленных по нему изделий из-за плохого диспергирования наполнителя в среде связующего, повышенная хрупкость получаемой продукции при низких температурах, а также их горючесть. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления строительных материалов, в частности черепицы (пат. РФ N 2127232 кл. C 04 B 26/04, опубл. 10.03.99 г. бюл. N 7), рассматриваемый в качестве прототипа заявляемого способа. Этот способ, также основанный на смешении термопластичного связующего с минеральным наполнителем, включает фракционирование наполнителя, например песка с отбором фракции с размером частиц до 3 мм и нагрев его до 250-450oC в течение 15-30 минут, фракционирование отводов полиолефинов с отбором фракций с размером частиц до 10 мм, смешение введением в песок отходов полиолефинов и служебных веществ при следующем содержании компонентов в смеси, мас.%: Песок – 70 – 79,9 Отходы полиолефинов – 20 – 30 Служебные вещества – 0,10 – 10,0 и дальнейшее формование смеси при температуре 130-200oC и давлении 20 – 60 кг/см2 с последующим охлаждением в течение 3 – 18 ч. Недостатком известного способа (прототипа) является недостаточная устойчивость к динамическим нагрузкам получаемой продукции, в особенности проявляющаяся при низких температурах (ниже 0oC) в виде хрупкости, а также горючесть этой продукции. Изобретение направлено на получение более высоких эксплуатационных характеристик создаваемых строительных материалов и изделий, в особенности при низких температурах, с одновременным обеспечением качества и существенным понижением горючести материала путем обеспечения самозатухания при горении в случае пожаров. Сущность изобретения заключается в том, что термопластичное связующее, в качестве которого используют измельченные отходы полимерных материалов (полиолефинов), смешивают с минеральным наполнителем, нагретым выше температуры плавления связующего, причем перед смещением производят фракционирование наполнителя с целью отбора фракций с размером частиц до 3 мм и фракционирование отходов полиолефинов с отбором фракций с размером частиц до 10 мм. Смешение указанных компонентов осуществляют с одновременным использованием служебных веществ, которые вводят в нагретый наполнитель вместе со связующим. Полученную таким образом полимерную композицию подвергают далее формованию под давлением и охлаждению. Новым в предлагаемом способе является то, что смешивают 70-80 мас.% минерального наполнителя с 20-30 мас.% связующего, а в качестве служебного вещества используют полифункциональную добавку, представляющую собой комплекс меламина и хлорпарафина, взятых в эквимолярном соотношении, в количестве 10-30 мас.% на полимерное связующее, причем подачу связующего в нагретый наполнитель осуществляют порционно, в несколько этапов, а введение полифункциональной добавки производят на заключительном этапе приготовления композиции при температуре не выше 400oC. Технический результат достигается совместным использованием в комплексе меламина (МА) и хлорпарафина (ХП), взаимодействие которых обеспечивает ингибирующее действие процессов деструкции основной массы полимерного связующего при повышенных температурах, что имеет принципиальное значение для повышения механических свойств, долговечности и озоно-влагостойкости изготавливаемых материалов и изделий. Так, методом термогравиметрического анализа (ТГА) установлено, что температура начала термораспада исходного полимерного связующего, например, полиэтилена (ПЭ) составляет 204oC, в то время, как для композиции с введенной в нее добавкой в виде комплекса хлорпарафина и меламина в соотношении 1:1 в количестве 20 мас.% на ПЭ температура начала термораспада повышается до 327oC. Использование полифункциональной добавки с хлорпарафином, имеющим температуру застывания порядка -50oC, позволяет также повысить устойчивость получаемой продукции к динамическим нагрузкам, в особенности при низких температурах. В результате осуществления предлагаемой технологии обеспечивается лучшее диспергирование наполнителя в массе полиолефинов, что уменьшает дефектность и композиционную неоднородность смеси, и способствует также повышению уровня механических свойств изготавливаемого материала и изделий. Взаимодействие меламина с хлорпарафином, кроме того, повышает температурную устойчивость полифункциональной добавки, что гарантирует ее эффективность даже в случаях местных перегревов отдельных слоев наполнителя. Последнее подтверждается данными термогравиметрического анализа. Температурная область действия полифункциональной добавки