Способы формирования пористой структуры, строение и виды теплоизоляционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ, СТРОЕНИЕ И ВИДЫ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ



1. Способы формирования пористой структуры

1.1 Способ создания волокнистого каркаса

Получение высокопористого материала с волокнистым каркасом обычно состоит из операций: получение волокна, формование изделий, стабилизация свойств сформованных изделий.

Благодаря своей гибкости, волокна при беспорядочном расположении их в объеме материала создают упруго-жесткий волокнистый каркас. Поры в таком материале сообщающиеся, не однородные по размерам и форме.

Теплопроводность таких материалов во многом зависит от размера пор, который определяет вклад конвективного переноса теплоты.

Уменьшение размеров пор достигают простым приемом - снижением диаметра волокон, ибо чем тоньше волокно, тем больше число волокон в единице объема материала (при постоянной массе твердой фазы) и, следовательно, ниже конвективный теплоперенос. Кроме того, чем тоньше волокно, тем меньше площадь контакта между волокнами и тем больше этих контактов, что повышает сопротивление материала передаче теплоты. Поэтому для повышения теплоизоляционных свойств волокнистых материалов необходимо стремиться к уменьшению диаметра волокон.

Однако, обеспечение необходимых строительно-эксплуатационных свойств волокнистых материалов такого типа ставит определенные ограничения этому фактору.

С одной стороны, уменьшение диаметра волокон приводит к повышению их прочности при разрыве. Это объясняется повышенной дефектностью поверхности более толстых волокон и в связи с этим - большим проявлением эффекта Ребиндера, что предопределяет интенсивную потерю прочности толстыми волокнами во времени при их увлажнении.

С другой стороны, существует некоторый предел, после которого уменьшение диаметра волокон негативно сказывается на эксплуатационных и теплофизических свойствах волокнистых материалов. Это объясняется снижением жесткости и упругости очень тонких волокон, их слеживаемостью в процессе эксплуатации и ростом при этом средней плотности и снижением пористости. Следовательно, диаметр волокон подлежит оптимизации в зависимости от вида волокна и условий службы изделий в конструкции.

На теплофизические свойства влияют толщина волокон (рис.7), длина волокон и гибкость.

Оптимальной волокнистой структурой является структура с минимальным содержанием твердой фазы в виде длинных волокон малого диаметра, обеспечивающая упругость и неслеживаемость волокнистого каркаса при заданных нагрузках.

Рис. 7 Зависимость плотности (с) и теплопроводности(л) ваты от диаметра волокна (d)

Рациональная длина волокон определяется технологией изделий, а диаметр - прочностными и упругими свойствами волокна. Волокна должны быть круглого сечения с плотной гладкой поверхностью, без резкого перепада диаметра по всей их длине.



1.2 Использование естественной пористости

Способ основан на использовании в качестве теплоизоляционных материалов высокопористых горных пород осадочного (диатомиты, трепелы) или вулканического (пемза, вулканический туф, вулканические пески и пепел) происхождения, а также отходов промышленности (шлаки).

1.3 Способ введения волокнистых и пористых наполнителей и заполнителей

Контактное омоноличивание.

Способ, широко используемый при производстве теплоизоляционных изделий, основан на омоноличивании зернистых и волокнистых элементов структуры в местах их взаимного контакта с помощью тонких склеивающих прослоек. Эти прослойки создают, вводя в каркасообразующий материал маловязкие композиции связующего, тонким слоем распределяя его по поверхности зерен или волокон, которые затем приводят к соприкосновению путем применения к ним небольших прессующих усилий.

В качестве связующих используют жидкотекучие композиции (предпочтительно водные растворы) полимеров, цемента, глины, растворимого стекла.

Вид пористости материалов, получаемых контактным омоноличиванием, зависит от вида применяемых каркасообразующих материалов: из волокон формируется волокнистая пористая структура, из зерен - зернистая.

На свойства изделий, получаемых этим способом, существенное влияние оказывают реологические характеристики связующих, их клеящая способность и методы введения в формовочную смесь.

Примеры материалов: изделия из минеральной ваты на связующем, стеклопор и др.

Объемное омоноличивание

Этот способ отличается от предыдущего тем, что связующим заполняют все пустоты между каркасообразующим материалом.

