PL224759B1 - Sposób wytwarzania termoizolacyjno-konstrukcyjnego materiału szkło-ceramicznego o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania termoizolacyjno-konstrukcyjnego materiału szkło-ceramicznego o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej, znajdującego zastosowanie przy wykonywaniu ścian nośnych i przegród działowych w budynkach o zróżnicowanej konstrukcji i przeznaczeniu.

Spośród znanych materiałów wykorzystywanych do termoizolacji konstrukcji budowlanych i instalacji przemysłowych, szczególnie wysokie walory użytkowe wykazuje szkło piankowe. Jest ono stosowane zwłaszcza tam, gdzie wymagana jest doskonała izolacja cieplna i dźwiękochłonna, niepalność oraz występuje stałe nawilgocenie. Produkowany w postaci płyt i granul ten porowaty materiał amorficzny, ze względu na brak dostatecznej wytrzymałości mechanicznej nie może być jednak użyty jako tworzywo konstrukcyjne.

Znana jest z publikacji pt.: The changes in lead silicate glasses induced by the addition of a reducing agent (TiN or SiC)F, Mear, P. Yot, M. Cambon, M. Ribes, J. Non-Crystal. Solids 2005; 351: 3314-3319 technologia spieniania i spiekania szkła z wykorzystaniem jako głównych surowców odpadów w postaci stłuczki szklanej, konwencjonalnego popiołu lotnego oraz niemetalicznych składników mineralnych. Wytworzony amorficzny materiał porowaty w postaci bloczków wykazuje jednak zbyt słabe właściwości mechaniczne oraz zawiera dużą ilość alkaliów, co wyklucza jego zastosowanie jako materiału konstrukcyjnego w budownictwie.

Składy tlenkowe typowej stłuczki szkła gospodarczego opisane są w wielu podręcznikach branżowych, m.in. w podręczniku „Technologia szkła” Praca zbiorowa, wyd. Arkady, Warszawa 1972 r. Przykładowa stłuczka szkła gospodarczego składa się z następujących tlenków w % wagowych: SiO₂ - 68,48; AI2O3 - 0,78; Na₂O - 16,38; Fe₂O3 - 0,04; CaO - 4,70; K₂O - 3,28; MgO - 0,15; BaO - 2,20; SO₃ - 0,27; P₂O₅ - 0,01; TiO₂ - 0,02; MnO - 0,04; ZnO - 1,00; CuO - 0,08; SeO₂ - 0,01; Cr₂O3 - 0,04; SrO₂ - 0,03; ZrO₂ - 0,07; NiO - 0,01; PbO - 0,02; CdO - 0,02; Co3O4 - 0,01; Sb₂O3 - 0,38; straty prażenia - 2,00.

Również skład popiołów lotnych pochodzących ze spalania węgla w kotłach energetycznych z paleniskiem fluidalnym został zawarty w wielu publikacjach, m. in. K. Rajczyk: Popioły lotne z kotłów fluidalnych i możliwości ich uszlachetniania, Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, ICiMB, Wydawnictwo Instytut Śląski, Opole, 2012 lub Grzeszczyk, E. Janowska-Renkas, J. Kowalska: Właściwości Reologiczne Popiołów Lotnych z Kotłów Fluidalnych, Roczniki Inżynierii Budowlanej, Zeszyt 12/2013, Komisja Inżynierii Budowlanej, Oddział PAN w Katowicach. Znane są też składy popiołów uzyskiwanych w praktyce przemysłowej np. popiół lotny pochodzący ze spalania węgla w k otłach energetycznych z paleniskiem fluidalnym w Elektrociepłowni Turów składa się z następujących tlenków w % wagowych: SiO₂ - 32,82; Al₂O₃ - 24,02; Fe₂O - 5,74; CaO - 20,21; MgO - 1,87; SO3 - 7,65; K₂O - 1,40; Na₂O - 1,26; P₂O₅ - 0,12; TiO₂ - 1,63; Mn3O4 - 0,04; SrO - 0,03; ZnO - 0,02; V₂O₅ - 0,04; Cr₂O3 - 0,02; ZrO₂ - 0,04; BaO - 0,05; NiO - 0,01; PbO - 0,01; straty prażenia - 3,02.

Inny, znany z amerykańskiego opisu patentowego nr US20030145534 kompozytowy ceramiczno-szklany materiał budowlany, poprawiający odporność budynków w szczególności na eksplozje spowodowane np. atakami terrorystycznymi, zawiera szkło piankowe połączone z materiałami o dużej wytrzymałości np. stalą, polimerami wzmacnianymi włóknami grafitowymi, szklanymi lub kewlarowymi, a także cementem. Jako dodatki do materiału zastosowano m.in. popioły lotne pochodzące ze spalania węgla, ziemię okrzemkową, dolomit lub gips, natomiast jako czynniki spieniające: skrobię, węglik krzemu, węglany lub siarczany.

