PL192571B1 - Materiał termoizolacyjny o strukturze komórkowej i sposób jego wytwarzania - Google Patents

Abstract

1. Material termoizolacyjny o strukturze komórkowej, znamienny tym, ze zawiera zwiazany material zawierajacy SiO 2 , CaO i cement, przeksztalcony w co najmniej 90% w faze tobermoryto- wa, w którym material zawierajacy SiO 2 stanowi ziemie okrzemkowa o srednim rozmiarze czastek 10 do 30 µm, przy czym gestosc nasypowa materialu termoizolacyjnego jest mniejsza niz 150 kg/m 3 a wartosc deklarowana jego przewodnosci cieplnej jest mniejsza niz 0,05 W/m·K. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest materiał termoizolacyjny o strukturze komórkowej oparty na ziemi okrzemkowej oraz sposób jego wytwarzania.

Wytwarzanie materiałów termoizolacyjnych zwykle rozpoczyna się od szkieletu konstrukcyjnego lub matrycy wzorcowej i środka wiążącego, które rozpręża się w celu uzyskania struktur o porach wypełnionych powietrzem, odznaczających się szczególnie dobrymi właściwościami izolacyjnymi.

Wytwarzanie materiału termoizolacyjnego z materiału zawierającego SiO2 (wzorcowy szkielet konstrukcyjny), wodorotlenek wapnia, wodę, pianę i reaktywne gliniany, zawarte w cemencie o regulowanym wiązaniu jest znane z opisu niemieckiego zgłoszenia patentowego DE-A1-43 39 137. Surową mieszanką zalewową przygotowaną z tych materiałów napełnia się formy. Po wystarczającym stwardnieniu surowej mieszanki prefabrykowane elementy usuwa sięz formi poddaje obróbce wautoklawie. Podczas autoklawowania następuje powolne ogrzewanie (odpowiadające krzywej nasycenia cieplnego), po czym następuje faza utrzymywania w ciągu 8 godzin pod ciśnieniem 1400 kPa (14 barów), (co odpowiada temperaturze około 198°C), a następnie, w ciągu dwóch godzin, faza chłodzenia. Zgodnie z opisem niemieckiego zgłoszenia patentowego DE-A1-43 39 137, jako materiał zawierający SiO2 stosuje się proszek kwarcowy o maksymalnym rozmiarze cząstek około 20 mm, zwłaszcza od 2 do 3 mm. W surowej mieszance stosuje się wodorotlenek wapnia w ilości, która jest zasadniczo stechiometryczna w stosunku do ilości potrzebnej do całkowitej konwersji proszku kwarcowego w tobermoryt i reaktywnych glinianów zawartych w cemencie o regulowanym wiązaniu w jednofazowy i (wtórny) etryngit.

Praktycznie, całkowitą konwersję materiału kwarcowego i wodorotlenku wapnia w tobermoryt osiąga się podczas utwardzania parą wodną w autoklawie.

Opis niemieckiego zgłoszenia patentowego DE-A1-44 08 088 dotyczy sposobu wytwarzania porowatych mineralnych lekkich płyt izolacyjnych, który rozpoczyna się od zawiesiny cementowego środka wiążącego, proszku kwarcowego (wzorcowy szkielet konstrukcyjny), wodorotlenku wapnia i wody, mieszania ich z oddzielnie wytworzoną pianą i tworzenia z otrzymanej mieszaniny spienionego placka do wytwarzania lekkich płyt izolacyjnych. Po zesztywnieniu utworzonego placka tnie się go na oddzielne lekkie płyty izolacyjne, które następnie utwardza się w autoklawie. Opis niemieckiego zgłoszenia patentowego DE-A1-44 08 088 ujawnia także impregnację repelentem i/lub impregnację utwardzającą jako końcową obróbkę autoklawowanych lekkich płyt izolacyjnych.

