Способ изготовления связующего материала и его применение

1 Целью настоящего изобретения является способ изготовления связующего материала c использованием в качестве исходного материала минерального материала в виде частиц со стекловидной аморфной структурой, особенно отходов производства шлаковой ваты. Такой связующий материал подходит для связывания минеральных материалов, особенно для использования в качестве связующего при производстве продуктов, представляющих собой шлаковую вату из минеральных волокон. Другой целью настоящего изобретения является способ изготовления продуктов из шлаковой ваты, использующий указанный связующий материал для связывания минеральных волокон. Предпосылки изобретения Минеральные волокна, полученные плавлением и центрифугированием минерального сырья,такого как камень, шлак, стекло, керамика или аналогичного, широко используют для производства матов и защитных покрытий из минерального волокна, прежде всего для цели тепло- и звукоизоляции, особенно в строительной индустрии. Такие продукты из минерального волокна традиционно содержат связующий материал, ряд различных типов которого известен. Так, например, известны отверждаемые фенолом изолирующие продукты. Фенол является довольно недорогим, а также быстро отверждающим связующим. Отверждаемый фенолом продукт устойчив к температурам вплоть до 250 С, но связи разрушаются, если температура поддерживается выше 250 С в течение длительного периода времени. При более высоких температурах, при 400 С и выше, связующий материал теряет свою прочность, температура быстро увеличивается и продукт разрушается. Кроме того, отверждаемый фенолом изолирующий продукт при горении испускает ядовитые газы. Дополнительный и также важный недостаток заключается в том, что присутствие фенола в продукте будет приводить к нежелательной нагрузке на окружающую среду, когда продукт из шлаковой ваты, содержащей связующий материал, необходимо утилизировать после использования. Кроме того, в качестве связующего широко используется жидкое стекло. Жидкое стекло традиционно получают плавлением кварцевого песка с карбонатом натрия или калия при очень высокой температуре и затем растворением мелкоизмельченного отвержденного продукта в воде. Таким образом, жидкое стекло можно рассматривать в качестве экологически приемлемого вещества для включения в качестве связующего материала, например, в продукты из шлаковой ваты. Однако недостатком является то,что при его изготовлении используют чистое сырье и затрачивается много энергии. Также известно использование смеси жидкого стекла и глины в качестве связующего для продуктов из шлаковой ваты, см., например, SE 2 420 488. Такой продукт, хотя он дает хорошую влагостойкость и термостойкость, имеет плохую устойчивость к сжатию, является хрупким и вызывает образование пыли. С другой стороны,ЕР В 466 754 описывает использование связующего, изготовленного из шлака и жидкого стекла, для изготовления продукта из шлаковой ваты, устойчивого к действию температуры и влажности, который также способен выдерживать высокие временные нагрузки. Краткое изложение изобретения Цель настоящего изобретения заключается в предложении простого и экономически осуществимого способа получения связующего материала, который имеет превосходные связующие и огнеупорные свойства и является приемлемым с точки зрения использования или гигиены труда. Кроме того, связующий материал по изобретению можно производить простым способом из недорогих и легкодоступных исходных материалов или побочных продуктов. Важное преимущество состоит в том, что связующий материал, изготовленный по изобретению, не дает какой-либо избыточной экологической нагрузки на окружающую среду, но содержит только такие компоненты, которые уже,по существу, имеются в природе. Таким образом, целью настоящего изобретения является способ изготовления связующего материала, включающий стадии растворения минерального материала в виде частиц, имеющего стекловидную аморфную структуру, в водном растворе с получением раствора, содержащего зародышеобразующие повторно осажденные частицы данного материала,стабилизации полученного таким образом раствора с получением золя, имеющего желаемый размер частиц, и необязательно регулирования содержания сухого вещества в золе. Исходным материалом для связующего может являться материал минерального шлака,особенно направленные на рециркуляцию отходы производства шлаковой ваты, как будет описано более детально ниже. Другой целью настоящего изобретения является способ производства продукта из шлаковой ваты, использующий связующий материал,приготовленный по изобретению, посредством контакта связующего с минеральными волокнами, чтобы связать волокна для получения продукта из шлаковой ваты. Детальное описание изобретения По предпочтительному варианту осуществления на практике изобретения минеральный материал в виде частиц представляет собой отходы продукта из шлаковой ваты, полученные при производстве шлаковой ваты. Такие отходы образуются в больших количествах, обычно до 20-30 мас.