CZ20022409A3 - Způsob a zařízení pro vytlačování cementových výrobků - Google Patents

Description

• 9 ♦·

Způsob a zařízení pro vytlačování cementových výrobků

Oblast techniky

Tento vynález se týká způsobu a zařízení pro vytlačování cementových výrobků a zvláště cementových stavebních výrobků vyztužených vlákny.

Cementové panely vyztužené vlákny a další výrobky se široce používají jako materiály pro stěny, stropy, střechy, podlahy a podobně v budovách a jako náhrada za dřevěné dílce, rámy a podobně.

Existuje mnoho způsobů formování a tvarováni podobných výrobků z cementu vyztuženého vlákny včetně systému Hatschek pro desky, Mazza pro roury, Magnani pro desky, vstřikování, ruční skládání vrstev, odlévání, tlaková filtrace, tvarování válcem a podobně.

Vytlačování výrobků z cementu vyztuženého vlákny se děje v omezeném měřítku, protože jeho komerční proveditelnost omezuje řada potíží. Při vytlačování se materiály pro výrobu tohoto produktu smísí a hnětou do pevné fáze, kterou lze ve finálním tvaru protlačovat hubicí vytlačovacího stroje. V hubici se tento materiál může vystavit vysokým tlakům. Má-li vzniknout uniformní výrobek s dobrou povrchovou úpravou a potřebnými vlastnostmi je důležité, aby materiál přiváděný do hubice vytlačovacího stroje měl stejnoměrnou disperzi všech složek a dobré tokové vlastnosti.

Dosavadní stav techniky

V oboru se dnes užívá několika běžných způsobů vytlačování cementových výrobků, všechny jsou však založeny na vsázkových způsobech míchání a hněteni. Například lze celulózové vlákno připravit mletím za vzniku volných vláken podle patentu US 5 047 086. Vlákna se potom spojí s cementovým materiálem, vápnem, oxidem křemičitým, přísadami • · · · · ♦ ·· ·· ·· ·· • · · t · · · · · · * • · ··· ······ · · pro úpravu hustoty, pomocnými zpracovatelskými prostředky a ve vhodné míchačce se za sucha smíchají. Potom se přidá potřebné množství vody a materiál se hněte v hnětacím stroji, až se získá pastovitá hmota potřebné konzistence a homogenity. Tato hmota se potom plní do vytlačovacího stroje užívajícího jednoho nebo více šnekového podavače pro přísun materiálu do vytlačovací hubice a vytvoření tlaku potřebného pro protlačení materiálu hubicí. Potom se proces přípravy a vytlačování další vsázky cementového materiálu opakuje.

Obdobně v jiném příkladu (patent US 5 891 374) se celulózová vlákna nebo ze syntetických polymerů podobně smísí s vodou a dispergují. Pak se přidají pevné složky této formulace, hnětačem se provede hnětení a materiál se po dosažení potřebné konzistence a homogenity plní do vytlačovacího stroje.

Operace míchání a hnětení se někdy provádí ve vícenásobných etapách za použití kombinace zdvojených lopatkových míchaček a šnekových podavačů pro přísun a homogenizaci směsi. Do vytlačovacího stroje se potom směs zaváží kontinuálně ve snaze změnit tento proces, který je ve skutečnosti vsázkový ve stupni míchání za sucha, na kontinuální způsob ve fázi vytlačování. Tento vsázkový způsob je zřejmě zcela neefektivní. Používá několika míchaček a hnětačů společně se zařízením zajišťujícím trvalé podávání materiálu do vytlačovacího stroje.

Na základě stavu techniky není dosud znám žádný plně kontinuální způsob vytlačování cementu vyztuženého vlákny. Existuje mnoho příčin, proč se dosud nepoužívají žádné kontinuální vysokorychlostní vytlačovací stroje a proč se dosud žádné extrudéry nepovažují za vhodné pro tento účel; patří mezi ně obtíže s regulací přísunu rozvlákněné celulózy, vysoké teploty vyvolané rychlostmi a kroutícími momenty vznikajícími v těchto strojích, značně intenzivní lokální namáhání ve smyku, vysoce abrazivní povaha

0 0 0 0 0 cementových, křemičitých a podobných materiálů používaných ve stavebnictví a vysoké pořizovací náklady těchto vytlačovacích strojů.

Je třeba vysvětlit, že dokud vlákny používanými pro cementové výrobky vyztužené vlákny pro stavebnictví byla hlavně asbestová vlákna, problémy s hnětením a dispergaci nebyly tak naléhavé. Ve srovnání s celulózovými vlákny má asbest pro vodu lepší dispergační a retenční vlastnosti a při použití jako výztuže v cementových výrobcích nevyžaduje tolik procesních pomocných prostředků. V oboru je též dobře známo, že používání asbestových vláken je v mnoha zemích zákonem zakázáno a je nežádoucí i v zemích, v nichž je jeho použití legální.

Proto se dřívější snahy o nalezení vláknité výztuže pro vytlačovatelné cementové pastovité materiály zaměřilo na neasbestová vlákna a zvláště na volbu a takovou úpravu neasbestových vláken, aby jejich dispergační a retenční vlastnosti pro vodu byly vhodné pro tvarování vytlačováním při minimálním využití pomocných procesních prostředků. Syntetická vlákna seberou v úvahu a běžně se používají, ale jsou drahá a některá z nich jsou nevhodná pro tvrdnutí za vysokých teplot, například v autoklávech. V současné době se celulózová vlákna považují za výhodná vlákna pro kompozity z vyztuženého cementu pro,stavební účely, kde vykazují vynikající vlastnosti z hlediska mechanické pevnosti, houževnatosti a trvanlivostí při nízkých nákladech. Celulózová vlákna se však nesnadno dispergují a vytlačují a často vyžadují použití účinných procesních pomocných prostředků.

Když se vyrábějí cementové kompozity vyztužené celulózovými vlákny, vnášejí se vlákna do matrice v podstatě individuálně. To znamená, že se vlákna musí od sebe oddělit dispergaci, tak aby každé vlákno bylo co nejvíce v kontaktu s matricí v zájmu maximální účinnosti užití vláken.

