PT90468B

PT90468B - Processo de producao de um material composito refractario

Info

Publication number: PT90468B
Application number: PT9046889A
Authority: PT
Inventors: Gerard Panhelleux; Claude Moret
Original assignee: Aris Sa
Priority date: 1988-05-04
Filing date: 1989-05-04
Publication date: 1994-09-30
Also published as: PT90468A; EP0341150A1; FR2631024B1; FR2631024A1

Description

MEMÓRIA DESCRITIVA invento refere-se ao processo de fabrico de um material compósito refractário, em particular do tipo com estrutura alveolar.

São já conhecidos, da arte anterior da técnica, materiais refractários compostos por fibras minerais, ligadas por desidrata ção. Infelizmente, estes materiais apresentam características me cânicas relativamente más, nomeadamente fraca resistência aos ctw ques e ao esboroamento. Além disso, estes materiais não possuem uma película exterior estanque e são muito sensíveis à absorção de humidade.

Conhecem-se, igualmente, materiais formados por uma carga mineral ligada por uma resina de síntese. Estes, apresentam o i_n conveniente de se degradarem por falta de coesão e, sobretudo, por libertarem gases tóxicos ou corrosivos quando são submetidos a uma temperatura superior a 200SC.

Em consequência, o invento tem por objectivo a realizaçSo de um novo material compósito refractário que não apresente os iri convenientes citados precedentemente.

Um primeiro objectivo do invento é o de realizar um material compósito refractário possuindo caracteristicas físicas e me cênicas muito boas e simultaneamente uma densidade baixa.

Um segundo objectivo do invento é realizar um tal material que apresente no decurso do seu fabrico, uma forte expansão vo lumétrica, no decorrer da desidratação, por elevação da temperattj ra, o que permite moldá-lo e obter um produto acabado com as dimensões exactas do molde, sem que seja necessário submeter o produto a uma maquinagem de acabamento particularmente dispendiosa.

Um terceiro objectivo do invento é o de realizar um material deste tipo, com um preço de revenda relativamente pequeno, graças à utilização de constituintes de produção comuns e acessíveis, cujo armazenamento seja fácil.

Estes objectivos do invento, assim como outros, que serão

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-3evidenciados a seguir, são atingidos, nomeadamente, com o auxilio de um material compósito refractário, compreendendo uma matriz com estrutura alveolar a qual 6 constituída por uma espuma de um ligante mineral endurecida, caracterizado por compreender cargas minerais de estrutura ou de aligeiramento e por o ligante ser o silicato de sódio.

Este material é obtido com o auxilio de um processo consistindo em:

a) formar uma espuma, misturando água, um agente espumaji te e, eventualmente um agente de expansão,

b) juntar, a esta espuma, uma emulsão de silicato de sódio,

c) juntar cargas minerais,

d) verter ou injectar, para dentro de um molde, a pasta obtida,

e) desidratar esta pasta por elevação da temperatura.

presente invento será melhor compreendido com a leitura da descrição seguinte, de um modo de realização preferido, dado a titulo de exemplo ilustrativo e não limitativo.

□ material compósito refractário de acordo com o invento é destinado a ser utilizado, por exemplo, no fabrico de um painel de isolamento térmico. Para este fim, ele ó realizado a partir de um ligante e de cargas de origem mineral, o que lhe permite apresentar uma resistência ao fogo excepcional e não libertar fumo tóxico ou corrosivo, quando ô submetido a temperaturas elevadas, podendo ir até 160D3C, à superfície. Quando se verifica uma tal agressão, produz-se uma vitrificação da película exterior, o que dá uma estanquicidade da superfície, evitando a penetração dos gases quentes e das chamas no coração do produto.

material de acordo com o invento, compreende, portanto, uma matriz com estrutura alveolar, constituída por uma espuma de um ligante mineral endurecida e por cargas minerais.

Segundo o modo de realização preferido do invento, o li69 233

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-4gante mineral, obrigatoriamente hidrófilo, é o silicato de sódio. Com efeito, este produto tem a propriedade de tomar uma forma rigi da, irreversível, após desidratação, o que o torna insensível à humidade. Por outro lado, o seu preço de revenda é relativamente pequeno, uma vez que é correntemente utilizado como cola em cartq nagem, principal mente para o fabrico de cartão ondulado. Este li. gante, sob a forma de uma emulsão aquosa de silicato de sódio, compreende 60% de água, 30% de silício, Si0₂ e 10% de Na0₂.