% от исходного сырья, в форме отходов формования, неиспользованного волокна отбракованных волокнистых продуктов (не ис 3 пользованные потребителем продукты). Одним из подходящих источников материала также являются различные конструкции, которые будут разбираться и в которых использовался материал из шлаковой ваты, например, в качестве теплоизоляции (использованные потребителем продукты). Такие отходы уже являются тонкоизмельченными, обычно волокнистой формы и могут таким образом использоваться как таковые, или альтернативно их можно измельчить в еще более мелкую форму для получения продукта с большой площадью поверхности, такой как 0,4 м 2/г или более, например до 25 м 2/г, и таким образом имеют хорошую растворимость в водном растворе. Волокна, образующиеся при производстве шлаковой ваты, обычно имеют диаметр от 0,5 до 20 мкм, обычно от 2 до 15 мкм, предпочтительно от 3 до 5 мкм, как измерено ОМ или СЭМ при использовании соответствующего метода (например, Koenig et al., AnalyticaChimica Acta 1993 280 289-298; Christensen et al.,AM IND HYG ASSOC (54) May 1993), и длину от 0,5 до 50 мм, обычно от 2 до 20 мм, предпочтительно от 3 до 10 мм. Водный раствор может представлять собой щелочной раствор, такой как раствор гидроксида, карбоната или гидрокарбоната щелочного металла или щелочно-земельного металла, особенно раствор гидроксида натрия, калия или лития, или раствор гидроксида аммония. Такой раствор предпочтительно является от 0,1 до 2 молярным относительно щелочного реагента или имеет рН от 10 до 14, чтобы легко растворить также такие минеральные исходные материалы, которые плохо растворимы в нейтральных растворах. Водный раствор также может представлять собой кислотный раствор, такой как водный раствор, приготовленный кислотным посредством добавления неорганической или органической кислоты, такой как НСl, НNО 3, Н 2SO4,Н 3 РО 4, муравьиной, уксусной, пропионовой кислоты или любой другой подходящей минеральной или органической кислоты. рН раствора регулируют соответствующим образом. Низкое значение рН приводит к быстрому растворению минерального вещества и быстрому образованию геля, причем время гелеобразования зависит от рН, и более низкое рН приводит к более быстрому гелеобразованию, чем более высокое рН. Хорошее растворение для широкого диапазона минеральных материалов получают при рН от 0 до 6. Сила кислоты может быть,в зависимости от используемой кислоты, от 0,1 до 10 М, обычно от 0,5 до 5 М. Согласно предпочтительному осуществлению на практике растворение сырья предпочтительно проводят при повышенной температуре,такой как температура от 80 до 100 С, предпочтительно при одновременном перемешивании,чтобы облегчить процесс растворения. Раство 003152 4 рение происходит в течение периода от 1-2 до 20 ч в зависимости от растворяющей среды и содержания твердых веществ в растворе. Предпочтительно количество исходного минерального материала растворяют в растворе,чтобы получить раствор, содержащий оксид металла, который благоприятно содержит более 1 мас.%, предпочтительно от 5 до 60 мас.% сухого вещества, что является подходящей концентрацией для последующего использования в качестве связующего. После завершения растворения происходит зародышеобразование материала и повторное осаждение, чтобы получить золь с желаемым размером частиц. Последующую стабилизацию геля вызывают, создавая в растворе электростатическое отталкивание между частицами. Электростатическое отталкивание между частицами золя можно произвести,например, вводя подходящие ионы в раствор или изменяя рН. Если необходимо, дополнительное количество воды может быть добавлено или удалено, например, выпариванием, если это необходимо, например, для регулирования вязкости. Стабилизации также можно добиться, используя соответствующие поверхностноактивные вещества и полимеры, особенно неионные. Неионные поверхностно-активные вещества и полимеры могут являться предпочтительными в некоторых случаях, поскольку они не такие чувствительные к окружающей среде,которая содержит высокие концентрации электролитов и других химикатов, особенно когда ионная сила высокая. Примерами полимеров являются полиэтиленоксид и полиэтиленгликоль, а примерами поверхностно-активных веществ являются нонилфенолы, Tween и Span. В типичной ситуации такие поверхностноактивные вещества и полимеры используют в количестве от 0,5 до 2,5 мас.