Gęstości materiału termoizolacyjnego od 100 do 200 kg/m³ osiąga się sposobami znanymi w technice. Np. gęstość 100 kg/m³ w stanie suchym podano w opisie niemieckiego zgłoszenia patentowego DE-A1-44 08 088 dla lekkiej płyty izolacyjnej. Lekkie płyty izolacyjne wytwarzane w ten sposób zwykle mają właściwą przewodność cieplną wynoszącą 0,045 (W/m-K).

Takie lekkie płyty izolacyjne mają jednak kilka poważnych wad. Po pierwsze, właściwa przewodność cieplna jest ciągle stosunkowo wysoka i zupełnie nieodpowiednia dla izolacji cieplnej, gdzie występują duże gradienty temperatury. Ponadto, jako wynik gęstości właściwej kwarcu (około 2,7 kg/m³), płyty izolacyjne wytwarzane z proszku kwarcowego są łamliwe, ponieważ tylko 36,7 litra stałej matrycyjest dostępne wpłycieizolacyjnej o gęstości 100 kg/m³, przy objętości powietrza w komórkach płyt równej 962,5 litrów. W celu osiągnięcia maksymalnej wytrzymałości matrycy, piasek kwarcowy musi mieć także rozmiary cząstek w granicach od 2 do 8 mm. Z jednej strony, stwarza to problemy (na przykład kurzenie w powietrzu) przy operowaniu sproszkowanym piaskiem kwarcowym w sposobie wytwarzania i, z drugiej strony, prowadzi do powstawania kurzu podczas pękania lub zużywania się płyt izolacyjnych przez ścieranie. Pył kwarcowy (kurz występujący w powietrzu) wywołuje jednak poważne choroby płuc (krzemica), występujące jednakże po długiej ekspozycji na jego działanie.

- Dodatkowo, znane mineralne płyty izolacyjne prowadzą do niedostatecznej adhezji pomiędzy płytami,a nałożonym tynkiem, co jest często powodowane tworzeniem się kurzu.

Sposoby, wktórych stosujesięproszek kwarcowyjakomateriał szkieletu konstrukcyjnego i/lub matrycy, mają dalsze wady polegające na tym, że sam kwarc nie ma żadnych właściwości hydraulicznych, i dlatego niekiedy konieczny jest długi czas wstępnego utwardzania i/lub duża ilość środka wiążącego.

Celem wynalazkujest zapewnienie materiału termoizolacyjnego o ulepszonych właściwościach termoizolacyjnych, ulepszonych właściwościach adhezyjnych (do tynku), i ulepszonej wytrzymałości mechanicznej, zwłaszcza w wysokiej temperaturze, i którego użycie nie stwarza żadnego ryzyka dla zdrowia.

PL 192 571 B1

Wynalazek wiąże się także z zapewnieniem sposobu wytwarzania takiego materiału termoizolacyjnego.

Problem został rozwiązany przez materiał termoizolacyjny o strukturze komórkowej, zawierający związaną ziemię okrzemkową o średnim rozmiarze cząstek 10 do 30 mm, CaO i cement przekształcony w co najmniej 90% w fazę tobermorytową, przy czym gęstość nasypowa materiału termoizolacyjnego jest mniej sza niż 150 kg/m³, a jego przewodność cieplna jest mniejsza niż 0,05 W/m-K.

Korzystnie, gęstość nasypowa materiału termoizolacyjnego według wynalazku jest mniejsza niż 100 kg/m³. Przewodność cieplna korzystnie jest mniejsza niż0,04W/m-K.

Korzystnie, materiał zawierający SiO2 jest przekształcany w 1 00% w fazę tobermorytową.

Korzystniemateriałtermoizolacyjnystanowi płyta termoizolacyjna.

Korzystniemateriałtermoizolacyjnyzawiera bezpostaciową ziemię okrzemkową.