В подавляющем большинстве объемное омоноличивание применяют для получения материалов из высокопористых зерен. При этом, с целью увеличения общей пористости материала, стремятся применять полифракционные высокопористые зерна с тем, чтобы достичь их наибольшего количества в объеме материала.

Вторым эффективным приемом повышения пористости является применение поризованного связующего (в виде пеномассы). Материал в этом случае получают с ячеистой пористостью, складывающейся из пористости зерен и пористости связующего.

Примеры материалов: керамзитобетон, перлитобетон, керамзитопенобетон и др.

1.4 Способ высокого водозатворения

Этот способ основан на использовании в составе формовочной массы компонентов с высокой водоудерживающей способностью. Испарение несвязанной воды обеспечивает высокую пористость материала.

Объем воздушной пористости материалов, получаемых этим способом, может быть найден по формуле

(37)

где В - расход воды; V_ВВ - объем воздуха, оставшийся в массе после формования изделий; W_t - количество воды, связанное химически и физико-химически компонентами массы; V_y - объемная усадка материала при изготовлении.

Эффективность данного способа зависит от правильного выбора компонентов, составляющих формовочную смесь. Они должны характеризоваться большой водоудерживающей способностью и обеспечивать нерасслаиваемость смеси при ее влажности до 350 - 400%. В этом случае может быть получен материал с пористостью выше 90%.

В качестве компонентов формовочных масс наиболее широко используют распушенный асбест, диатомит, трепел, известь, бентонит. С целью повышения водоудерживающей способности, твердые компоненты подвергают весьма тонкой диспергации.

Эффективным приемом удержания в массе большого количества воды является использование в качестве вяжущего водорастворимых полимерных веществ.

Типичной технологией, основанной на применении способа высокого водозатворения, является технология асбестосодержащих материалов (асбестоцементных и асбестоизвестково-кремнеземистых).

1.5 Способ введения выгорающих добавок

Способ выгорающих добавок основан на введении в формовочную массу и последующем выжигании органических добавок.

Способ применим только для получения керамических и огнеупорных высокопористых материалов, в технологию производства которых заложен обжиг при температурах 800-1100°С.

В качестве выгорающих добавок применяют опилки, угольную пыль и другие тонкодисперсные органические горючие материалы.



1.6 Способ пенообразования и воздухововлечения

Способ основан на введении воздуха в жидкотекучие растворы или массы, содержащие поверхностно-активные вещества (ПАВ), равномерном его распределении в виде ячеек и стабилизации образовавшейся пеномассы.

По принципу создания пеномассы различают следующие способы поризации:

ценообразование, предусматривающее раздельное приготовление пены, массы и их смешивание;

воздухововлечение (аэрирование), при котором пена отдельно не приготовляется, а воздух вовлекается непосредственно в массу, содержащую воздухововлекающие ПАВ,

сухая минерализация пены, основанная на приготовлении пены и смешивании ее с тонкодисперсными твердыми частицами исходной композиции.

В основе всех этих разновидностей способа пенообразования лежит способность поверхностно-активных веществ собираться на поверхности раздела жидкость - воздух и резко снижать поверхностное натяжение на границе раздела. При этом создаются условия для возникновения устойчивых воздушных пузырьков.

Обычно технология пенообразования включает следующие этапы: приготовление из водных растворов ПАВ устойчивой технической пены; приготовление жидкотекучих минеральных или полимерных композиций, образующих твердую фазу (остов) высокопористого материала; смешивание пены и композиции до получения пеномассы заданной пористости и формование изделия методом разлива в формы.

Основными показателями процесса являются кратность пены (отношение объема пены к объему раствора пенообразователя, содержащегося в пене) и устойчивость пены в секундах.

Способ воздухововлечения (аэрирования) основан на вовлечении воздуха непосредственно в поризуемую массу в процессе ее приготовления.

С этой целью в воду затворения или полимерную композицию вводят воздухововлекающие добавки (ПАВ). Этот способ отличается простотой технологического процесса (одностадийная поризация);

Способ сухой минерализации пены включает следующие основные операции: приготовление технической пены, сухую подготовку твердой сырьевой композиции (помол и смешивание минерального вяжущего и кремнеземистого компонента, помол стекла, шамота и т. п.), смешивание пены и минерального порошка, то есть бронирование пены. Минерализация пены основана на прилипании тонкодисперсных твердых частиц к пузырькам пены, вследствие чего образуется сплошная ячеисто-минеральная система.

