BR102019023351A2

BR102019023351A2 - structural insulation composition, insulation material preparation process and structural insulation material

Info

Publication number: BR102019023351A2
Application number: BR102019023351-6A
Authority: BR
Inventors: Luiz Carlos Simão
Original assignee: Fibertechnic Ltda - Epp
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-05-18

Abstract

Esta invenção refere-se a um material de isolamento estrutural resistente, único, de baixa densidade e alta temperatura e mais particularmente, refere-se a um material de isolamento inorgânico composto por partículas micrométricas que tem uma baixa condutividade térmica baixa e é extremamente resistente à compressão sob temperatura.This invention relates to a unique, low-density, high-temperature tough structural insulating material and more particularly, to an inorganic insulating material composed of micrometric particles that has a low low thermal conductivity and is extremely resistant to weathering. compression under temperature.

Description

STRUCTURAL INSULATION COMPOSITION, INSULATION MATERIAL AND STRUCTURAL INSULATION MATERIAL PREPARATION PROCESS

FIELD OF THE INVENTION

[001] Esta invenção refere-se a um material de isolamento estrutural resistente, único, de baixa densidade e alta temperatura e mais particularmente, refere-se a um material de isolamento inorgânico composto por partículas micrométricas que tem uma baixa condutividade térmica e é extremamente resistente à compressão sob temperatura.[001] This invention relates to a tough, unique, low-density, high-temperature structural insulation material and more particularly, it relates to an inorganic insulation material composed of micrometric particles that has a low thermal conductivity and is extremely resistant to compression under temperature.

BACKGROUND OF THE INVENTION

[002] Ao longo dos anos, tem havido uma necessidade crescente de desenvolvimento de materiais isolantes que também atendessem as características quanto os esforços mecânicos e cada vez mais submetidos a um aumento de temperatura.[002] Over the years, there has been a growing need to develop insulating materials that also meet the characteristics of mechanical efforts and increasingly subjected to an increase in temperature.

[003] A indústria de materiais isolantes, sem dúvida, tem evoluído quanto à sua meta de apresentar produtos com maior poder de isolamento com o desenvolvimento de materiais que chegam a ter condutividade térmica inferior ao ar em repouso , como são as famílias dos microporosos e aerogeis.[003] The insulating materials industry, without a doubt, has evolved towards its goal of presenting products with greater insulating power with the development of materials that come to have thermal conductivity lower than the air at rest, such as the families of microporous and aerogels.

[004] Entretanto à evolução conseguida na redução da condutividade térmica desses materiais não tem sido alcançada nas outras características igualmente importantes para ser um material isolante de performance, como a resistência mecânica e refratariedade sob carga.[004] However, the evolution achieved in reducing the thermal conductivity of these materials has not been achieved in other equally important characteristics to be an insulating material of performance, such as mechanical strength and refractoriness under load.

[005] Principalmente na indústria siderúrgica muito foram os processos, introduzidos na produção e no transporte do metal líquido, que exigiram dos revestimentos refratários dos equipamentos uma melhora significativa para compensar as severidades operacionais introduzidas por esses novos processos.[005] Mainly in the steel industry, there were many processes, introduced in the production and transport of liquid metal, which required a significant improvement from the refractory linings of the equipment to compensate for the operational severities introduced by these new processes.

[006] A fim de resistir à nova demanda e severidade introduzida pelos novos processos a indústria de refratário criou novas composições de grãos refratários tais como: carbono, carbeto de silício e espinélio entre outros, cuja principal característica dessa nova composição é a alta resistência à escória e ao metal fundido, o que aumenta a produtividade nos processos siderúrgicos.[006] In order to resist the new demand and severity introduced by the new processes, the refractory industry created new compositions of refractory grains such as: carbon, silicon carbide and spinel among others, whose main characteristic of this new composition is the high resistance to slag and molten metal, which increases productivity in steelmaking processes.

[007] Por outro lado, esse material normalmente tem uma alta condutividade térmica demandando melhores performances nos materiais de isolamento. Independente da evolução da indústria refratária, a evolução nos produtos isolantes basicamente se concentrava somente na melhora de eficiência pela redução da condutividade térmica.[007] On the other hand, this material usually has a high thermal conductivity demanding better performances in insulation materials. Regardless of the evolution of the refractory industry, the evolution in insulating products basically focused only on improving efficiency by reducing thermal conductivity.

[008] A maioria dos materiais disponíveis para o isolamento complementar destes equipamentos apresenta baixa resistência à compressão ou baixa refratariedade sob carga ou alta resistência à compressão com alta condutividade térmica., ou ainda baixa condutividade térmica e baixa refratariedade sob carga.[008] Most of the materials available for the complementary insulation of these equipments have low compressive strength or low refractoriness under load or high compressive strength with high thermal conductivity., or even low thermal conductivity and low refractoriness under load.