• ·

Vytvářejí-li vlákna ve směsi shluky nebo vrstvy, dochází k lokalizovanému kolísání vlastností výrobku a jeho celková funkce se zhorší. Komerčně se celulózová vlákna dodávají hlavně ve formě archů vlákniny, jež se vzhledem podobají silnější vrstvě papíru. Při dispergaci těchto vláken je třeba užít kladivového mlýnu. Jak je v oboru dobře známo, proces zvaný rozvlákňování užívá prudkých rázů v kladivovém mlýnu pro uvolnění jednotlivých vláken z uvedeného archu.

Též je možno pro tentýž účel užít drtiče. Výsledný produkt je sypká hmota s velmi nízkou objemovou hmotností a s konzistencí podobnou bavlněné vláknině. Protože se s tímto lehkým a polétavým materiálem obtížně manipuluje a při skladování vytváří shluky, často se vyrábí bezprostředně před použitím. Manipulování s tímto materiálem se však usnadní, když jsou vlákna velmi krátká, takže produkt se chová spíše jako prach a je možno jej pytlovat a dopravovat. Použití rozvlákněné buničiny a užití kladivových mlýnů přináší problémy s hlukem, prašností, výbušností a dalšími nákladnými položkami provozních výdajů. Navíc není forma rozvlákněné celulózy taková, aby ji bylo možno snadno čerpat nebo dopravovat a přesné kontinuální dávkování je extrémně nesnadné. Byly snahy tyto problémy řešit peletizací celulózy (například firma Cellulose Filler Factory vyrábí produkt zvaný Topcel), ale tyto pelety obsahují jen 75 % celulózy a také značná množství nežádoucích nečistot. Kromě toho jsou tato vlákna extrémně krátká a slabá a nezajišťují dobré vlastnosti výztuže.

Vlivem vysokých teplot vznikajících při konvenčních procesech vytlačování nastávají nesnáze s užitím pomocných procesních prostředků pro plastifikaci cementu vyztuženého vlákny. Cementové formulace obvykle obsahují určité množství pomocných procesních prostředků pro zlepšení tokových vlastností a usnadnění hnětení a míchání pastovité směsi při dispergování různých příměsí. Tyto pomocné procesní · · · · · • 4 ··

4 4 4 prostředky mohou též pomoci zlepšit tvarovou stálost a finální úpravu povrchu. Často však tyto pomocné procesní prostředky značně zvyšují náklady vytlačovaného výrobku.

Nej častěji se jako pomocné procesní prostředky při vytlačováni cementových výrobků vyztužených vlákny (například patent US 5 047 086) používají vysokoviskózní celulózové étery jako methylcelulóza (MC), hydroxypropylmethylcelulóza (HPMC) a hydroxyethylmethylcelulóza (HEMC). Všechny uvedené étery vykazují jev známý jako vysokoteplotní želatinace. To znamená, že viskozita přísady vykazuje výrazný vzestup když teplota překročí určitou mezní teplotu známou jako teplota želatinace. Teplota želatinace těchto přísad závisí na chemické struktuře přísady (například stupeň substituce a podobně). I u běžných jednošnekových vytlačovacích strojů pro výrobky z vyztuženého cementu jsou někdy potřebné chladící pláště pro prevenci růstu teploty uvnitř extrudéru při delší periodě rychloběžného provozu v zájmu udržení teploty extrudátu pod teplotou želatinace použitých pomocných procesních prostředků.

Snahy o řešení tohoto problému se nejdříve zaměřily na vývoj pomocných procesních prostředků s vyšší teplotou želatinace. Vysoká rychlost otáčení šneku používaná v kontinuálních vytlačovacích strojích ve spojení s těsnými rozměry volných prostor může způsobit větší vzrůst teploty vytlačované hmoty než k jakému dochází v běžných vytlačovacích strojích pro cement vyztužený vlákny. Proto se soudilo, že použití kontinuálních vytlačovacích strojů se nebude snášet s běžnými pomocnými procesními prostředky pro cement vyztužený vlákny.

Vzestup teploty je též důležitý z hlediska tvrdnutí cementu a vysychání finálního produktu. Přílišný vzrůst teploty může produkt vysušit a odstranit vodu potřebnou pro hydrataci cementu. Kromě toho může tepelné urychlení chemické reakce provázené tvrdnutím znesnadnit ovládání procesu a komplikovat údržbu.

Kontinuální vytlačovací stroje mohou též vést k obtížím s používáním činidel pro úpravu hustoty. Používání přísad modifikujících hustotu je v oboru výroby cementových výrobků vyztužených vlákny dobře známo. Používají se aby výrobek vylehčily a učinily přijatelnějším z hlediska manipulace a instalace. Příklady běžných přísad pro tento účel jsou expandovavé jíly jako je perlit nebo vermikulit, nízkohustotní křemičitany vápenaté, popílky a jemný spodní popel. Mnohé z těchto přísad jsou vysoce porézní nebo strukturálně křehké. I když jejich struktura se neporuší při míchání a hnětení pro normální výrobu cementu vyztuženého vlákny, vysokorychlostní kontinuální vytlačovací stroje jsou většinou konstruovány s velmi malými rozměry volných prostor a vyvolávají četná místní smyková namáhání. Tento proces poškozuje strukturu plnidel pro úpravu hustoty, mění je v prášek a tím zvyšuje jejich hustotu a snižuje jejich účinnost jako přísad pro úpravu hustoty.

Problém velkého otěru v důsledku abrazivní povahy složek cementu vyztuženého vlákny těsně souvisí s výše uvedeným značným smykovým namáháním. Otěr zvyšují i velmi malé světlosti volných prostor a rychlé otáčky šneků. I když jsou možné různé úpravy, a povlaky kovů pro zlepšení odolnosti vytlačovacího stroje proti otěru, přece je směs cementu s vlákny svou povahou mnohem abrazivnější než materiály, pro které byly zkonstruovány. Při existujících nákladech na vytlačovací stroje a náhradní součástky to představuje odrazující faktor pro jejich užití v málo výnosném průmyslu cementových výrobků vyztužených vlákny.

Tento vynález proto nabízí způsob a zařízení pro vytlačování výrobků z cementu vyztuženého vlákny, který překonává alespoň některé obtíže řešení podle stavu techniky, anebo k nim představuje komerční alternativu.

