CZ294831B6 - Porézní tepelně izolační materiál na bázi křemeliny a způsob jeho výroby - Google Patents

Abstract

Předložené řešení se týká tepelně izolačního materiálu s pórovitou strukturou, který zahrnuje materiál obsahující vázaný SiO.sub.2.n., který je přeměněný alespoň z 90 % na tobermoritovou fázi. Materiálem obsahujícím SiO.sub.2.n. je křemelina, měrná hmotnost tepelně izolačního materiálu je menší než 150 kg/m.sup.3.n. a jeho tepelná vodivost je menší než 0,05 W/m .degree.K, přičemž křemelina má průměrnou velikost částic od 10 do 30 .mi.m.ŕ

Description

Porézní tepelně izolační materiál na bázi křemeliny a způsob jeho výroby

Oblast techniky

Tento vynález se týká tepelně izolačního materiálu založeném na křemelině, zvláště se týká porézního tepelně izolačního materiálu a způsobu jeho výroby.

Dosavadní stav techniky

Při výrobě tepelně izolačních materiálů se obvykle začíná s vytvořením skeletu nebo matrice a pojivém, které se expanduje za účelem získání struktury s póry vyplněnými vzduchem, které mají mimořádně dobré tepelně izolační vlastnosti.

Výroba tepelného izolantu z materiálu obsahujícího SiO₂, (tvůrce skeletu), hydroxidu vápenatého, vody, pěnivých a reaktivních hlinitanů, obsažených v cementu s regulovaným tuhnutím, je známá z DE 43 39 137 Al. Licí surová směs připravená z těchto materiálů se plní do forem. Po dostatečném vytvrzení jsou nehotové surové kusy vyjmuty z forem a podrobí se tepelnému zpracování v autoklávu. Pomalý ohřev (odpovídající nastavené žárové křivce) uvažovaný pro zpracování v autoklávu, je následován 8 hodinovou fází výdrže při asi 14 barech (1,4 MPa) (odpovídající 198 °C) a potom dvouhodinovou fází chlazení. Ve shodě s DE 43 39 137 Al, se použije křemenný prášek o maximální velikosti částic kolem 20 pm, zejména od 2 do 3 pm jako materiál obsahující SiO₂. Hydroxid vápenatý se použije v surové směsi v množství, které je v podstatě stechiometrické vzhledem k množství, které je nutné pro kompletní přeměnu křemenného prášku na tobermorit a reaktivního hlinitanů obsaženého v cementu s regulovaným tuhnutím na jednofázový a (sekundární) ettringit. V praxi se kompletní materiálová konverze křemene a hydroxidu vápenatého na tobermorit dosahuje působením páry v průběhu autoklávování.

DE 44 08 088 Al se vztahuje ke způsobu výroby pórovité minerální lehčené izolační desky, který vychází z pojivá cementové suspenze, křemenného prachu (jako tvůrce skeletu), hydroxidu vápenatého a vody, smíchání těchto komponent s pěnou, která byla vyrobena odděleně a ze získané směsi se pro lehčené izolační desky vytvoří koláč. Po zatuhnutí vytvořeného koláče jsou z něj vyřezány jednotlivé lehčené izolační desky, které se dále vytvrzují v autoklávu. DE 44 08 088 Al také zmiňuje vodoodpudivou a/nebo vytvrzovací impregnaci jako konečnou úpravu pro lehčené izolační desky vyrobené v autoklávu.

Tepelně izolační materiál o hustotě mezi 100 a 200 kg/m³ se vytváří metodami, které jsou známé ze stavu techniky. Například, hustota 100 kg/m³ lehčené izolační desky v suchém stavu je uvedena v DE 44 08 088 Al. Lehčené izolační desky vyrobené tímto způsobem mají typickou specifickou tepelnou vodivost 0,045 (W/m °K).

