FI69050C - Oorganiskt skum - Google Patents

Description

69050

EPÄORGAANINEN VAAHTO

Tämä keksintö käsittää menetelmän kevyen, vedenkestävän ja täysin palamattoman alkalisilikaattipohjäisen kiinteän vaahtoaineen valmistamiseksi siten, että alkalisilikattina käytetään reaktiivisen silikan ja alkalihydroksidiliuoksen reaktiotulosta ja käytetään vedenkeston aikaansaamiseksi sinkki- ja booriyhdisteitä ja käyttäen vaahdotusprosessis-sa 400 - 450*C:n lämpöä. Tuotteessa on sinkkiyhdistettä alle 5 % booriyhdistettä alle 10 % suhteen SiC^ : NagO on välillä 1-5.

On tunnettua, että alkalisilikaattien, tavallisimmin nat-riumsilikaatti, vesiliuos voidaan useillakin menetelmillä vaahdottaa huokoiseksi massaksi. Yleisimmin käytetty tapa on poistaa ko. liuoksen vesi nopealla ja tehokkaalla kuumennuksella yli 100*C:ssa, jolloin pois kiehuva vesihöyry paisuttaa alkalisilikaatin huokoiseksi vaahtoaineeksi. Alkalisilikaattiliuos voidaan vaahdottaa myös käyttämällä tehokasta mekaanista sekoitusta tai lisäämällä liuokseen jotain alhaisessa lämpötilassa haihtuvaa nestettä tai reaktion kautta kaasua vapauttavaa yhdistettä, jolloin vapautuva kaasu muodostaa silikaattiliuoksen vaahdottavat kaasukuplat, eräitä menetelmiä mainitaksemme.

Edellä esitetyillä menetelmillä valmistettu vaahtoaines on kuitenkin käyttökelvotonta useimpiin tarkoituksiin, koska se on sellaisenaan täysin vesiliukoista. Alkalisilikaat-tivaahdon vedenkeston parantamiseksi on patenttikirjalli-suudessa esitetty erilaisia tapoja. Ne perustuvat yleensä siihen, että ennen vaahdottamista alkalisilkaattiliuokseen lisätään määrättyjä vedenkestoa parantavia yhdisteitä, jotka voivat olla joko epäorgaanisia tai orgaanisia.

2 69050

Edelliseen ryhmään kuuluvat tyypillisesti eräät hapot sekä niiden kaksi- tai userapiarvoiset metallisuolat, jälkimmäiseen yleisesti orgaaniset hapot ja vesiliuoksessa happoja muodostavat yhdisteet. Valmista vaahtoa voidaan myös jälkikäteen suojata veden vaikutusta vastaan Pintakäsittelemällä tai imeyttämällä se sopivalla aineella.

Englantilaisessa patenttijulkaisussa 2008086 sivulla 3 riveillä 48 - 55 esitetään, että tuotteelle saadaan optimaaliset ominaisuudet, kun siinä käytetään erilaisia oksideja seuraavissa määräsuhteissa: 55 p-$ SiC^, noin 10 % boorioksidia, noin 15 % natriumoksidia, noin 15 % alumiinioksidia ja noin 5 % tiettyjä lisäaineita, joilla saadaan tuotteelle erityisominaisuuksia.

Muita lisäaineita, jotka lisäävät tuotteen paisumista tietyssä määrin ja joita voidaan käyttää, jotta saataisiin alhaisen tilavuuspainon omaavia tuotteita ovat esim. rautaoksidi, sinkkioksidi, lyijyoksidi ja magnesiumoksidi.

Näin saatu tulos on kuitenkin yleensä enemmän tai vähemmän epätyydyttävä. Riittävän vedenkeston saavuttamiseksi joudutaan usein käyttämään varsin suuriakin lisäainemääriä, jopa lähes stoikiometrisessa suhteessa käytettyyn alkali-silikaattimäärään nähden. Tämä useimmiten merkitsee huomattavaa lisää raaka-ainekustannuksiin, mikä heikentää puolestaan tuotteen kannattavuutta. Samoin suuri lisäai-nemäärä heikentää alkalisilikaattiliuoksen vaahtoutuvuut-ta, jolloin tuotteesta saattaa tulla tilavuuspainoltaan liian raskasta käytettäväksi esim. lämmöneristemateriaali-na.

