Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Особый интерес представляют теплоизоляционные материалы на основе жидкого стекла. Они экологически чистые, не горючие, в отличие от органических материалов, не дают усадку при эксплуатации, в отличие от стекловолокна. Данные материалы следует отличать от пеностекла, которое тоже является теплоизоляцией. Состав пеностекла полностью идентичен обычно стеклу (оконному, бутылочному, посудному). Технология изготовления пеностекла очень сложна (его получают в специальных туннельных печах при температуре от 800 С до 900 С). Технология изготовления теплозвукоизоляционного материала из жидкого стекла достаточно простая и не требует сложного оборудования.

Существуют 3 основных технологии получения теплозвукоизоляционных материалов: в комнатных условиях, при повышенной температуре и метод вспенивания.

1. Композиции на основе жидкого стекла, вспенивание в которых происходит за счет химических реакций

Рассмотрены теплоизоляционные и звукоизоляционные материалы на основе жидкого стекла, вспенивание в которых происходит за счет химических реакций.

В данные материалы вводятся различные специальные добавки, вызывающие вспенивание. Может быть использован полиэтилорганосиликон, позволяющий производить вспенивание композиции непосредственно на теплоизолируемой поверхности и получать монолитную теплоизоляцию с суточной прочностью при сжатии 0,9-2,26 МПа [2]. Применяется алюминиевая пудра, что не ухудшает технологичность изготовления материала, так как из состава исключены такие компоненты, как гидрат окиси алюминия и гидрат окиси натрия [3]. Используется кремний, реакция которого со щелочной средой происходит по экзотермическому процессу с большим выделением тепла [4]. В результате происходит саморазогрев состава и дополнительное тепловое отверждение, выделяющиеся пары воды и водорода являются порообразователями, что способствует многократному увеличению объема теплоизоляционного материала. За счет саморазогрева состав теряет вторичную воду, что приводит к увеличению диэлектрических свойств материала. Алкилбензолсульфоновая кислота обеспечивает предварительное вспенивание массы, что в конечном итоге снижает объемную массу пористого материала [6].

В качестве наполнителя применяют различные дисперсные и волокнистые наполнители.

Стекловолокно позволяет повысить прочность композиции [3]. Каолин повышает термостойкость материала и одновременно выполняет функцию наполнителя [4]. Зола унос как тонкодисперсный компонент не нуждается в дополнительном помоле, что упрощает технологию изготовления изделий, исключается необходимость автоклавной обработки, следовательно, снижается себестоимость [5]. Активный по отношению к натриевому жидкому стеклу фторфосфат кальция, взаимодействуя с жидким стеклом, связывает щелочь, образуя труднорастворимое соединение. Это способствует увеличению водостойкости композиции [6].

Композиции содержат различные инициаторы твердения. Отвердитель кремнефтористый натрий представляет собой однородный жидкий раствор, который готовят путем растворения высших жирных кислот в этилсиликате. Кислоты вводят в отдельности или в сочетании друг с другом. Жидкое стекло, находящееся в растворной смеси, при взаимодействии с кремнефтористым натрием вступает во взаимодействие с двумя составляющими кремнийорганического отвердителя. Реакция между жидким стеклом и высшими жирными кислотами происходит моментально, в результате чего образуются мыла, которые устраняют расслоение этилсиликата из раствора, а также повышается модуль жидкого стекла и ускоряется твердение жидкостекольного раствора [0]. Временным ускорителем отверждения является гидрат окиси натрия, повышающий щелочность и пластичность состава [3]. Гидрат окиси алюминия используется в качестве нейтрализатора щелочной среды [4]. Использование фторида алюминия в качестве отвердителя усиливает процесс образования труднорастворимого соединения, что увеличивает скорость реакции [6].

Известна композиция для изготовления теплоизоляции в таблице 1 [3].

Таблица 1 - Композиция для изготовления теплоизоляции

В качестве вспучивающей добавки в этой композиции используют алюминиевую пудру. Эффект вспучивания усиливается за счет извести-пушонки. Поэтому такая композиция вспучивается сразу, что не позволяет получить монолитного теплоизоляционного покрытия, например, непосредственно в трубопроводах, на месте их монтажа или при замене их теплоизоляции без дополнительного усиления давления на вспененную массу.

Прочность указанной теплоизоляции при сжатии равна 11,0 кг/см².