Sposób według wynalazku dotyczy wytwarzania tego materiału termoizolacyjnego i polega na tym, że surową mieszaninę zawierającą (a) ziemię okrzemkową jako materiał zawierający SiO2, o średnim rozmiarze cząstek 10 do 30 mm (b) CaO i cement, i (c) wodę, rozwija się w komórkową strukturę, tworzy się surową spienioną mieszaninę, uformowane z tej mieszaniny elementy utwardza się, a następnie prowadzi się hydrotermiczną obróbkę utwardzonego uformowanego elementu w autoklawie z konwersją co najmniej 90% materiału zawierającego SiO2 w fazę tobermorytową.

Surowa mieszanina korzystnie zawiera

- około 1 część wagową ziemi okrzemkowej,

- około 1,2części wagowe CaO i/lub cementu,

- około 4,5 części wagowych wody.

Gdy stosuje się mieszaninę CaO/cement, stosunek CaO/cement wynosi korzystnie około 1:7.

Oprócz składników podanych wyżej, surowa mieszanina może ewentualnie zawierać niewielkie ilości naturalnego gipsu i materiału wypełniającego, zwłaszcza włóknistego materiału wypełniającego (np. włókna bawełny).

Ziemia okrzemkowa składa się z muszli okrzemek. Ziemia okrzemkowa jest osadem należącym do skał krzemionkowych, które składają się z 70 do 95% z bezpostaciowego kwasu krzemowego (SiO2 - nH2O). Jest ona utworzona z różnorodnie ukształtowanych jednokomórkowych szkieletów krzemowych, mikroskopijnie małych alg (np. Thalassiosira fluviatilis, Navicula pelliculisa, Triceratium venosum, Stylodidilium exzentricum), żyjących w słodkiej lub w słonej wodzie od czasu okresu triasowego. Muszle mają wyjątkowo liczne, cienkie wyżłobienia, jamy i kanały tak, że ziemia okrzemkowa odznacza się bardzo małą gęstością. Długość pojedynczych okrzemek na ogół mieści się w granicach od 0,090 do 0,150 mm, a ich szerokość w granicach od 0,0015 do 0,0046 mm. Porowatość wynosi od 83% do 85%. Przewodność cieplna ziemi okrzemkowej mieści się w granicach od 0,04 do 0,06 (W/m-K).

Ziemię okrzemkową mielesię w młynie w taki sposób, że pojedyncze skorupy okrzemek, zanim są dodane do surowej mieszaniny, są korzystnie oddzielone jedna od drugiej. Następnie, ziemia okrzemkowa ma średni rozmiarcząstek w przedziale od 10 do 30 mm.

W pierwszym etapie sposobu według wynalazku, surową mieszaninę ze składnikami opisanymi wyżej ekspanduje się do struktury komórkowej. W związku z tym, strukturę komórkową można tworzyć bezpośrednio w surowej mieszaninie za pomocą środka wytwarzającego gaz lub środka pieniącego.

Odpowiednimi środkami pieniącymi są proteiny wytwarzające pianę, np. SB3 z firmy Heidelberger Zement, Leimen (Niemcy). Korzystnym środkiem wytwarzającym gaz jest proszek aluminiowy, np. Al₂ SK IV NE 179, STAPA, Eckart-Werk, Fϋrth, Niemcy, który w warunkach zasadowych w surowej mieszaninie uwalniawodór i w ten sposób wytwarza pianę i/lub pęcherzyki.

₃

Proszekaluminiowy korzystnie stosuje się w ilości 0,7 do 1,0 kg na 1 m³. Korzystna ilość, w jakiej stosuje się proteiny tworzące pianęzawiera sięwgranicach od 2do 3litrów 20 na 1 m³.

Podczas ekspansji, z surowej zawiesiny tworzy się trwała, jednorodna zawiesina. Korzystnie, stosuje się do tego mieszalnik o stopniowej zmianie szybkości mieszania. Takie mieszalniki są także przydatne do utrzymywania w zawieszeniu materiału wypełniającego.