3 69050

Riippuen vaahdotusmenetelraästä ja ainekoostumuksesta voidaan alkalisilikaattiliuos vaahdottaa tilavuuspainoltaan hyvinkin vaihteleviksi tuotteiksi. Tilavuuspainon ollessa •3 50 - 150 kg/m on tuotteen lämmönjohtavuus tyypillisesti λ = 0,04 - 0,05 W/m*C ja puristuslujuus 100 - 2 300 kN/m . Tällöin tuote soveltuu hyvin palamattomana lämmöneristeraateriaalina käytettäväksi esim. levynä, sand-wich-elementtien ydinmateriaalina jne., mikäli se on ainekoostumukseltaan vedenkestävää.

Orgaanisten yhdisteiden käyttö alkalisilikaattivaahdon vedenkeston parantamiseen ei näin ollen ole edullista, koska tällöin joudutaan tinkimään tuotteen eräästä oleellisesta ominaisuudesta, täydellisestä palamattomuudesta.

Alkalisilikaattiliuoksena esitetään yleensä edullisimmin käytettäväksi natriumsilikaattiliuosta, jossa Si02: Na20suhde on välillä 2,5 - 5,0. Vaahtotuotteen vedenkeston kannalta korkea Si02-pitoisuus on edullinen, mutta vaahtoavuuden kannalta epäedullinen. Yleisimmin käytetään kaupallista natriumvesilasiliuosta, jossa Si02 :

Na20 = 3,3 ja jossa kuiva-ainepitoisuus on 35 - 40 %.

Havaittiin, että kaupallista vesilasiliuosta vastaava tuote voidaan valmistaa liuottamalla reaktiivista silikaa haluttua SiOg : Na20-suhdetta vastaava määrä 10 - 15 i:seen NaOH-liuokseen edullisimmin 50 - 80*C:n lämpötilassa. Väkevämmän NaOH:n käyttö aiheuttaa sen, että saadusta vesilasiliuoksesta tulee erittäin viskoosia, sillä sen viskositeetti on erittäin voimakkaasti vesimäärästä riippuvainen.

69050 4 Tämä Keksintö käsittää menetelmän, jolla edellä esitellyt alkalisilikaattivaahtotuotteiden heikkoudet voidaan oleellisesti poistaa. Menetelmän tehokkuus perustuu siihen, että valitsemalla tehokkaimmat lisäaineet ja optimaaliset valmistusolosuhteet voidaan erittäin pienillä lisäainemää-rillä päästä tuotteeseen, joka on käytännöllisesti katsoen vedenkestävä ja tilavuuspainoltaan alhainen soveltuen siten erinomaisesti palamattomaksi lämmöneristemateriaa-liksi.

Tämä keksintö perustuu kahden yhdisteen, joista toinen on sinkkiyhdiste ja toinen booriyhdiste, käyttöön lisäaineena tuotteen vedenkeston parantamiseksi. Erityisen tehokkaiksi havaittiin sinkkiyhdisteistä ZnO ja booriyhdisteitä H^BO^. Molemmat mainituista aineista ovat alaan liittyvässä patenttikirjallisuudessa tunnettuja yhdisteitä, joita on esitetty käytettäväksi muiden aineiden ohella useissakin erilaisissa seoksissa, tavoitteena vedenkestävä vesilasivaahto. Yksinään käytettynä ne molemmat ovat havaintojen mukaan varsin tehokkaita lisäaineita alkalisi-likaattien vedenkeston parantajina, mutta todella alhaiseen vesiliukoisuuteen pääseminen vaatii suurehkoja ainemääriä. Tällöin törmätään jo aikaisemmin mainittuun ongelmaan, jonka lisäaineiden käyttö aiheuttaa: vedenkeston kannalta oleellinen lisäaineiden määrän kasvattaminen heikentää alkalisilikaattiliuosten vaahtoutumisorainaisuuksia, mikä näkyy tuotteen kohonneena tilavuuspainona.