Avšak, takové lehčené izolační desky mají několik vážných nevýhod. Za prvé, specifická tepelná vodivost je stále poměrně vysoká a není zcela vhodná pro tepelnou izolaci, kde existují velké teplotní gradienty. Kromě toho, v důsledku specifické hustoty křemene (cca 2,7 kg/m³), jsou izolační desky vyráběné s křemenným prachem křehké, protože v izolační desce je dostupné pouze 36,7 1 pevné matrice, přičemž matrice má hustotou 100 kg/m³ a objem vzduchu v buňkách 962,5 1. Za účelem docílení maximální pevnosti matrice musí také křemenný písek mít velikost částic v rozsahu od 2 do 8 pm. Na jedné straně, zde vznikají problémy (například vzduchem roznášený prach) při manipulaci s prachovým křemenným pískem při výrobě a na druhé straně, se vytváří prach při rozbití nebo při obrušování izolačních desek. Bohužel, křemenný prach

- 1 CZ 294831 B6 (vzduchem roznášený prach) však při dlouhé expozici vede k vážným plicním nemocím (silikóza).

Dále, obvyklé minerální izolační desky způsobují nedostatečnou adhezi mezi deskami a aplikovanou omítkou, což je častým zdrojem vytváření prachu.

Způsoby, které používají křemenného prachu jako materiálu pro vytvoření skeletu a/nebo matrice, mají další nevýhodu v tom, že samotný křemen nemá žádné hydraulické vlastnosti, a proto jsou někdy nutné dlouhé před-vytvrzovací časy a/nebo velká množství pojivá.

Předmětem předkládaného vynálezu je poskytnout tepelně izolační materiál, který má zlepšené tepelně izolační vlastnosti, zlepšené adhezní vlastnosti (s omítkou) a zlepšenou mechanickou pevnost, zvláště při vysoké teplotě a jehož použití nezahrnuje žádná zdravotní rizika.

Předmětem vynálezu je rovněž způsob výroby takového tepelně izolačního materiálu.

Podstata vynálezu

Problém řeší tepelně izolační materiál s pórovitou strukturou, který zahrnuje vázanou křemelinu s průměrnou velikostí částic od 10 do 30 pm, CaO a cement, přeměněný alespoň z 90 % na tobermoritovou fázi, přičemž objemová hustota tepelně izolačního materiálu je menší než 150 kg/m³ a tepelná vodivost je menší než 0,05 W/m °K.

Objemová hustota tepelně izolačního materiálu v souladu s vynálezem je výhodně menší než 100 kg/m³. Tepelná vodivost je výhodně menší než 0,04 W/m °K.

Materiál obsahující SiO₂ je výhodně 100 % přeměněný na tobermoritovou fázi.

Tepelně izolačním materiálem je výhodně tepelně izolační deska.

Způsob výroby v souladu s vynálezem se vztahuje na výrobu tohoto tepelně izolačního materiálu a zahrnuje následující kroky:

vytvoření pórovité struktury surové směsi, která obsahuje (a) křemelinu jako materiál obsahující SiO₂, (b) CaO a cement a (c) vodu, vytvoření napěněné surové směsi, tvrzení tímto způsobem získaného vytvořeného kusu, hydrotermální zpracování v autoklávu vytvrzeného formovaného kusu při alespoň 90 % přeměně materiálu obsahujícího SiO₂ na tobermoritovou fázi.

Surová směs výhodně obsahuje:

cca 1 díl hmotnostní křemeliny cca 1,2 dílu hmotnostního CaO a/nebo cementu cca 4,5 dílů hmotnostních vody.

Při použití směsi CaO/cement je poměr CaO/cementu výhodně cca 1:7.

-2 CZ 294831 B6

Vedle složek, které jsou uvedeny výše, může surová směs volitelně obsahovat malá množství přírodní sádry a plnivo, zvláště vláknitý plnivový materiál (například bavlněná vlákna).

Křemelina se skládá z rozsivkových schránek. Křemelina je sediment, který náleží do silikátových hornin, které tvoří ze 70 až 95 % amorfní kyselina orthokřemičitá (SiO₂.nH₂O).

