Материал, способ и устройство для его получения

1 Настоящее изобретение относится к новому материалу, состоящему, в основном, из песка и полимеров, причем в материале могут содержаться также и другие добавки. Изобретение относится также к способу получения этого материала. Наконец, изобретение относится к устройству, в котором может быть реализован способ получения предлагаемого материала. Известны различные попытки получения новых композитных материалов, в частности, с целью лучшего использования имеющихся ресурсов и утилизации вторичных материалов. Общеизвестной является практика подвергать утилизации определенные синтетические материалы (т.е. также и полимеры) путем их расплавления и применения в качестве исходных материалов для получения новых изделий из синтетических материалов. Из заявки Великобритании на патент GB 876 271 известно, что для создания конструкционного материала готовят расплавленную смесь из полиэтилена, асфальта и наполнителей. В качестве наполнителя пригоден, в частности,песок, вплоть до массовой доли 50%. Основная проблема этого известного материала заключается в его легкой воспламеняемости и относительно невысокой прочности, вследствие чего области его применения ограничены. Кроме того, способ его получения дорог. Возможности применения этого известного материала ограничены также его токсическими свойствами,обусловленными содержащимися в нем компонентами. Из китайской заявки на патент CN 11 622 523 известен спрессованный в виде плиты материал, содержащий значительные количества песка и резины. Этот материал служит, прежде всего, для получения литейных форм. Способ получения является дорогостоящим, а изготовленный этим способом композитный материал относительно нестойким, прежде всего, против агрессивных веществ. Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить материал, который, благодаря применяемым исходным компонентам, может быть особенно экономичным в получении и практически стойким в отношении других сред, имеет улучшенные материальные свойства, позволяет осуществлять экологически безвредную утилизацию имеющегося сырья и, по причине его повышенной огнестойкости, пригоден для применения в самых различных областях техники. Эта и другие задачи решаются с помощью предлагаемого материала, получаемого способом, включающим следующие стадии: приготовление горячей расплавленной смеси из песка и полимеров; введение расплавленной смеси в прессформу; 2 охлаждение расплавленной смеси под давлением до затвердения расплавленной смеси в пресс-форме. Затем может проводиться дальнейшее охлаждение материала под нормальным давлением вплоть до окончания процесса кристаллизации. Существенное преимущество предлагаемого материала состоит в том, что песок, как основной компонент этого материала, имеется в распоряжении в больших количествах и доступен по низкой стоимости. Так как к качеству применяемых полимеров не предъявляется высоких требований, то для получения предлагаемого материала могут быть использованы полимерные отходы. В результате охлаждения расплавленной смеси под повышенным давлением получается материал, который обладает высокими показателями прочности и который тем самым может быть подвергнут высоким механическим нагрузкам. Однородная структура материала является гарантией того, что полимеры обволакивают песок и возможные присадки, так что утечка солей или других следовых элементов практически исключена, благодаря чему материал сохраняет свои полезные свойства в течение долгого периода времени,например, без заметных явлений выветривания. Полезные свойства предлагаемого материала могут быть продемонстрированы в сравнении с другими материалами следующим образом. Предлагаемый материал не разрушается и обладает ударопрочными свойствами, такими как у пластмасс,более износостоек, чем бетон,допускает механическую обработку, например, распиловку, сверление и нарезание резьбы,обладает водоотталкивающими свойствами, такими как у стекла,обладает высокой стойкостью против химикатов (щелочей, кислот, солей),обладает высоким электрическим сопротивлением,обладает высоким термическим сопротивлением,обладает высокой вяжущей способностью при взаимодействии с бетоном,допускает последующую утилизацию в том же процессе обработки,допускает регулирование эластичности и цвета путем введения различных добавок,трудно воспламеняем. На основе этих свойств открываются широкие перспективы применения предлагаемого материала в строительном секторе народного хозяйства. Из предлагаемого материала могут быть изготовлены, например, камни, плиты или строительные элементы специального профиля. Также важной областью применения предлагаемого материала является электротехника, 3 так как изоляционные свойства материала