Yllättäen havaittiin, että käyttämällä lisäaineina samanaikaisesti sekä ZnO:ta että boorihappoa määrätyissä olosuhteissa, saatiin jo erittäin pienillä ainemäärillä täysin ilman muita lisäaineita vedenkestoltaan hämmästyttävän hyviä tuotteita. Jo niinkin alhaisilla määrillä (laskettuna valmiista lopputuotteesta) kuin < 2,5 % ZnO ja < 5 % H^BO, saatiin tuotteita, joiden tiheys oli

•J O J

< 120 kg/mJ ja jotka olivat käytännöllisesti katsoen

II

5 69050 tai lähes veteenliukenemattomia (määritysmenetelmästä riippuen, viitataan myöhemmin esiteltäviin menetelmiin). Tulokset viittaavat selvään synergistiseen vaikutukseen mainittujen aineiden välillä.

Näinkin pienien ainemäärien käyttö edellyttää, että niiden tehovaikutus saadaan täysin hyödynnettyä. Aineiden liuottaminen viskoosiin vesilasiliuokseen on yleensä hankalaa ja täydellisen liukenemisen varmistaminen vaikeaa. Lisäaineiden maksimaalinen teho todettiinkin saavutettavan siten, että vesilasiliuos valmisteltiin liuottamalla reaktiivista Si02:ta aikaisemmin esitellyllä tavalla NaOH-liuokseen, johon lisäaineet oli etukäteen liuotettu. Edelleen lisäaineiden maksimaalisen vaikutuksen aikaansaamiseksi todettiin, että vaahdotusvaiheen tulee tapahtua riittävän korkeassa lämpötilassa, mieluimmin 400 - 450*C:ssa.

Keksinnön mukainen menetelmä on vaiheittain esiteltynä seuraava: (1) 10 - 15 $:seen NaOH-liuokseen liuotettiin lisäaineet, edullisimmin boorihappoa ja ZnO:ta yhdessä, vastaten 0,5 - 10 i:a kumpaakin vaahdotetussa lopputuotteessa. Paras tulos ottaen huomioon lopputuotteen vedenkeston ja tilavuus-painon saadaan käyttämällä ZnOra 1 - 3 % boorihappoa 3 - 7 %· Liuottaminen voidaan suorittaa mukavimrain sekoituksen alaisena 50 - 80*C:n lämpötilassa.

(2) Saatuun NaOH-liuokseen liuotetaan reaktiivista Si02:ta haluttua vesilasin SiOgt Na20-suhdetta vastaava määrä.

6 69050

Reaktiivisella SiO^lla tarkoitetaan tässä erilaisia suuripinta-alaisia piihappoja kuten piimää, erilaiset kaupalliset geelimäiset, sa-ostetut ja pyrogeeniset silikat, eräät teollisuusjätteet esimerkiksi flogopiittikiilteestä saatu liuotusjäte. Liuotus suoritetaan mieluimmin 50 - 80*C:n lämpötilassa jatkuvasti sekoittaen, tarvittavan ajan ollessa yleensä 15 - 60 min riippuen Si02:n laadusta ja määrästä sekä käytettyjen lisäaineiden määrästä. Ainemäärät voidaan valita siten, että saadun vesilasin Si02 : Na20-suhde on esim. välillä 1,0 - 5,0 mieluimmin kuitenkin 3,0 - 4,0.

(3) Saatu vesilasiliuos vaahdotetaan uunissa kor keassa lämpötilassa vesi pois haihduttaen. Halutun muotoisen kappaleen aikaansaamiseksi vaahdotus on syytä suorittaa muotissa, jonka mieluimmin tulisi olla purettavissa. Tavallisen uunin sijasta voidaan käyttää myös esim. mikroaaltouunia. Vesilasiliuos saadaan vaah-toamaan jo noin 100*C:ssa, mutta alhaisen tilavuuspainon ja hyvän vedenkeston saavuttamiseksi tulee käyttää riittävän korkeaa lämpötilaa, mieluimmin 400 - 450*C.

Edellä selostetussa vaiheessa (2) saatu vesilasiliuos sisältää yleensä vaahdotuksen kannalta ylimäärin vettä.