%, вычисленных от общего содержания твердых веществ в растворе. При щелочном рН золь имеет тенденцию быть стабильным и можно заметить увеличение размера частиц золя. Поддерживая золь при щелочном рН в течение соответствующего времени или увеличивая рН примерно от нейтрального до рН 10, получают увеличение размера частиц, причем увеличение является менее явным,если раствор, кроме того, содержит соли. В присутствии достаточного количества солей, таких как неорганические соли, например хлорида натрия, частицы золя стремятся к агрегации,образуя гель, который осаждается. Такое же образование геля также будет происходить при придании кислого значения рН раствору, посредством чего рН примерно от 2 до ниже 7 является подходящим для образования геля. Таким образом, регулированием рН можно поддерживать состояние золя или золь можно превратить в гель. Гель можно диспергировать и стабилизировать, используя перемешивание с 5 высоким сдвигом и повышая рН, и затем вновь привести к гелеобразованию, повторно регулируя (понижая) рН или добавляя электролит. Таким образом, по изобретению возможно предоставить золь, содержащий преимущественно диоксид кремния в комбинации с другими оксидами металлов, источником которых является исходный минеральный материал, такими как оксид кальция, оксид магния, оксид алюминия и, возможно, другие оксиды металлов в меньших количествах. Также возможно отрегулировать реакционные условия, такие как рН,чтобы получить золь с желаемым размером частиц. Золь диоксида кремния обычно может иметь размер первичных частиц от 1 до 1000 нм,тогда как для целей изобретения подходящим является размер частиц от 10 до 100 нм. Полученный таким образом золь можно превратить в гель либо непосредственно после образования золя, либо предпочтительно только непосредственно перед нанесением связующего материала на минеральные волокна. Золь также можно превратить в гель при нагревании или выпаривании воды, когда формуют конечный продукт. При использовании связующего при производстве шлаковой ваты приготовление продукта из шлаковой ваты и добавление связующего материала, изготовленного по изобретению, может быть традиционным в традиционной аппаратуре. Связующий материал можно добавлять в виде раствора через форсунку на волокна в камере волокноосаждения обычной аппаратной линии и распределять по волокну. Отверждение материала ваты, на котором находится связующий материал, происходит сразу или позднее, при комнатной температуре или при повышенной температуре. Раствор связующего может также содержать возможные дополнительные отвердители,модификаторы, связующие пыль вещества и вещества, придающие гидрофобные свойства,если это желательно или необходимо. Распыление раствора связующего материала и добавок обычно происходит непосредственно после формования волокна, предпочтительно в камере волокноосаждения. Это является преимуществом, поскольку вата находится в нетронутом состоянии в данный момент, и является незагрязненной, и имеет хорошую адгезионную способность. Раствор связующего можно распылять на волокна посредством форсунок для связующего материала центрифуги, посредством чего возможно использовать как периферийные, так и центральные распылители. Также возможно использовать два или более различных раствора,чтобы подавать на волокна, так чтобы возможные модифицирующие и/или дополнительные отверждающие вещества подавались через один или более распылитель, а раствор связующего материала через отдельный распылитель. 6 Однако также возможно наносить раствор связующего материала на волокна в последовательной стадии производства изолирующего материала, например распыляя его на первичное полотно на конвейере или даже на более поздней стадии. Также возможно наносить дополнительный связующий материал в такой отдельной и более поздней стадии, таким образом получая материал с улучшенной стойкостью и/или прочностью. Особые свойства можно придать материалу нанесением дополнительных добавок на полотно. Количество воды, подаваемой к волокну со связующим материалом, регулируют так, чтобы обеспечить, с одной стороны, точную вязкость для целей нанесения и, с другой стороны, надлежащую влажность полотна и предотвратить пылеобразование. Вода, испаряющаяся из волокон в камере волокноосаждения, увеличивает вязкость связующего, нанесенного на волокно,посредством чего первичное полотно может сохранить свою упругость и способность к отверждению в течение длительного периода времени. Количество связующего обычно составляет приблизительно от 1 до 15 мас.