Z publikacji zgłoszenia międzynarodowego nr WO2007109646 znany jest sposób wytwarzania wysokowytrzymałego szkła piankowego, o wytrzymałości na ściskanie co najmniej 4,5 MPa, który polega na zmieleniu surowców wraz ze środkiem spieniającym, a następnie ich obróbce termicznej. Jako surowiec zastosowano m.in. naturalny perlit, trachit, obsydian lub bazalt. Stosowano także dodatki np. ziemię okrzemkową, popioły lotne lub stłuczkę szklaną pochodzącą z recyklingu, a jako środek spieniający użyto węglanów metali, korzystnie Na₂CO₃, K₂CO₃, CaCO₃ lub MgO₃. Do materiału dodano również włókna wzmacniające, jednakże uzyskany materiał nie wykazywał właściwości mechanicznych odpowiednich do zastosowań konstrukcyjnych.

Znane są także szkło-ceramiczne materiały piankowe wytworzone z wykorzystaniem stłuczki kineskopowej CRT (Cathode Ray Tube), według technologii opisanej w publikacji pt. „Lead recovery and the feasibility of foam glass production from funnel glass of dismantled cathode ray tube through

PL 224 759 B1 pyrovacuum process” Chen Mengjun, Zhang Fushen, Zhu Jianxin. J Hazard Mater 2009; 161: 1109-13. Ze względu na zbyt słabą wytrzymałość mechaniczną, materiały te również nie mogą być stosowane jako materiały konstrukcyjne.

Sposób poprawy właściwości mechanicznych szkła piankowego zaproponowano w publikacji pt. „Preparation and characterisation of diopside - based Glass - ceramic foams, Hasheminia, A. Nemati, B. Eftekhari Yekta, P. Alizadeh, Ceramics International 2012; 38: 2005-2010. Polegał on na dodaniu PbO oraz SiC jako czynnika spieniającego do sproszkowanego szkła z układu SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO, a następnie sprasowaniu przygotowanej mieszanki pod ciśnieniem 40 MPa i poddaniu obróbce termicznej. Podczas obróbki w materiale wytwarzała się krystaliczna faza typu „diopsyd” odpowiedzialna za poprawę jego właściwości mechanicznych. Konieczność zastosowania w tym sposobie szkodliwego dla organizmów żywych PbO wykluczała jednak możliwość zastosowania tego typu szkło-ceramiki w budownictwie.

Sposób wytwarzania termoizolacyjno-konstrukcyjnego materiału szkło-ceramicznego o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej, polegający na zmieszaniu i rozdrobnieniu surowców w postaci stłuczki szklanej oraz popiołów lotnych, dodaniu środka spieniającego, a następnie poddaniu mieszanki procesowi formowania, suszenia i obróbki termicznej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do 20-80% wagowych stłuczki szklanej dodaje się 20-80% wagowych popiołu lotnego pochodzącego ze spalania węgla w kotłach energetycznych z paleniskiem fluidalnym, a następnie 5-10% wagowych środka spieniającego w postaci H₃BO₃ lub SiC, po czym składniki poddaje się formowaniu swobodnemu lub pod ciśnieniem 10-45 MPa, zaś w końcowym etapie obróbce termicznej w temperaturze 850-1000°C przez okres 1-5 godzin.

Korzystnie jako stłuczkę szklaną stosuje się odpadową stłuczkę kolorową szkła gospodarczego.

Sposób wytwarzania termoizolacyjno-konstrukcyjnego materiału szkło-ceramicznego według wynalazku umożliwia uzyskanie surowca łączącego w sobie cechy najważniejsze dla budownictwa tj. dużą wytrzymałość mechaniczną, dobrą izolacyjność termiczną oraz lekkość. Za wzrost wytrzym ałości materiału odpowiedzialna jest faza krystaliczna wollastonitu, która powstaje dzięki obecności w popiołach pochodzących ze spalania węgla w kotłach fluidalnych dużej zawartości aktywnego tlenku wapniowego i metakaolinitu. Także obecność anortytu (CaAI₂Si₂O₈) i nefelinu (NaAISiO₄) korzystnie wpływa na właściwości mechaniczne otrzymanego wyrobu. Natomiast przeprowadzenie formowania materiału pod ciśnieniem zapewnia dobry kontakt między ziarnami surowców, dzięki czemu proces spiekania ogranicza ulatnianie się składników gazowych, które mogą aktywnie uczestniczyć w tworzeniu porowatej mikrostruktury materiału. Ponadto materiały te charakteryzują się bardzo dobrą przepuszczalnością pary wodnej i gwarantują wyrównany poziom wilgotności wewnątrz pomieszczeń, a dzięki powolnemu przyjmowaniu i oddawaniu przez nie ciepła, uzyskuje się wysoki komfort cieplny pomieszczeń. Dodatkową zaletą są niskie koszty prowadzenia procesu i możliwość zagospodarowania materiałów odpadowych, jakie stanowią stłuczka szklana i popioły pochodzące ze spalania węgla w kotłach energetycznych z paleniskiem fluidalnym.