Цель изобретения - обеспечить вспенивание композиции непосредственно на теплоизолируемой поверхности и получение монолитной теплоизоляции с суточной прочностью присжатии 0,9-2,26МПа. Это достигается тем, что композиция для получения теплоизоляции, включающая жидкое стекло, молотый песок, кремнефтористый натрий и вспенивающий агент, содержит в качестве вспенивающего агента полиэтилорганосиликон при соотношении компонентов в таблице 2.

Таблица 2 - Композиция для изготовления теплоизоляции

2. Композиции на основе жидкого стекла, отверждаемые при повышенной температуре

Рассмотрены теплоизоляционные и звукоизоляционные материалы на основе жидкого стекла, отверждаемые при повышенной температуре.

Данные материалы отверждаются под действием высокой температуры. Пенообразование происходит за счет химической реакции при нагревании различных соединений. Нагреванию подвергаются металлические порошки, химически взаимодействующие с раствором жидкого стекла с образованием солей и газообразных продуктов [7]. Фосфорсодержащие компоненты и кремнийсодержащие компоненты являются агентами отверждения и структурообразования [8]. В процессе смешения и формования композиций протекают химические процессы взаимодействия фторсодержащего компонента и компонентов, содержащих кремний, результатом которых является первичное самоотверждение композиции и поризация массы, которые завершаются к моменту окончания тепловой обработки.

Отверждение происходит при использовании наполнителей, выделении паров, за счет использования кислородсодержащих соединений и использовании газообразователей. Применяется вспученный наполнитель - вспученным вермикулит фракции 10-50 мас.% на 100 мас.% смеси для увеличения механической прочности при снижении времени термообработки с сохранением влагостойкости материала [9]. При использовании выделения паров из материала в пиропластическом состоянии компоненты сырьевой смеси предварительно перемешивают в шнековом смесителе, затем массу продавливают через круглые отверстия решетки экструдера с образованием гранул, которые сушат при 60 до 100^oC. При этом происходит сушка и отверждение сырых гранул. Для улучшения эксплуатационных характеристик гранул производится их вспенивание в высокотемпературной зоне при 360 800^oC, где происходит их окончательное вспучивание за счет выделения паров из материала в пиропластическом состоянии [10]. Композиция может отверждаться за счет использования кислородсодержащих солей меди (II), являющихся модифицирующим компонентом. В качестве кислородсодержащей соли меди (II) силикатная композиция может содержать сульфат меди (II). [11]. Алюминиевая пудра применяется в качестве газообразователя и используется совместно с аэросилом - коллоидным диоксидом кремния. [12].

В качестве наполнителя применяются негорючие материалы, которые способны выдержать подобный нагрев. Микрокремнезем в соединениях с жидким стеклом повышает его модуль (отношение числа грамм-молекул кремнезема к числу грамм-молекул окиси натрия или калия) [13]. Аморфный кремнезем в сочетании с колоидно-графитовым препаратом улучшает электропроводящие свойства [14]. Полые стеклянные микросферы на основе кремнийсодержащего вещества вводятся в оптимальном количестве, достаточном для обеспечения всестороннего взаимодействия со связующим и фторсодержащим компонентом с образованием системы прочно связанных элементов структуры, нерастворимых в растворителе. Это является основой для обеспечения высокой термостойкости (до ?1000^oC) [8]. Полые зольные микросферы в виде дымовых отходов - огнеупорный наполнитель для сохранения термостойкости за счет сохранения температуры плавкости отвержденной композиции [11]. Молотый песок cовместно с жидким стеклом, кальцийсодержащим наполнителем и кремнийорганической жидкостью позволяет получить водостойкие гранулы с возможностью их длительного хранения перед вспениванием и низкой объемной массой после вспенивания [10]. Горелая порода вместе с нагретым до до 80^oС жидким стеклом смешивается с хлористым натрием, затем с наполнителем - горелой породой фракции 0,063 - 0,1 мм с последующей выдержкой при 60 - 80^oC в течение 30 - 90 мин, а термообработку осуществляют в сверхвысокочастотном поле с выдержкой при 200 - 350^oC в течение 1 - 2 мин [9]. Зола-унос вместе с жидким стеклом, щелочью и газообразователем позволяет снизить теплопроводность и температуру вспучивания [12].

Может использоваться различный отвердитель. Гидроксид кальция (известь) обеспечивает функции отвердителя и одновременно агента, придающего водостойкость гранулам [10]. Кремнефтористый натрий в сочетании с галогенидами щелочных металлов обеспечивает оптимальный эффект упорядоченности структуры и выравнивания скоростей отверждения и вспенивания [11]. Кремнефтористый натрий и связующее водного раствора силиката щелочного металла (т.е. жидкого минерального стекла) приводят в контакт путем последовательного дозирования с последующим перемешиванием для обеспечения равномерного взаимного перераспределения и исключения комкования массы [8]. Натриевая соль неорганической кислоты и микрокремнезема способствует получению пеносиликатного теплоизоляционного материала с небольшой объемной массой, достаточной прочностью и водостойкостью [13].