Je to směs, sestavená z rozličně formovaných jednobuněčných křemičitých koster, mikroskopických malých řas (například Thalassiosira fluviatilis, Navicula pelliculisa, Triceratium venosum, Stylodidilium exzentricum), které žily ve sladké nebo slané vodě v období Triasu. Schránky mají neobyčejně četné, jemně drážkované dutiny a kanály, takže křemelina je významná velmi nízkou hustotou. Délka schránky jednotlivé rozsivky leží typicky mezi 0,090 až 0,150 mm a jeho šířka mezi 0,0015 a 0,0046 mm. Pórovitost je 83 % až 85 %. Tepelná vodivost křemeliny leží v rozsahu od 0,04 do 0,06 W/m °K.

Křemelina se mele ve mlýně způsobem, že jednotlivé schránky rozsivek se s výhodou vzájemně oddělí před tím, než se přidají do surové směsi. Postupně má křemelina průměrnou velikost částic v rozsahu od 10 do 30 pm.

Surová směs s přísadami, které jsou uvedeny výše, se expanduje na pórovitou strukturu podle prvního kroku ve způsobu souladu s vynálezem. V tomto spojení může být pórovitá struktura vytvořena přímo v surové směsi pomocí činidla vyvíjejícího plyn nebo pomocí pěnidla.

Jako pěnidla jsou vhodné proteiny, které vyvíjejí pěnu, například, SB3 od společnosti Heidelberger Zement, Leimen (Německo). Preferovaným činidlem vyvíjejícím plyn je hliníkový prach, například Al₂ SK IV NE 170, STAPA, Eckart-Werk, Furth, Germany, který uvolňuje vodík za bazických podmínek v surové směsi a vytváří tak pěnu a/nebo bubliny.

Hliníkový prach se výhodně použije v množství od 0,7 do 1,0 kg na 1 m³. Výhodnější množství pro použití proteinů vyvíjejících pěnu leží v rozsahu od 2 do 3 1 na 1 m³.

Během expanze se ze surové směsi vytvoří stabilní homogenní suspenze. Pro tento účel je výhodné použít postupně měnitelné míchadlo. Tato míchadla jsou také vhodná k udržování výplňového materiálu v suspenzi.

Následně se vytvořená suspenze formuje, nejlépe vlitím do licí formy. Surová směs se potom pouze vytvrzuje tak dlouho, dokud nemá vytvářený kus dostatečnou stabilitu za účelem dalšího zpracování a úpravy. Výhodně je tvořený kus vytvrzován jeho ohřevem, zejména ohříváním po dobu 18 až 22 h při teplotě 30 až 50 °C.

Obecně se před-vytvrzený formovaný kus postupně odstraňuje z licí formy a upravuje se například řezáním na požadovanou konečnou podobu. Výhodně se vytvořený kus v tomto kroku rozřeže na desky. Je však také možné provést rozřezání na konečnou podobu až po následujícím kroku (po hydrotermálním zpracování).

Hydrotermální zpracování formovaného kusu se provede typickým způsobem tepelným zpracováním kusu v autoklávu (volitelně po rozřezání). Hydrotermální zpracování se nejlépe provádí po dobu 12 až 16 hodin při teplotě 174 až 203 °C. Tlaky dosahované při hydrotermálním zpracování leží obecně v rozsahu 9 až 17 barů (0,9 až 1,7 MPa). Za těchto podmínek vytvořená pára vede k přeměně křemeliny s CaO a/nebo cementu na tobermorit. Vytvořený tobermorit rozhodně přispívá k pevnosti a objemové stabilitě struktury izolačního materiálu.

Po hydrotermálním zpracování se získaný tepelně izolační materiál volitelně vysuší. Obsah vody po vysušení v tepelně izolačním materiálu výhodně nepřesahuje 5 procent hmotnostních.

-3 CZ 294831 B6

Po hydrotermálním zpracování a/nebo po vysušení se také výhodně použije hydrofobizační krok. Aby došlo k hydrofobizaci, může se tepelně izolační materiál impregnovat známým způsobem buď hydrofobizující párou, která je absorbována tepelně izolačním materiálem, nebo impregnační kapalinou (například v máčecí lázni).

