FI101630B - Menetelmä sideaineen valmistamiseksi - Google Patents

Description

101630

Menetelmä sideaineen valmistamiseksi

Keksintö koskee menetelmää täyteainetta sisältävän sili-kaattipohjäisen sideaineen valmistamiseksi siten, että 5 täyteaine käsitellään hapolla lietteessä, joka sitten sekoitetaan alkalimetallisilikaatin vesiliuoksen kanssa. Lisäksi keksintö koskee menetelmällä saatavaa tuotetta.

Silikaattipohjaiset sideaineet ovat edullisia sovellutuk-10 sissa, joissa vaaditaan korkeitten lämpötilojen kestävyyttä. Ne eivät myöskääm ole juuri lainkaan myrkyllisiä, koska ne eivät sisällä orgaanisia liuottimia, formaldehydiä tai vastaavia.

15 Silikaattisideaineiden säröilytaipumuksen pienentämiseksi ja niiden lujuuden lisäämiseksi on suotavaa sekoittaa mukaan täyteainetta kuten kaoliinia. Tällöin on kuitenkin osoittautunut vaikeaksi saada varastointikestävää koostumusta, koska täyteaineella on pyrkimys sedimentoitua jo 20 viikon tai parin kuluttua.

US patentissa 4,000,241 on esitetty menetelmä kiinteän eristyksen muodostamiseksi paisuneesta perliitistä. Per-liittihiukkaset kostutetaan hapolla ja suihkutetaan sit-25 ten natriumsilikaattiliuoksella. Saadaan vapaasti kellu via hiukkasia eikä silikaattiliuoksessa olevaa hiukkasten suspensiota.

Keksinnön tuloksena edellinen ongelma voidaan ratkaista 30 patenttivaatimuksessa 1 määritellyllä menetelmällä täyte ainetta sisältävän silikaattipohjaisen sideaineen valmistamiseksi. Tarkemmin sanottuna keksinnön menetelmässä täyteaine käsitellään hapolla lietteessä, minkä jälkeen liete sekoitetaan alkalimetallisilikaattia sisältävän 35 vesiliuoksen kanssa olennaisesti homogeeniseksi suspen sioksi. Mihinkään teoriaan sitoutumatta oletetaan, että happokäsittely muuttaa täyteaineen varauksia siten, että aggregaattien muodostus estyy ja dispergoituminen sili- 2 101630 kaattiliuokseen helpottuu. Happokäsittely tapahtuu edullisesti siten, että täyteainetta sekoitetaan happoa sisältävään vesiliuokseen kunnes muodostuu notkea pasta, mikä yleensä kestää noin 10 minuutista noin 2 tuntiin.

5

Alkallmetalllslllkaatln moolisuhde S102:M20 on suositelta-vasti noin 2 - noin 4, erityisesti noin 2,6 - noin 3,4, jolloin M on alkalimetalli, suositeltavasti natrium, kalium tai näiden seos. Jos moolisuhde on liian pieni, tu-10 lee liuoksesta hyvin alkalinen ja sen käsittely on epämiellyttävää, kun taas liian suurella moolisuhteella se on vaikeampi liuottaa ja vähemmän stabiili. Jos M suureksi osaksi muodostuu kaliumista, voi moolisuhde olla suurempi . Alkalimetallisilikaattiliuoksen kuivapitoisuus 15 ennen täyteaineen lisäystä on suositeltavasti noin 25 -noin 50 paino%. Alkalimetallisilikaatin kokonaismäärä lopputuotteessa on suositeltavasti noin 5 - noin 30 pai-no%, erityisesti noin 10 - noin 25 paino%.