лежит в пределах от 230oC до 520oC, в то время, как для индивидуальных продуктов эти области более узкие : для хлорпарафина от 203oC до 300oC, для меламина от 255oC до 360oC, при этом интенсивность разложения полифункциональной добавки зависит от соотношения меламина и хлорпарафина и максимальна при их зквимолярном соотношении. Именно повышение температуры разложения продукта взаимодействия МА и ХП предопределило его использование в предлагаемой технологии, поскольку температура нагретого песка может достигнуть 400oC, а конверсия распада полифункциональной добавки при этой температуре составляет 50%. Особенно важным результатом использования полифункциональной добавки является синергетический эффект пламегашения, получаемый от взаимодействия меламина и хлорпарафина, что существенно снижает горючесть создаваемого материала и изделий. Предлагаемый способ изготовления строительных материалов и изделий осуществляют следующим образом. Для получения строительной композиции подготавливают основные компоненты – минеральный наполнитель и полимерное связующее. Минеральный наполнитель, например песок, при необходимости сушат при комнатной температуре (16-25oC) в течение не менее двух суток и затем производят его фракционирование – отделение крупной фракции с выделением фракций с размером частиц до 3 мм. Отходы полимерных материалов – полиолефинов (ПО), используемые в качестве термопластичного полимерного связующего, представляют собой продукты бытового применения (отходы потребления) полиэтилена и полипропилена в виде пленки, жгутов, мешков, тары, труб, арматуры и других полимерных изделий, не содержащих металла, дерева и других инородных материалов. Эти отходы предварительно дробят (измельчают), по возможности агломерируют и фракционируют с отбором фракций с размером частиц до 10 мм. Наполнитель отобранной фракции прокаливают в электропечи при температуре не выше 500oC. В нагретый наполнитель вводят подготовленные отходы полиолефинов как связующее, причем подачу этих отходов осуществляют отдельными порциями, поэтапно, например, на 140 кг песка полимерные отходы вводят в 3 этапа, порциями по 10-15 кг с интервалом между ними в 10-15 минут, а смешение наполнителя и связующего производят непрерывно после подачи каждой следующей порции отходов. При смешении указанных компонентов используют также служебные вещества. При подаче в смеситель последней порции отходов полиолефинов, когда среднеобъемная температура композиции уже не превышает 400oC, вводят в качестве служебного вещества полифункциональную добавку, представляющую собой комплекс меламина и хлорпарафина, приготовленный заранее, в зквимолярном соотношении в количестве 10-30 мас.% на полимерное связующее. Полифункциональную добавку готовят следующим образом. Порошок меламина диспергируют в жидком хлорпарафине при постоянном перемешивании при температуре 50  2oC до получения однородной массы. После загрузки последней порции полиолефинов вместе с полифункциональной добавкой смешение компонентов производят не менее 10 минут. Затем полученную композицию при температуре не ниже 200oC формуют, например, на прессах в охлаждаемых прессформах при давлении 70 – 100 кг/см2. Изготовленные изделия охлаждают затем на воздухе.
Практическая применимость изобретения иллюстрируется примерами конкретного выполнения.
Пример 1.
40 кг смеси отходов полиолефинов (ПО) агломерировали и фракционировали до размеров частиц 10 мм.
140 кг песка, предварительно просушенного до влажности не более 1%, контролируемой фракции с размерами частиц 0,63-2,5 мм нагревали в электропечи до среднеобъемной температуры не выше 500oC и загружали в смеситель периодического действия, где в течение 5 минут перемешивали для выравнивания температуры, после чего в горячий песок вводили первую порцию полимерного связующего массой 10-15 кг для снижения среднеобъемной температуры песка, при этом достигалась равномерная адсорбция полимерного связующего вокруг частиц песка. Затем в смеситель с интервалом 10 минут добавляли заранее подготовленные порции полимерного связующего (по 10-15 кг) и пигмента в качестве служебного вещества. После смешения полученную композицию при температуре не ниже 200oC помещали (через дозатор) в охлаждаемую водой форму, закрепленную на прессе, и формовали при давлении 100 кг/см2.
После выдержки в прессе в течение времени, необходимого для завершения основных процессов кристаллизации и усадки, отформованный образец вынимали и выдерживали при комнатной температуре для завершения указанных процессов.
