Способ получения алюмосиликатного клея-связки

Название	Способ получения алюмосиликатного клея-связки
Разработчик (Авторы)	Абызов В.А., Бархатов В.И, Добровольский И.П., Головачев И.В., Капкаев Ю.Ш.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2674801
Дата регистрации	14.12.2018
Правообладатель	федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"

Описание изобретения

Изобретение относится к способам получения неорганических алюмосиликатных клеев-связок, применяемых в строительной индустрии для склеивания бетонных изделий, кирпича, природного камня, мраморных и облицовочных плит, а также для изготовления замазок, мастик, шпатлевок, жаростойких и пористых теплоизоляционных материалов и т.д. Алюмосиликатный клей-связка предлагаемого типа занимает промежуточное положение между истинными и коллоидными растворами, в основном приближаясь к коллоидным растворам, из-за содержания в нем значительного количества дисперсной фазы растворенных веществ в виде золей кремния и алюминия.

Известен способ получения алюмосиликата натрия взаимодействием раствора натриевой щелочи с алюминий-кремний содержащим соединением (отходом производства фторида алюминия) при повышенной температуре (нагревают смесь до кипения и выдерживают в течение 1,0-2,5 ч), процесс ведут при мольном соотношении исходных компонентов SiO₂ : Na₂O : Al₂O₃ равном 1:(0.8-1,5):(0,1-0,18). Получаемый осадок отделяют, промывают и сушат (Пат. №2044689, МПК С01В33/38, 1995).

Недостатком данного способа является:

1. Высокий расход щелочи и энергии на подогрев реакционной смеси.

2. Низкая прочность получаемого алюмосиликата натрия.

Известен способ получения силикатного клея-связки путем разварки силикат-глыбы в автоклаве в присутствии высокодисперсной двуокиси кремния, причем ее вводят в количестве 0,95-2,0 вес. ч. на 100 вес. ч. силикат-глыбы (SU 331080, 1972).

Этот способ имеет следующие недостатки:

1. Высокий расход электроэнергии.

2. Сложная технология, требующая применения высоких давлений.

3. Низкие вяжущие свойств клея, что не позволяет его применять для склеивания ответственных конструкций и изделий

Известен способ получения силикатного клея-связки, принятый за прототип, включающий применение кремний содержащего аморфного материала, отличающийся тем, что кремнеземсодержащий аморфный материал (пылевидные отходы производства ферросилиция) подвергают механохимической обработке в 10-17мас. % растворе едкого натрия в шаровой мельнице при соотношении Т:Ж=1:(2,0-3,5), где Т - количество загружаемого аморфного кремнеземсодержащего материала, Ж - раствор едкого натрия указанных концентраций, при температуре 25-50°С и атмосферном давлении в течение 4-10 ч (пат. РФ №2144552, 1998).

Этот способ имеет следующие недостатки:

1. Длительность процесса.

2. Повышенный расход щелочи и воды.

3. Низкие вяжущие (прочностные) свойства клея, что не позволяет его применять для склеивания ответственных конструкций и изделий.

Технической задачей изобретения является снижение расхода щелочи и воды и повышение производительности процесса и вяжущих свойств клея-связки, т.е. прочностных характеристик изделий, получаемых на основе алюмосиликата натрия, а для повышения выхода годного возможно получение из выделенного осадка железо-оксидных пигментов.

Техническая задача достигается за счет того, что способ получения алюмосиликатного клея-связки, включающий взаимодействие раствора натриевой щелочи с кремнийсодержащими отходами производства при повышенной температуре, их механохимическую обработку, отличается от прототипа тем, что процесс ведут в бисерной мельнице при температуре 150-160°С в течение 1,5-2 час., полученную в ходе процесса суспензию разделяют на фильтре на фильтрат и осадок, из фильтрата в распылительной сушилке при 120°С получают алюмосиликатный клей-связку, причем в качестве кремнийсодержащих отходов применяют отходы производства ферросплавов – микрокремнезем ферросиликохрома, дополнительно добавляют алюминий содержащие отходы – отработанные растворы травления дюралюминия или силумина в следующем мольном соотношении компонентов:

SiO₂ : (0,8-0,9) Na₂O: (0,16-0,2) Al₂O₃

Кроме того, к отходам для повышения прочности изделий, получаемых с использованием алюмосиликатного клея-связки, в реакционную смесь при ее обработке добавляют (4,5-4,8)% отработанного раствора травления щелочью сплава цинка марки ЦАМ-10-2 или ЦА-15, что составляет 2% в пересчете на твердый цинкат натрия - NaZnO₂ так как растворы содержать различно содержания цинката натрия. [Сычев М.М.. Неорганические клеи, Л., Химия, 1986].

Для повышения выхода годного по процессу от полученного осадка отделяют гидроксид железа с примесью оксида хрома, промывают его от щелочи на поверхности фильтра, подвергают одновременно сушке и измельчению в комбинированной сушилке кипящего слоя до размера частиц 15 мкм, при нагреве до температуры 120-320°C, при этом при 120°C получают желтый железо-оксидный пигмент, а при 320°C получают красный железо-оксидный пигмент.