[009] Várias foram as tentativas de se aplicar materiais microporosos, placas a base de fibra cerâmica ou silicato de cálcio em aplicações na área siderúrgica, porem sua aplicação tem sido limitada frente aos custos envolvidos em alguns desses materiais ou insuficiência de resistência mecânica decorrente das altas solicitações mecânicas exigidas nos processos siderúrgicos.[009] There have been several attempts to apply microporous materials, ceramic fiber or calcium silicate-based boards in applications in the steel industry, but their application has been limited due to the costs involved in some of these materials or insufficient mechanical strength due to high mechanical demands required in steelmaking processes.

[0010] A literatura patentária descreve diversos documentos que fornecem alternativas de materiais de isolamento. O US 2018/148376 descreve uma composição compreendendo de 1-95% em peso de um óxido de cerâmica, de 1- 30% em peso de um ligante inorgânico, que é tratado a uma temperatura menor que 1.000 °C, mas que não contém vermiculita em sua composição. Na realidade, esse documento contesta o uso de vermiculita e apresenta o uso de materiais sintéticos como alternativa.[0010] The patent literature describes several documents that provide alternative insulation materials. US 2018/148376 describes a composition comprising from 1-95% by weight of a ceramic oxide, from 1-30% by weight of an inorganic binder, which is treated at a temperature lower than 1000°C, but which does not contain vermiculite in its composition. In fact, this document challenges the use of vermiculite and presents the use of synthetic materials as an alternative.

[0011] O documento WO 2018/085700 descreve uma composição refratária compreendendo um agregado refratário, como por exemplo alumina, bauxita, mullita, perlita, vermiculita, um componente de matriz, como por exemplo alumina (calcinada ou reativa), sílicas, e partículas aceleradoras revestidas com silicatos. Essas partículas podem ser, por exemplo, carbonato de cálcio, magnésio e/ou lítio. A presente invenção difere desse documento por não compreender essas partículas aceleradoras revestidas, e possuir ainda fibras inorgânicas e ligantes inorgânicos.[0011] WO 2018/085700 describes a refractory composition comprising a refractory aggregate, such as alumina, bauxite, mullite, perlite, vermiculite, a matrix component, such as alumina (calcined or reactive), silicas, and particles silicate-coated accelerators. Such particles can be, for example, calcium, magnesium and/or lithium carbonate. The present invention differs from this document in that it does not comprise these coated accelerator particles, and also has inorganic fibers and inorganic binders.

[0012] O documento AU 5007672 descreve um material refratário com boas propriedades de resistência mecânica, ao calor, e a fogo, além de ser leve e de baixo custo, feito a partir da mistura de 12-88% em peso de vermiculita, de 12-88% em peso de uma argila e de 0,01-8% em peso de um sal de metal alcalino para aprimorar a transformação da estrutura mineral. Exemplos desses sais incluem, sem limitações, carbonatos e silicatos. A presente invenção difere deste documento, por não compreender argila e por utilizar outros tipos de silicatos, como silicato de cálcio.[0012] The document AU 5007672 describes a refractory material with good properties of mechanical resistance, heat, and fire, in addition to being light and low cost, made from a mixture of 12-88% by weight of vermiculite, from 12-88% by weight of a clay and 0.01-8% by weight of an alkali metal salt to improve the transformation of the mineral structure. Examples of such salts include, without limitation, carbonates and silicates. The present invention differs from this document in that it does not comprise clay and in that it uses other types of silicates, such as calcium silicate.

[0013] O documento WO 2015/162398 descreve uma composição para uso na fabricação de artigos refratários que confere resistência à erosão de alumínio e ligas de alumínio líquidas, boa resistência ao choque térmico, baixa condutividade térmica e boa estabilidade dimensional. Ele é composto de sílica fundida, fibra cerâmica, microsílica e sílica coloidal. A presente invenção difere deste documento por requerer a presença de silicatos, carbonatos e vermiculita.[0013] WO 2015/162398 describes a composition for use in the manufacture of refractory articles that provides erosion resistance of aluminum and liquid aluminum alloys, good thermal shock resistance, low thermal conductivity and good dimensional stability. It is composed of fused silica, ceramic fiber, microsilica and colloidal silica. The present invention differs from this document in that it requires the presence of silicates, carbonates and vermiculite.

[0014] O conceito da presente invenção foi baseado nas características encontradas nos produtos microporosos que consistem em uma estrutura amorfa pirogênica de dióxido de silício e opacificantes a base de oxido de titânio ou magnésio.[0014] The concept of the present invention was based on the characteristics found in microporous products that consist of a pyrogenic amorphous structure of silicon dioxide and opacifiers based on titanium or magnesium oxide.

[0015] Condução, radiação e convecção são características chaves na transferência de calor. O isolamento microporoso consiste de duas fases, matéria sólida e poro gás. A troca de calor ocorre nessas fases e no revestimento de face externa.[0015] Conduction, radiation and convection are key characteristics in heat transfer. Microporous insulation consists of two phases, solid matter and pore gas. Heat exchange takes place in these phases and in the outer face coating.