20 Hapolla modifioitavan täyteaineen tulee olla suhteellisen stabiili happamassa ympäristössä, mikä esimerkiksi sulkee pois täyteaineet, jotka sisältävät suuria määriä karbonaattia, joka liukenee kaasua kehittäen happamassa ympäristössä. Valmiin sideaineen geeliytymisvaaran pienentä-25 miseksi pitkän varastoinnin aikana, usein aina 6-12 kuukauteen asti, tulee käytettyjen täyteaineiden olla myös olennaisen stabiileja alkalimetallisilikaattiliuok-sissa, mikä esimerkiksi sulkee pois täyteaineet, jotka sisältävät suurehkoja määriä liuokoista piitä, joka nos-30 taa moolisuhdetta Si02:M20, liukoista kalsiumia, joka muo-: : dostaa vaikealiukoista kalsiumsilikaattia, tai liukoista sulfaattia, joka muodostaa natriumsulfaattia. Siten ei, erotuksena esimerkiksi sementinvalmistuksesta, pidä käyttää hiekkaa, joka sisältää suuria kvartsimääriä. Kuiten-35 kin voidaan käyttää lukuisia sideaineissa tavanomaisesti käytettyjä täyteaineita joko yksin tai seoksena. Useat näistä sisältävät piitä ja/tai kalsiumia, jotka kuitenkin 3 101630 ovat niin lujasti sitoutuneita, että ne ovat alkalimetal-lisilikaattiliuoksissa olennaisesti inerttejä. Useita erilaisia täyteineita käytettäessä riittää, että yksi näistä käsitellään hapolla ennen lisäystä. Esimerkkejä 5 käyttökelpoisista täyteaineista ovat kaoliini, maasälpä, perliitti, cenopallot (esim. fillite®), titaanidioksidi, alumiinitrihydraatti, muskoviitti, diatomiitti tai talkki. Jos täyteainepartikkelit ovat liian suuria, lisääntyy sedimentaatiovaara varastoinnissa. Partikkelien halkaisi-10 ja on suositeltavasti alle noin 100 pm, erityisesti alle noin 80 pm. Mitään kriitillistä alarajaa ei ole, lukuunottamatta sellaisia tapauksia, joissa täyteaine sisältää yhtä tai useampia komponentteja, jotka hitaasti liukenevat silikaattiin, jolloin on suositeltavaa, että 15 hiukkashalkaisija on yli noin 1 pm. Muussa tapauksessa, esim. kaoliinia käytettäessä, voidaan ongelmitta käyttää partikkeleita, joiden halkaisija on niinkin pieni kuin 0,1 pm tai pienempi. Lisätyn täyteaineen määrä riippuu sideaineelle halutusta konsistenssista, mikä taas määräy-20 tyy siitä, kuinka se on tarkoitettu käytettäväksi. Yleensä on suositeltavaa lisätä noin 4 - noin 80 paino%, erityisesti noin 10 - noin 60 paino% täyteainetta kuivan alkalimetallisilikaatin määrästä laskettuna.

25 Täyteaine voidaan käsitellä epäorgaanisilla hapoilla ku-ten suolahapolla, rikkihapolla tai typpihapolla, mutta jotta sideaineeseen ei joutuisi ei-toivottuja alkuaineita, ovat orgaaniset hapot suositeltavia. Näiden tulee olla vesiliukoisia, ja ne voidaan valita esim. seuraavis-30 ta: muurahaishappo, etikkahappo, propionihappo, valeri-aanahappo, malonihappo, meripihkahappo, adipiinihappo, maleiinihappo, fumaarihappo, glutaarihappo, maitohappo, sitruunahappo, omenahappo, viinihappo, glykolihappo, dig-lykolihappo tai salisyylihappo. Ammattimiehelle on sel-35 vää, että kaikkia vesiliukoisia happoja, kuten edellä lueteltuja, voidaan yhdistää minkä tahansa täyteaineen kanssa, joka ei reagoi käytetyn hapon kanssa, ja joka on 4 101630 olennaisesti stabiili alkalimetallisilikaattiliuoksissa, esim. minkä tahansa edellä luetellun täyteaineen kanssa.