« · · ·· ·

• fe fefe fe fefe • fefe • fefefe • · fefe fefe fefe fefe • fefe · • · · • fefe • fefe • · · · · ·

Podstata vynálezu

Z prvního hlediska tento vynález nabízí vytlačovací stroj pro kompozity cementu s vlákny, který má plášť a nejméně jednu dvojici do sebe zapadajících samostíracích šneků v plášti otáčivě umístěných, přičemž šneky jsou uspořádány tak, aby kontinuálně míchaly a/nebo hnětly složky cementového kompozitu za vzniku v podstatě homogenní pastovité hmoty, a tuto hmotu protlačovaly vytlačovací hubicí za vzniku čerstvého cementového extrudátu připraveného k tvrdnutí.

Je výhodné, když jsou šneky extrudéru uspořádány tak, aby po délce extrudéru vytvořily jednu nebo více míchacích a/nebo hnětačích zón. Je výhodné když je zde též vytlačovací zóna umístěná proti technologickému proudu od vytlačovací hubice, jež pastovitou hmotu stlačuje a protlačuje hlavou. Rovněž lze zařadit vakuové pásmo pro odplynění pastovité hmoty před vstupem do hubice.

V jiném provedení jsou zařazeny šneky zajišťující konzistentní tok cementového materiálu vytlačovacím strojem a předem stanovené složení cementového materiálu v kterémkoliv předem zvoleném místě po celé délce extrudéru. Vytlačovací stroj též výhodně zahrnuje jeden nebo více vstupů pro materiál po celé délce šneků, jimiž se dodávají potřebné složky pro cementový kompozit vyztužený vlákny do šneků. Bezprostředně po proudu za každým takovým vstupem je možno zařadit míchací a/nebo hnětači pásmo pro smíchání a/nebo hnětení vstupující složky s pastovitou hmotou.

Podobný vytlačovací stroj může být zařazen ve vytlačovacím systému s podávacím zařízením uzpůsobeným ke kontinuálnímu podávání surovinových složek pro cement vyztužený vlákny do vytlačovacího stroje pro cementové kompozity a s vytlačovací hubicí umístěnou na výstupním konci extrudéru.

• · · tt tt · • ·

tttt ·· tt · * · ·

V jiném provedení tento vynález poskytuje způsob vytlačování cementových výrobků vyztužených vlákny, který zahrnuje přívod složek kompozice cementu s výztužnými vlákny do extrudéru, obsahujícího nejméně dvojici do sebe zapadajících samostíracich šneků, které míchají a/nebo hnětou složky cementového kompozitu za vzniku v podstatě homogenní pastovité hmoty a tuto hmotu vytlačují hubicí.

Složky cementového kompozitu s vlákny se do extrudéru podávají odděleně nebo ve formě předsměsi. Je výhodné, když se složky cementového kompozitu vyztuženého vlákny včetně vláken podávají do vytlačovacího stroje kontinuálně v různých místech po celé délce šneků.

Způsob se může provádět tak, že extrudát opouštějící extrudér je samonosný. Kromě toho se extrudát může zčásti nebo zcela zpevnit použitím vnitřního přetlaku. Například se může dutý úsek extrudátu vytvořením přetlaku uvnitř tohoto úseku vyztužit nebo dokonce rozšířit. Rovněž je možno upravit dobu zdržení cementové kompozice ve vytlačovacím stroji tak, aby bylo umožněno přidání činidla urychlujícího tvrdnutí.

Přihlašovatel s překvapením zjistil, že určitý typ vytlačovacího stroje používaného v průmyslu polymerů je vhodný pro kontinuální vytlačování cementu vyztuženého vlákny. Existuje mnoho konstrukcí vytlačovacího stroje používaných v průmyslu polymerů, v nichž se mohou podávat různé složky přímo do vstupní sekce extrudéru. Speciálním typem vytlačovacího stroje pro polymery je tak zvaný samostírací dvoušnekový extrudér (extrudér SWTS). Tento extrudér obsahuje dva šneky otáčivě umístěné v plášti opatřeném paralelně dvěma válcovitými a vzájemně propojenými dutinami. Šneky jsou rozměrově konstruovány tak, aby byl zpracovávaný materiál vystaven silnému smykovému namáhání. Jeden příklad takového extrudéru SWTS se popisuje v patentu US 3 883 122. Tento typ stroje je zvláště účinný, protože • fc «fc • ·< <

• a * ··· fcfc· •· ··»<

·« ** « · • ·· · • · »*«· ·· >

• a ·· fcfc «fcfcfc • · > • · * #· · • · · · »· #· šneky do sebe zapadají a tím se zajišťuje samostírací účinek, který minimalizuje rozsah neřízeného zpětného toku čerpaného materiálu. Tento samostírací účinek též působí pro vyčištění vnitřku pláště a tím zkracuje dobu čištění.

Přihlašovatel shledal ke svému velkému překvapení, že tento extrudér SWTS nejen že je vhodný pro vytlačování cementových kompozitu s vlákny, ale také má významné přednosti proti jiným výrobním způsobům, jak bude uvedeno níže.

Jde zejména o to, že u normálního extrudéru SWTS pro polymerní vlákna jsou uvnitř pláště umístěny topné a chladící hady. Při vytlačování cementových výrobků vyztužených vlákny není třeba žádného zahřívání ani chlazení.

Přehled obrázků na výkresech

Obrázky 1 a 2 přinášejí schématické znázornění obvyklého vytlačovacího procesu a navrhovaného nového zařízení a způsobu, a

Obrázky 3 a 4 ukazuj i polohový plán a boční pohled ve svislém řezu na vytlačovací stroj pro cementové kompozity vyztužené vlákny podle jednoho provedení tohoto vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

S pomocí nejdříve obrázku 1 pomůže stručný výklad obvyklého způsobu vytlačování cementu vyztuženého vlákny k identifikaci ojedinělých vlastností nového způsobu a zařízení.

Na obrázku 1 se do váhovny 1 dopravují různé složky cementových kompozitu. Tato váhovna dávkuje přesná množství různých složek do míchačky g, kde se míchají za sucha a/nebo za mokra na potřebný stupeň homogenity a konzistence. Tento materiál se potom vsázkově přepravuje do hnětače 3_, který ještě jednou materiál hněte, případně s přídavkem vody.