При температуре ниже 120°C (при получении желтого пигмента) повышается длительность процесса, а при температуре выше 120°C в пигменте появляется бурый оттенок. Аналогично происходит при получении красного пигмента.

Алюмосиликатные растворы-системы, в которых осуществляются равновесия между мономерными и полимерными соединениями, зависят от щелочности среды. В таких растворах с ростом концентрации щелочи возрастает содержание полимерных ионов в связи с тем, что алюминат-ионы смещают равновесие в сторону повышения концентрации полимерных силикат-ионов, что и делает такие системы более устойчивыми, чем отдельные силикатные растворы [Сычев М.М.. Неорганические клеи, Л., Химия, 1986, 93 с].

Максимальное содержание Al₂O₃, которое может содержаться в алюмосиликатном клее-связке при сохранении его стабильности, равна 10% (в пересчете на сухие оксиды). Исследованием было установлено, что наиболее прочными являются образцы, получаемые из смешанной связки, при соотношении Al(OH)₃/NaOH=0,2. При увеличении содержания оксида алюминия происходит загустевание клея-связки, и он превращается в студнеобразную массу.

В связи с этим, наиболее рационально получать алюмосиликатные клеи-связки смешением растворов силиката и алюмината натрия, взятых в отношении Na₂O|Al₂O₃<5,95. При смешении таких растворов образуются гели алюмосиликата натрия нормального твердения. Не смешиваются ни в каких соотношениях, а образуется гель при соотношении, равном Na₂O|Al₂O₃<1,98.

Значительное влияние на свойства алюмосиликата натрия оказывает также их модифицирование, как например, раствором цинката натрия, получаемого растворением гидроксида цинка в 40%-ном растворе щелочи, применение которого в количестве 2% от массы смеси повышает вяжущие свойства клея-связки и прочности изделий, получаемых на его основе.

Учитывая вышеизложенное, существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются следующие.

Для получения алюмосиликатного клея-связки с высокими вяжущими свойствами, снижения расхода щелочи и снижения энергозатрат на подогрев реакционной смеси применяют следующие виды отходов производства: в качестве кремний содержащего сырья - отход производства ферросплавов - микрокремнезем ферросиликохрома, содержащий, масс.% : 83-93 - SiO₂; 0,8-1,5 - Al₂O₃; СаО - 0,4; MgO - 0,3:, Сч₂О_3- 0,2-0,5 и Fe₃O₃ - 2,5-4,9, а в качестве соединения алюминия – отработанные растворы травления сплава алюминия, а также отработанные растворы травления сплава цинка, химический состав которых приведен в табл. 1 (Краткая химическая энциклопедия - М.: изд-во “Советская энциклопедия“ 1964, т. 1, с. 158).

В соответствии с технической задачей, разработана технология получения алюмосиликатного клея-связки, с повышенными вяжущими свойствами, причем в качестве кремнийсодержащих отходов применяют отходы производства ферросплавов – микрокремнезем ферросиликохрома, дополнительно добавляют алюминий содержащие отходы – отработанные растворы травления дюралюминия или силумина в следующем мольном соотношении компонентов: SiO₂⋅(0,8-0,9) Na₂O⋅(0,16-0,2) Al₂O_3, из указанных отходов с добавкой щелочи путем механохимической обработки смеси в высокопроизводительной бисерной мельнице в течение 1,5-2 часов при температуре 150-160°С по приведенной реакции (1) : SiO₂ + AlNaO_2- + Na₂O = SiO₂ : Na₂O : Al₂O₃. (1)

Температура 150-160°С реакционной смеси обеспечивает полноту взаимодействия реагентов со щелочью и изменяется в зависимости от скорости подачи гранулированной щелочи за счет выделяемой теплоты нейтрализации реагентов. При снижении температуры ниже 150°С увеличивается время процесса, повышение температуры выше 160°С приводит оксиды железа и хрома в растворимое состояние, что снижает вяжущие свойства алюмосиликатного клея-связки.

Время 1,5-2 часа выбрано исходя из скорости протекания реакции, при времени < 1,5-2 часа, не успевают прореагировать все составляющие смеси, а увеличение времени > 2 часов приводит к повышению вязкости клея-связки.

Полученную в ходе реакции суспензию разделяют на фильтре на фильтрат и осадок, фильтрат сушат в распылительной сушилке при 120°С в течении 2 час. Время 2 часа при температуре 120°С установлено опытным путем, а также (Сычев М.М. Неорганические клеи. - Л, - Химия, 1986 с. 94).

После сушки фильтрата в распылительной сушилке получают алюмосиликатный клей-связку, представляющий собой по химическому составу алюмосиликатные растворы-системы.