сравнимы со свойствами керамических изоляторов. Из материала могут быть изготовлены крепежные системы, изоляторы или корпуса электроприборов. Материал может применяться также в качестве носителя для электротехнических систем, в частности фотогальванических элементов. Можно также использовать материал для замены металлических материалов, например,при получении энергоемких продуктов из чугуна или алюминиевого литья (Spitzgussaluminium). Допустимо также применение материала для изготовления перекрытий для канализационных коллекторов или тому подобных целей. Согласно предпочтительному варианту изобретения, стадия приготовления горячей расплавленной смеси при получении материала включает следующие промежуточные стадии: нагревание песка максимально до температуры 800 С; подачу нагретого песка и полимера в смесительный резервуар при поддержании температуры смешения, лежащей выше температуры плавления полимера; смешение песка и полимера для приготовления горячей расплавленной смеси. В различных вариантах изобретения проведение собственно процесса смешения предусматривается различным образом. Горячий песок и полимеры могут смешиваться друг с другом порционно, так, чтобы во время всего процесса смешения, в основном, сохранялось заданное массовое соотношение этих компонентов. Можно также порционно добавлять заданное количество полимеров в большее количество нагретого песка, что гарантирует относительно быстрое достижение полимерами заданной температуры. Кроме того, можно добавлять нагретый песок ко всему заданному количеству полимера, причем полимер может быть либо в виде гранулята, либо уже в виде полимерного расплава. Предпочтительный вариант изобретения предусматривает, что материал состоит, по меньшей мере, на 50% из песка и, по меньшей мере, на 15% из полимера (в пересчете на всю массу). Приведенные пределы указывают предпочтительный интервал содержания основных компонентов - песка и полимера. Песок, следовательно, может присутствовать предпочтительно в количестве от 50 до 85% всей массы материала, в то время, как доля полимера может составлять от 15 до 50%. Результатом указанных соотношений являются особенно прочные материалы, которые к тому же могут быть получены экономично, так как доля полимера поддерживается относительно небольшой. Целесообразно охлаждать расплавленную смесь в пресс-форме при давлении от 1 до 40 кПа до температуры в пределах от 60 до 100 С. Применение повышенного давления во время фазы 4 охлаждения обеспечивает материалу однородную структуру, предотвращает появление газовых включений и повышает конечную прочность материала. С целью придания материалу особых свойств предусматривается введение в него различных добавок уже на стадии приготовления горячей расплавленной смеси. Целесообразно,например, добавлять в материал органические или неорганические волокна, чтобы образовать в нем арматуру, сообщающую материалу повышенную прочность на изгиб и растяжение. Для цветового решения материала в смесь могут быть добавлены красители, соответственно пигменты, при этом необходимо следить, чтобы добавляемые красители не разрушались в горячей расплавленной смеси. Для согласования температур горячей расплавленной смеси с такого рода требованиями можно выбирать полимеры с более низкими температурами плавления, причем добавки вводятся лишь при такой температуре расплавленной смеси, которая лишь незначительно превышает температуру плавления полимера. Для случаев, когда материал должен иметь повышенную эластичность, в смесь могут добавляться химические мягчители или пластификаторы. С целью упрощения процесса получения в смесь вводятся смазочные вещества. Для определенных случаев применения может иметь смысл использование силикатов в качестве инертных добавок. Далее, в процессе получения материала целесообразно измельчать полимерные отходы с целью приготовления полимерного гранулята,служащего исходным веществом для получения расплавленной смеси. Это даст возможность утилизации полимерных отходов, образующихся в больших количествах, причем гранулирование позволяет получать материал с однородными свойствами. Как правило, песок, применяемый для получения материала, имеет величину зерна от 0,5 до 0,9 мм. Однако в других вариантах изобретения величина зерна может варьировать в пределах от 0,005 до 5 мм. Задача изобретения решается также с помощью способа, заявленного в прилагаемом п.9 формулы изобретения. Предлагаемый согласно настоящему изобретению материал может быть использован в различных областях техники. В частности, из материала могут быть изготовлены электроизоляционные элементы. В этом случае преимущество предлагаемого материала заключается в том, что материал обладает очень высоким объемным удельным