Tämä ylimäärä voidaan haluttaessa poistaa kuivaamalla. Esim. 20 - 40 % vettä sisältävä "vesilasiliuos” on kovaa ja kiinteää ainetta, jonka käsittely sellaisenaan tai haluttuun kokoon jauhettuna on useissa tapauksissa helpompaa kuin viskoosin enemmän vettä sisältävän liuoksen.

li 7 69050

Esitetyllä menetelmällä valmistettujen vaahtokappaleiden laatua vedenkeston suhteen arvosteltiin kahdella menetelmällä : (I) Kooltaan 4 x 4 x 16 cm oleva vaahtokappale murskattiin ja jauhettiin ja otettiin 10 g näyte (-0,5 + 0,1 mm), jota käsiteltiin 200 ml:lla kiehuvaa vettä 1 h:n ajan. Jäljelle jäänyt kiintoaines suodatettiin kuivattiin 450*C:ssa ja painoerosta laskettiin liuennut määrä.

(II) Kooltaan 4 x 4 x 16 cm oleva vaahtokappale pidettiin upotettuna 50*C:een veteen 24 h:n ajan. Kappale murskattin, pestiin, kuivattiin ja painohäviö määritettiin.

Testi (I) on olosuhteiltaan erittäin vaativa, käytetäänhän sitä vastaavaa menetelmää esim. lasien vesiliuokoisuuden määrittämiseen (standardi SS 13632). Testi (II) kuvastaa puolestaan paremmin sitä missä määrin vesi pystyy käytännössä vaikuttamaan kokonaisiin vaahtorakenteisiin. Näin ollen edellisellä menetelmällä määritetyt liukoisuusarvot olivat suuremmat kuin jälkimmäisellä.

Valmistettaessa vaahtokappaleita edellä esitetyllä tavalla käyttämällä 450*C:n vaahdotuslämpötilaa, SiOg : Ν3£θ-suhdetta 3,0 - 3,75, Zn0:a 1-2,5 % ja boorihappoa 2 - 6 % laskettuna lopputuotteen painosta, saatiin vaahtokappaleita, joiden tiheys oli tyypillisesti 100 - 120 kg/m^, liukoisuus menetelmällä (I) määritettynä 3 - 10 % ja menetelmällä (II) määritettynä 0 - 3 %· Etenkin viimeksi mainitut luvut osoittavat, että tässä keksinnössä esitetyllä menetelmällä valmistetut tuotteet ovat vedenkestoltaan erinomaisia.

__ — ΤΓΓ 8 69050

Valmistettuja vaahtokappaleita testattiin myös ilman vesihöyryn vaikutuksen suhteen. Testattavia kappaleita pidettiin pitkähköjä aikoja erilaisissa sääolosuhteissa (sää-kaapissa, huoneilmassa sadevedeltä suojattuna) ja seurattiin niiden painon- ja pituudenrauutoksia.

Seuraavat esimerkit havainnollistavat tehtyä keksintöä: Esimerkki 1 1,75 g ZnO liuotettiin 183,6 g:aan 11 % NaOH-liuosta 75*C:n lämpötilassa. Pitämällä liuos edelleen mainitussa lämpötilassa siihen lisättiin jatkuvasti sekoittaen 53,3 g flogopiittikiilteen liuotusjätettä (93,8 % Si02, 5,7 % H20, epäpuhtauksia 0,5 %). Sekoitusta jatkettiin 60 min ajan, missä ajassa kaikki Si02 oli liuennut. Saatu liuos oli samea johtuen sinkin osittaisesta saostumise3ta silikaatteina. Käyteyt ainemäärät vastasivat saadussa vesilasiliuoksessa SiC>2 : Na20-suhdetta 3,3 (moolisuh- de). Saatu viskoosiliuos siirrettiin pohjapinta-alaltaan 4 x 16 cm olevaan teräsmuottiin, joka pantiin 450*C:n lämpötilassa olevaan uuniin. Uunissa liuos vaahtosi ja 1,5 h:n lämpökäsittelyn jälkeen kaiken veden katsottiin haihtuneen pois, jolloin muotti otettiin uunista. Saadusta vaahdosta leikattiin 4 x 4 x 16 cm kokoinen kappale,

O

jonka tiheydeksi määritettiin 78 kg/m . Kappale murskattiin ja sen liukoisuus kiehuvassa vedessä määritettiin edellä esitetyn menetelmän (II) mukaisesti. Liukoisuudeksi saatiin 59 %.