On osoittautunut, että hapon ja täyteaineen lietteen vis-5 kositeettiin vaikuttaa enemmän hapon määrä kuin kuivapi-toisuus. Happoa on siten oltava riittävä määrä käsittely-kelpoisen lietteen aikaansaamiseksi täyteaineen kanssa. Järkevän valmistuksen kannalta on suositeltavaa, että hapon määrä on riittävä pumpattavan lietteen aikaansaanti -10 seksi, mikä käytännössä tarkoittaa useimmiten, että sen viskositeetti on alle noin 20000 cp. Hapon minimimäärän numeroarvo riippuu käytetystä haposta ja käytetystä täyteaineesta, ja se on spesifisissä järjestelmissä helposti ammattimiehen määritettävissä kokeellisesti. Vain suun-15 taa-antava ohjearvo hapon minimimäärälle noin 40 - noin 80 paino%:n kuivapitoisuudessa voidaan usein asettaa välille noin 5 - noin 10 paino% happoa täyteaineen määrästä laskettuna. Hapon määrä ei saa olla niin suuri, että al-kalimetallisilikaatti geeliytyy yhteensekoituksen jäl-20 keen. Sallittu maksimiarvo riippuu silikaatin alkalisuu-desta, joka määräytyy moolisuhteesta Si02:M20. Useimmiten on suositeltavaa, että hapon määrä ei ole suurempi kuin noin 15 paino% happoa alkalimetallisilikaatin määrästä laskettuna, mutta suuremmat määrät ovat ajateltavissa, 25 jos happo on heikko ja/tai moolisuhde Si02:M20 on pieni.

Myös tämä arvo on helppo määrittää kokeellisesti. Ammattimiehelle on myös selvää, että kaikkia sopivia happoja ja täyteaineita voidaan käyttää koko suhdealueella Si02:-Na20 keksinnön puitteissa, niin kaun kuin hapon määrä so-30 vitetaan täyteaineen määrän ja Si02:Na20-suhteen mukaan.

« •

Keksinnön mukainen menetelmä on helppo suorittaa tuotan-tomittakaavassa, erämenetelmillä, puolittaisilla eräme-netelmillä tai jatkuvatoimisesti. Tällöin voidaan käyttää 35 eri tyyppisiä alan ammattimiehen hyvin tuntemia sekoitus-laitteistoja. Lämpötila voi olla esimerkiksi noin 0 -noin 50°C, suositeltavasti noin 15 - noin 35eC.

5 101630

Keksinnön mukaisesti valmistettu tuote on osoittautunut huomattavasti stabiilimmaksi kuin jos täyteaine olisi sekoitettu suoraan alkalimetallisilikaattiliuokseen. Se varastoidaan sopivasti ilmatiiviisti ja voidaan sitten 5 levittää niiskuttamalla, silottamalla tai muulla sopivalla tavalla. Se jäykistyy itsestään päivässä tai parissa käytetystä kerrospaksuudesta riippuen, kun veden on annettu haihtua, mitä on mahdollista nopeuttaa lämpökäsittelyllä. Kuivuttuaan se kestää vaihtelevaa ilmastoa, sekä 10 kuivaa että kosteaa, sekä vähintään 850°C:n lämpötiloja murenematta tai menettämättä lujuuttaan merkittävässä määrin.

Keksinnön mukainen tuote voidaan myös varustaa muilla 15 lisäaineilla haluttujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi.

Esim. kosteuden kestävyyttä voidaan parantaa alkalimetal-liboraateilla, kuten natriumin tai kaliumin tetra- tai metaboraatilla, kostutusta voidaan parantaa tensideillä, reologiaa modifioida konsistenssiaineilla ja palonkestä-20 vyyttä parantaa alumiinitrihydraatilla.

On myös mahdollista aikaansaada uusi lämmöllä paisutettava koostumus lisäämällä pehmitintä yhdessä paisutusmate-riaalin kanssa, joka paisuu lämmössä. Siten keksintö kos-... 25 kee myös lämmössä paisutettavaa koostumusta, joka sisäl tää alkalimetallisilikaattia ja keksinnön mukaisesti käsiteltyä täyteainetta, silikaatin kanssa sekoituskelpois-ta pehmitintä sekä paisutusmateriaalia, joka paisuu kuumennettaessa .