Для придания теплоизоляционному материалу дополнительных свойств могут использоваться следующие добавки. Огнеупорные добавки: полые микросферы на основе кремнийсодержащего вещества и зольные микросферы [8], [11]. Для повышения влагостойкости применяется хлорид натрия [13]. Также влагостойкость увеличивается с применением кремнийорганической жидкости [10]. Электропроводящие свойства повышает коллоидно-графитовый препарат [14]. Для снижение теплопроводности применяется аэросил [14], [12].

Таблица 3 - Композиция для изготовления теплоизоляции

Технический результат, обеспечиваемый заявляемой композицией, заключается в повышении равнопористости и степени поризации пеноматериала, снижении плотности до 390 кг/м³ и коэффициента теплопроводности при сохранении термостойкости за счет сохранения температуры плавкости отвержденной композиции и конструкционной прочности за счет сохранения равномерности распределения единиц структуры отвержденной композиции. Водостойкость композиции увеличивается и сохраняется прочность при сжатии вспененного материала после выдержки в условиях повышенной влажности. Сохраняется оптимальная степень оформления изделия из сырьевой композиции.

Известна композиция сырьевой смеси для изготовления теплоизолнционного материала, включающая жидкое стекло, щелочь, газообразователь и золу-унос в таблице.

Таблица 4 - Композиция для изготовления теплоизоляции

Недостатком этой смеси является высокая температура вспучивания и теплопроводность.

Известна смесь, которая дополнительно содержит аэросил [12]. Смесь представлена в таблице 5.

Таблица 5 - Композиция для изготовления теплоизоляции

Аэросил в составе смеси позволяет снизить температура вспучивания и теплопроводность.

Таблица 6 - Композиция для изготовления теплоизоляции

В результате получены водостойкие гранулы с возможностью их длительного хранения перед вспениванием и низкой объемной массой после вспенивания.

3. Композиции, отверждаемые при комнатной или умеренно повышенной температуре

Для данных материалов используется отвердитель, чаще всего, - кремнефтористый натрий, который помогает «закрепить» пористую структуру, созданную механическим перемешиванием с помощью поверхностно активных веществ: оксифоса КД-6 [15], [16]; пенообразователя ПО-6К [15], [16], [17]; хозяйственного мыла [18], [19]; пенообразователя «Морпен» [20], смачивателя СВ-102 [21], натриевой или триэтаноламмонийной соли лаурилсульфата [22], [23]; сочетание перекиси водорода и формалина, полиизоционата, борной кислоты [24]; сапонинового пенообразователя [25].

Также смеси могут содержать различные добавки, придающие готовому изделию определенные свойства: сниженное водопоглощение - карбоксилатный латекс, полиэтиленгидросилоксан [19], ГКЖ-94 [21]; огнестойкость - антипирен КМ [26].

Для увеличения прочности готовых изделий в композицию могут добавляться различные наполнители.

Наиболее часто в качестве наполнителя применяется песок или кремнезем. Данный наполнитель придает готовому материалу достаточно высокую прочность. Кроме этого, его неоспоримым достоинством является доступность и низкая стоимость [15], [16], [17], [20], [26], [27]. Примером использования песка в качестве наполнителя может быть патент №2 096 378. Авторы предлагают использовать для получения теплоизоляции следующие компоненты: кварцевый песок от 47% до 49%; жидкое натриевое стекло от 28% до 29%; кремнефтористый натрий от 4,7% до 4,8%; пенообразователь ПО-6К от 3,6% до 3,8%; оксифос КД6 от 1,18% до 0, 22%, вода от 12% до 15% [16]. Данная смесь интересна еще и тем, что на ее основе можно сделать еще и строительный материал [15], [28].

Также во многих патентах предлагается использовать неорганические волокнистые материалы - асбест, базальтовое волокно, угленовое волокно. Эти материалы не горючи, и за счет волокнистой структуры имеют хорошие армирующие свойства [21], [22], [23], [29], [30].