В качестве ПАВ используют вещества, вырабатываемые на основе природных органических продуктов (смолосапониновый и клееканифольный эмульгаторы, гидролизованную кровь), а также синтетические ПАВ - анион-активные вещества, широко используемые в производстве моющих средств (сульфанолы, соли сульфокислот и др.)

Получаемая способом пенообразования ячеистая структура характеризуется высокой степенью замкнутости пор, плотной и гладкой их внутренней поверхностью, равномерной пористостью по объему материала, примерно одинаковой по сечению толщиной межпоровых перегородок.

1.7 Способ газообразования

Сущность этого способа состоит в выделении газообразных продуктов во всем объеме поризуемого материала, находящегося в пластично-вязком (в том числе и пиропластическом) состоянии.

По химизму процесса газообразование подразделяют на два способа: первый основан на выделении газа при взаимодействии газообразователя с компонентами вспучиваемой массы (газообразователи - алюминиевая пудра, карбонаты, кислоты и др.), например:

2А1 + 3Са(ОН)₂ +6Н20 > 3СаОА1₂О₃•6Н₂О + 3Н₂^;

второй - на выделении газа из газообразователя без его взаимодействия с поризуемой массой. Газообразователи - перекиси (перикись водорода), порофоры (ЧХЗ-57- азо-бис-изобутиронитрил, порамид 200 - азобисформамид и др.), углеродсодержащие вещества, например:

2Н₂О₂ > 2Н₂О + О₂^

По виду различают газообразователи, вводимые в поризуемую массу (алюминиевая пудра, карбонаты, порофоры и т. д.); газообразователи, являющиеся составной частью вспучиваемого материата (гидратная вода).

По температуре газообразования и вспучивания способ газообразования подразделяют на низкотемпературный (температура процессов не выше 100°С), среднетемпературный (120 - 400°С) и высокотемпературный (выше 800°С).

Способ газообразования наиболее широко применяют для производства газонаполненных пластмасс, а также высокопористых материалов из масс, представляющих собой высококонцентрированные суспензии.

Типичными представителями таких материалов являются ячеистые бетоны на основе портландцемента, извести, смешанного цементно-известкового вяжущего и кремнеземистого компонента.

1.8 Способ неплотной упаковки

Для пористых зернистых компонентов этот способ предполагает получение теплоизоляционных засыпок, пористость которых и ее характеристики зависят от пористости используемых зерен, величины этих зерен и их гранулометрического состава. Для увеличения общей пористости необходимо применять монофракционный состав зерен, а для уменьшения размера пор - уменьшать их диаметр.

1.9 Способ перекристаллизации солей

Основан на декарбонизации и перекристаллизации карбонатного сырья и образовании высокопористых солей при производстве асбестомагнезиальных изделий.

MgO+CaO+H₂О>Mg(OH)₂+Са(ОН)₂>карбонизация>СаС0₃+

+MgCО₃•Mg(OH)₂•4Н₂О - высокопористая соль гидромагнезита

1.10 Вспучивание при нагревании

Способ основан на высокотемпературном вспучивании материалов, в молекулярную структуру которых входит вода или углерод (в виде близком к графиту). К первым из них относятся горные породы (перлиты, обсидианы, вермикулит, керамзитовые глины) или искусственные композиции (силикат натрия). Ко вторым - шунгит или шунгитосодержащие породы.

Вода интенсивно превращается в пар в искусственных композициях при 200 - 400°С, в природных минералах - при 800 - 1000°С При содержании гидратной воды в количестве 0,05-0,5%, вспучиваемый материал увеличивается в объеме в 15 - 40 раз.

Углерод выгорает при температурах 600 - 1100°, в зависимости от состава шунгитовых пород, и продукты сгорания вспучивают размягченный материал.



2. Виды теплоизоляционных материалов

2.1 Неорганические теплоизоляционные материалы

На неорганические теплоизоляционные материалы приходится более 80% общего объема выпуска.

Это объясняется распространенностью сырья, возможностью широкого регулирования строительно-эксплуатационных свойств неорганических материалов, применимостью их разновидностей практически в любых условиях эксплуатации.