[0016] A condução ocorre na fase do gás quando as moléculas de ar quente colidem com uma barreira e liberam energia em excesso. O grau de porosidade e o tamanho do poro influenciam significativamente na perda de energia pela condução do gás na fase de gás e é de primeira importância para a condutividade térmica. Seu tamanho de poro é determinado pelo principal componente, microssílica pirogênica. Este material consiste em partículas que variam de 7–50nm, que formam as estruturas dos microporos. Entretanto a estrutura do microporoso resulta numa liga fraca entre moléculas fazendo com que o produto se torne bastante frágil e friável limitando a faixa de aplicação desse produto.[0016] Conduction occurs in the gas phase when hot air molecules collide with a barrier and release excess energy. The degree of porosity and pore size significantly influence the energy loss by conducting the gas in the gas phase and is of primary importance for thermal conductivity. Its pore size is determined by the main component, fumed microsilica. This material consists of particles ranging from 7–50nm, which form the micropore structures. However, the microporous structure results in a weak bond between molecules, making the product very fragile and friable, limiting the product's range of application.

[0017] Conciliando as tecnologias aplicadas para a produção de placas isolantes microporosas, a presente invenção também se baseia em aplicações de materiais micrométricos para produção de uma placa isolante estrutural onde as características de bom isolamento são preservadas porem adiciona-se ao produto características de maior refratariedade e principalmente de maior resistência mecânica.[0017] Reconciling the technologies applied for the production of microporous insulating boards, the present invention is also based on applications of micrometric materials for the production of a structural insulating board where the characteristics of good insulation are preserved but adds to the product features of greater refractoriness and mainly of greater mechanical resistance.

[0018] A presente invenção é inovadora frente ao estado da arte atual e ainda que especialista combinasse esses ensinamentos, não se alcançaria a solução proposta por essa invenção.[0018] The present invention is innovative compared to the current state of the art and even if a specialist combined these teachings, the solution proposed by this invention would not be achieved.

SUMMARY OF THE INVENTION

[0019] É um objeto da presente invenção uma composição de isolamento estrutural compreendendo:

a) 15% a 40% p/p de material de isolamento particulado com uma área superficial de 25-75 m2/g;
b) 20% a 45% p/p de material opacificante com tamanho de partícula médio menor que 5 µm;
c) 15% a 40% p/p de um indutor de celularidade;
d) 0,5% a 5% p/p de agente de liga; e
e) 0,5% a 5% p/p de fibras inorgânicas.

[0019] It is an object of the present invention a structural insulation composition comprising:

a) 15% to 40% w/w of particulate insulation material with a surface area of 25-75 m2/g;
b) 20% to 45% w/w opacifying material with an average particle size less than 5 µm;
c) 15% to 40% w/w of a cellularity inducer;
d) 0.5% to 5% w/w binding agent; and
e) 0.5% to 5% w/w of inorganic fibers.

[0020] Opcionalmente, a composição pode compreender ainda 0% a 2% p/p de polímeros orgânicos e/ou inorgânicos.[0020] Optionally, the composition may further comprise 0% to 2% w/w of organic and/or inorganic polymers.

[0021] Preferencialmente, o material de isolamento particulado é silicato de cálcio com área superficial em torno de 50 m2/g.[0021] Preferably, the particulate insulation material is calcium silicate with a surface area around 50 m2/g.

[0022] Preferencialmente o material opacificante é carbonato de cálcio. Preferencialmente, o carbonato de cálcio possui um tamanho de partícula médio de 2 µm.[0022] Preferably the opacifying material is calcium carbonate. Preferably, the calcium carbonate has an average particle size of 2 µm.

[0023] Preferencialmente, o indutor de celularidade sofre expansão quando submetido ao calor.[0023] Preferably, the cellularity inducer undergoes expansion when subjected to heat.

[0024] É um objeto adicional da presente invenção um processo de preparo da composição de isolamento estrutural compreendendo as etapas de:

a) Misturar o material de isolamento particulado e o material opacificante;
b) Adicionar as fibras inorgânicas à mistura da etapa a);
c) Adicionar o indutor de celularidade e o agente de liga à mistura da etapa b); e
d) Moldar a mistura na forma desejada.

[0024] It is an additional object of the present invention a process for preparing the structural insulation composition comprising the steps of:

a) Mix the particulate insulation material and the opacifying material;
b) Add the inorganic fibers to the mixture from step a);
c) Add the cellularity inducer and the binding agent to the mixture from step b); and
d) Shape the mixture into the desired shape.

[0025] Em uma modalidade alternativa, o processo de preparo da composição de isolamento estrutural compreende as etapas de:

a) Misturar o material de isolamento particulado e o material opacificante;
b) Adicionar as fibras inorgânicas à mistura da etapa a);
c) Misturar o agente de liga ao polímero formando uma pré-mistura de agente de liga-polímero
d) Adicionar o indutor de celularidade e a pré-mistura de agente de ligapolímero à mistura da etapa b); e
e) Moldar a mistura na forma desejada.

[0025] In an alternative modality, the process of preparing the structural insulation composition comprises the steps of:

a) Mix the particulate insulation material and the opacifying material;
b) Add the inorganic fibers to the mixture from step a);
c) Mixing the binding agent to the polymer forming a premix of binding agent-polymer
d) Add the cellularity inducer and the alloy-polymer agent premix to the mixture from step b); and
e) Shape the mixture into the desired shape.