As cargas minerais podem ser hidrófilas ou hidrófobas. As cargas hidrófilas são, de preferência, de silicato de cálcio. Tra ta-se de fibras curtas, possuindo um comprimento inferior a 7 mm (5 mm em média), e um diâmetro de cerca de 12 micra, por exemplo. Estas fibras apresentam-se sob a forma de um pó fibroso com muito ar, compreendendo principalmente 45% de Si0₂ e 35% de CaO. As cargas hidrófobas são, por exemplo, fibras de rocha, tais como as de basalto.

A carga mineral pode, por outro lado, compreender bolas sensivelmente esféricas e podem ser ocas ou maciças, de silício ou de silicato de alumínio, por exemplo, grânulos expandidos de rocha vulcânica CECAPERL (fabricados e comercializados por Etablissements CECA) ou cenosferas TECFIL (fabricadas nomeadamente por Etablissements FILTEC LTD.). Estas bolas ocas constituem cargas inertes de fraca densidade, com um diâmetro variando entre 3 e 6 mm. A expansão do ligante mineral ou a incorporação de tais bolas, com ou sem expansão do ligante, permite obter um material de fraca densidade, compreendida por exemplo entre 0,2 e 0,6.

agente espumante utilizado, é de um tipo corrente, industrial, por exemplo, o conhecido sob a denominação comercial Teepol ou Sactilov.

Pode-se juntar, por outro lado, à espuma, água e um agente espumante, um agente de expansão.

Segundo uma outra característica do invento, a matriz de ligante pode ser de células abertas ou fechadas, conforme o dest_i no do produto.

A adição de cloreto de sódio permite realizar produtos de

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-5células abertas e com ligações filiformes.

Fazendo variar a temperatura de desidratação e as condições de expansão é possível obter produtos de cálulas abertas ou fechadas, por ruptura da tensão de superfície das bolhas silicata^ das.

De uma maneira geral, o material segundo o invento, compreende cerca de 50 a 75% em peso de uma emulsão de ligante mineral e cerca de 15 a 40% em peso de cargas minerais.

Uão ser dados, em seguida, dois exemplos de realização mais precisos.

Exemplo 1

- 75% de emulsão aquosa de silicato de sódio (ligante),

10% de pó fibroso de silicato de cálcio (carga de estrutura),

- 2% de agente espumante,

- 1% de agente de expansão,

4% de água (solvente).

Exemplo 2

50% de emulsão aquosa de silicato de sódio (ligante),

32% de bolas ocas de silicato de alumínio (carga de aligeiramento),

6% de grânulos expandidos de rocha vulcânica CECAPERL (carga de estrutura),

- 5,5% de pÓ fib roso de silicato de cálcio (carga de estrutura) , 1,5% de agente de expansão,

- 3,5% de água (solvente).

Eventualmente, é possível juntar uma emulsão aquosa de um agente amaciador, por exemplo, uma emulsão a 0,2% de base vinllica ou de látex, se se deseja obter um produto final com estrutura menos rígida.

produto de acordo com o invento apresenta uma forma estrutural. Noutros termos, as bolhas de grande diâmetro estão no interior e o diâmetro das bolhas diminui em direcção ao exterior do produto, até à pelicula lisa apresentando bolhas de diâmetro muito pequeno.

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-60 material compósito refractário, de acordo com o invento, é obtido com o auxilio de um processo de fabrico compreendendo os passos de:

a) misturar água, agente espumante e, eventual mente, ageri te de expansão, nas proporçSes acima indicadas, por amassamento de modo a introduzir ar, até se obter uma espuma de consistência fir me, por exemplo, por meio de um dispositivo de pás, rodando a grande velocidade (3000 rotaçães/minuto),

b) juntar, por incorporação progressiva, esta espuma à quantidade necessária de emulsão de silicato de sódio, previamente colocada na cuba de um misturador hidromecânico,

c) juntar, progressivamente, as cargas minerais, quer de pó fibroso de silicato de cálcio, quer de grânulos expandidos de rocha vulcânica, quer de bolas ocas de silicato de alumínio, continuando a fazer rodar o misturador de modo a obter uma pasta untuosa,

d) quando as cargas estão bem impregnadas de ligante, ver ter ou injectar sobre uma placa ou sobre um tapete rolante em coji tlnuo ou dentro de um molde, esta pasta,

e) desidratar esta pasta por elevação da temperatura.