Μ »<»*

I * «· ·» ·· ·· • 9 * · · » · _ . _···♦« *I ·«« «··»·* « · • 9» » · · >99 • Φ (I »* ·» ·* ·« * ·

Cementová pevná fáze nebo pasta se potom vsázkově přepravuje do podavače 4. Tento podavač zajišťuje stálé podávání cementového materiálu do vytlačovacího stroje 5. Celý proces až k podavači 4 je vsázkového typu.

Vytlačovaci zařízení 5 protlačuje cementový materiál vytlačovací hubicí 6. Je však třeba poznamenat, že extrudér jednoduše stlačuje a protlačuje cementový materiál hubicí. V běžném jednošnekovém extrudéru 5 nedochází k žádnému podstatnějšímu míchání nebo hnětení různých složek. Po opuštění vytlačovací hubice se produkt ukládá na skladovací talíře 7 a dopravuje dopravníkem £ do stohovacího zařízení 9.

Tato obvyklá technika je nepochybně limitována počáteční vsázkovou operací mícháni/hnětení, která je stupněm určujícím rychlost procesu, zejména když je třeba pozměnit formulaci produktu.

Obrázek 2 je schéma zařízení pro vytlačování cementových kompozitů vyztužených vlákny (FRC) podle tohoto vynálezu. Vedle koncových operací dopravy a skladování produktu po opuštění extrudéru jsou všechny operační stupně obvyklého způsobu nahrazeny jednoduchou sestavou složenou z měřící stanice 10 a vytlačovacího stroje 20. Jak musí být jasné každému odborníkovi, kromě různých výhod tohoto vytlačovacího procesu je předností tohoto zařízení, že je podstatně jednodušší v provozu, výrobní jednotka má menší prostorové nároky i nižší náklady a jde o skutečně kontinuální proces.

Extrudér 20 na obrázcích 3 a 4 má plášť 30 kryjící nejméně dvojici souběžných do sebe zapadajících šneků 40. V představeném provedení jsou znázorněny dva šneky. Odborník však ocení, že vytlačovací stroj může obsahovat větší počet šneků a stále bude vykazovat přednosti uváděné v dalším.

Vytlačovací hubice 50 je umístěna na jednom konci extrudéru, z něhož produkt vytlačování vystupuje.

• ·

Podavače 60 jsou umístěny po celé délce pláště a mají podávat do šneků různé složky kompozice cementového kompozitu. Násypka vstupních materiálů 61 je umístěna na vstupním konci pláště. V předvedeném provedení je postranní podavač 62 umístěn asi v polovině pláště. Z předchozího popisu však je zřejmé, že lze extrudér vybavit větším počtem násypek 61 a postranních podavačů 62.

Plášť též může být vybaven jedním nebo více vstupy 70 pro přivádění tekutin jako je voda, pro suspenze vláken nebo jiné složky, například činidla pro zvýšení viskozity a podobně. Umožňuji obsluze udržovat potřebnou konzistenci pastovité hmoty procházející vytlačovacím strojem.

Každý šnek 40 výhodně sestává z řady vzájemně zaměnitelných dílů nebo modulů, které určují různá pásma. Například každý šnek obsahuje pravotočivé prvky 41 primárně sloužící pro dopravu pastovité hmoty z jednoho pásma do dalšího. V různých místech délky šneků jsou zóny pro míchání a hnětení 42 . V těchto zónách se pasta současně míchá a hněte a tím homogenizuje kompozici. Těsně před hubicí 50 proti proudu je vytlačovací pásmo 43, v němž se pastovitá hmota stlačuje a protlačuje hubicí. Podle potřeby může být stoupání závitů šroubovice šneků menší, závity mohou být více stěsnány. To je potřebné pro docílení tlaku pro stlačení a protlačování pasty hubicí extrudéru.

Proti proudu před pásmem vytlačování 43 lze případně zařadit vakuové pásmo 44 . Tato zóna má řadu levotočivých prvků, jež slouží k vytvoření zpětného toku a hromadění pastovité hmoty proti proudu od vakuové zóny. To má za následek, že pasta vytvoří fluidní ucpávku mezi prvky šneku a pláštěm. Pasta procházející hubicí podobně vytváří fluidní ucpávku po proudu. Protože je vakuová zóna 44 napojena na zdroj podtlaku výstupem 46, snižuje tím tlak ve vakuové zóně a tím odstraňuje kapsy vzduchu a jiných plynů z pasty. Jak vědí odborníci v oboru, odplynění pastovité hmoty je žádoucí • · · ·

jako záruka, že v pastě nejsou žádné vzduchové kapsy při vytlačování hubicí ani v extrudátu opouštějícím vytlačovací stroj.

Jak již zmíněno výše, šneky jsou sestaveny z řady vzájemně zaměnitelných složek nebo modulů. To umožňuje obsluze upravit podle potřeby nejen rychlost postupu a dobu zdržení pasty v extrudéru, ale také typ a velikost sil vynakládaných při míchání, hnětení a smyku pasty. Zajištění konzistentního průtoku cementového materiálu vytlačovacím strojem umožňuje obsluze určit složení cementové hmoty v kterémkoliv předem vybraném místě po celé délce šneku.

Jako příklad lze uvést, že v jednom provedení se mohou násypkou materiálů 61 vnášet různé složky s úmyslem nechat tyto složky vzájemně reagovat. Může být potřebné přidat další složky, například modifikátory pro snížení hustoty postranním podavačem 62. Může být výhodné přidat tato činidla pro snížení hustoty proti proudu z toho důvodu, aby vzájemná reakce výše zmíněných složek již proběhla do potřebného stupně a aby přísady pro snižování hustoty nebyly vystaveny nadměrnému smykovému namáhání. Toho se snáze docílí pomocí tohoto vynálezu, protože šneky 40 lze modifikovat tak, aby se docílilo potřebné doby zdržení a stupně míchání, hnětení a smyku mezi násypkou materiálu 61 a postranním podavačem' 62. Alternativně nebo navíc lze zařadit další moduly obsahující postranní podavače do kteréhokoliv místa podél celé délky šneků, v nichž jsou potřebné předem stanovené podmínky umožňující vnášení dalších přísad jako například buničiny.