[0026] Preferencialmente há uma etapa de homogeneização logo após a adição de material à mistura.[0026] Preferably there is a homogenization step right after adding material to the mixture.

[0027] Preferencialmente o teor de sólidos é mantido na faixa de 60-95%, em especial na faixa de 70-85%.[0027] Preferably the solids content is kept in the range of 60-95%, especially in the range of 70-85%.

[0028] É um objeto adicional da presente invenção um material de isolamento compreendendo a composição de isolamento estrutural.[0028] It is a further object of the present invention an insulation material comprising the structural insulation composition.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0029] A descrição a seguir tem o intuito somente de exemplificar algumas das inúmeras formas de se realizar a invenção, e não deve ser encarada de modo a limitar o escopo da presente invenção.[0029] The following description is intended only to exemplify some of the numerous ways of carrying out the invention, and should not be viewed in such a way as to limit the scope of the present invention.

[0030] A presente invenção é relativa à uma composição de isolamento estrutural, um processo de preparo dessa composição e a um material de isolamento estrutural único capaz de suportar altas temperaturas e alta resistência à compressão mantendo uma baixa condutividade térmica. Também mantém suas propriedades físicas mesmo sob máximas temperaturas de trabalho.[0030] The present invention is related to a composition of structural insulation, a process for preparing this composition and a unique structural insulation material capable of withstanding high temperatures and high resistance to compression while maintaining a low thermal conductivity. It also maintains its physical properties even under maximum working temperatures.

[0031] A constituição básica principal da presente invenção é uma placa formulada através de uma composição micrométrica de silicato de cálcio, carbonato de cálcio precipitado, vermiculita, oxido de magnésio, fibras inorgânicas de reforço ou mesmo fibras orgânicas como o polietileno ligados por um agente inorgânico, como silicato de sódio, sílica coloidal entre outros.[0031] The main basic constitution of the present invention is a board formulated through a micrometric composition of calcium silicate, precipitated calcium carbonate, vermiculite, magnesium oxide, reinforcing inorganic fibers or even organic fibers such as polyethylene bonded by an agent inorganic, such as sodium silicate, colloidal silica among others.

Structural Insulation Composition

[0032] A composição de isolamento estrutural da presente invenção compreende:

[0032] The structural insulation composition of the present invention comprises:

[0033] Opcionalmente, a composição pode compreender ainda 0% a 2% p/p de polímeros orgânicos e/ou inorgânicos.[0033] Optionally, the composition may further comprise 0% to 2% w/w of organic and/or inorganic polymers.

[0034] Em uma modalidade preferencial, a composição de isolamento estrutural compreende:

a) 30% a 35% p/p de material de isolamento particulado com uma área superficial de 25-75 m2/g;
b) 30% a 35% p/p de material opacificante com tamanho de partícula médio menor que 5 µm;
c) 30% a 35% p/p de um indutor de celularidade;
d) 0,5% a 5% p/p de agente de liga; e
e) 1% a 5% p/p de fibras inorgânicas.

[0034] In a preferred embodiment, the structural insulation composition comprises:

a) 30% to 35% w/w particulate insulating material with a surface area of 25-75 m2/g;
b) 30% to 35% w/w opacifying material with an average particle size less than 5 µm;
c) 30% to 35% w/w of a cellularity inducer;
d) 0.5% to 5% w/w binding agent; and
e) 1% to 5% w/w of inorganic fibers.

[0035] Em uma modalidade mais preferencial, a composição de isolamento estrutural compreende:

a) 29,5% p/p de material de isolamento particulado com uma área superficial de 25-75 m2/g;
b) 31,0% p/p de material opacificante com tamanho de partícula médio menor que 5 µm;
c) 30,5% p/p de um indutor de celularidade;
d) 5% p/p de agente de liga; e
e) 4% p/p de fibras inorgânicas.

[0035] In a more preferred embodiment, the structural insulation composition comprises:

a) 29.5% w/w particulate insulating material with a surface area of 25-75 m2/g;
b) 31.0% w/w opacifying material with an average particle size less than 5 µm;
c) 30.5% w/w of a cellularity inducer;
d) 5% w/w alloying agent; and
e) 4% w/w inorganic fibers.

particulate insulation material

[0036] Um material de isolamento particulado de acordo com a presente invenção engloba qualquer material particulado capaz de proporcionar isolamento. O silicato de cálcio é o material de isolamento preferencial para uso na presente invenção.[0036] A particulate insulation material according to the present invention encompasses any particulate material capable of providing insulation. Calcium silicate is the preferred insulating material for use in the present invention.

[0037] O Silicato de cálcio quimicamente, se parece com a estrutura do cristal xonotlite que resulta numa excepcional resistência e extremamente baixo conteúdo de água de hidratação. Preferencialmente, o silicato de cálcio basicamente é composto primariamente de cal, sílica e fibras de reforço.[0037] Calcium Silicate chemically resembles the xonotlite crystal structure which results in exceptional strength and extremely low water content of hydration. Preferably, calcium silicate is primarily composed of lime, silica and reinforcing fibres.