Pode-se, eventualmente, entre os passos c) e d), juntar uma emulsão de um agente amaciador, continuando a amassar.

Os passos a), b) e c) podem igualmente ser realizados numa ordem diferente.

Segundo uma característica fundamental do invento, o processo consiste, portanto, em verter ou injectar a pasta obtida s_o bre uma placa ou sobre um tapete rolante em continuo ou dentro de um molde, antes da desidratação. Quando a expansão volumétrica da pasta está limitada por meio de um molde, devido à elevação da temperatura no decurso da desidratação, obtém-se um produto acaba do, com as dimensóes exactas do molde, de modo que não é necessário submeter o produto a uma maquinagem de acabamento. Isto é uma vantagem considerável ao nível dos preços de revenda e da precisão dimensional, em relação aos materiais conhecidos, obtidos por técni

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-7cas de desidratação de uma pasta aspirada, não alveolar, de fibras minerais. Com efeito, devido à contração após a desidratação, des^ tes materiais não alveolares, a maquinagem das peças é obrigatória de forma a obter as formas geométricas precisas. 0 processo de acordo com o invento permite portanto evitar esta operação de aca bamento.

A desidratação da espuma de ligante mineral permite dar ao material a sua estrutura alveolar rígida, pois o ligante mineral que rodeia as bolhas de ar, solidifica de modo irreversível. Para este efeito a desidratação da pasta é realizada por meio de uma elevação da temperatura, que pode ir até 200SC, por exemplo numa estufa, ou entre duas placas aquecedoras, ou por condução ou por radiação, ou por emissores de micro-ondas, judiciosamente repartidos, em relação à superfície a desidratar ou segundo a forma do molde. □ tempo de desidratação é uma função da espessura, podendo ser de 45 minutos a algumas horas, numa estufa, mas é muito mais curto, de 1 a 5 minutos, se se leva o coração da pasta a uma temperatura elevada com a ajuda de um emissor de micro-ondas.

A elevação da temperatura produz um aumento de pressão dentro das bolhas, traduzindo-se por uma expansão volumétrica do material no estado pastoso, e isto até solidificação completa. Li mitando o volume da expansão do material pode-se fazer variar a sua densidade e também as características de dureza e de estanquicidade da pelicula exterior.

Por outro lado os moldados são simples e facilmente repro dutíveis. Na prática, a pasta deve ser vertida ou injectada dentro de moldes com paredes revestidas de película Teflon (PTFE: politetrafluoroetileno) para evitar a colagem da pasta às paredes.

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E preferível que a pasta seja alisada na superfície, antes da colocação no molde, de modo a favorecer a formação de uma película artificial lisa com estrutura não alveolar. Alguns pormenores ju. diciosamente introduzidos ou mesmos pequenas fugas de fecho de enchimento do molde são suficientes para deixar escapar os vapores de água.

Para as peças de pequenas dimensões é, igualmente, possível utilizar moldes em resina não porosa, por exempla, em resina

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-8|η· |h· fenólica munida de fibras de vidro ou em politetrafluoroetileno, com a condição de abrir nas paredes do molde uma multiplicidade de micro-furos, para permitir a evacuação de água.

Após solidificação do material, a ligeira retracção, dev da à diferença de dilatação, no decorrer do arrefecimento, facil ta a desmoldação.

Pode-se fabricar o material em continuo, com o auxilio de uma máquina especifica possuindo a jusante uma alimentação dos constituintes, com doseadores automáticos, um amassador de espuma, um misturador dos componentes, depois a montante, uma injecção sob pressão do produto, uma calandragem, uma expansão volumétrica em temperatura e uma determinação de dimensóes programada.

No caso de uma moldação de placas em cofragens, as superfícies da placa inferior e da placa superior podem ser revestidas com uma camada de matéria absorvente de água, por exemplo, do género papel mata-borrão. Estas camadas absorventes poderão ser utilizadas numerosas vezes, após secagem em estufa.