электрическим сопротивлением. Далее, материал особенно хорошо пригоден для получения элементов для покрытия полов,таких как строительные камни, плиты для пешеходных дорожек и тому подобные элементы. Для таких применений особенно ценно то, что 5 материал стоек против большинства химикатов,стоек к воде и не чувствителен к ультрафиолетовым лучам. Задача изобретения решается также с помощью устройства, особенно пригодного для изготовления предлагаемого материала. Существенные признаки этого устройства определены в п.21 формулы изобретения. Особенно следует подчеркнуть, что в подающем песок отсеке смесительного резервуара предусмотрен заземляющий электрод, который служит для снятия электростатических зарядов с нагретого песка. Благодаря этому предотвращается электростатическая электризация горячего песка, которая имела бы своим следствием воспламенение смеси и в некоторых случаях взрывообразное возгорание. Другие преимущества, детали и усовершенствования настоящего изобретения будут ясны из последующего описания предпочтительных примеров его выполнения, возможностей получения материала и примеров конфигурации. На чертеже показан в виде блок-схемы вариант выполнения устройства, которое может быть использовано для получения предлагаемого материала. В первую очередь поясняется пример материала и способа его получения. Материал содержит следующие массовые количества компонентов: 72% песка, 27,5% полиэтилена, 0,5% красителя. В конкретном примере используется вторичный полиэтилен, т.е. полиэтилен, полученный из полимерных отходов. В качестве красителя в приведенном примере использован железный сурик, придающий материалу краснокоричневую окраску. В общем и целом, могут использоваться и другие минеральные или органические красители, такие как, например, монооксид углерода или кобальтовый голубой. В процессе получения материала, в первую очередь, нагревают песок приблизительно до температуры 400 С. Могут использоваться различные сорта песка, а именно, природный песок,такой как, например, карьерный песок, речной песок, морской песок или пустынный песок, и искусственный песок, такой как, например, песок, получаемый в качестве побочного продукта из каменоломен. В качестве исходного вещества может также использоваться песок, полученный по особой технологии из крупнокристаллического мрамора, мраморного известняка, доломита, крупнокристаллического гранита, сиенита, кирпича, кровельной черепицы, туфа, антрацита, гончарных труб, фарфора, вермикулита. К нагретому песку (величина зерен составляет приблизительно от 0,5 до 0,9 мм) при постоянном перемешивании добавляют вторичный полимер. В конкретном примере в качестве полимера используются бытовые отходы из полимерных материалов, такие как, например, пленки, бутылки и другие упаковочные материалы и 6 предметы. В общем и целом, могут применяться смеси из различных полимеров или чистые полимеры. Также можно применять первичные или вторичные полимеры, соответственно смеси из таких полимеров. Обычно применяют термопластичные полимеры, что дает экологические и экономические преимущества. Наряду с полимером, в смесь порциями добавляют краситель. Смешение исходных материалов производят до тех пор, пока не образуется однородная пластичная масса, причем температура падает приблизительно до 200 С, однако не ниже точки плавления применяемых полимеров. После приготовления расплавленной смеси полученную массу переводят в прессформу с помощью обычных способов. Прессформа может содержать активные охлаждающие устройства для охлаждения массы или допускать пассивную теплоотдачу, что, однако,замедляет процесс переработки. Во время последующего охлаждения давление прессования поддерживается на уровне приблизительно 29 кПа и отключается лишь после затвердения массы, т.е. после снижения температуры ниже точки плавления полимеров, что в поясняемом примере происходит при 95 С. Следует указать на то, что процесс можно проводить также с существенно более высокими давлениями, если это позволит достигать определенных свойств получаемых продуктов. При надлежащем охлаждении пресс-формы время переработки составляет приблизительно 150 с. Опытные образцы полученного материала подвергались испытанию с целью определения наличия следующих свойств: Цвет: красно-коричневый Поверхность: однородная, матово-блестящая,беспористая Плотность: 2700 кг/м 3 Водопоглощение: нуль Разрушающее напряжение: изгибающее напряжение = 150 МПа растягивающее напряжение = 90 МПа сжимающее напряжение = 200 МПа Кислотостойкость: 99 % Щелочестойкость: 96,5 % Объемное удельное электрическое сопротивление: 11015 Омсм Опытный образец трудно воспламеняется и при воздействии огня постепенно обугливается. При удалении пламени обугливание материала сразу