[0038] Apresenta um ótimo comportamento quanto ao encolhimento quando submetido à temperatura inferiores a 800°C porem quando submetidos a temperaturas superiores a esta inicia uma perda em seu volume.[0038] It has a great behavior regarding shrinkage when subjected to temperatures below 800°C but when subjected to temperatures above this starts a loss in its volume.

[0039] O particulado de silicato de cálcio preferencialmente atinge um estágio micrométrico de área superficial de 25-75 m2/g, preferencialmente igual ou superior a 50m2/g.[0039] The calcium silicate particulate preferably reaches a micrometric stage of surface area of 25-75 m2/g, preferably equal to or greater than 50m2/g.

Opacifying material

[0040] Um material opacificante de acordo com a presente invenção engloba qualquer material capaz de diminuir a transparência da composição. O carbonato de cálcio é o material opacificante preferencial para uso na presente invenção.[0040] An opacifying material according to the present invention encompasses any material capable of reducing the transparency of the composition. Calcium carbonate is the preferred opacifying material for use in the present invention.

[0041] O carbonato de cálcio é uma substância química de fórmula CaCO3 com características alcalinas resultado da reação do óxido de cálcio (cal virgem) com dióxido de carbono que influencia a solução formando um composto com pH alcalino quando em solução aquosa:
CaO + CO2 → CaCO3[0041] Calcium carbonate is a chemical substance with the formula CaCO3 with alkaline characteristics resulting from the reaction of calcium oxide (virgin lime) with carbon dioxide that influences the solution forming a compound with alkaline pH when in aqueous solution:
CaO + CO2 → CaCO3

[0042] Quando em solução aquosa sofre hidrólise salina, produzindo uma base forte, uma solução de hidróxido de cálcio. No último caso, o carbonato de cálcio é derivado da mistura, formando um grau de produto chamado "carbonato de cálcio precipitado", ou PCC. PCC tem um tamanho de partícula muito fino e controlado, na ordem de 2 µm de diâmetro, particularmente útil na produção do material de isolamento da presente invenção:
CaCO3 + H2O → CO2 + Ca(OH)2[0042] When in aqueous solution it undergoes saline hydrolysis, producing a strong base, a calcium hydroxide solution. In the latter case, calcium carbonate is derived from the mixture, forming a product grade called "precipitated calcium carbonate", or PCC. PCC has a very fine and controlled particle size, on the order of 2 µm in diameter, particularly useful in producing the insulation material of the present invention:
CaCO3 + H2O → CO2 + Ca(OH)2

[0043] O carbonato de cálcio entra na composição para compor uma estrutura estável de alta resistência mecânica e de baixa variação volumétrica quando submetido à alta temperatura de trabalho.[0043] Calcium carbonate enters the composition to compose a stable structure of high mechanical strength and low volumetric variation when subjected to high working temperature.

Cellularity inducer

[0044] A condutividade térmica, porosidade e permeabilidade são as propriedades mais importantes para avaliar os materiais refratários isolantes. A maior parte dos materiais isolantes de calor produzidos é fabricada à base de Al2O3-SiO2 com outros aditivos, por exemplo CaO, MgO, óxidos de ferro, materiais alcalinos, TiO2, etc. Quanto menor o peso do volume do material, menor é a sua condutividade térmica. Estes materiais têm sua porosidade real inferior a 45% em volume.[0044] Thermal conductivity, porosity and permeability are the most important properties to evaluate insulating refractory materials. Most of the heat-insulating materials produced are manufactured on the basis of Al2O3-SiO2 with other additives, for example CaO, MgO, iron oxides, alkaline materials, TiO2, etc. The lower the volume weight of the material, the lower its thermal conductivity. These materials have their actual porosity less than 45% by volume.

[0045] Para aumentar a porosidade dos materiais, muitas técnicas e processos como a adição de compostos combustíveis, substâncias voláteis, compostos leves e a formação de estruturas celulares induzidas por agentes espumantes poderiam ser aplicados em escala industrial. Além disso, o material refratário isolante (especialmente em forma, por exemplo, placa isolante) deve ter espaço poroso suficiente (para reduzir a condutividade térmica; preferencialmente poros de tamanho pequeno distribuído preferencialmente) e ao mesmo tempo ter uma textura celular.[0045] To increase the porosity of materials, many techniques and processes such as the addition of combustible compounds, volatile substances, light compounds and the formation of cellular structures induced by foaming agents could be applied on an industrial scale. In addition, the insulating refractory material (especially in shape, eg, insulating plate) must have sufficient pore space (to reduce thermal conductivity; preferably small-sized pores preferably distributed) and at the same time have a cellular texture.