Je tedy zřejmé, že extrudér 20 má skutečně nekonečný počet variací umožňujících obsluze modifikovat vytlačovací stroj tak, aby vyráběl požadovaný výrobek.

Jak již bylo zmíněno, tento vytlačovací stroj též umožňuje, aby se materiálové složky zvolené pro konečný výrobek vnášely buď samostatně nebo ve formě předsměsi.

Vhodný cementový materiál je v oboru dobře znám a zahrnuje cement, vápno nebo materiály obsahující vápno jako je portlandský cement, vápenný hydrát nebo jejich směsi.

Jsou vhodné i cementové směsi jako jsou kombinace dalších materiálů obsahujících vápno jako je vápenec, granulovaná struska, kondenzovaný pyrogenní oxid křemičitý.

Vhodné vláknité materiály mohou zahrnovat asbest, je však vhodnější používat neasbestová vlákna včetně celulózy jako jsou celulózová vlákna z měkkého a tvrdého dřeva, celulózová vlákna jiného než dřevného původu, minerální vlnu, ocelová vlákna, syntetická polymerní vlákna jako jsou polyamidy, polyestery, polypropylen, polymethylpenten, polyakrylonitril, polyakrylamid, viskóza, nylon, PVC, PVA, umělé hedvábí, skleněná, keramická nebo uhlíková vlákna.

Vytlačovací stroj 20 může kontinuálně zpracovávat bud' jednotlivé složky nebo materiálové složky ve formě předsměsi, což má oproti vynálezům dle starších patentových spisů velké výhody. Existuje ovšem značný počet způsobů jak tyto složky vnášet do extrudéru.

Výhodný způsob vnášení vláken například do výše popsaného vytlačovacího stroje je následující. Celulózové vlákno ve formě archu vlákniny se namočí ve vodě při poměru vláken k vodě 4:100. Výsledná suspenze vláken se potom smísí s kteroukoliv složkou kompozice cement-vlákno, jež se považuje za vhodnou pro vytvoření uniformní suspenze s obsahem pevné fáze asi 10 %. Tato složka se může považovat za vhodnou, když kompozice cementu a vlákna není delším pobytem ve vodě znehodnocována, nebo když je její použití ve vodou dispergované suspenzi z jakéhokoliv důvodu výhodné, nebo když usnadňuje filtraci suspenze vláken. Jeden takový příklad žádoucí složky představuje mletý oxid křemičitý, který se často vyrábí za mokra v kladivovém mlýnu a proto je ve formě suspenze. Má nízkou absorpční schopnost a usnadňuje dispergaci a stupeň filtrace, který se popisuje dále. Dalším

* příkladem žádoucí složky mohou být jakákoliv činidla upravující hustotu používaná v kompozici cementových kompozitu vyztužených vlákny. Jsou též snadno dostupná ve formě suspenzí a rovněž napomáhají dispergaci a filtraci.

Potom se suspenze odvodňuje vhodným odvodňovacím zařízením. Takovým zařízením může být pásový kalolis, odstředivý odlučovač, vřetenový lis a podobně. Odvodněný koláč nemá mít vyšší obsah vody než je množství vody přípustné pro vytlačovatelnou kompozitní směs. Potom se odvodněný koláč dezintegruje na malé fragmenty pomocí vhodného zařízení, typicky míchadla pro pevnou fázi. Malé částice filtračního koláče mají být v granulometrickém rozmezí umožňujícím plnění do vytlačovacího lisu šnekovým podavačem.

Další výhodný způsob podávání celulózového vlákna do vytlačovacího lisu je tento: celulózové vlákno ve formě archu vlákniny se dezintegruje vhodným mechanickým zařízením na malé kousky. Takovým mechanickým zařízením může být drtič pneumatik, granulátor, kolíkový mlýn, kladivový mlýn a podobně. Takto upravená vlákna mají potřebné hustotní i reologické vlastnosti, aby je bylo možno kontinuálně dopravovat dopravníkovým pásem nebo jiným podávacím zařízením jako je vřetenový podavač. Dezintegrovaná vlákna jsou však dostatečně'malá, aby se do vytlačovacího stroje mohla přivádět kontinuálně, aniž by zablokovala vstup.

Jiným výhodným způsobem podávání celulózového vlákna do vytlačovacího stroje je tento: vlákno je dodáno nebo připraveno ve formě vrstvy sbalené do rolí. Je výhodné, když je šířka role menší než rozměr materiálového vstupu do vytlačovacího stroje. Systém vtažných válců se zařadí tak, aby transportoval pás slisovaných vláken do podávači sekce vytlačovacího stroje rychlostí považovanou za vhodnou pro daný výrobní způsob a v množství vláken potřebném pro daný kompozit.

4 4 4 · 4 • ·

4 · •» 4449

Ještě jiný způsob podávání celulózového vlákna do vytlačovacího stroje může představovat jednoduchý postřik vodou pro zlepšení buničiny před jejím vnesením do vytlačovacího stroje. Napomáhá to stejnoměrnému vmíchání a hnětení celulózy za vzniku pasty.

Ve všech výše uvedených případech se všechny další přísady potřebné pro kompozici cementu vyztuženého vlákny podávají ve formě prášků nebo kapalin s použitím vhodných řízených podávačích strojů dobře známých v oboru.

V případě, kdy očekávaná kompozice cementu s vlákny vyžaduje přítomnost přísad pro snížení hustoty, lze použít mnoha činidel upravujících hustotu, dobře známých v oboru. Lze je přidávat kdekoliv po celé délce vytlačovacího stroje v suchém stavu i jako suspenze. Je-li toto činidlo křehké a snadno se poškodí smykovým namáháním a tlaky, jimž je v popisovaném vytlačovacím stroji vystaveno, potom je možno zkrátit dobu zdržení ve vytlačovacím stroji a konstrukčně optimalizovat použité šneky v zájmu snížení škod.

Ve výhodném provedení tohoto vynálezu jsou činidlem pro úpravu hustoty duté sklovité kuličky. Tyto kuličky běžně vznikají v popelu při spalování uhlí v elektrárnách. Používají se při výrobě betonu jako nastavovadlo a přísada, ale jejich použití v cementových kompozitech vyztužených vlákny není známo. Popílek odloučený elektrostatickými a rukávovými filtry v elektrárnách obsahuje sklovité kuličky složené převážně z oxidu hlinitého a oxidu křemičitého.