Při parní hydrofobizaci se tepelně izolační materiál vystavuje vlivu páry, která obsahuje silan, který hydrofobizuje povrch izolačního materiálu.

Při impregnaci kapalinou se výhodně použije vodoodpudivá (hydrofobizující) a sama se vytvrzující impregnace. Do tepelně izolačního materiálu je také možné zavést impregnační činidlo pod vysokým nebo nízkým tlakem, preferovány jsou metody s použitím nízkého tlaku.

Například při metodě s použitím nízkého tlaku se desky tepelně izolačního materiálu vnášejí do máčecí lázně, která je zcela naplněna impregnačním činidlem. Postupně se máčecí lázeň vzduchotěsně uzavře a sníží se tlak. Tím vzduch, který se nachází v otevřené buněčné struktuře desek vybublá a může být odstraněn. Jestliže se potom u máčecí lázně znovu obnoví normální tlak, impregnační činidlo obklopující desky prosákne do desek.

Směsi, založené na hydrofobním činidle modifikovaného vodního skla, volitelně na zesíťovači a na zbytkové vodě a/nebo termosetu, jsou hydrofobní plastické disperze a jsou například vhodné jako impregnační činidla. Typické impregnační činidlo je WACKER BS 15, Wacker Chemie, Burghausen, Germany.

Alternativně může hydrofobizace také probíhat v surové směsi.

Ve srovnání s obvyklými tepelně izolačními materiály, mají tepelně izolační materiály podle vynálezu nižší hustotou a nižší tepelnou vodivost s větší pevností. Tohoto efektu se dosahuje za prvé tím, že křemelina má lepší tepelně izolační vlastnosti než křemenný prach vzhledem k její pórovitosti. Dále, přes její nižší hustotu ve srovnání s tepelně izolačními materiály, jejichž základem je křemenný prach, je možné začlenit do skeletu tepelně izolačního materiálu podle vynálezu čtyřikrát více pevných částic, což rozhodně zvyšuje pevnost materiálu. Navíc, trubkovité, malé tyčovité a jehličkovité formy křemeliny (houbovité, jehlice, nitchia) ve vytvrzené struktuře mají izotropní ztužující a/nebo zpevňující efekt (izotropní zesílení) čímž zvyšují pevnost v tahu za ohybu tepelně izolačního materiálu. Produkt podle tohoto vynálezu je zdravotního hlediska bezpečný, protože neuvolňuje žádné křemenné materiály podporující silikózu. Další výhodou tepelně izolačního materiálu podle vynálezu je to, že je vhodný pro tepelnou izolaci při vysoké teplotě (nad 550 °C), zatímco v důsledku nízkého obsahu křemene v materiálu, křemenný prach již nezaručuje dostatečně dlouhou tepelnou stabilitu při teplotách nad 550 °C. Při zkouškách tepelně izolačního materiálu v souladu s vynálezem je vidět tepelně izolační efekt při teplotě nad 650 °C.

Ze zdravotního hlediska se způsob podle vynálezu liší od známých způsobů, které se týkají použití křemenného prachu, že použitá křemelina je bezpečná. Další výhoda použití křemeliny spočívá v hydraulické aktivitě křemeliny, která zvyšuje vazebný účinek pojivá (CaO a/nebo cementu) a dovoluje urychlení jednotlivých kroků způsobu, zvláště vytvrzování před hydrotermálním zpracováním. Větší reaktivní povrch křemeliny ve srovnání s křemenným prachem také přispívá ke zlepšení vazby. Další výhodou je to, že není nutné použití speciálních druhů cementu nebo jiných speciálních pojiv. Tyto výhody přispívají k ekonomickému přínosu způsobu.

Prezentovaný vynález je podrobněji ilustrován v příkladu.

-4CZ 294831 B6

Příklad provedení vynálezu

Příklad: výroba tepelně izolační desky s hustotou 85 kg/m³

Byly použity následující vstupní materiály:

křemelina 40 kg cement CEMI 52.5 R 40 kg

CaO (aktivní vápno) 6 kg sádra (síran vápenatý x 2 H₂O) 1 kg bavlněná vlákna 0,6 kg voda 180 kg protein produkující pěnu 3 1

Vysušená křemelina se společně se sádrou rozemele (na průměrnou velikostí částic 20 pm) a uskladní v silu.