[0046] A celularidade da textura refratária pode ser introduzida por muitas técnicas. Para efeitos dessa invenção, exemplos de indutores de celularidade incluem, sem limitações:

a) A adição de uma substância combustível (por exemplo, serradura, papel, etc.) ou composto volátil (por exemplo, naftaleno);
b) Uso de minerais ou substâncias que tenham textura aberta ou se expandam e se abram quando aquecidas (por exemplo vermiculita, diatomite crua);
c) Aeração ou Inchaço químico, obtido pelo uso de Al em pó em combustão com solução de NaOH; e
d) Uso de espumantes;

[0046] The cellularity of the refractory texture can be introduced by many techniques. For the purposes of this invention, examples of cellularity inducers include, without limitation:

a) The addition of a combustible substance (eg sawdust, paper, etc.) or volatile compound (eg naphthalene);
b) Use of minerals or substances that have an open texture or that expand and open when heated (eg vermiculite, raw diatomite);
c) Aeration or chemical swelling, obtained by using powdered Al in combustion with a NaOH solution; and
d) Use of sparkling wines;

[0047] Preferencialmente, o indutor de celularidade é a vermiculita, um mineral formado por hidratação de certos minerais basálticos, com fórmula química (MgFe,Al)3(Al,Si)4O10(OH)2.4H2O.[0047] Preferably, the inducer of cellularity is vermiculite, a mineral formed by hydration of certain basaltic minerals, with chemical formula (MgFe,Al)3(Al,Si)4O10(OH)2.4H2O.

[0048] A vermiculita sofre expansão quando lhe é aplicado calor. Possui alta capacidade de troca catiônica formado essencialmente por silicatos hidratados de alumínio e magnésio. Quando submetida a um aquecimento adequado a água contida entre as suas milhares de lâminas se transforma em vapor fazendo com que as partículas explodam e se transformem em flocos sanfonados. Cada floco expandido aprisiona consigo células de ar inerte, o que confere ao material excepcional capacidade de isolamento.[0048] Vermiculite expands when heat is applied to it. It has a high cation exchange capacity formed essentially by hydrated aluminum and magnesium silicates. When subjected to adequate heating, the water contained between its thousands of blades turns into steam, causing the particles to explode and turn into accordion flakes. Each expanded flake traps cells of inert air, which gives the material exceptional insulating capacity.

[0049] O produto obtido é ignífugo, inodoro, não irrita a pele nem os pulmões, apresenta baixa condutividade elétrica, é um excelente isolante térmico e absorvente acústico; não se decompõe, deteriora ou apodrece; é lubrificante e tem as características necessárias aos materiais filtrantes. Essas propriedades tornam a vermiculita um material promissor para uso como material refratário isolante de alta temperatura na indústria metalúrgica. A temperatura de serviço (trabalho) dos refratários à base de vermiculita é de cerca de 1100-1150 °C.[0049] The product obtained is fire-retardant, odorless, does not irritate the skin or lungs, has low electrical conductivity, is an excellent thermal insulator and acoustic absorber; it does not decompose, deteriorate or rot; it is lubricating and has the necessary characteristics for filter materials. These properties make vermiculite a promising material for use as a high temperature insulating refractory material in the metallurgical industry. The service (working) temperature of vermiculite-based refractories is around 1100-1150 °C.

[0050] Em outras palavras, materiais isolantes de calor usados como adições a misturas com alta porosidade fornecem um meio eficaz de reduzir a densidade aparente e melhorar as propriedades refratárias dos componentes fabricados. Materiais de ocorrência natural - vermiculita, diatomita, perlita, etc. são usados como preenchedores porosos.[0050] In other words, heat insulating materials used as additions to mixtures with high porosity provide an effective means of reducing bulk density and improving the refractory properties of manufactured components. Naturally occurring materials - vermiculite, diatomite, perlite, etc. are used as porous fillers.

alloy agent

[0051] Os agentes de liga são adicionados à composição na forma de uma solução aquosa, preferencialmente com 50% de água e 50% de agente de liga. Em algumas modalidades, o agente de liga pode conter água residual. O intuito é que a massa do agente de liga, após evaporação da água, alcance até 5% p/p da composição.[0051] The binding agents are added to the composition in the form of an aqueous solution, preferably with 50% water and 50% binding agent. In some embodiments, the binding agent can contain residual water. The intention is that the mass of the alloying agent, after water evaporation, reaches up to 5% w/w of the composition.

[0052] Os agentes de liga que podem ser utilizados incluem, mas não estão limitados a silicato de sódio, sílica coloidal, silicato de etilo, fosfato de amônio, fosfato de alumínio, alumina coloidal, acetato de zircônio e cloreto de alumínio. A sílica coloidal é preferida devido à sua disponibilidade; sua capacidade de ajustar as características de ajuste e/ou controlar a migração das ligações durante a secagem do produto; e sua compatibilidade com outros aditivos orgânicos e/ou inorgânicos. O silicato de sódio alcalino também é preferido na presente invenção por ser o de melhor custo benefício.[0052] Alloying agents that can be used include, but are not limited to, sodium silicate, colloidal silica, ethyl silicate, ammonium phosphate, aluminum phosphate, colloidal alumina, zirconium acetate, and aluminum chloride. Colloidal silica is preferred due to its availability; its ability to adjust fit characteristics and/or control bond migration during product drying; and its compatibility with other organic and/or inorganic additives. Alkaline sodium silicate is also preferred in the present invention as it is the most cost-effective.