Para obter uma superfície exterior, rígida e com bom aspecto, é preferível colocar uma folha de celulose de um e de outro dos lados do produto, a qual se impregnará de silicato de sódio e se tornará lisa e resistente. Neste caso, depositar-se-á uma folha de celulose no fundo do molde, e uma sob a cobertura, antes de verter o produto. Em fabrico continuo, serão juntas, à máquina, duas bobinas de celulose para recobrir o produto nas duas faces.

Numa variante, pode-se utilizar, em lugar da celulose, uma espessura de matéria especifica, não estanque, que formará o revestimento exterior do produto, por exemplo, papel decorado, cortiça, palha ou sisal entrançado, tecido, veludo, película plástica termoplástica ou termoendurecível, etc..

por os.

derá

Pode-se, exemplo para Neste caso uma camada igualmente, verter ou injectar a pasta a protecção de paredes metálicas contra apenas a superfície amovível de moldagem de matéria absorvente.

in situ, incôndicompree_n produto pode, por outro lado, ser tingido em massa, por

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-9meio de um pó muito fino (da ordem de alguns micra) de matéria corante, que é adicionado à pasta durante a mistura.

No caso em que se produz um produto de células fechadas, a espumação e a mistura dos componentes podem ser efectuadas sob atmosfera controlada. Depois de ter extraído o ar da câmara de mistura, pode-se assim obter uma estrutura alveolar cuja células são preenchidas com um gás especifico, tal como um gás muito leve, por exemplo o hélio, se se pretende obter um produto possuindo uma densidade extremamente pequena.

Pelo contrário, se se pretende obter uma estrutura alveolar de células abertas, basta aumentar a temperatura de desidrata^ ção e permitir a expansão do produto até ao rebentamento das bolhas. Pode-se, igualmente, adicionar cloreto de sódio à água de espumação o que permite produzir um produto com células abertas e com ligaçães filiformes.

Quando se suprime a película exterior de um lulas abertas, este apresenta uma estrutura porosa te útil para a resolução de problemas de filtragem, ção, eventualmente a temperatura elevada, dado que rlsticas refractárias.

produto de cj5 particularme που de filtrapossui caractB

Para uma operação de pirólise, efectuada posteriormente s_o bre o produto desidratado, pode-se, ultrapassando ligeiramente o ponto de vitrificação do silicato de sódio, obter um novo produto, cujas ligaçães, tornadas rígidas, permitem uma utilização do matja rial a temperaturas elevadas, em continuo, mas obrigatoriamente inferiores ao ponto de vitrificação do silicato.

Quando se utiliza cargas minerais hidrófilas, por exemplo, fibras de silicato de cálcio, pode-se prever uma protecção exteri. or das peças ou painéis, por projecção de um verniz hidrófugo, de modo a evitar qualquer absorção de humidade, em armazenamento pr_o longado.

Se se utiliza unicamente fibras hidrófobas, a percentagem de fibras no produto pode atingir 80%, mas este é então mais sensível aos choques.

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-10Pode-se também adicionar cargas hidrófilas a fibras hidrdS fobas, para aumentar a estruturação do produto e, portanto, melho rar as caracterlsticas mecânicas deste.

Escolhendo de modo adequado as quantidades de agente espjj mante e de expansão e/ou o volume disponível para expansão volumétrica do material, durante a desidratação, pode-se obter produtos cujas qualidades mecânicas podem variar muito e cujas densida^ des estão, por exemplo, compreendidas entre 0,2 e D,6. Contudo, notar-se-á que, quando as proporçães, acima referidas, dos componentes não são respeitadas os resultados obtidos podem ser muito diferentes. Assim, uma falta de água poderá conduzir a uma pasta dificilmente moldável, enquanto que um excesso de água conduz a um produto com grandes cavidades internas e com uma película extremamente rígida.

De modo geral, o material compósito de acordo com o inveri to é aplicável ao fabrico de peças e de painéis de materiais refractários correspondendo às normas AFNOR anti-fogo MO e anti-fumo F0. 0 material compósito de acordo com o invento pode, portan to, ser utilizado, para a realização de placas e de peças moldadas ou cortadas, de isolamento térmico, de isolamento do calor e de protecção contra o fogo de peças para fundição de metais não ferrosos (cadinhos, calhas, casquilhos, colheres, camisa de masselotqqe canais de fundido), de painéis murais, de tectos suspensos, de guarniçães corta-fogo, de peças de forma para fornos, caldeiras, aparelhos electrodomésticos, motores, propulsores, isoladores eléctricos, etc.. Pode ser igualmente utilizado como elemento de filtragem ou de filtração. Por fim o produto pode ser obtido em continuo, por injecção por espalhamento ou em cofragens, para utilização na construção de edifícios, com o auxilio de uma bomba de betão especial, ligeiramente modificada, de modo a ser adaptada para esta utilização. Neste caso, a desidratação pode ser conseguida pela utilização de placas ou de coberturas aquecedoras, a colocar sobre a superfície aparente do produto, previamente alisada ou simplesmente por secagem natural quando esta é vertida em cofragem.