прекращается. Следует указать, что в отличие от описанного примера в расплавленную смесь, с целью достижения других свойств материала, могут вводиться другие добавки, соответственно наполнители. Для улучшения прочности при сжатии могут вводиться армирующие добавки в виде органических или минеральных волокон. Для этой цели пригодны, например, асбестовые волокна,стеклянные волокна, ацетатные волокна или 7 хлопковые гребенные очески. В качестве пластификаторов, для повышения эластичности материала, пригодны, например, дибутил- и диоктилфталат, а также трикрезилфосфат. Для предотвращения прилипания расплавленной смеси к пресс-форме во время прессования можно добавлять смазочные вещества, такие как стеарин или воск. В процессе получения расплавленной смеси необходимо особенно следить за тем, чтобы не происходила электростатическая электризация нагретого песка, которая могла бы вызвать разряды и, следовательно, воспламенение расплавленной смеси. С этой целью целесообразно предусмотреть соответствующие заземляющие элементы в смесительном резервуаре. Например, нагретый песок при подаче в смесительный резервуар может быть направлен вдоль заземленного электрода, вследствие чего отдельные песчинки приобретают потенциал земли. Перед затвердением расплавленной смеси в пресс-форме в материал могут быть впрессованы различные элементы и вещества. Например, в материал можно впрессовать металлический стержень отвертки, в этом случае сам материал мог бы служить рукояткой отвертки. Благодаря высокому электрическому сопротивлению материала такая отвертка была бы пригодна для применения в электротехнике. В случае использования полимерных отходов для получения материала необходимо следить за тем, чтобы полимерные отходы не были загрязнены примесями электропроводящих материалов (например, алюминиевой фольгой), так как в этом случае возникает опасность электрического соединения между рукояткой и металлическим стержнем отвертки. Для получения предлагаемого материала в каждом случае необходимо готовить горячую расплавленную смесь из песка и полимера. Такую смесь можно готовить различными способами. Ниже кратко рассматриваются общие возможности получения горячей расплавленной смеси. Согласно первому варианту, механически хорошо перемешанную смесь из песка и гранулированного или измельченного полимера и,при необходимости, добавок готовят при температуре окружающей среды. Эту смесь нагревают, постоянно перемешивая до тех пор, пока не образуется однородная пластичная масса. В зависимости от применяемых полимеров это происходит при температурах от 90 до 500 С. Второй вариант заключается в том, что вначале нагревают до температуры в пределах от 200 до 800 С один только песок. Необходимая конечная температура также зависит от применяемых полимеров. В нагретый песок в соответствующем смесительном резервуаре добавляют, при постоянном перемешивании, необходимое количество полимера или смеси полимера и добавок. Еще одна (модифицирован 003826 8 ная) возможность получения горячей расплавленной смеси заключается в том, что нагретый песок, также при постоянном перемешивании,постепенно добавляют к полимеру. При объединении основных компонентов температура смеси снижается; поэтому необходимо следить за тем, чтобы температура смеси находилась всегда выше точки плавления полимеров. Результатом такого смешения также является однородная пластичная масса, которую подают при необходимой температуре на последующую обработку давлением в пресс-форму. Третий вариант заключается в том, что в нагретый до температуры от 90 до 450 С песок при постоянном перемешивании вводят уже расплавленный полимер или расплавленную смесь полимеров. Затем также вводят добавки. Расплавленную смесь перемешивают до достижения однородного пластичного состояния. Предлагаемый материал также может быть получен путем введения в расплавленный полимер нагретого до температуры от 90 до 450 С песка, а также добавок, при этом благодаря непрерывному перемешиванию получается однородная пластичная масса. Пятый вариант приготовления горячей расплавленной смеси заключается в применении вторичной смеси, состоящей из предварительно сплавленных друг с другом полимера и песка. Вторичную смесь измельчают и гранулируют, нагревают и перемешивают вплоть до получения однородной пластичной массы, причем конечная температура находится в пределах от 90 до 450 С, в зависимости от полимеров,применяемых во вторичной смеси. Этот вариант особенно удобен в том случае, когда материал используется для изготовления различных изделий на производственных установках, расположенных в разных местах, причем на этих производственных установках необязательно соблюдение строгих технологических условий, которые необходимо