Jistý podíl těchto kuliček sestává z dutých kuliček a lze jej oddělit a použít pro úpravu hustoty. Hustota těchto kuliček je různá v širokém rozmezí a různé typy lze v různých množstvích aplikovat s cílem dosáhnout potřebné hustoty výrobků. Jeden příklad těchto kuliček je k dostání od firmy PQ Corporation pod obchodním názvem Extendospheres. Kuličky tohoto typu jsou dostatečně pevné, aby bez podstatného poškození snesly tlakové a smykové namáhání • · · » « · vytlačovacího procesu.

Při aplikaci tohoto vynálezu lze tyto duté kuličky přidávat jako suchý prášek s dobrou tekutostí, jako čerpatelnou suspenzi nebo ve formě předsměsi s vlákny nebo jinými dříve popsanými přísadami. Je věcí uživatele, v kterém místě po délce šneku se tyto kuličky podávají.

Vedle překvapivé schopnosti extrudéru SWTS vytlačovat cementové kompozity vyztužené vlákny se během vývoje tohoto vynálezu objevily jeho další přednosti. Byla to schopnost vytlačovat pasty dostatečně tuhé pro stohování výrobků, schopnost snížit množství pomocných procesních prostředků použitých při vytlačování nebo náklady na ně, schopnost aplikovat chemismus rychlého tuhnutí pomocí urychlovačů, možnost zmenšit půdorysnou plochu výrobního zařízení, snadnost změn výrobků a příslušných formulací, snadnost údržby a vhodnost extrudérů SWTS pro vývoj nových výrobků.

Zde navrhované dvoušnekové vytlačovací stroje, jež kombinují míchání směsi s funkcí dopravy a stlačování mají šneky zapadající do sebe tak těsně, že tyto šneky mají navíc samostírací schopnost vůči sobě navzájem a jsou schopny vytlačovat pastovítý materiál z cementu a vláken, který je extrémně tuhý a vyžadují značnou deformační energii. Kdyby se takové pasty použily v běžném vytlačovacím stroji pro cement s vlákny, vytvořily by ucpávku na vstupu do vytlačovací hubice. Předností této schopnosti vytlačovat podobně tuhé pasty je, že se může používat menšího obsahu vody, což zlepšuje pevnost finálního výrobku před i po ztvrdnutí. Extrudát povrchově suchý s velkou pevností a tuhostí před ztvrdnutím je velkou procesní výhodou, protože výrobky je možno stohovat jeden na druhý ještě před ztvrdnutím bez nebezpečí, že se vlivem zatížení zdeformují nebo slepí.

Jak bylo uvedeno výše, původně se předpokládalo, že vzrůst teploty ve vysokorychlostních kontinuálních · ♦ · extrudérech povede při vytlačování cementu ztuženého vlákny k potížím. Ve skutečnosti však je za těchto podmínek vzrůst teploty v tomto vytlačovacím stroji rovněž výhodou, protože výrobek má suchý pevný povrch ještě před ztvrdnutím hned po opuštění hubice a je méně ohrožen nežádoucím poškozením. Kromě toho, když se cementové kompozity vyztužené vlákny vyrábějí běžnými způsoby a je nutno, aby vytlačený výrobek měl duté úseky, je často nutno doplnit výztuž z celulózových vláken mnohem dražšími delšími vlákny jako jsou polymerní vlákna. Běžným příkladem jsou polypropylenová vlákna. Účelem je dodat extrudovanému výrobku před ztvrdnutím větší pevnost, aby udržel tvar a snesl tíhu v dutých místech. Schopnost vytlačovat mnohem tužší výrobky vytlačovacím strojem SWTS znamená významnou nákladovou výhodu v důsledku minimalizace užití drahých delších vláken v dutých sekcích.

Již bylo výše zmíněno, že pomocné procesní přípravky významně zvyšují náklady vytlačování cementových kompozitu vyztužených vlákny. Bylo zjištěno, že při použití vytlačovacích strojů SWTS zde navržených se podstatně snížily potřebné koncentrace těchto pomocných procesních přípravků. U typických kompozic se dosáhlo snížení hladiny přísad pro snížení viskozity až o 50 %.

Přihlašovatel ukázal v Australské prozatímní patentové přihlášce PQ 2465, žé při použití speciální kombinace určitých dispergačních přísad a činidel upravujících viskozitu jako pomocných procesních přípravků při vytlačování cementových kompozitu vyztužených vlákny se docílilo synergického účinku, který zmenšoval potřebu kvalitních přísad pro zvýšení viskozity a umožnil použití alternativních nebo méně kvalitních činidel zvyšujících viskozitu, které nepodléhaly želatinaci teplem. Bylo zjištěno, že podobná synergická kombinace je účinná i ve vytlačovacích strojích SWTS pro minimalizaci ztráty a účinnosti procesních pomocných prostředků v důsledku vzrůstu

1· ·· ♦ * · * teploty.

V případě některých pomocných prostředků jako je methylcelulóza může být potřebné pro snížení želatinace určité chlazení extrudéru. Jiné pomocné prostředky jako je hydroxyethylcelulóza se však ve vytlačovacím stroji mohou používat bez nutnosti aplikovat speciální topné nebo chladicí hady.