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Claims

1 - Processo de produção de um material compósito refractário, compreendendo uma matriz refractária, de estrutura alveolar, constituída por uma espuma endurecida com um ligante mineral, caracterizado por compreender passos que consistem em:

a) formar uma espuma misturando, por braçagem, água com um agente espumante,

b) adicionar esta espuma a uma emulsão de silicato de sjó dio,

c) adicionar as cargas minerais,

d) verter ou injectar para dentro de um molde a pasta obtida, e

e) desidratar esta pasta, elevando a temperatura.

2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza. do por a carga mineral ser constituída por fibras de silicato de cálcio.

3 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza. do por a carga mineral ser constituída por grânulos expandidos de rocha vulcânica.

4 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza do por a carga mineral compreender ainda esferas ocas de silicato de alumínio.

5 - Processo de acordo com qualquer das reivindicaçSes 1 a 4, caracterizado por compreender um agente de expansão.

6 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza. do por a matriz de ligante ser de células fechadas.

7 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza. do por a matriz de ligante ser de células abertas.

8 - Processo de acordo com a reivindicação 6, caracteriza do por as células da estrutura alveolar serem preenchidas com um gás especifico.

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-129 - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracteriza do por as células da estrutura alveolar serem preenchidas com hélio para aligeiramento do produto.

10 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por a densidade estar compreendida entre 0,2 e 0,6.

11 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por o material compreender cerca de 50 a 75% em peso de uma emulsão de ligante mineral e cerca de 15 a 40% em peso de cargas minerais.

12 - Processo de acordo com a reivindicação 11, caracteri zado por o material compreender, em percentagem em peso, 75% de uma emulsão aquosa de silicato de sódio, 18% de pó fibroso de si. licato de cálcio, 2% de um agente espumante, 1% de agente de expansão e 4% de água.

13 - Processo de acordo com a reivindicação 11, caracteri zado por o material compreender, em percentagem em peso, 50% de uma emulsão aquosa de silicato de sódio, 32% de esferas ocas de silicato de alumínio, 6% de grânulos expandidos de rocha vulcânica, 5,5% de pó fibroso de silicato de cálcio, 1,5% de um agente es pumante, 1,5% de um agente de expansão e 3,5% de água.

14 - Processo de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por no passo a) se adicionar ainda um agente de expansão.

15 - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 14 e 2 a 13, caracterizado por se adicionar uma emulsão de um agente ama ciador entre os passos c) e d).

16 - Processo de acordo com as reivindicações 1 a 13, caracterizado por se desidratar a pasta por uma elevação da tempera tura que pode ir até 2002C.

17 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado por se limitar a expansão volumétrica da pasta devida à elevação da temperatura no decurso da desidrata ção.

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-131B - Processo de acordo com as reivindicações 1 a 13, caracterizado por as paredes do molde serem revestidas com politetrafluoroetileno.

19 - Processo de acordo com as reivindicações 1 a 13, caracterizado por as paredes do molde serem revestidas com um material absorvente.

20 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17, caracterizado por se colocar uma folha de celulose sobre o fundo e sob a cobertura do molde, antes de verter a pasta.

21 - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 17, caracterizado por, após o passo de desidrataçSo, se efectuar uma pirólise do produto ultrapassando ligeiramente o ponto de vitrificaçSo do silicato de sódio, de modo a obter um produto com ligações rígidas.

22 - Processo de acordo com as reivindicações 1 a 13, caracterizado por se aumentar a temperatura de desidrataçSo e por se permitir a expansão do produto de modo a obter um produto de células abertas.

23 - Processo de acordo com as reivindicações 1 a 13, caracterizado por se adicionar cloreto de sódio à água de espumaçSo, de modo a obter um produto de células abertas.