соблюдать для первого приготовления вторичной смеси. При применении вторичной смеси, например, нет опасности самовоспламенения, так как уже связанный в полимере песок электростатически не электризуется. Этот способ получения может быть использован также в том случае, когда изготовленные из предлагаемого материала изделия подлежат направлению на переработку для вторичного использования. При вторичном использовании таких материалов их свойства могут быть изменены путем введения в состоящую из полимерных отходов расплавленную смесь дополнительных частей песка, полимеров или других добавок. Давление, необходимое во время охлаждения расплавленной смеси в пресс-форме, зависит от заданных свойств получаемого продукта и от свойств применяемых исходных веществ. Применяемое давление может составлять от 1 9 до 40 кПа. Необходимое давление может создаваться путем прессования, прокатки или тому подобным способом. Ниже, со ссылкой на прилагаемый чертеж,описывается предпочтительный вариант устройства, которое может быть использовано для получения предлагаемого материала и для осуществления описанного способа. Основные исходные вещества хранятся в емкости 1 для хранения песка, соответственно в емкости 2 для хранения полимера. В описываемом варианте изобретения в емкости 1 для песка находится просеянный песок с величиной зерна от 0 до 0,5 мм. Просеянный песок подают из емкости 1 в бункер 3 для сыпучих материалов. В бункере 3 расположены тепловые контактные поверхности 4, обогреваемые теплоносителем 5. В показанном примере в качестве теплоносителя применяется горячее масло, которое подводится в бункер 3 и, в частности, к расположенным в нем тепловым контактным поверхностям 4. Просеянный песок просачивается через бункер 3, предпочтительно под действием силы тяжести, причем просеянный песок направляется вдоль тепловых контактных поверхностей 4 и таким образом нагревается. Конструкция бункера 3 для сыпучих материалов и скорость просачивания песка согласованы друг с другом так,что песок покидает бункер 3 с температурой приблизительно от 300 до 400 С. Нагревание песка в бункере 3 для сыпучих материалов происходит преимущественно с использованием принципа противотока, причем должен быть обеспечен достаточный приток тепла с помощью горячего масла. Во избежание тепловых потерь бункер 3 для сыпучих материалов теплоизолирован. Далее, предусмотрено дозирующее устройство 6, которое принимает как нагретый песок, так и полимер из емкости 2 для хранения полимера. Показанное устройство работает с измельченными полимерными отходами, которые хранятся в емкости 2 для хранения полимера. Дозирующее устройство отвешивает необходимое количество песка и полимера и выдает его непрерывно или периодически в заданном соотношении в смесительный резервуар 7. В смесительном резервуаре 7 производится смешение песка и полимера друг с другом,причем температура смеси поддерживается такой высокой, что полимер переходит в жидкое агрегатное состояние. С этой целью смесительный резервуар 7, как и бункер, целесообразно выполнить теплоизолированным и необходимое дополнительное тепло подводить также с помощью теплоносителя 5, например, подавая горячее масло в соответствующие теплообменные элементы смесительного резервуара 7. Во избежание нарушений работы, таких как,например, закупорка подводящих трубопроводов, полимер и песок подаются в смесительный резервуар 7 раздельно и смешиваются лишь в 10 этом резервуаре. Смесительный резервуар 7 может иметь и другие подводящие трубопроводы (не показаны), по которым производится подача в него других добавок (например, красителей). Внутри смесительного резервуара расположены соответствующие смесительные элементы 8, например смесительные вальцы. При необходимости, для выравнивания возможного роста давления (если таковой произойдет) в смесительном резервуаре 7 предусмотрен предохранительный клапан 9. Кроме того, оказалось, что при смешении нагретого песка и полимера существует опасность электростатической электризации. Такая электростатическая электризация могла бы приводить к саморазряду расплавленной смеси, так как полимеры и образующиеся газы являются, как правило, горючими. При саморазряде возникает опасность взрывов, которые могут разрушить всю установку. Для предотвращения электростатической электризации предусмотрен заземляющий электрод 10, через который производится выравнивание и отвод электрических потенциалов. Готовая расплавленная смесь при температуре около 130 С (которая во всяком случае выше точки плавления применяемого в том или ином случае полимера) отводится из смесительного резервуара. Расплавленная смесь через предназначенные для этой цели транспортные устройства 11 поступает в разного рода прессформы 12, в