30 .· Paisutusmateriaalin tilavuuden tulee kuumennettaessa kas vaa olennaisesti, mieluimmin ainakin kertoimella 5, suosi teltavasti kertoimella noin 8 - noin 80, lämpötilassa noin 80 - noin 200eC, suositeltavasti noin 80 - noin 35 120°C. Paisutusmateriaali voi olla esimerkiksi paisuvaa grafiittia tai mikropalloja. Erityisen suositeltavasti paisutusmateriaali muodostuu lämmössä paisuvista mikro- 6 101630 palloista, joiden termoplastinen kuori sulkee sisäänsä paisutusaineena toimivaa helposti haihtuvaa nestettä. Kuumennettaessa polymeerikuori pehmenee samalla kun neste höyrystyy, jolloin mikropallot paisuvat ja kasvattavat 5 halkaisijaansa kertoimella noin 2 - noin 5. Termoplastinen kuori voi muodostua esim. polymeereistä tai sekapoly-meereista, jotka on polymeroitu vinyylikloridin, vinyli-deenikloridin, akryylinitriilin, metyylimetakrylaatin tai styreenin kaltaisista monomeereista tai näiden seoksista.

10 Paisutusaine muodostaa suositeltavasti noin 5 - noin 30 paino% mikropalloista, ja se voi olla esim. freoni, kuten trikloorifluorimetaani, hiilivety, kuten n-pentaani, i-pentaani, neopentaani, butaani, i-butaani tai jokin muu paisutusaine, jota tavanomaisesti käytetään tämän tyyppi-15 sissä mikropalloissa. Paisuttamattomien mikropallojen halkaisija ei saa olla suurempi kuin noin 500 pm, suositeltavasti ei suurempi kuin noin 100 pm ja erityisesti ei suurempi kuin noin 80 pm. On edullista käyttää mahdollisimman pieniä mikropalloja, mutta voi olla vaikeaa koh-20 tuullisin kustannuksin aikaansaada mikropalloja, joiden halkaisija on alle noin 1 pm. Esimerkki sopivasta, kaupallisesti saatavasta mikropallotuotteesta on Expancel®), jolla on termoplastinen vinylideenikloridi/akryylinitrii-lisekapolymeeria oleva termoplastinen kuori ja isobutaani .. 25 täyteaineena. Koostumuksen tulee sisältää riittävästi paisutusmateriaalia, jotta tilavuus voisi kasvaa ainakin kertoimella 2, mieluimmin noin 4 - noin 6, edellisissä lämpötiloissa. Jos paisutusmateriaali muodostuu olennaisesti edellisen mukaisista mikropalloista, sisältää koos-30 tumus suositeltavasti noin 2 - noin 40 paino%, erityises-v ti noin 10 - noin 30 paino% paisutusmateriaalia.

Pehmittimen tulee olla silikaatin kanssa sekoittuvaa, ja se voidaan valita esimerkiksi glyserolista, akrylaatti-35 dispersioista, monoeteeniglykolista, polyeteeniglykolis-ta, lateksidispersioista, alkalisessa pH:ssa stabiilista tärkkelyksestä tai näiden seoksista. Ammattimiehelle on 7 101630 kuitenkin ilmeistä, että myös monia muita alkalimetalli-silikaatin kanssa sekoittuvia pehmittimiä voidaan käyttää. Pehmitintä tulee olla niin suuri määrä, että koostumus on riittävän pehmeä voidakseen paisua ainakin 2, suo-5 siteltavasti noin 4 - noin 6 kertaa oman tilavuutensa verran samalla säilyttäen eristyskykynsä. Pitoisuus ei kuitenkaan saa olla niin suuri, että koostumuksen tarttu-miskyky huononee ei-hyväksyttävälle tasolle. Yleensä on suositeltavaa, että se sisältää noin 5 - noin 30 paino%, 10 erityisesti noin 10 - noin 20 paino% pehmitintä.