Например, авторы патента №WO2012121619 A1 предлагают получать композицию, содержащую 30 - 50%-ное натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 2,8 - 4,5; отвердитель - или натрия гексафторсиликат (Na₂SiF₆), или натрия гексафтортитанат (Na₂TiF₆), или их смеси при любом соотношении компонентов; пенообразователь - или натриевая, или триэтаноламмонийная соль лаурил сульфата; наполнитель - асбест-хризотил марок А5, А4, A3 или А2 и воду [31]. Но одним из недостатков подобного наполнителя является то, что асбест признан канцерогенным веществом, что не может не сказаться на здоровье людей, изготавливающих данные материалы [32].

Реже в качестве наполнителя предлагается использовать графит, волостонит, слюду [21]; скоп-отход картонного производства [18]; искусственные волокна - полиаромидное волокно, полипропиленовое [21], [22]; золу-унос [20].

Данные наполнители могут использоваться как в одиночку, так и в сочетании друг с другом [21], [22], [26].

Высокой механической прочностью отличаются материалы, имеющие в своем составе волокнистые наполнители. Например, Голубчиков Олег Александрович, Кашевский Семен Васильевич, Щибров Борис Николаевич [23] предлагают использовать материал, содержащий в своем составе натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 2,8-4,5; отвердитель - натрия гексафторсиликат, натрия гексафтортитанат, или их смесь, пенообразователь - натриевая или триэтаноламмонийная соль лаурилсульфата, наполнитель - асбест-хризотил марок А5, А4, A3, А2, воду. Данный материал обеспечивает хорошую тепло- и звукоизоляцию.

Высокую механическую прочность, большой температурный диапазон эксплуатации без заметной деформации подобному виду теплоизоляции позволяет получить использование в качестве наполнителей феррохромового низкоуглеродистого саморассыпающегося шлака с удельной поверхностью не ниже 220 м²/кг; боя силикатного кирпича в виде тонкомолотого порошка удельной поверхностью 1800-2000 м²/кг; целлюлозного микроволокна, что и предлагают Овсянников Михаил Юрьевич, Пискунов Александр Альбертович, Харченко Светлана Сергеевна, Царева Галина Сергеевна в патенте №RU 2315737. Материалы из подобной смеси не растрескиваются при температуре до 800 С и не разрушаются при контакте с водой, если материал разогрет до 800°С [33].

На основе жидкого стекла возможно изготавливать теплоизоляцию не только в виде плит, но и обкладывать трубопроводы, что кроме теплоизоляции обеспечивает еще защиту металла от коррозии. Подобную композицию, состоящую из жидкого натриевого или калиевого стекла, наполнителя - смеси полых микросфер; неионогенного поверхностно-активного вещества; вспученного вермикулита или асбестовых нитей в качестве армирующего наполнителя; двуокиси титана, предлагает исследователь Беляев Виталий Степанович [34]. Использование подобной теплоизоляции так же позволят упростить технологию покрытия трубопровода.

Так же возможно заливать пеностекольную массу между наружными и внутренними слоями строительной конструкции, что предлагают Тужилкин А.П., Ромадов Н.В., Ромадов М.В., Ромадов В.С. и Дмитренко В.Е. Сырьевая смесь содержит молотый кварцевый песок, кремнефтористый натрий, жидкое стекло и водный раствор пенообразователя ПО-6К, которые соединяются между собой определенным образом. Данная смесь помогает облегчить процесс строительства зданий [35].

Композиции на основе жидкого стекла могут служить не только тепло-, но и звукоизоляцией. Хорошее шумопоглощение достигается, если материал имеет закрытые поры. Подобными свойства может обеспечить применение следующей смеси, состоящей из натриевого жидкого стекла, кислотного отвердителя (натрия гексафторсиликат, натрия гексафтортитанат, ангидрид уксусной или пропионовой кислот), поверхностно-активного вещества, волокнистый наполнитель (асбест А2-А5 (ГОСТ 12871-93), рубленое базальтовое волокно марки (ТУ В.2.7.88 023.025-96), стекловолокно, полипропиленовое волокно марки ВСМ 12) и воду [30]. Также хорошую звукоизоляцию, по заявлениям авторов патента, принадлежащему ООО «СевЗапСтрой», можно изготовить на основе композиции, содержащей смесь дисперсного и волокнистого наполнителя, а именно: графит или волластонит, или слюду и асбест или кремнеземное волокно, или базальтовое волокно, или угленовое волокно [36].

При некоторых изменениях состава материал на основе вспененного жидкого стекла может использоваться и как теплоизоляционно-конструкционный. Данный эффект достигается за счет повышенного введения наполнителя. Например, исследователи Братского государственного технического университета предлагают следующую композицию, содержащую жидкое стекло в количестве от 63,41% до 69,04%, микрокремнезем от 19,02% до 20,71%, пенообразователь «Морпен» от 0,04% до 0, 27%, кремнефтористый натрий от, 34% до 6,90%, золу-унос от 1,9% до 2,07% и воду от, 24 до 9,06% [20].