Полученные в результате формования стандартные образцы материала имели следующие показатели свойств:Динамический модуль Е, МПа: при -500oC – 600,0 при +20oC – 450,0 при +60oC – 300,0 при +100oC – 55,0 при +120oC – 4,2 Тангенс угла механических потерь: при -50oC – 0,20 при +20oC – 0,28 при +60oC – 0,30 при +100oC – 0,35 при +120oC – 0,60 Прочность при сжатии, МПа – 22 – 24 Температура хрупкости, oC – 0 Плотность, кг/м3 – 1700 Время затухания пламени пластинки 50х5х1 мм, с – 90 Пример 2. 40 кг смеси отходов полиолефинов агломерировали и фракционировали до размеров частиц 10 мм. 140 кг песка, предварительно просушенного до влажности не более 1%, контролируемой фракции с размером частиц 0,63-2,5 мм нагревали в электропечи до температуры не выше 500oC, загружали в смеситель периодического действия и перемешивали для выравнивания температур в течение 5 минут, после чего в горячий песок вводили единовременно 40 кг полимерного связующего и пигмента. После смешения в течение 10 минут полученную композицию обрабатывали, как в примере 1. Полученные в результате формования образцы материала имели следующие показатели свойств: Динамический модуль Е, МПа: при -50oC – 270 при +20oC – 115 при +60oC – 107 при +100oC – 20 при +120oC – 1,3 Тангенс угла механических потерь: при -50oC – 0,35 при +20oC – 0,35 при +60oC – 0,40 при +100oC – 0,50 при +120oC – 0,85 Температура хрупкости, oC – -13 Прочность при сжатии, МПа – 15 – 18 Плотность, кг/м3 – 1700 Время затухания пламени пластинки 50х5х1 мм, с – 90 Примеры 1 и 2 приведены в качестве контрольных вариантов для сравнения получаемых свойств без использования полифункциональной добавки. Пример 3. В условиях примера 1 в горячий наполнитель (песок) с последней порцией полимерного связующего при температуре не выше 400oC вводили 4 кг (10 мас.% на полимерное связующее) заранее подготовленной полифункциональной добавки, представляющей собой комплекс хлорпарафина (ХП) с меламином в соотношении 9: 1. Смешение производили в течение 15 минут. Полученную композицию обрабатывали, как в примере 1. Полученные в результате формования стандартные образцы материала имели следующие показатели : Динамический модуль Е, МПа: при -50oC – 450,0 при +20oC – 310,0 при +60oC – 150,0 при +100oC – 27,0 при +120oC – 2,8 Тангенс угла механических потерь: при -50oC – 0,25 при +20oC – 0,25 при +60oC – 0,25 при +100oC – 0,30 при +120oC – 0,56 Прочность при сжатии, МПа – 20 – 22 Температура хрупкости, oC – -30 Плотность, кг/м3 – 1650 Время затухания пламени пластинки 50х5х1 мм, с – 90 Пример 4. В условиях примера 1 в горячий песок с последней порцией полимерного связующего при температуре не выше 400oC вводили 4 кг (10 мас.% к связующему) заранее подготовленной полифункциональной добавки, представляющей собой комплекс хлорпарафина с меламином в соотношении 1:9. Смешение производили в течение 15 минут. Полученную композицию обрабатывали, как в примере 1. Полученные в результате формования стандартные образцы материала имели следующие показатели : Динамический модуль Е, МПа: при -50oC – 600,0 при +20oC – 450,0 при +60oC – 320,0 при +100oC – 51,5 при +120oC – 5,1 Тангенс угла механических потерь: при -50oC – 0,20 при +20oC – 0,27 при +60oC – 0,30 при +100oC – 0,35 при +120oC – 0,60 Прочность при сжатии, МПа – 22 -24 Температура хрупкости, oC – 0 Плотность, кг/м3 – 1680 Время затухания пламени пластинки 50х5х1 мм, с – 70 Пример 5. В условиях примера 1 в горячий песок с последней порцией полимерного связующего при температуре не выше 400oC вводили 4 кг (10 мас.% к связующему) заранее приготовленной полифункциональной добавки, представляющей собой комплекс хлорпарафина и меламина в соотношении 1:1 (зквимолярное). Смешение проводили в течение 15 минут. Полученную композицию обрабатывали, как в примере 1. Полученные в результате формования стандартные образцы материала имели следующие показатели: Динамический модуль Е, МПа: при -50oC – 600,0 при +20oC – 450,0 при +60oC – 280,0 при +100oC – 50,0 при +120oC – 4,5 Тангенс угла механических потерь: при -50oC – 0,20 при +20oC – 0,25 при +60oC – 0,28 при +100oC – 0,35 при +120oC – 0,50 Прочность при сжатии, МПа – 28 – 32 Температура хрупкости, oC – -30 Плотность, кг/м3 – 1650 Время затухания пламени пластинки 50х5х1 мм, с – 30 Пример 6. В условиях примера 1 в горячий песок с последней порцией полимерного связующего при температуре не выше 400oC вводили 8 кг (20 мас.