[0053] Em uma modalidade preferencial, o agente de liga é o silicato de sódio alcalino estabilizado. Em outra modalidade preferencial, o agente de liga é uma solução de sílica coloidal estabilizada na proporção de 40/60 preferencialmente.[0053] In a preferred embodiment, the binding agent is stabilized alkali sodium silicate. In another preferred embodiment, the alloying agent is preferably a 40/60 ratio stabilized colloidal silica solution.

[0054] Embora o agente de liga possa ser ajustado por qualquer método adequado conhecido, geralmente o mecanismo para definir o agente de liga será por gelificação usando um polímero orgânico, amido catiônico ou um agente inorgânico de endurecimento. Uma vez submetidos a um misturador intensivo para receber o agente de liga, a mistura resultante tem sua umidade intrínseca aumentada e se torna pronta para ser prensada.[0054] Although the bonding agent can be adjusted by any known suitable method, generally the mechanism for setting the bonding agent will be by gelling using an organic polymer, cationic starch or an inorganic hardening agent. Once subjected to an intensive mixer to receive the binding agent, the resulting mixture has its intrinsic moisture increased and becomes ready to be pressed.

Inorganic Fiber

[0055] A fibra inorgânica pode ser uma fibra de vidro, uma fibra de lã mineral, uma fibra cerâmica, uma fibra vítrea de baixa persistência, uma fibra refratária policristalina ou semelhantes ou misturas destas fibras inorgânicas. De preferência, a fibra utilizada terá uma resistência à temperatura de pelo menos cerca de 1000 °C e, mais preferencialmente, uma resistência à temperatura de pelo menos cerca de 1400 °C. A fibra inorgânica neste caso tem por objetivo somente proporciona resistência mecânica ao material de isolamento.[0055] The inorganic fiber can be a glass fiber, a mineral wool fiber, a ceramic fiber, a low-persistence vitreous fiber, a polycrystalline refractory fiber or the like or mixtures of these inorganic fibers. Preferably, the fiber used will have a temperature strength of at least about 1000°C and more preferably a temperature strength of at least about 1400°C. The inorganic fiber in this case is only intended to provide mechanical resistance to the insulation material.

[0056] A fibra inorgânica, em vez de funcionar como isolante primário, proporciona resistência mecânica a o material de isolamento. Por conseguinte, prefere-se que a fibra inorgânica seja uma fibra de baixo teor de granulado, uma vez que isto permitirá que quantidades de fibra sejam utilizadas para baixo, para a extremidade inferior do intervalo de percentagem em peso.[0056] The inorganic fiber, instead of functioning as a primary insulator, provides mechanical strength to the insulation material. Therefore, it is preferred that the inorganic fiber be a low-grain fiber as this will allow amounts of fiber to be used down to the lower end of the weight percent range.

Organic and/or inorganic polymer

[0057] O polímero orgânico ajuda a fornecer boas características para a prensagem da mistura. Acredita-se que o polímero orgânico auxilia na retenção de água durante a formação do produto de isolamento; ajuda a controlar o encolhimento de secagem.[0057] The organic polymer helps to provide good characteristics for the pressing of the mixture. The organic polymer is believed to aid in water retention during insulation product formation; helps control drying shrinkage.

[0058] Em uma modalidade preferencial, o polímero é selecionado do grupo que compreende polímeros orgânicos ou óxidos de polialquileno; éteres de celulose; polialquileno glicóis; e copolímeros de vinilamidas e ácidos acrílicos, e suas misturas.[0058] In a preferred embodiment, the polymer is selected from the group comprising organic polymers or polyalkylene oxides; cellulose ethers; polyalkylene glycols; and copolymers of vinylamides and acrylic acids, and mixtures thereof.

Process of preparation of the structural insulation composition

[0059] O processo de preparo da composição de isolamento estrutural compreende as etapas de:

a) Misturar o material de isolamento particulado e o agente opacificante;
b) Adicionar as fibras inorgânicas à mistura da etapa a);
c) Adicionar o indutor de celularidade e a solução do agente de liga à mistura da etapa b); e
d) Moldar a mistura na forma desejada.

[0059] The process of preparing the structural insulation composition comprises the steps of:

a) Mix the particulate insulation material and the opacifying agent;
b) Add the inorganic fibers to the mixture from step a);
c) Add the cellularity inducer and the binding agent solution to the mixture from step b); and
d) Shape the mixture into the desired shape.

[0060] Em uma modalidade alternativa da presente invenção, quando o polímero está presente na composição, o processo compreende uma etapa anterior à etapa c) de mistura do agente de liga com o polímero escolhido, e a mistura agente de liga-polímero é então adicionada à mistura da etapa b) em conjunto com o indutor de celularidade. Essa modalidade alternativa pode ser resumida no seguinte processo:

a) Misturar o material de isolamento particulado e o agente opacificante;
b) Adicionar as fibras inorgânicas à mistura da etapa a);
c) Misturar o ligante inorgânico ao polímero formando uma pré-mistura de agente de liga-polímero
d) Adicionar o indutor de celularidade e a pré-mistura de agente de ligapolímero à mistura da etapa b); e
e) Moldar a mistura na forma desejada.