%, например от 1 до 5 мас.%, вычисленных по сухому веществу, для нормальных изолирующих продуктов,но, естественно, возможно использовать более высокие и более низкие количества в зависимости от желаемого продукта и реакционной способности связующего. При изготовлении изолирующих листов их соответственно вырезают из минераловатного полотна, которое обычно располагают перекрестным соединением внахлестку первичного полотна до желательной толщины и затем отверждают. По предпочтительному способу минераловатное полотно отверждают при комнатной температуре, например, между металлическими листами. Такой лист будет обладать лучшей гибкостью, поскольку медленно отверждаемая волокнистая масса является более гибкой и упругой, чем волокнистая масса, которая была отверждена при высокой температуре. По другому предпочтительному варианту осуществления на практике вторичное полотно,имеющее желательную толщину, доставляют в неотвержденном состоянии и хранят в неотверждающей среде, например, заключенным в пластмассовую пленку при подходящей температуре и в течение ограниченного определенного времени. Такой изолирующий материал используют на месте для изоляции в местах, которые труднодоступны и имеют неудобную форму. После установки изоляция отверждается при существующей температуре. Относительно просто наложить изолирующий материал или мат,имеющий подходящую толщину, на или вокруг различных частей, которые являются труднодоступными. Отверждение не требует каких 7 либо специальных мер или оборудования, поскольку оно происходит спонтанно при существующей температуре. Способ также подходит для областей использования полученного раздувом волокна, в которых используют неотвержденный волокнистый материал, разорванный на небольшие пучки, и волокно отверждают при существующей температуре. Кроме того, можно использовать дополнительные добавки, такие как дополнительные отвердители, модификаторы, связующие пыль вещества и вещества, придающие гидрофобные свойства. По изобретению дополнительный отвердитель может состоять из минеральных солей и соединений, подходящих кислот, сложных эфиров или спиртов или их комбинаций. Минеральные соли могут представлять собой, например, соли или соединения магния, алюминия или кальция. Пригодной для использования кислотой является, например, фосфорная кислота. Также для регулирования времени хранения можно использовать буферные отвердители. Дополнительный отвердитель может представлять собой комбинацию вышеуказанных отвердителей. В случае, когда связующий материал получают растворением минерального материала в щелочном растворе, таком как гидроксид натрия, таким образом предоставляя продукт типа жидкого стекла, но содержащий дополнительные оксиды металлов, то в качестве добавок могут использоваться различные модифицирующие вещества, такие как органические и неорганические полимеры, целлюлоза и силиконы, такие как кремнийорганические полимеры. Кроме того, можно использовать мономеры,полимеризуемые, например, изменением рН или увеличением температуры в течение отверждения. Указанные модифицирующие вещества обычно не являются пленкообразующими. Посредством модифицирующих веществ стремятся к увеличению их адгезионной способности к поверхности волокна, а также улучшению упругих свойств, водостойкости, устойчивости к обугливанию связующего материала. В качестве веществ для связывания пыли можно использовать спирты, полиолы, пленкообразующие полимеры, гелеобразующие полимеры, воск, смолы, масла, жиры, парафины и т.