Jak bylo uvedeno výše, popsaný způsob a zařízení rovněž umožňuje použití chemikálií pro rychlého tvrdnutí. Při vytlačování cementu vyztuženého vlákny je z mnoha důvodů výhodou mít produkt, který při vytlačování rychle tvrdne. Rychlé tvrdnutí odstraňuje nezbytnost disponovat příslušným prostorem a speciálními podmínkami pro delší dobu tvrdnutí, jako jsou komory pro propařování a autoklávy. Zkracuje to dobu skladování a zmenšuje nutnost speciálního zařízení pro manipulaci produktem který dosud neztvrdl, a proto není příliš pevný. I když je chemismus rychlého tuhnutí pomocí urychlovačů v cementovém průmyslu dobře znám, jeho používání není při vytlačování kompozitů cement-vlákna běžné. Důvodem je příliš vysoké riziko předčasného ztvrdnutí, ztráta velkého množství materiálu a zastavení výrobního procesu. Je tomu tak proto, že tradiční vytlačování cementových kompozitů vyztužených vlákny je semikontinuální proces a je těžké regulovat doby -zdržení. Také pracovní prostor v extrudéru je příliš velký a povaha extrudérů umožňuje značný zpětný tok a tvorbu ucpávek. Samostírací dvoušnekové vytlačovací stroje se konstrukčně liší od běžných vytlačovacích strojů pro cement vyztužený vlákny tím, že obvykle mají menší pracovní objem a při typických operacích vyšší počet otáček za’časovou jednotku. V důsledku toho v tomto procesu malé částice materiálu putují velice rychle lisem. Tyto stroje také mají minimální zpětný tok a doby zdržení jsou typicky velice krátké a/nebo je lze přizpůsobit. Kromě toho vlivem integrované a kontinuální • · ·♦»· • · ♦ '· • · * ί • · · · · ί η · · ♦ · · ·♦ ·*

povahy procesu lze přísady podávat kdekoliv po celé délce stroje. Proto tyto stroje jedinečným způsobem umožňují užití chemických látek urychlujících tvrdnutí cementu vyztuženého vlákny a přitom zajišťují jejich účinnost při velmi nízkém riziku, že cement zatvrdne uvnitř stroje. I při podání těchto chemikálií v ranné fázi procesu minimalizuje krátká doba zdržení v celém stroji nebezpečí ztvrdnutí cementu uvnitř stroje a vyšší tlaky, jež stroj vyvíjí, minimalizují možnost ztvrdnuti pasty, jejíž tuhost by nedovolila průchod hubicí. I teplo vzniklé ve vytlačovacím stroji (které je větší než teplo vytvořené v tradičním vytlačovacím stroji pro cement vyztužený vlákny) může být výhodně využito pro urychlení reakce tvrdnutí.

Další výhodou používání zde popsaných samostíracích dvoušnekových vytlačovacích strojů je, že je možno eliminovat několik míchaček a hnětačů potřebných v tradičním procesu vytlačováni cementových výrobků vyztužených vlákny a tím snížit veškeré náklady i velikost závodu. Protože je celý způsob integrován a řízen z jediného řídícího centra, je též možno omezit počet zaměstnanců obsluhy zařízení ve srovnání s tradičním závodem pro vytlačování cementových kompozitů.

V procesu vytlačování může vznikat odpad nehodami při stohování dosud neztvrdlých výrobků a manipulaci s nimi, nebo z mnoha dalších důvodů. Protože jsou doby zdržení ve strojích SWTS tak malé a malý pracovní objem a samostírací činnost stroje znamená, že materiály vnesené do vytlačovacího stroje putují strojem jako zátka aniž by se příliš rozptylovaly stranou šneků, lze vracet tento výrobní odpad zpátky do vytlačovacího stroje buď postranním podavačem nebo některým z hlavních materiálových vstupů aniž by hrozilo nebezpečí destabilizace procesu. To při výrobě znamená významné úspory.

Jinou výhodou používání vytlačovacích strojů SWTS v «·> fl·· · • fl plně kontinuálním procesu je snadnost, s níž lze měnit formulaci vytlačované kompozice. Protože se složky vnášejí nezávisle a rychlost podávání se může za provozu dynamicky regulovat, je možno měnit poměrná množství a/nebo identitu plněných materiálů. Velmi krátká doba zdržení má za následek, že doba této přeměny je rovněž krátká. Protože stroj je samostírací, šneky se transportuje veškerý materiál a ve stroji prakticky nezůstává žádný starý materiál v důsledku prostupu nového materiálu strojem, který je proto samočisticí. To má řadu výrobních výhod. Zaprvé, když je třeba na jediném stroji vyrábět různé produkty, může se změna programu z jednoho výrobku na jiný uskutečnit plynule bez zjevného přechodu a bez potřeby odstávky, bez čistění stroje a bez ztráty velkého objemu materiálu zanechaného v pracovním prostoru. Za druhé, v případě odstávky stroje je možno zastavit podávání materiálů, vytlačovací stroj se sám vytlačovací hlavou vyprázdní a v pracovním objemu extrudéru zůstane velmi málo materiálu a tím se minimalizuje nutné čištění i ztvrdnutí cementu ve vytlačovacím stroji a jeho zablokování. Považuje-li se to za užitečné, je možno nahradit reaktivní složky vytlačované kompozice inertní náhradou těsně před odstávkou, tak aby inertní pasta nahradila reaktivní pastu a stroj se může odstavit a ponechat bez nebezpečí ztvrdnutí cementu. Za třetí je schopnost měnit formulaci průběžně velkou výhodou při vývoji produktů, kdy lze podle potřeby v krátké době měnit několik proměnných a při malé časové ztrátě lze provést kontrolu kvality extrudátů a sběr mnoha různých vzorků.

Tento vynález se může provést za použití všech výše uvedených aspektů nebo jakýchkoliv jejich kombinací. Odborníci chápou, že tyto volby určují přesné formulace potřebné pro finální výrobek a výhodné provozní podmínky pro použitý specifický vytlačovací stroj.

Je zřejmé, že popsané způsoby a zařízení se mohou

’

9

realizovat v jiných formách než jaké byly popsány aniž by došlo k opuštění smyslu nebo rozsahu tohoto vynálezu.

» * ·

9 · • · · • · · ♦ ?Ι/<£(Χ>£ - 42ifC>7 ·♦ ·· ·♦ ·· « fefe · · · * ·»«· · 1 ·

Claims (25)

• · · ··« » · · · • · » · · PATENTOVÉ NÁROKY

1) vlákna ve formě archu vlákniny se zvlhčí vodou

1. Vytlačovací stroj pro cement obsahující vlákna, v yznačující se tím, že má plášť a nejméně jednu dvojici do sebe zapadajících samostíracích šneků otáčivě upevněných uvnitř stroje, přičemž uvedené šneky jsou uspořádány tak, aby kontinuálně míchaly a/nebo hnětly složky cementového kompozitu vyztuženého vlákny a vytvořily v zásadě homogenní pastu a tuto pastu protlačovaly hubicí za vzniku čerstvého cementového extrudátu připraveného ke ztvrdnutí.