Następnie tworzy się zawiesinę, korzystnie przez wlanie do formy odlewniczej. Surową mieszaninę następnie utwardza się tylko tak długo, aż uformowany element jest wystarczająco trwały aby być dalej obrabiany i przetwarzany. Korzystnie, uformowany element utwardza się przez ogrzewanie go, zwłaszcza przez ogrzewanie w ciągu 18 - 22 godzin w temperaturze 30-50°C.

Ogólnie, wstępnie utwardzany uformowany element usuwa się następnie z formy odlewniczej i doprowadza do pożądanej końcowej postaci, np. przez cięcie. Korzystnie, w tym etapie uformowany

PL 192 571 B1 element tnie się na płyty. Można jednak także prowadzić cięcie do końcowej postaci po następnym etapie (obróbce hydrotermicznej).

Obróbkę hydrotermiczną uformowanego elementu prowadzi się w typowy sposób przez autoklawowania uformowanego elementu (ewentualnie po cięciu). Obróbkę hydrotermiczną korzystnie prowadzi się w ciągu 12 -16 godzin w temperaturze 174 - 203°C. Ciśnienia osiągane podczas obróbki hydrotermicznej na ogół zawiera się w granicach 900 - 1700 kPa (9 - 17 barów). Piana utworzona w tych warunkach prowadzi do konwersji ziemi okrzemkowej z CaO i cementem w tobermoryt. Utworzony tobermoryt ma zdecydowany udział w wytrzymałości i stabilności objętościowej szkieletu konstrukcji materiału izolacyjnego.

Otrzymany materiał termoizolacyjny po obróbce hydrotermicznej ewentualnie suszy się. Po suszeniu, zawartość wody materiału termoizolacyjnego korzystnie jest nie większa niż 5% wagowych.

Korzystnie także po obróbce hydrotermicznej i/lub suszeniu prowadzi się etap hydrofobizacji. W celu hydrofobizacji, materiał termoizolacyjny można poddawać obróbce w znany sposób albo parą hydrofobizującą, która jest absorbowana przez materiał termoizolacyjny, albo przez impregnację cieczą (np. w kąpieli zanurzeniowej).

Podczas hydrofobizacji parą, materiał termoizolacyjny poddawany jest działaniu pary zawierającej silan, który hydrofobizuje powierzchnię materiału izolującego.

Podczas impregnacji cieczą, korzystnie stosuje się repelent wody (środek hydrofobizujący) i korzystnie stosuje się impregnację samoutwardzającą. Można także wprowadzać środek impregnujący do materiału termoizolacyjnego za pomocą nadciśnienia lub podciśnienia, przy czym korzystniejsza jest metoda podciśnieniowa.

Przykładowo, w metodzie podciśnieniowej, płyty materiału termoizolacyjnego wprowadza się do łaźni zanurzeniowej, która jest całkowicie napełniona środkiem impregnującym. Następnie, łaźnię zanurzeniową zamyka się hermetycznie i obniża w niej ciśnienie. Tym samym, powietrze znajdujące się w strukturze komórkowej o otwartych porach płyty wydziela się w postaci pęcherzyków i może być odprowadzone. Jeśli łaźnię zanurzeniową doprowadza się znów do normalnego ciśnienia, środek impregnujący otaczający płyty wsiąka w nie.

Odpowiednie jako środki impregnujące są np. mieszaniny oparte na zmodyfikowanym szkle wodnym środka hydrofobizującego, ewentualnie środek sieciujący, i woda resztkowa i/lub termoutwardzalne, hydrofobowe dyspersje tworzyw sztucznych. Typowym środkiem impregnującym jest WACKER BS 15 z firmy Wacker Chemie, Burghausen, Niemcy.

Alternatywnie, hydrofobizowanie może także następować w surowej mieszaninie.

W porównaniu do zwykłych materiałów termoizolacyjnych, materiały termoizolacyjne według wynalazku odróżniają się niską gęstością i niską przewodnością ciepła oraz większą wytrzymałością. Efekt ten osiąga się po pierwsze dlatego, że ziemia okrzemkowa, z powodu swojej porowatości, ma lepsze działanie termoizolacyjne niż proszek kwarcowy. Ponadto, pomimo jej niższej gęstości wporównaniu z materiałami termoizolacyjnymi opartymi na proszku kwarcowym, można wprowadzać do szkieletu materiału termoizolacyjnego według wynalazku nawet czterokrotnie więcej cząstek stałych, co zdecydowanie zwiększa ich wytrzymałość. Ponadto, postacie w formie rurek, małych prętów i igieł ziemi okrzemkowej (gąbki, spikule, nisze) w utwardzonym szkielecie mają wpływ izotropowe usztywniający i/lub wzmacniający (wzmocnienie izotropowe), i w ten sposób zwiększają wytrzymałość materiału termoizolacyjnego na rozciąganie podczas zginania. Z punktu widzenia zdrowia, produkt według wynalazku jest bezpieczny, ponieważ nie wyzwala żadnych materiałów kwarcowych, promujących krzemicę. Dalszą zaletą materiałów termoizolacyjnych według wynalazku jest ich przydatność do izolacji termicznej w wysokiej temperaturze (powyżej 550°C), podczas gdy proszek kwarcowy nie gwarantuje dłużej wystarczającej stabilności w temperaturach powyżej 550°C, co jest wynikiem małej zawartości kwarcu. Podczas prób materiał termoizolacyjny według wynalazku wykazuje efekt termoizolacyjny w temperaturze do 650°C.

Sposób według wynalazku różni się od znanych sposobów, w których stosuje się proszek kwarcowy tym, że stosuje się w nim ziemię okrzemkową, bezpieczną z punktu widzenia zdrowia. Dalszą zaletą stosowania ziemi okrzemkowej jest działanie hydrauliczne ziemi okrzemkowej, która zwiększa efekt wiązania środka wiążącego (CaO i/lub cementu) i pozwala przyśpieszyć poszczególne etapy sposobu, zwłaszcza utwardzanie przed obróbką hydrotermiczną. Większa powierzchnia reaktywna ziemi okrzemkowej w porównaniu z proszkiem kwarcowym także przyczynia się do lepszego wiązania. Dalszą zaletą jest to, że nie ma potrzeby stosowania specjalnych rodzajów cementu lub innych środków wiążących. Zalety te mają udział w ekonomicznej wydajności sposobu według wynalazku.

PL 192 571 B1

Wynalazek jest bliżej zilustrowany w przykładzie.

₃

Przykład. Wytwarzanie płyt termoizolacyjnych o gęstości 85 kg/m³. Zastosowano następujące materiały wyjściowe:

ziemia okrzemkowa 40kg cement CEM I 52,5R 40 kg CaO (wapno aktywne) 6kg gips (siarczan wapniowy x 2 H2O) 0,6kg włókna bawełniane 0,6kg woda 180kg proteina wytwarzająca pianę 3 litry

Wysuszoną ziemię okrzemkową mielono razem z gipsem (do średniego rozmiaru cząstek 20 mm) i przechowywano w silosie.

Mieszaninę ziemia okrzemkowa/gips, cement i wapno dodano, poprzez mechanizm dozujący, do mieszalnika, w którym znajdowała się woda z proteiną wytwarzającą pianę, i spieniono. Następnie dodano włókna bawełniane.

Homogeniczną mieszaniną wypełniano następnie formy odlewnicze.

W celu utwardzenia (wytrzymałość na wilgotno), półfabrykat w formie odlewniczej umieszczono w komorze regeneracyjnej, w której utwardzano go wstępnie w ciągu 20 godzin w temperaturze 40°C.