Lämmössä paisuva koostumus, joka sisältää pehmitintä ja paisutusmateriaalia, kuten edellä on kuvattu, voidaan myös tehdä alkalimetallisilikaatista ilman täyteainetta.

15

Keksinnön mukaista lämmössä paisuvaa koostumusta voidaan käyttää paloeristysmateriaalina, joka voi paisua noin 2 -noin 5 kertaa tiavuutensa verran yli tietyn lämpötilan kuumennettaessa, joka suositeltavasti on välillä noin 80 20 - noin 200°C. Paisuneessa tilassa se kestää aina noin 850°C:seen asti ulottuvia lämpötiloja luhistumatta tai murtumatta. Koostumusta voidaan käyttää myös lämpöpai-suvana liimana, jolloin on mahdollista aikaansaada tiiviitä liimasaumoja vaikeasti käsiksi päästävissä tilois-25 sa, sekä liimasaumoja, jotka tunkeutuvat huokoisen materiaalin sisään.

Seuraavaksi keksintöä havainnollistetaan muutamilla suo-ritusesimerkeillä, joita ei kuitenkaan ole tarkoitettu 30 millään tavoin rajoittamaan sitä. Ellei muuta ole mainit-tu, tarkoittavat kaikki ilmoitetut pitoisuudet painoprosentteja.

ESIMERKKI 1: 4 grammaa 35% viinihappoa liuotettiin 4 35 grammaan vettä, minkä jälkeen lisättiin 10 grammaa kaoliinia, ja pidettiin sekoituksen alaisena noin tunnin ajan kunnes muodostui notkea pasta. Pasta sekoitettiin 8 101630 sitten 100 gramman kanssa natriumvesilasia, jonka mooli-suhde Si02:Na20 oli 2,8 ja kuivapitoisuus 45%, minkä jälkeen sekoitettiin 4-5 tunnin ajan kunnes muodostui homogeeninen suspensio ilman kokkareita. Lämpötila oli koko 5 ajan noin 25*C. Viikon varastoinnin huoneenlämmössä jälkeen oli koostumus edelleen stabiili.

ESIMERKKI 2: Toistettiin esimerkin 1 menettely, paitsi että happona oli 4,5 g 35% etkkahappoa, joka liuotettiin 10 4,5 grammaan vettä, täyteaineena oli 15 g maasälpää, ja natriumvesilasin moolisuhde Si02:Na20 oli 2,4 ja kuivapitoisuus 50%. Viikon varastoinnin jälkeen huoneenlämmössä oli koostumus edelleen stabiili.

15 ESIMERKKI 3: Toistettiin esimerkin 1 menettely, paitsi että happona oli 3 g 36% suolahappoa, joka liuotettiin 3 grammaan vettä, täyteaineena oli 10 grammaa kaoliinia ja 5 grammaa titaanidioksidia, ja silikaatti muodostui 100 grammasta kaliumvesilasia, jonka moolisuhde Si02:K20 oli 3 20 ja kuivapitoisuus 38%. Viikon varastoinnin jälkeen huoneenlämmössä oli koostumus edelleen stabiili.

ESIMERKKI 4 (vertailuesimerkki): 10 grammaa kaoliinia sekoitettiin 100 gramman kanssa natriumvesilasia, jonka .. 25 moolisuhde Si02:Na20 oli 2,8 ja kuivapitoisuus 45%, ja pidettiin sekoituksen alaisena noin 4-5 tunnin ajan kunnes muodostui homogeeninen suspensio ilman kokkareita. Lämpötila oli koko ajan noin 25°C. Viikon varastoinnin jälkeen huoneenlämmössä oli täyteaine alkanut sedimentoi-30 tua.