которых происходит формование заданных изделий. Поддерживая давление, как подробно описано выше, производят заливку расплавленной смеси в пресс-формы 12, где она остывает до температуры ниже точки плавления полимера. Извлечение полученного изделия из пресс-формы обычно производится при температуре около 60 С, после чего его переводят в охлаждающую форму 13 для дальнейшего охлаждения. Специалисту должно быть ясно, что предлагаемое в соответствии с настоящим изобретением устройство допускает его разнообразные модификации и что, в частности, необходимо каждый раз настраивать предлагаемое устройство на получение в нем тех или иных изделий. Помимо приведенных примеров, предлагаемый материал, благодаря своим многочисленным полезным свойствам, может применяться в самых разнообразных областях народного хозяйства. Из него могут быть изготовлены, как изделия с большой поверхностью, так и филигранные изделия в том случае, когда применяется расплавленная смесь, содержащая песок с малой величиной зерна. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения материала, состоящего из песка и полимеров и, при необходимости, 11 других добавок, включающий следующие стадии: нагревание песка до температуры в пределах от 300 до 800 С; подачу нагретого песка и полимера в закрытый смесительный резервуар (7), снабженный заземляющим электродом (10) и предохранительным клапаном (9), при поддержании температуры смешения, лежащей выше температуры плавления полимера; смешение песка и полимера для приготовления горячей расплавленной смеси; введение расплавленной смеси в прессформу (12); охлаждение расплавленной смеси под давлением до затвердения расплавленной смеси в пресс-форме; дальнейшее охлаждение затвердевшего материала при нормальном давлении. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в нагретый песок при непрерывном перемешивании вводят полимеры, пока доля полимеров не составит 15-50% от всей массы расплавленной смеси. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полимеры при непрерывном перемешивании вводят нагретый песок, пока доля песка не составит 50-85% от всей массы расплавленной смеси. 4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что расплавленную смесь в прессформе (12) охлаждают при давлении от 1 до 40 кПа до температуры в пределах от 60 до 100 С. 5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что перед приготовлением горячей расплавленной смеси полимерные отходы измельчают для получения полимерного гранулята. 6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что песок имеет величину зерен от 0,5 до 0,9 мм. 7. Способ по п.3, отличающийся тем, что перед введением в полимеры нагретый песок электрически разряжают. 8. Способ по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что перед смешением с песком полимер нагревают до расплавления. 9. Способ по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что в горячую расплавленную смесь вводят одну или несколько из следующих добавок: 12 органические или неорганические волокна; красители; химические мягчители; пластификаторы; смазочные вещества; силикаты. 10. Способ по одному из пп.1-9, отличающийся тем, что во время стадии охлаждения под давлением перед затвердением материала в расплавленную смесь вставляют твердые элементы для закрепления их с геометрическим или силовым замыканием в материале. 11. Способ по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что его используют для получения одного из следующих предметов: электроизоляционных элементов,элементов покрытия для полов,крышек для входных люков к проложенным под землей каналам. 12. Устройство для осуществления способа по одному из пп.1-11, содержащее емкость (1) для хранения песка и емкость(2) для хранения полимера; бункер (3) для сыпучих материалов, в который из емкости (1) для хранения песка подается песок, с обогреваемыми теплоносителем (5) тепловыми контактными поверхностями (4), на которых происходит нагревание песка; дозирующее устройство (6), принимающее полимер из емкости (2) для хранения полимера и нагретый песок из бункера (3) для сыпучих материалов и выдающее заранее заданные их количества; смесительный резервуар (7), в который поступают из дозирующего устройства (6) заранее заданные количества песка и полимера, смешиваются в нем друг с другом и из которого выводится расплавленная смесь; расположенный в смесительном резервуаре (7) заземляющий электрод (10) для отвода электростатических потенциалов; расположенный в смесительном резервуаре (7) предохранительный клапан (9), предохраняющий от избыточного давления в смесительном резервуаре; пресс-форму (12), в которой полученная из смесительного резервуара (7) расплавленная смесь охлаждается под давлением до затвердения.