Směs křemeliny/sádry, cement a vápno se přidají odměřovacím zařízením do míchacího zařízení, ve kterém je přítomná voda a protein produkující pěnu. Potom se přidají bavlněná vlákna.

Homogenní směs se potom plní do licí formy.

Po zatvrdnutí ('pevnost po tvarování') se nehotový surový kus v licí formě zavede do regenerační komory kde se předvytvrzuje po dobu 20 hodin při 40 °C.

Před-vytvrzený čerstvý produkt se odstraní z licí formy a rozřeže se na desky.

Tyto desky se přenesou do autoklávového tanku k hydrotermálnímu zpracování. Hydrotermální zpracování probíhá po dobu 12 hodin při teplotě 203 °C. Tlak je 17 barů (1,7 MPa). Potom se desky v autoklávu ochladí.

Po ochlazení se desky z autoklávu odstraní a vysuší na maximální obsah vody 5 % v sušicí komoře při teplotě 60 °C.

Následně po sušení se tepelně izolační desky zpracují za působení páry s hydrofobním účinkem (Wacker Sílán Ml-Trimethoxy, Wacker Chemie, Burghausen, Germany).

Deska (desky) vyrobená tímto způsobem má (mají) ve zcela vysušeném stavu tepelnou vodivost 0,038 (W/m °K) a objemovou hustotou 85 kg/m³. Desky neuvolňují žádný prach.

Claims (11)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Tepelně izolační materiál s pórovitou strukturou, který zahrnuje materiál obsahující vázaný SiO₂, CaO a cement přeměněný alespoň z 90 % na tobermoritovou fázi, vyznačující se t í m , že materiálem obsahujícím SiO₂ je křemelina mající průměrnou velikost částic od 10 do 30 pm, přičemž objemová hustota tepelně izolačního materiálu je menší než 150 kg/m³ a tepelná vodivost je menší než 0,05 W/m °K.

   -5CZ 294831 B6
2. 2. Tepelně izolační materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál obsahující SiO₂ je zcela přeměněn na tobermoritovou fázi.
3. 3. Tepelně izolační materiál podle nároku 1,vyznačující se tím, že objemová hustota tepelně izolačního materiálu je menší než 100 kg/m³ a tepelná vodivost je menší než 0,04 W/m °K.
4. 4. Tepelně izolační materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že křemelina je amorfní.
5. 5. Tepelně izolační materiál podle některého z nároků 1 až 3,vyznačující se tím, že tepelně izolačním materiálem je tepelně izolační deska.
6. 6. Způsob výroby tepelně izolačního materiálu podle jednoho nebo několika nároků 1 až 4 s pórovitou strukturou, vyznačující se tím, že zahrnuje následující kroky:

   vytvoření pórovité struktury surové směsi, která obsahuje (a) křemelinu jako materiál obsahující SiO₂, (b) CaO a cement a (c) vodu, vytvoření napěněné surové směsi, vytvrzení kusu získaného tímto způsobem, hydrotermální zpracování vytvrzeného formovaného kusu v autoklávu s přeměnou alespoň 90 % materiálu obsahujícího SiO₂ na tobermoritovou fázi.
7. 7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že k vytvoření pórovité struktury se použije pěnivý protein nebo hliníkový prach.
8. 8. Způsob podle jednoho nebo několika nároků 6a 7, vyznačující se tím, že vytvořený kus získaný ze surové směsi se vytvrzuje ohřevem.
9. 9. Způsob podle jednoho nebo několika nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že vytvořený kus se před hydrotermálním zpracováním rozřeže na desky.
10. 10. Způsob podle jednoho nebo několika nároků 6 až 9, vyznačující se tím, že hydrofobizační krok se provede po hydrotermálním zpracování.
11. 11. Způsob podle jednoho nebo několika nároků 6až 9, vyznačující se tím, že hydrofobizační krok se provede v surové směsi.