Esimerkki 2

Esimerkki 1 toistettiin siten, että ZnO:n sijasta käytettiin 4 g H~B0 *.a. Muutoin meneteltiin kuten edellä.

5 j o

Saadun vaahtokappaleen tiheys oli 83 kg/mJ ja liukoisuus menetelmän (I) mukaisesti määritettynä kiehuvassa vedessä oli 45 *.

9 69050

Esimerkki 3

Esimerkit 1 ja 2 yhdistettiin siten, että käytettiin samanaikaisesti 1,75 g ZnO ja 4 g H^BO^. Muutoin meneteltiin kuten esimerkissä 1 on selostettu. Saadun vaahto- 3 kappaleen tiheys oli 103 kg/m ja liukoisuus menetelmän (1) mukaisesti määritettynä kiehuvassa vedessä vain 5,5 Ϊ, mitä voidaan pitää erittäin alhaisena ottaen huomioon testin vaativuuden.

Esimerkki 4

Esimerkki 1 toistettiin siten, että käytettiin 2,5 g ZnO ja 2,5 g H^BO^· Muutoin meneteltiin kuten esimerkissä I on selostettu. Saadun vaahtokappaleen tiheys oli 116 kg/m . Kappaleen liukoisuus määritettiin edellä esitetyn menetelmän (II) mukaisesti upottamalla se 24 h:n ajaksi 50*C:een veteen. Näin määritettynä kappaleen liukoisuus oli 0,2 %.

Esimerkki 5

Esimerkin 1 mukaisella tavalla valmistettiin 4 samanlaista liuoserää, joissa käytettiin ainemääriä 5 g ZnO, 201,9 g II % NaOH-liuosta ja 53,3 g flogopiitin liuotusjätettä. Ainemäärät vastasivat saadussa vesilasiliuoksessa SiO^ : Na20-suhdetta 3,0. Vaahdotukset suoritettiin lämpötiloissa 290, 340, 410 ja 440*0. Saatujen vaahtokappaleiden tiheydet olivat vastaavassa järjestyksessä 193, 178, 83 ja 69 kg/m^ sekä liukoisuudet menetelmän (II) mukaisesti määritettynä 23,1 %, 7,3 %, 2,9 % ja 2,8 %. Tulokset osoittavat selvästi korkean lämpötilan edullisen vaikutuksen sekä tilavuuspainon että liukoisuuden suhteen.

10 69050

Esimerkki 6

Esimerkin 1 mukaisesti valmistettiin kaksi kappaletta,

joissa lisäaineiden määrinä käytettiin toisessa 1,5 g ZnO

ja 3 g H_B0o sekä toisessa 1,5 g ZnO ja 4 g 1 j 3 .

H^BO^· Kappaleiden tiheydet olivat 93 kg/m ja 98 kg/ra1. Kappaleita pidettiin ulkoilmassa alttiina ympäristön normaaleille lämpötila- ja kosteusvaihteluille, mutta sadevedeltä suojattuna. Yhden vuoden altistusjak- son jälkeen olivat kappaleiden painonlisäykset 7,5 % ja 2,9 % sekä venymät 0,075 % ja 0,012 %.

li

Claims (2)

69050

1. Menetelmä vedenkestävän alkalisilikaattipohjaisen vaahdotustuotteen valmistamiseksi, jollon käytetty alkali-silikaatti valmistetaan liuottamalla reaktiivista silikaa alkalihydroksidiliuokseen ja vedenkeston saavuttamiseen käytetään yhtä sinkkiyhdistettä ja yhtä booriyhdistettä samanaikaisesti siten, että käytetty sinkkiyhdiste ja käytetty booriyhdiste liuotetaan alkalisilikaatin valmistuksen lähtöaineena olevaan alkalihydroksidiliuokseen, tunnettu siitä, että saadun tuotteen vaahdo-tusprosessi tapahtuu lämpötila-alueella 400 - 450*C, jolloin saadussa tuotteessa on sinkkiyhdistettä vähemmän kuin 5 %, booriyhdistettä vähemmän kuin 10 % ja suhde Si02 : Na^O on välillä 1-5.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sinkkiyhdisteenä on ZnO. 1 Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että booriyhdisteenä on H^BO^.