Sposób według wynalazku ilustrują bliżej poniższe przykłady, nieograniczające jego zakresu.

P r z y k ł a d 1

Do 50% wagowych stłuczki kolorowej szkła gospodarczego o typowym, znanym ze stanu techniki składzie w % wagowych tj.: SiO₂ - 68,48; AI₂O₃ - 0,78; Na₂O - 16,38; Fe₂O₃ - 0,04; CaO - 4,70; K₂O - 3,28; MgO - 0,15; BaO - 2,20; SO3 - 0,27; P₂O₅ - 0,01; TiO₂ - 0,02; MnO - 0,04; ZnO - 1,00; CuO - 0,08; SeO₂ - 0,01; Cr₂O3 - 0,04; SrO₂ - 0,03; ZrO₂ - 0,07; NiO - 0,01; PbO - 0,02; CdO - 0,02; Co₃O₄ - 0,01; Sb₂O₃ - 0,38; straty prażenia - 2,00 dodano 50% wagowych popiołu lotnego pochodzącego ze spalania węgla w kotłach energetycznych z paleniskiem fluidalnym w Elektrociepłowni Turów o składzie tlenkowym w % wagowych: SiO₂ - 32,82; Al₂O₃ - 24,02; Fe₂O₃ - 5,74; CaO - 20,21; MgO - 1,87; SO3 - 7,65; K₂O - 1,40; Na₂O - 1,26; P₂O₅ - 0,12; TiO₂ - 1,63; Mn3O4 - 0,04; SrO - 0,03; ZnO - 0,02; V₂O₅ - 0,04; Cr₂O3 - 0,02; ZrO₂ - 0,04; BaO - 0,05; NiO - 0,01; PbO - 0,01; straty prażenia - 3,02 i zmielono do uziarnienia poniżej 0,06 mm, po czym dodano 10% wagowych H₃BO₃. Następnie składniki umieszczono w formie, wysuszono i poddano obróbce termicznej w piecu elektrycznym w temperaturze 1000°C przez 1 godzinę.

Otrzymany materiał wykazuje gęstość objętościową 500 kg/m i wytrzymałość na ściskanie 6 MPa.

P r z y k ł a d 2

Do 70% wagowych stłuczki kolorowej szkła gospodarczego o składzie jak w przykładzie 1 dodano 30% wagowych popiołu lotnego pochodzącego ze spalania węgla w kotłach energetycznych z paleniskiem fluidalnym o składzie jak w przykładzie 1 i zmielono do uziarnienia poniżej 0,06 mm,

PL 224 759 B1 po czym dodano 5% wagowych SiC. Następnie składniki poddano formowaniu w prasie hydraulicznej pod ciśnieniem 45 MPa, wysuszono i poddano obróbce termicznej w piecu elektrycznym w temperaturze 850°C przez 3 godziny.

Otrzymany materiał wykazuje gęstość objętościową 600 kg/m i wytrzymałość na ściskanie 8 MPa.

Claims (2)

1. Sposób wytwarzania termoizolacyjno-konstrukcyjnego materiału szkło-ceramicznego o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej, polegający na zmieszaniu i rozdrobnieniu surowców w post aci stłuczki szklanej oraz popiołów lotnych, dodaniu środka spieniającego, a następnie poddaniu mieszanki procesowi formowania, suszenia i obróbki termicznej, znamienny tym, że do 20-80% wagowych stłuczki szklanej dodaje się 20-80% wagowych popiołu lotnego pochodzącego ze spalania węgla w kotłach energetycznych z paleniskiem fluidalnym, a następnie 5-10% wagowych środka spieniającego w postaci H₃BO₃ lub SiC, po czym składniki poddaje się formowaniu swobodnemu lub pod ciśnieniem 10-45 MPa, zaś w końcowym etapie obróbce termicznej w temperaturze 850-1000°C przez okres 1 -5 godzin.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako stłuczkę szklaną stosuje się odpadową stłuczkę kolorową szkła gospodarczego.