Для повышения вяжущих свойств алюмосиликатного клея-связки к отходам, добавляют 4,5-4,8% отработанного раствора травления щелочью сплава цинка марки ЦАМ-10-2 или ЦА-15, что составляет 2% в пересчете на твердый цинкат натрия – NaZnO₂ [Сычев М.М. Неорганические клеи, Л., Химия, 1986, c. 97].

Для увеличения выхода годного по процессу, в а именно, выделения из полученного в ходе процесса осадка желтого или красного железо-оксидных пигментов, отделяют гидроксид железа с примесью оксида хрома после его накопления в образованном осадке, промывают на поверхности фильтра от щелочи конденсатом, после чего подвергают одновременно сушке и измельчению в комбинированной сушилке кипящего слоя при температуре 120-320°С. При этом получают в зависимости от цвета либо желтый железо-оксидный пигмент либо красного железо-оксидный пигмент - при 320°С (А.с. №569585, С09С 3/00, 1974 и Добровольский И.П., Дробышев А.А., Первушин В.Ю., Сюткин С.А. Пигменты и наполнители из новых видов сырья и отходов производств. - Челябинск, 2001. - 112с. по приведенным ниже реакциям (2) и (3).

Fe(OH)₃ = FeOOH + Н₂О (2)

Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3Н₂О (3)

Полученный при таких условиях алюмосиликатный клей-связка обладает высокими вяжущими свойствами и его можно использовать для изготовления и склеивания различных строительных изделий, а пигменты для получения лакокрасочных материалов.

Способ осуществляют следующим образом.

Для получения алюмосиликатного клея-связки с высокими вяжущими свойствами производится измельчение в бисерной мельнице 5 смеси отходов микрокремнезема ферросиликохрома, отработанных растворов травления алюминия и цинка, подаваемых в заданном объеме соответственно из бункера 2 и емкостей 1 и 3, и гранулированной щелочи – из бункера 4.

При внесении в бисерную мельницу 5 указанных отходов и щелочи в ней поднимается температура до 150-160°С и в течение 1,5-2 часов протекает по реакции (1) взаимодействие с образованием алюмосиликата натрия. По мере окончания процесса химико-механической активации смеси, она в виде суспензии поступает в емкость суспензии 6 и далее на фильтр 7, где на его поверхности отделяется от суспензии осадок (гидроксид железа с примесью оксида хрома), его промывают от щелочи конденсатом, получаемым при конденсации паров в конденсаторе 11, поступающих из емкости 13, а полученный фильтрат, освобожденный от осадка, из фильтра 7 насосом 8 подается в распылительную сушилку 10, в которой происходит при температуре 120°С происходит в течении 2 час. сушка фильтрата и образование алюмосиликатного клея-связки, который далее, по мере накопления, шнеком передается в бункер 12.

Пары, выделяемые при сушке фильтрата в распылительной сушилке 10 поступают в конденсатор 11, где при их охлаждении образуется конденсат, который используется для промывки осадка. Отмытый от щелочи осадок - гидроксид железа с примесью оксида хрома подается в бункер 9 и по мере накопления шнеком передается в комбинированную сушилку кипящего слоя 14, в которой одновременно сушится и измельчается при температуре 120-320°С с получением желтого или красного пигмента в зависимости от потребности (по реакциям (2) и (3).

Предложенный способ получения алюмосиликатного клея-связки позволяет снизить расход щелочи и воды, повысить производительность процесса, а также вяжущие (прочностные) свойства клея-связки.

Формула изобретения

1. Способ получения алюмосиликатного клея-связки, включающий взаимодействие раствора натриевой щелочи с кремнийсодержащими отходами производства при повышенной температуре, их механохимическую обработку, отличающийся тем, что процесс ведут при температуре 150-160°C в течение 1,5-2 ч, полученную в ходе процесса суспензию разделяют на фильтре на фильтрат и осадок, фильтрат сушат в распылительной сушилке при 120°C в течение 2 ч и получают алюмосиликатный клей-связку, причем в качестве кремнийсодержащих отходов применяют отходы производства ферросплавов - микрокремнезем ферросиликохрома, дополнительно последовательно добавляют алюминийсодержащие отходы - отработанные растворы травления дюралюминия или силумина в следующем мольном соотношении компонентов: SiO₂ : (0,8-0,9) Na₂ O : ( 0,16-0,2) Al₂O_3, а также 4,5-4,8 % отработанного раствора травления щелочью сплава цинка марки ЦАМ-10-2 или ЦА-15.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что от полученного осадка отделяют непрореагировавшие примеси гидроксида железа и оксида хрома, отмывают их от щелочи, подвергают одновременно сушке при температуре 120-320°C и измельчению до размера частиц 15 мкм в комбинированной сушилке кипящего слоя, при этом при 120°C получают желтый железооксидный пигмент, а при 320°C получают красный железооксидный пигмент.

Изобретение "Способ получения алюмосиликатного клея-связки" (Абызов В.А., Бархатов В.И, Добровольский И.П., Головачев И.В., Капкаев Ю.Ш.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога