Легкий теплоизоляционный формованный продукт с высокой механической прочностью и способ его получения

005771 Область изобретения Данное изобретение относится к легким нерастворимым в воде изоляционным формованным продуктам, содержащим вспененные минералы, такие как перлит и/или пемза, в сочетании с неорганическими добавками, выбранными по их способности формировать упрочненную постоянную связь в структуре, и к способу их получения. Предшествующий уровень техники Перлит - это стекловидный вулканический силикат алюминия, содержащий 2-5% связанной воды,который увеличивает свой первоначальный объем в 10-30 раз при нагревании до температур в интервале между 760-1150 С в зависимости от состава исходного материала. Превращение в пар связанной воды во время термообработки вспенивает горячую размягченную руду в пену, которая затвердевает в виде легкого пористого агрегата с объемными плотностями в пределах между 80-240 кг/м 3. Полученный вспененный продукт находит разнообразные применения, относящиеся к промышленности и строительству,благодаря его главным характерным особенностям: легкости, пористости, невоспламеняемости, термо- и звукоизоляционным свойствам, неоплавляемости и нетоксичности. Пемза - это легкий вулканический силикат алюминия с губчатой структурой, сформированной за счет расширения газов во время быстрого охлаждения расплавленной лавы. Название относится к группе материалов, имеющих подобное происхождение и физическую структуру, таких как пумицит, вулканический пепел, шлак и вулканический туф. Этот материал всегда связан с недавней вулканической активностью и может обнаруживать свойства кислотного и основного характера в зависимости от содержания в нем SiO2 и CaO/MgO, причем пемза является более кислой, а вулканические пепел, шлак и туф имеют более основной характер. Пемза имеет низкую объемную плотность в пределах 480-960 кг/м 3, высокое отношение прочности к массе, низкую теплопроводность и низкие характеристики пропускания звука. Все эти характерные особенности делают ее желательной для применения в качестве основного образующего материала для легких блоков и бетона, абразива, абсорбента, носителя для инсектицидов и в качестве минерального наполнителя и кондиционирующей присадки. Вспененные перлит, пемза и материалы, относящиеся к группе пемзы, вспененные вермикулит и флогопит, вспененные глины и т.п. являются пористыми легкими изоляционными материалами, которые широко используются для нужд строительства, включая заполнитель для бетона, заполнитель для штукатурки, формованные продукты и заполнитель для каменной кладки и для полостей. При получении легких и изоляционных продуктов из этих материалов в качестве связующих агентов используют цемент,гипс, силикаты щелочных металлов (жидкое стекло) и полимерные материалы различных видов. Также в некоторых составах используют волокна органического или неорганического происхождения для целей усиления. Полученные продукты имеют существенные недостатки, такие как низкая водостойкость и огнестойкость, плохие изоляционные и прочностные характеристики при сжатии, в зависимости от типа и количества использованного связующего агента. Например, когда используют цемент или гипс, прочность при сжатии формованных продуктов увеличивается с увеличением количества используемого цемента или гипса, но наблюдаются соответствующие недостатки в отношении легкости и изоляционных свойств. Было бы предпочтительно, однако, иметь возможность связывать такие легкие изоляционные материалы очень небольшими количествами связующего агента, так чтобы полученный продукт был бы лучше в смысле механической прочности, легкости, изоляционных свойств, огнестойкости и нерастворимости в воде по сравнению с продуктами, уже получаемыми из них. Патент США 4451294 раскрывает состав силикатного материала в форме блоков и изделий, состоящий по существу из жидкого силиката натрия, твердого силиката натрия, буры и перлита. Этот водостойкий теплоизоляционный материал (=0,04-0,1 Вт/м.град.) имеет объемную плотность от 100 до 300 кг/м 3 с прочностью при сжатии от 0,3 до 1 МПа и может применяться при температурах от -50 С вплоть до 550 С. Хотя характеристики этого материала по водостойкости, теплоизоляции и низкой объемной плотности являются благоприятными, наивысшая температура применения, являющаяся низкой (550 С), и, особенно, максимальная величина прочности при сжатии, которая равна только 1 МПа, ограничивают его применение для многих относящихся к строительству целей. Кроме того, главными компонентами состава являются жидкий и твердый силикаты натрия, перлит используется только в качестве добавки в количестве от 6 до 17%. Патент США 4313997 раскрывает состав, содержащий 65-95 мас.% перлита и 5-35 мас.% водной эмульгированной липкой полиакрилатной смолы. Хотя количество вспененного перлита в составе является высоким, продукт пригоден для применения только в качестве продукта типа картона из-за низких механических характеристик и низкой способности замедления горения. Подробное описание изобретения Обнаружено, что, если материал, содержащий небольшие количества Na2O и В 2 О 3, добавляют либо к вспененному перлиту, пемзе и материалам, относящимся к группе пемзы, либо к соответствующей смеси указанных материалов, то путем термообработки получают легкие нерастворимые в воде изоляционные материалы с высокой механической прочностью в форме блоков и изделий. Предложен состав,содержащий более чем 90 мас.% либо перлита, пемзы или материалов, относящихся к группе пемзы, ли-1 005771 бо их смеси и добавку либо в форме сухого порошка, либо как раствор, либо как водную суспензию, в количествах менее чем 10 мас.%, содержащую Na2O и В 2 О 3. Этот состав может быть использован для получения путем термообработки при температурах в интервале между 650-950 С легкого теплоизоляционного нерастворимого в воде материала с высокой прочностью при сжатии, обладающего низкой объемной плотностью (от 300 до 800 кг/м 3) и улучшенной теплоизоляционной способностью (=0,07-0,25 Вт/м.град.), когда его используют для формования изделия, имеющего прочность при сжатии от 0,49 до 5,59 МПа. Благодаря улучшенному материалу по данному изобретению стали возможными значительные усовершенствования. Во-первых, меньшее количество добавки по данному изобретению делает возможным значительное увеличение массовой процентной доли перлита (или пемзы, или материалов, относящихся к группе пемзы), что непосредственно влияет на легкость и теплоизоляционную способность продукта. Вторая выгода от изобретения в том, что термообработка является короткой. Кроме того, материал по данному изобретению является огне- и термостойким и может спекаться только при температурах настолько высоких, как 1000 С. В наиболее предпочтительном варианте осуществления данного изобретения продукт содержит вспененный перлит, и он использован в количествах 90 мас.%. Размер частиц вспененного перлита составляет менее чем 6 мм. Вместо вспененного перлита могут быть использованы такие исходные материалы, как пемза и материалы, относящиеся к группе пемзы (пумицит, вулканический пепел, вулканический шлак, вулканический туф), вспененные глины, слоистый вермикулит или слоистый флогопит с размером частиц менее чем 30 мм. Продукт также может содержать подходящую смесь всех вышеупомянутых материалов. Добавка может быть выбрана из группы, состоящей из руды или концентрата кернита, руды или концентрата тинкалконита (тинкала), руды или концентрата буры, пентагидрата тетрабората натрия, декагидрата тетрабората натрия, безводного (плавленого) тетрабората натрия, смеси гидроксида натрия и борной кислоты и смеси карбоната натрия и борной кислоты или сочетания указанных добавок. Добавки могут быть использованы либо в виде сухого порошка, либо как водная суспензия, либо как раствор. Добавку вводят в тщательно перемешиваемый вспененный перлит. При необходимости добавляют достаточное количество воды, чтобы получить густую суспензию, и смесь тщательно перемешивают. Затем смеси придают желательную форму. Формованную смесь нагревают при строго контролируемой температуре в интервале между 650950 С в течение от около 10 мин до 2 ч. Следующие примеры иллюстрируют данное изобретение. Пример 1. Готовят смесь, состоящую из 93,3 мас.% вспененного перлита (размер частиц менее 0,7 мм, объемная плотность=297 кг/м 3); 6,7 мас.% размолотого концентрата тинкалконита (содержание В 2 О 3=32%). Добавляют достаточное количество воды, чтобы можно было формовать смесь в формованные изделия,смесь тщательно перемешивают, формуют в образец и форму нагревают при температуре 750 С в течение 1 ч. Полученное изделие имеет объемную плотность 415 кг/м 3, прочность при сжатии 0,69 МПа и коэффициент теплопроводности =0,080 Вт/м.