ESIMERKKI 5: 400 grammaa natriumvesilasia, jonka mooli suhde Si02:Na20 oli 2,8 ja kuivapitoisuus 45%, sekoitettiin 100 gramman kanssa glyserolia. Sitten lisättiin 45 35 grammaa Expancel 461®) (mikropalloja, joiden halkaisija on 5 - 30 pm, jotka sisältävät isobutaania paisutusainee-na, ja jotka paisuvat 120°C:ssa), ja seosta pidettiin 9 101630 sekoituksen alaisena noin 30 minuuttia kunnes saatiin homogeeninen seos. Lopuksi lisättiin 300 g kaoliinia ja 100 g cenopalloja, minkä jälkeen seosta sekoitettiin noin tunnin ajan kunnes saatiin notkea siloite. Lämpötila oli 5 koko ajan noin 25°C. Noin 10 g tuotteesta sai kuivua 90 päivän ajan. 200°C:seen kuumennettuna sen tilavuus kasvo! viisinkertaiseksi.

ESIMERKKI 6: 300 grammaa natriumvesilasia, jonka mooli- 10 suhde Si02:Na20 oli 3,3 ja kuivapitoisuus 37%, sekä 100 g kaliumvesilasia, jonka moolisuhde Si02:K20 oli 3,4 ja kuivapitoisuus 35%, sekoitettiin 100 gramman kanssa akry-laattidispersiota Bayer 509®) (35% kuivapitoisuus, 700% venymä). Sitten lisättiin 45 grammaa Expancel 820®) (mik-15 ropalloja, joiden halkaisija on 5 - 30 pm, jotka sisältävät isobutaania paisutusaineena, ja jotka paisuvat 80°C:ssa), ja seosta pidettiin sekoituksen alaisena noin 30 minuuttia kunnes saatiin homogeeninen seos. Lopuksi lisättiin 250 g kaoliinia, 100 g dolomiittia ja 100 g 20 cenopalloja, minkä jälkeen seosta sekoitettiin noin tunnin ajan kunnes saatiin notkea siloite. Lämpötila oli koko ajan noin 25°C. Noin 10 g tuotteesta sai kuivua 90 päivän ajan. 200°C:seen kuumennettuna sen tilavuus kasvoi viisinkertaiseksi.

.. 25 « *

Claims (11)

101630

1. Menetelmä täyteainetta sisältävän silikaattipohjaisen sideaineen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että täyteaine käsitellään hapolla lietteessä, minkä jälkeen liete 5 sekoitetaan alkalimetallisilikaattia sisältävän vesili uoksen kanssa homogeeniseksi suspensioksi.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetty täyteaine on suhteellisen stabiili happamassa 10 ympäristössä ja olennaisen stabiili alkalimetallisili-kaattiliuoksessa.

3. Vaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine valitaan kaoliinista, maasälvästä, perliitistä, 15 cenopalloista, titaanidioksidista, alumiinitrihydraatis- ta, muskoviitista, diatomiitista tai talkista.

4. Jonkin vaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaineen hiukkashalkaisija on alle noin 20 100 pm.

5. Jonkin vaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteainetta lisätään määränä noin 4 - noin 80 paino% alkalimetallisilikaatista laskettuna. 25

6. Jonkin vaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine käsitellään vesiliukoisella orgaanisella hapolla.

7. Vaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että : happo valitaan muurahaishaposta, etikkahaposta, propioni- haposta, valeriaanahaposta, malonihaposta, meripihkaha-posta, adipiinihaposta, maleiinihaposta, fumaarihaposta, glutaarihaposta, maitohaposta, sitruunahaposta, omenaha-35 posta, viinihaposta, glykolihaposta, diglykolihaposta tai salisyylihaposta. 101630

8. Jonkin vaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siltä, että alkalimetallisilikaatin moolisuhde Si02:M20 on noin 2 - noin 4, jolloin M on natrium, kalium tai näiden seos. 5

9. Jonkin vaatimuksen 1-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisätään myös pehmitintä ja lämmössä paisuvaa paisutusmateriaalia. 10 10. Täyteainetta sisältävä silikaattipohjäinen sideaine, tunnettu siitä, että sideaine on valmistettavissa jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukaisella menetelmällä.

15 Patentkrav