Материалы на основе жидкого стекла могут отличаться высоким водопоглощением. Некоторые изобретения помогают избежать этого недостатка. Например, И.Ф. Маркан и В.П. Кирилишин была запатентована сырьевая смесь для получения теплозвукоизоляционного материала [27]. Авторам удалось получить теплоизоляционный материал с пониженной молекулярной массой и коэффициентом теплопроводности. Для этого они использовали дополнительный компонент - мыло хозяйственное в смеси следующего содержания: жидкое стекло от 47% до 63%; кремнесодержащий компонент с удельной поверхностью 4000-7000 см²/г от 5% до 38%; кремнефтористый натрий от 9% до 18%, мыло хозяйственное от 5% до 15%. Смесь позволила уменьшить плотность композиции, однако влагопоглощение оставалось значительным. Эту проблему решила группа ученых Одесского инженерно-строительного института И.Ф. Маркан, А.А. Мильто, Н.И. Гусак, Н.С. Наместникова, В.А. Майстренко и Ф.М. Багненко. Ими была запатетована смесь со сниженным влагопоглощением [19]. Для этого в смесь, содержащую жидкое стекло и отвердитель предварительно было введено базальтовое волокно, а пена приготовлена путем смешения мыла хозяйственного, карбоксилатного латекса и полиэтилгидгосилоксана с жидким стеклом.

Нюхен Ю.Ф., Бонин В.Т., Фон Гицучки Ю.Т. предложили способ изготовления теплоизоляционного материала, который обладает высокой экологической безопасностью производства, так как в предлагаемом способе используют компоненты, не содержащие вредных легколетучих органических соединений. Особенностью данного материала является возможность регулирования предела прочности при сжатии в интервале от 100 до 250 кПа путем изменения плотности материала от 100 до 250 кг/м³. В данном материале применяются следующие вещества: натриевое жидкое стекло с силикатным модулем от 3 до 4,5; натрия гексафторсиликат (ТУ 113-08-587-86) или натрия гексафтортитанат (ТУ 6-09-01425-77), или их смеси; в качестве наполнителя можно использовать, асбест-хризотил (ГОСТ 12871-93) полипропиленовое волокно (ТУ 2272-001-44340211-2000) или рубленое базальтовое волокно (ТУ В.2.7.88 023.025-96), или смеси этих материалов. При этом соотношение компонентов в наполнителе может быть любым и определяется лишь необходимостью получения качества готовых изделий, определяемого спецификой области применения последних. В качестве компонента, образующего пену, используют триэтаноламмонийную соль лаурилсульфата или натриевую соль лаурилсульфата.

Этот состав выгодно отличается от смеси для изготовления теплоизоляционного материала, включающая в качестве отверждаемой основы карбамидную смолу, хлористый аммоний, полуводный фосфогипс, пенополистирол, сульфитный щелок, перлитовый песок и воду [37], от состава для изготовления теплоизоляционного материала, включающего в качестве отверждаемой основы карбамидоформальдегидную смолу, кислый отвердитель, наполнитель, поверхностно-активное вещество, карбамид, силикат натрия [38], от состава для изготовления теплоизоляционного материала, в качестве наполнителя содержащего или вспученный перлитовый песок, или пористые пески на основе шлаков, или гипс, или фосфогипс, или шлам от бумажного производства, или керамзит, или полимерную крошку, или древесные опилы, или силикат натрия, или их бинарные или тройные смеси в массовом соотношении ингредиентов 1:1 [39]. Недостатками перечисленных составов являются относительно высокое водопоглощение готовых изделий, значительное содержание вредных примесей, низкая механическая прочность готовых изделий и низкий срок их эксплуатации из-за старения и деструкции при температурах выше 40°С, невысокий срок эксплуатации изделий, недостаточно высокие прочностные показатели готовых изделий; низкие характеристики шумопоглощения.

Сравнение материалов на основе жидкого стекла по прочности на сжатие представлено в таблице 1.7. Данный показатель сильно зависит от содержания наполнителя, от его природы, от сочетания наполнителей. На основании изученных материалов можно сделать вывод, что особенную прочность теплоизоляции придают добавки молотого кварцевого песка.

теплоизоляционный феррохромовый шлак

Таблица 7 - Зависимость прочности материала от вида наполнителя

Размещено на Allbest.ru