[0060] In an alternative embodiment of the present invention, when the polymer is present in the composition, the process comprises a step prior to step c) of mixing the alloying agent with the chosen polymer, and the alloying agent-polymer mixture is then added to the mixture from step b) together with the cellularity inducer. This alternative modality can be summarized in the following process:

a) Mix the particulate insulation material and the opacifying agent;
b) Add the inorganic fibers to the mixture from step a);
c) Mix the inorganic binder to the polymer forming a premix of polymer-alloy agent
d) Add the cellularity inducer and the alloy-polymer agent premix to the mixture from step b); and
e) Shape the mixture into the desired shape.

[0061] Preferencialmente há uma etapa de homogeneização logo após a adição de material à mistura.[0061] Preferably there is a homogenization step right after adding material to the mixture.

[0062] Preferencialmente o teor de sólidos é mantido na faixa de 60-95%, em especial na faixa de 70-85%.[0062] Preferably the solids content is kept in the range of 60-95%, especially in the range of 70-85%.

[0063] A uma mistura seca do material de isolamento particulado, com o carbonato de cálcio é adicionado as fibras inorgânicas fibra inorgânica e misturadas em um planetário intensivo ou misturador tipo Ribbon. Uma vez bem homogeneizada, adiciona-se a vermiculita e o agente de liga já com o polímero adicionado quando for o caso. Os produtos constituintes dessa invenção são então misturados até se obter uma mistura homogénea em forma de farofa.[0063] To a dry blend of the particulate insulation material with calcium carbonate is added the inorganic fibers and inorganic fiber mixed in an intensive planetary or ribbon mixer. Once well homogenized, add the vermiculite and the binding agent with the polymer added, when applicable. The constituent products of this invention are then mixed until a homogeneous mixture in the form of farofa is obtained.

[0064] A mistura moldável tem um teor de sólidos que varia de 70 a 85% A mistura homogénea é então formada e prensada na forma desejada e seca para formar o produto de isolamento estrutural acabado.[0064] The moldable mixture has a solids content ranging from 70 to 85%. The homogeneous mixture is then formed and pressed into the desired shape and dried to form the finished structural insulation product.

Insulation Material

[0065] O material de isolamento pode ser moldado na forma desejada, como por exemplo de um tijolo, painel, cilindro, bloco, placa ou laminado.[0065] The insulation material can be molded into the desired shape, such as a brick, panel, cylinder, block, plate or laminate.

[0066] A definição da força de prensagem dependerá do nível de compactação que se deseja no produto final. Normalmente, as placas isolantes estruturais possuem uma densidade final após secagem entre 800-1250 kg/m3, preferencialmente acima de 1000 kg/m3 quando se busca um equilíbrio entre baixa condutividade térmica e alta resistência a compressão sob temperatura.[0066] The definition of the pressing force will depend on the level of compaction that is desired in the final product. Usually, structural insulating boards have a final density after drying between 800-1250 kg/m3, preferably above 1000 kg/m3 when seeking a balance between low thermal conductivity and high resistance to compression at temperature.

Claims

Structural insulation composition characterized by comprising:

Structural insulation composition according to claim 1, characterized in that it further comprises from 0% to 2% w/w of organic and/or inorganic polymers.

Structural insulation composition, according to claim 1 or 2, characterized in that the particulate insulation material is calcium silicate and has a surface area around 50 m2/g.

Structural insulation composition according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the opacifying material is precipitated calcium carbonate and has an average particle size of 2 µm.

Structural insulation composition, according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the cellularity inducer undergoes expansion when subjected to heat.

Structural insulation composition according to claim 5, characterized in that the cellularity inducer is vermiculite.

Structural insulation composition according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the alloying agent is alkali stabilized sodium silicate or a 40/60 ratio stabilized colloidal silica solution.

Structural insulation composition according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the polymer is selected from the group comprising organic polymers or polyalkylene oxides; cellulose ethers; polyalkylene glycols; and copolymers of vinylamides and acrylic acids, and mixtures thereof.

Insulating material preparation process, characterized by comprising the steps of:

a) Mix the particulate insulation material and the opacifying agent;
b) Add the inorganic fibers to the mixture from step a);
c) Add the cellularity inducer and the binding agent to the mixture from step b); and
d) Shape the mixture into the desired shape.

Process according to claims 9 or 10, characterized in that it comprises a homogenization step right after adding material to the mixture.

Process according to any claim from 9 to 11, characterized in that it comprises a solids content in the range of 60-95%.

Process according to claim 12, characterized in that the solids content is in the range of 70-85%.

Insulating material characterized in that it comprises a composition as defined in any one of claims 1 to 8.

Insulating material characterized in that it is produced by a process defined in any one of claims 9 to 13.

Insulating material according to claims 14 or 15, characterized in that it is in the form of a brick, panel, cylinder, block, plate or laminate.

Insulating material according to any one of claims 14 to 16, characterized in that they have a final density after drying between 800-1250 kg/m3.