д. Задача вещества для связывания пыли состоит в связывании между собой любой пыли или связывании ее к основной матрице либо физически (пленкообразующие), либо химически (поверхностно-активные свойства). В случае, когда используется высокотемпературное отверждение, можно использовать плавящиеся вещества для связывания пыли, например стеараты, или отверждающиеся вещества для связывания пыли, образующие пленку на матрице. Большое количество веществ для связывания 8 пыли в то же время имеет водоотталкивающее действие. Задачей вещества, придающего гидрофобные свойства, является предотвращение проникновения воды или влаги в продукт. В качестве веществ, придающих гидрофобные свойства, можно использовать силаны, силиконы, масла, различные гидрофобные соединения и гидрофобный крахмал. Композиция полибутен-силан оказалась особенно выгодной в качестве вещества для связывания пыли и вещества, придающего гидрофобные свойства. Полибутеновый компонент действует в качестве вещества для связывания пыли, и силановый компонент - в качестве вещества, придающего гидрофобные свойства. Внутри различных групп совместимые соединения можно смешивать заранее, тогда как несовместимые соединения необходимо смешивать непосредственно перед нанесением или наносить через отдельные сопла. По изобретению также возможно использовать связующий материал, полученный по изобретению, для связывания других материалов, особенно минеральных материалов в виде частиц, особенно при производстве брикетов,содержащих минеральный материал в виде частиц. Такие брикеты являются особенно подходящими исходными материалами для производства шлаковой ваты, хотя также возможно использование других брикетов, например любое использование, где могут применяться превосходные связующие свойства связующего материала. Примером такого использования может являться использование в брикетах железной руды для производства железа. Состав минерального материала в виде частиц, который используют в качестве сырья для изготовления таких брикетов, естественно,различается в зависимости от цели использования брикетов. Когда брикеты необходимо использовать для производства шлаковой ваты,минеральный материал в виде частиц выбирают в соответствии с желаемым химическим составом волокон, которые необходимо изготовить. Подходящие материалы включают любой камень и другие минеральные материалы, обычно используемые для этой цели, такие как кварцевый песок, оливиновый песок, стекло, базальт,шлаки, отходы производства шлаковой ваты,известняк, доломит, волластонит и т.д. Брикеты получают простым смешением минерального материала со связующим, при необходимости добавляя воду, чтобы получить смесь соответствующей густоты. Данную смесь или массу можно сформовать в брикеты прессованием или вибрационным сжатием, используя, по существу, известные методы, и отвердить в связи с процессом изготовления или позднее. Процесс затвердевания можно ускорить, например, нагреванием. 9 Специалист в данной области может легко определить количество связующего материала. В качестве примера можно указать, что при использовании в качестве связующего в брикетах для изготовления шлаковой ваты количество связующего обычно составляет приблизительно от 1 до 15 мас.%, например от 1 до 5 мас.%, вычисленных по сухому веществу, от сухой массы продукта, но, естественно, возможно использовать более высокие и более низкие количества в зависимости от желаемого продукта и реакционной способности связующего материала. При использовании в качестве связующего в брикетах металлической руды типичное количество было бы приблизительно от 1 до 15 мас.%, например от 1 до 5 мас.%, от общей массы загрузки. По изобретению получаются брикеты с хорошими прочностными свойствами, включая хорошие прочностные свойства неотвержденной смеси. Следующий пример иллюстрирует изобретение, не ограничивая его. Пример Связующий материал по изобретению можно приготовить следующим образом. 7,5 г волокон обычной минеральной шерсти, имеющих диаметр волокон от 3 до 4 мкм и длину волокон от 3 до 10 мм, смешивают со 100 мл 5 М раствора муравьиной кислоты. В течение смешивания следует использовать перемешивающее устройство с высоким сдвигом, чтобы обеспечить эффективное перемешивание и ускорить процесс растворения. Растворение обычно завершается за время от 1 до 2 ч. Когда волокна полностью растворились, добавляют небольшое количество полимера, такого как полиэтиленгликоль с молярной массой от 1000 до 10000, приблизительно 1 мас.%, основываясь на общем содержании твердого вещества в растворе. В течение добавления полимера раствор постоянно перемешивают, чтобы стабилизировать получаемые частицы. Изменяя количество полимера и время добавления, т.