град. Пример 2. Готовят смесь, состоящую из 93,8 мас.% вспененного перлита (размер частиц менее чем 2 мм, объемная плотность=70,5 кг/м 3); 6,2 мас.% декагидрата тетрабората натрия (чистота 99,5%). Добавляют достаточное количество воды к смеси, тщательно перемешивают, формуют в образец и форму нагревают при температуре 900 С в течение 1 ч. Полученное изделие имеет объемную плотность 400 кг/м 3, прочность при сжатии 2,84 МПа и коэффициент теплопроводности =0,076 Вт/м.град. Пример 3. Готовят смесь, состоящую из 96,1 мас.% вспененного перлита (размер частиц менее чем 1 мм, объемная плотность=60 кг/м 3); 3,9 мас.% безводного (плавленого) тетрабората натрия (чистота 99%) в виде 8%-ного водного раствора. Смесь тщательно перемешивают, формуют в образец и затем нагревают при температуре 900 С в течение 15 мин. Полученное изделие имеет объемную плотность 597 кг/м 3, прочность при сжатии 3,59 МПа и коэффициент теплопроводности =0,099 Вт/м.град. Пример 4. Готовят смесь, состоящую из 96,9 мас.% пемзы (размер частиц менее чем 3 мм, объемная плотность=645 кг/м 3); 3,1 мас.% безводного (плавленого) тетрабората натрия (чистота 99%). Добавляют к смеси достаточное количество воды, тщательно перемешивают, формуют в образец и форму нагревают при температуре 650 С в течение 30 мин. Полученное изделие имеет объемную плотность 631 кг/м 3,прочность при сжатии 1,74 МПа и коэффициент теплопроводности =0,189 Вт/м.град. Пример 5. Готовят смесь, состоящую из 96,8 мас.% пемзы (размер частиц менее чем 3 мм, объемная плотность=645 кг/м 3); 3,2 мас.% декагидрата тетрабората натрия (чистота 99,5%). Добавляют к смеси достаточное количество воды, чтобы можно было формовать смесь в образец, тщательно перемешивают, фор-2 005771 муют в образец и форму нагревают при температуре 825 С в течение 10 мин. Полученное изделие имеет объемную плотность 603 кг/м 3, прочность при сжатии 2,16 МПа и коэффициент теплопроводности=0,175 Вт/м.град. Пример 6. Готовят смесь, состоящую из 93,4 мас.% пемзы (размер частиц менее чем 3 мм, объемная плотность=645 кг/м 3); 6,6 мас.% размолотого концентрата тинкалконита (содержание В 2 О 3=32%) в виде 20%ной по массе водной суспензии. Смесь тщательно перемешивают, формуют в образец и форму нагревают при температуре 825 С в течение 30 мин. Полученное изделие имеет объемную плотность 625 кг/м 3,прочность при сжатии 2,96 МПа и коэффициент теплопроводности =0,189 Вт/м.град. Хотя изобретение пояснено и описано со ссылкой на все специфические характерные особенности,описанные в связи с предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что изменения конкретных характерных особенностей, которые не изменяют общей функции и концепции изобретения,могут быть сделаны без выхода из сферы действия и объема изобретения, как определено формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения материала, состоящий, по существу, из стадийa) приготовления смеси, содержащей минерал в количестве минимум 90 мас.%, выбранный из группы, включающей вспененный перлит, пемзу, материалы, относящиеся к группе пемзы, вспененные глины, слоистый вермикулит, слоистый флогопит или их сочетание, связующий агент, выбранный из группы, включающей руду кернит, концентрат кернита, руду тинкалконит, концентрат тинкалконита,руду буру, концентрат буры, пентагидрат тетрабората натрия, декагидрат тетрабората натрия, безводный тетраборат натрия, смесь гидроксида натрия и борной кислоты или смесь карбоната натрия и борной кислоты, или какое-либо их сочетание в виде сухого порошка, раствора или водной суспензии в количестве менее чем 10 мас.%, содержащих Na2O и В 2 О 3, чтобы сформировать упрочненную постоянную связь в структуре при нагревании;b) формования указанной смеси в желательный образец путем добавления достаточного количества воды;c) нагревания формованной смеси при строго контролируемой температуре в диапазоне между 650950 С. 2. Способ по п.1, где размер частиц вспененного перлита составляет менее чем 6 мм. 3. Способ по п.1, где размер частиц пемзы составляет менее чем 30 мм. 4. Способ по п.1, где размер частиц материалов, относящихся к группе пемзы, составляет менее чем 30 мм. 5. Продукт, полученный в соответствии со способом по любому из пп.1-4.