Wstępnie utwardzony niedojrzały produkt wyjmowano z formy odlewniczej i cięto na płyty.

Płyty te przenoszono do zbiornika autoklawu do obróbki hydrotermicznej. Obróbkę hydrotermiczną prowadzono w ciągu 12 godzin w temperaturze 203°C. Ciśnienie wynosiło 1700 kPa (17 barów). Następnie płyty chłodzono w autoklawie.

Po ochłodzeniu, płyty usuwano z autoklawu i suszono w komorze suszarniczej w temperaturze 60°C do maksymalnej za wartości wody 5%.

Po etapie suszenia, płyty termoizolacyjne poddawano obróbce z hydrofobizacją parą (Wacker

Silan M1-Trimethoxy, Wacker Chemie, Berghausen, Niemcy).

Płyta(y) wytworzone w ten sposób ma (mają) przewodnictwo cieplne wynoszące 0,038 (W/m-K) przy gęstości nasypowej wynoszącej 85 kg/m³ w stanie całkowicie wysuszonym. Płyty nie uwalniają żadnego kurzu.

Claims (11)

1. Materiałtermoizolacyjnyo strukturze komórkowej, znamienny tym, żezawierazwiązanymateriał zawierający SiO2, CaO i cement, przekształcony w co najmniej 90% w fazę tobermorytową, w którym materiał zawierający SiO2 stanowi ziemię okrzemkową o średnim rozmiarze cząstek 10 do 30 mm, przy czym gęstość nasypowa materiału termoizolacyjnego jest mniejsza niż 150 kg/m³ a wartość deklarowana jego przewodności cieplnejjest mniejszaniż0,05W/m-K.

2. Materiał termoizolacyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera materiał zawierający SiO2 całkowicie przekształcony w fazętobermorytową.

3. Materiał termoizolacyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że gęstość nasypowa materiału termoizolacyjnego jest mniejsza niż 100 kg/m³ a wartość deklarowana jego przewodności cieplnej jest mniejsza niż 0,04W/m-K.

4. Materiał termoizolacyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera bezpostaciową ziemię okrzemkową.

5. Materiał termoizolacyjny według zastrz. 1, albo2, albo3, znamienny tym, że materiał termoizolacyjnystanowi płytatermoizolacyjna.

6. Sposób wytwarzania materiału termoizolacyjnego o strukturze komórkowej, zawierającego związany materiał zawierający SiO2, CaO i cement, przekształcony w co najmniej 90% w fazę tobermorytową, w którym materiał zawierający SiO2 stanowi ziemię okrzemkową o średnim rozmiarze cząstek 10 do 30 mm, przy czym gęstość nasypowa materiału termoizolacyjnego jest mniejsza niż 150 kg/m³ a wartość deklarowana jego przewodności cieplnej jest mniejsza niż 0,05 W/m-k, znamienny tym, że surową mieszaninę zawierającą (a) ziemię okrzemkową jako materiał zawierający SiO2, o średnim rozmiarze cząstek 10 do 30 mm (b) CaO i cement, i (c) wodę, rozwija się w komórkową strukturę, tworzy się surową spienioną mieszaninę, uformowane z tej mieszaniny elementy utwar6

PL 192 571 B1 dza się, a następnie prowadzi się hydrotermiczną obróbkę utwardzonego uformowanego elementu w autoklawie z konwersją co najmniej 90% materiału zawierającego SiO2 w fazę tobermorytową.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że do tworzenia struktury komórkowej stosuje się proteinę tworzącą pianę lub proszek aluminiowy.

8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że uformowany element otrzymany z surowej mieszaniny utwardza się przez ogrzewanie.

9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że uformowany element przed poddaniem obróbce hydrotermicznej tnie się na płyty.

10. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że dodatkowo prowadzi się etap hydrofobizacji po obróbce hydrotermicznej.

11. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że etap dodatkowo w surowej mieszaninie prowadzi się hydrofobizację.