е. момент времени, когда все волокна растворились, можно влиять на размер частиц золя, чтобы получить оптимальные гелеобразующие и связывающие свойства. Коллоидные частицы золя затем поддерживают при постоянном перемешивании,чтобы гарантировать абсорбцию полимера на поверхность частиц. При использовании в качестве связующего для изготовления продуктов из шлаковой ваты приготовленный таким образом связующий материал можно наносить распылением на минеральные волокна обычным способом. Связующий материал отверждают и избыток воды убирают, повышая температуру примерно до 150 С. Указанный связующий материал также можно использовать в качестве связующего в брикетах, смешивая связующий материал с мелкоизмельченным минеральным сырьем в перемешивающем устройстве, например типа Henschel. 10 Может быть выгодно добавление небольшого количества воды для получения смеси в формах. Отверждение получают увеличением температуры, но также возможна сушка воздухом. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления связующего материала, включающий стадии растворения минерального материала в виде частиц, имеющего стекловидную аморфную структуру, в водном растворе с получением раствора, содержащего зародышеобразующие повторно осажденные частицы данного материала,стабилизации полученного таким образом раствора с получением золя, имеющего желаемый размер частиц, и необязательно регулирования содержания сухого вещества в золе. 2. Способ по п.1, где минеральный материал в виде частиц представляет собой материал шлаковой ваты, образующийся при производстве минерального волокна, такой как отходы формования, неиспользованные волокна или продукты, а также использованные потребителем продукты из минерального волокна. 3. Способ по любому предшествующему пункту, где раствор стабилизируют, изменяя рН или изменяя электролитический характер раствора. 4. Способ по любому предшествующему пункту, где раствор стабилизируют поверхностно-активными веществами и/или полимерами. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, где водный раствор представляет собой щелочной раствор. 6. Способ по п.5, где щелочной раствор представляет собой раствор гидроксида, карбоната или гидрокарбоната щелочного металла,или аммония, или щелочно-земельного металла,предпочтительно выбранный из группы, состоящей из раствора гидроксида натрия, калия,лития, или аммония, или кальция, или магния. 7. Способ по п.5 или 6, где щелочной раствор представляет собой 0,1-2 молярный щелочной раствор. 8. Способ по любому из пп.1-4, где водный раствор является кислотным, причем он является раствором неорганической или органической кислоты, предпочтительно водным раствором,содержащим кислоту, выбранную из НСl, НNО 3,H2SO4, Н 3 РO4, муравьиной, уксусной и пропионовой кислоты. 9. Способ по любому из предшествующих пунктов, где стабилизированный золь имеет содержание сухого вещества от 5 до 60% по массе. 10. Способ по любому из предшествующих пунктов, где размер частиц золя примерно равен от 1 до 1000 нм, предпочтительно от 10 до 100 нм. 11. Способ по любому из предшествующих пунктов, где растворение происходит при температуре от 80 до 100 С, предпочтительно при перемешивании. 12. Способ по п.1, где полученный золь готовят, чтобы получить гель перед его контактом с материалом, который необходимо связать. 13. Способ по п.12, где образование геля вызвано воздействием изменения рН и/или добавлением соли. 14. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий дополнительную стадию контакта связующего с минеральным материалом в виде частиц, с целью изготовления продукта из шлаковой ваты или брикета сырья для производства шлаковой ваты или брикета железной руды. 15. Способ изготовления продукта из шлаковой ваты, включающий стадии растворения минерального материала в виде частиц, имеющего стекловидную аморфную структуру, в водном растворе с получением рас 12 твора, содержащего зародышеобразующие повторно осажденные частицы данного материала,стабилизации полученного таким образом раствора, с получением золя, имеющего желаемый размер частиц, для получения раствора связующего, и необязательно регулирования содержания сухого вещества в растворе связующего, и контакта полученного таким образом связующего материала с волокнами шлаковой ваты для их связывания. 16. Способ по п.15, где полученный золь готовят, чтобы получить гель перед его контактом с волокнами шлаковой ваты. 17. Способ по п.16, где образование геля вызвано воздействием изменения рН и/или добавлением соли. 18. Способ по п.15, где связующий материал контактирует с волокнами непосредственно после формования волокна. 19. Способ по п.15, где связующий материал наносят на минераловатное полотно, изготовленное из волокна.