% к связующему) служебного вещества – заранее приготовленной полифункциональной добавки, представляющей собой комплекс хлорпарафина и меламина в соотношении 1:1. Смешение проводили в течение 10-15 минут. Полученную композицию обрабатывали, как в примере 1. Полученные в результате формования стандартные образцы материала имели следующие показатели: Динамический модуль Е, МПа: при -50oC – 560,0 при +20oC – 400,0 при +60oC – 273,0 при +100oC – 46,0 при +120oC – 2,8 Тангенс угла механических потерь: при -50oC – 0,20 при +20oC – 0,25 при +60oC – 0,28 при +100oC – 0,35 при +120oC – 0,55 Прочность при сжатии, МПа – 26 – 28 Температура хрупкости, oC – -30 Плотность, кг/м3 – 1600 Время затухания пламени пластинки 50х5х1мм, с – 20 Пример 7. В условиях примера 1 в горячий песок с последней порцией полимерного связующего при температуре не выше 400oC вводили 12 кг (30 мас.% к связующему) служебного вещества – заранее приготовленной по полифункциональной добавки, представляющей собой комплекс хлорпарафина и меламина в соотношении 1: 1. Смешение проводили в течение 10-15 минут. Полученную композицию обрабатывали, как в примере 1. Образец после формования имел следующие показатели: Динамический модуль Е, МПа: при -50oC – 500,0 при +20oC – 365,0 при +60oC – 250,0 при +100oC – 35,0 при +120oC – 26,0 Тангенс угла механических потерь: при -50oC – 0,25 при +20oC – 0,25 при +60oC – 0,30 при +100oC – 0,35 при +120oC – 0,60 Температура хрупкости, oC – -36 Прочность при сжатии, МПа – 22 – 26 Плотность, кг/м3 – 1520 Время затухания пламени пластинки 50х5х1мм, с – 10 Пример 8. В условиях примера 1 в наполнитель вводили 16 кг (40 мас.% к связующему) заранее приготовленной полифункциональной добавки, представляющей собой комплекс хлорпарафина и меламина в соотношении 1:1. Смешение проводили в течение 10-15 минут. Полученную композицию обрабатывали, как в примере 1. Полученные в результате формования образцы материала имели следующие показатели: Динамический модуль Е, МПа: при -50oC – 340,0 при +20oC – 150,0 при +60oC – 127,0 при +100oC – 27,0 при +120oC – 2,6 Тангенс угла механических потерь: при -50oC – 0,30 при +20oC – 0,30 при +60oC – 0,35 при +100oC – 0,40 при +120oC – 0,70 Температура хрупкости, oC – -40 Прочность при сжатии, МПа – 8 – 10 Плотность, кг/м3 – 1400 Время затухания пламени пластинки 50х5х1 мм, с – 5 Пример 9. В условиях примера 1 с первой порцией полимерного связующего при температуре выше 400oC в песок вводили 8 кг (20 мас.% к связующему) служебного вещества – заранее приготовленной полифункциональной добавки, представляющей собой комплекс хлорпарафина и меламина в соотношении 1:1. Смешение проводили в течение 10-15 минут. Полученную композицию обрабатывали, как в примере 1. Полученные в результате формования стандартные образцы материала имели следующие показатели свойств : Динамический модуль, МПа: при -50oC – 580,0 при +20oC – 440,0 при +60oC – 275,0 при +100oC – 50,0 при +120oC – 2,3 Тангенс угла механических потерь: при -50oC – 0,35 при +20oC – 0,35 при +60oC – 0,40 при +100oC – 0,50 при +120oC – 0,88 Прочность при сжатии, МПа – 22 – 28 Температура хрупкости, oC – -10 Плотность, кг/м3 – 1700 Время затухания пламени пластинки 50х5х1мм, с – 90 Из приведенных примеров видно, что увеличение содержания полифункциональной добавки приводит к существенному уменьшению времени затухания от 90 до 5 с, однако при концентрации добавки свыше 30% на полимерное связующее наблюдается падение механических свойств. Оптимальным принято содержание полифункциональной добавки от 10 до 30 мас.% на полимерное связующее. При введении полифункциональной добавки при температуре выше 400oC происходит ее разложение и время затухания возрастает до исходного значения (90 с). Использование пигмента в качестве служебного вещества в примерах 1 и 2 описания к заявке не являются обязательным, так как не влияет на параметры представленных в примерах 3-9 свойств строительных материалов. Таким образом, использование полифункциональной добавки в оптимальном количестве от 10 до 30 мас.% на связующее позволяет существенно повысить устойчивость строительного материала к динамическим нагрузкам путем снижения температуры хрупкости, а также значительно понизить горючесть при высоком комплексе физико-механических свойств. Выпуск продукции по данному способу намечен в ЗАО “Камея” г. Санкт-Петербург. Формула изобретения
|
||||||||||||||||||||||||||