2) výsledná vlákna se smísí s kteroukoliv další složkou kompozice cementu s vlákny, jež se neznehodnocuje delším stykem s vodou nebo se složkou, jež je výhodná z hlediska fíltrovatelnosti suspenze vláken

2. Vytlačovací stroj pro cement obsahující vlákna podle nároku 1,vyznačuj ící se tím, že jsou v něm šneky uspořádány tak, aby vytvářely sekce míchání, hnětení a vytlačování a vyvíjely trvalé smykové namáhání na složky cementové směsi s vlákny ve všech těchto sekcích.

3) výsledná suspenze se zbaví vody tak, aby obsah vody nebyl vyšší než odpovídající maximální obsah vody ve • · 0 90· vytlačovatelné cementové směsi a

3. Vytlačovací stroj pro cement obsahující vlákna podle nároku 1,vyznačující se tím, že každý šnek sestává z vzájemně zaměnitelných komponent umožňujících střídat doby zdržení v každé sekci pro míchání, hnětení a vytlačování.

4) odvodněný koláč se dezintegruje do malých fragmentů a v této podobě se podává do vytlačovacího stroje.

4. Vytlačovací stroj pro cement obsahující vlákna podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačuj ící se t í m, že úsek po celé délce šneků je vakuový, přičemž konec vakuového úseku proti proudu je určen částí šneku s opačně točivým závitem a tento úsek je přizpůsoben, aby zajišťoval zpětný tok směsi a tím vytvářel tekutou ucpávku, přičemž druhá tekutá ucpávka se vytváří směsí na konci vakuové sekce po proudu těsně před vstupem do vytlačovací hubice, přičemž tento vakuový úsek je napojitelný na zdroj vakua pro odplynění pasty.

5. Výtlačovací stroj pro cement obsahující vlákna podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4,vyznačuj ící se tím, že šneky jsou uspořádány tak, aby zajišťovaly konzistentní tok cementového materiálu vytlačovacím strojem a předem stanovené složení cementového materiálu v kterémkoliv předem zvoleném místě po celé délce šneků.

6. Výtlačovací stroj pro cement obsahující vlákna podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že rovněž obsahuje jedno nebo více podávačích zařízení podél celé délky šneků dodávajících na šneky složky pro cement vyztužený vlákny.

7. Výtlačovací systém pro vytlačováni cementu vyztuženého vlákny, vyznačující se tím, že zahrnuj e podávači zařízení přizpůsobené pro kontinuální podávání složek pro cement vyztužený vlákny do extrudéru, výtlačovací zařízení pro cement obsahující vlákna podle nároků v kterémkoliv z předchozích nároků a výtlačovací hubici.

8. Způsob vytlačování cementu vyztuženého vlákny, vyznačující se tím, že se složky kompozice cementu vyztuženého vlákny uvádějí do vytlačovacího stroje, který obsahuje nejméně jednu dvojici do sebe zapadajících samostíracich šneků, jež míchají a/nebo hnětou složky směsi cementu s vlákny, aby vytvořily v podstatě homogenní pastu a protlačily ji hubicí.

9 9 9 ·

9 9 · 9

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že složky směsi cementu s vlákny se odděleně vnášejí do vytlačovacího stroje.

99 99

10. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že alespoň některé ze složek směsi cementu s vlákny se do vytlačovacího stroje vnášejí ve formě předsměsí.

11. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 10, vyznačující se tím, že jedna nebo více složek jsou do vytlačovacího stroje podávány v různých místech po celé délce šneků.

12. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 11, vyznačující se tím, že extrudát opouštějící vytlačovací stroj je samonosný.

13. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 12, vyznačující se tím, že složky kompozice cementu vyztuženého vlákny se do vytlačovacího stroje podáváj í v suché formě.

14. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 12, vyznačující se tím, že složky kompozice cementu vyztuženého vlákny se do vytlačovacího stroje podávají v kapalné formě nebo jako suspenze.

15. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 12, vyznačující se tím, že celulózová vlákna se do vytlačovacího stroje podávají v těchto etapách

16. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 14, vyznačující se tím, že se celulózové vlákno pro tento účel získá mechanickou dezintegrací celulózového vlákna ve formě archu vlákniny na malé kousky, jež se podávají do vytlačovacího stroje.

17. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 14, vyznačující se tím, že se celulózové vlákno v podobě role nebo pásu vlákniny přímo podává do vytlačovacího stroje rychlostí přizpůsobenou výrobnímu rytmu a množství vlákna potřebného pro výsledný extrudát.

18. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 17, vyznačující se tím, že vlákno se před podáním do vytlačovacího stroje kropí vodou.

19. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 18, vyznačující se tím, že šneky jsou uspořádány tak, aby úsek míchání a/nebo úsek hnětení předcházel úsek vytlačování, přičemž je,doba zdržení v každém úseku regulovatelná.

20. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 6 až 19, vyznačující se tím, že doba zdržení cementové kompozice ve vytlačovacím stroji se může upravit tak, aby umožnila přidání přísad urychlujících tvrdnutí.

21. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 6 až 20, vyznačující se tím, že šneky jsou uspořádány tak, aby zajistily konzistentní průtok cementového materiálu • · ··· * • tt • tt · tt · ·· vytlačovacím strojem s cílem dosáhnout předem stanoveného složení cementového materiálu v kterémkoliv předem zvoleném místě podél celé délky šneků.

22. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 21, vyznačující se tím, že vytlačovací stroj pracuje při teplotě dostačující k tomu, aby povrch extrudátu opouštějícího vytlačovací stroj částečně ztvrdl nebo oschl.

23. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 22, vyznačující se tím, že rychlosti podávání různých složek a doby zdržení uvnitř vytlačovacího stroje lze pozměňovat nezávisle, takže lze bez přerušení výroby měnit formulace cementu vyztuženého vlákny.

24. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 8 až 23, vyznačující se tím, že vlákna a/nebo jiná aditiva se přidávají ve formě suspenze ve vodě s obsahem pevné fáze mezi 5 a 30 %.

25. Způsob nároku 24, vyznačuj íc tím, že obsah pevné fáze je mezi 5 a 15 %.

i se °0