Общие представления о номенклатуре неорганических теплоизоляционных материалов даются в таблице 5.

Таблица 5

Неорганические теплоизоляционные материалы

Материалы с волокнистым	сыпучие	-рыхлая комовая минеральная и стеклянная вата; -гранулированная минеральная и стеклянная вата; - сухие смеси на основе распушенного асбеста и минерального стекловолокна; -асбестомагнезиальные, асбестотрепельные материалы
	мягкие	-минераловатные, стекловатные маты; -асбестовые шнуры
	жесткие	-минераловатные, стекловатные плиты, -вулканитовые, совелитовые плиты
Вспученные материалы	сыпучие	-керамзит, аглопорит, вермикулит, перлит, шунгизит, термолит и др.; -сухие смеси на их основе; -гранулы ячеистого стекла; стеклопор
	жёсткие	-газобетон; газосиликат, ячеистое стекло
Вспененные материалы	-пенобетон; пеносиликат, пеностекло; -пенодиатомит; пенокерамика; -пеноасбест; пеношамот
Материалы с пористым заполнителем	-перлитовые, вермикулитовые; -шунгизитовые, керамзитовые, аглопоритовые, термолитовые и др.
Материалы с выгорающим каркасом	-диатомитовые, -трепельные

2.1.1 Теплоизоляционные материалы на основе искусственного минерального волокна из каменных и силикатных расплавов

Искусственное минеральное волокно широко применяют для производства теплоизоляционных изделий. Общий объем материалов и изделий на основе искусственных минеральных волокон составляет более 60% от выпуска теплоизоляционных материалов всех видов.

В зависимости от сырья и способа производства, искусственное минеральное волокно можно подразделить на следующие разновидности:

- высокотемпературостойкое и огнеупорное волокно с температурой применения, соответственно, до 1000 и выше 1000°С;

- волокно базальтовое с температурой применения более 600°С;

- волокно минеральное с температурой применения до 700°С (рядовое);

- волокно стеклянное (стекловолокно) с температурой применения до 400°С.

Продукт в виде бесформенной волокнистой массы получил название минеральной или стеклянной ваты, в зависимости от химического состава исходных силикатных расплавов,

Стеклянная вата характеризуется более высоким содержанием кремнезема и щелочей.

Минеральная вата

Минеральная вата - рыхлый материал, состоящий из тонких (1-15 мкм) волокон стекловидной структуры (Рис. 8).

Нежелательной примесью являются капельки затвердевшего минерального расплава - корольки.

Рис. 8 Минеральная вата; 1 - волокна; 2 -корольки

Технология минеральной ваты включает следующие процессы: подготовку сырья, плавление сырья и получение силикатного расплава, переработку расплава в волокно, формирование минераловатного ковра, сворачивание в рулон.

Для изготовления минеральной ваты применяют промышленные отходы, попутные продукты производств, горные породы.

Отходы доменного производства -доменные шлаки- являются одним из основных видов сырья для производства минеральной ваты. Они представляют собой расплавы (жидкие и охлажденные), в которых кристаллизуются силикаты и алюмосиликаты.

В зависимости от содержания составляющих их оксидов (SiО₂, A1₂О₃, СаО и MgO), по модулю основности (38) шлаки подразделяют на основные (М₀>1), кислые (М₀<1) и нейтральные (М₀=1).

(38)

В состав шлаков входят шесть главнейших оксидов, содержание которых, % по массе, колеблется в следующих пределах: SiO₂ - 35...40; Al₂O₃ -10...15; СаО - 35...45; MgO - 5... 10.

Горные породы применяются в чистом виде или в качестве компонента шихты. Используются изверженные горные породы габбро-базальтовой группы и подобные им по химическому составу метаморфические горные породы, а также мергели. Содержание оксидов в составе горных пород, применяемых для производства минеральной ваты, обычно колеблется в следующих пределах, % по массе: SiO₂ - 45...65; А1₂О₃ - 10...20; СаО - 5...15; MgO - 5..15.

Габбро-базальтовые горные породы (диабазы, базальты, габбро), а также их метаморфические аналоги (амфиболиты, известковистые сланцы), мергели являются оптимальным сырьем для минераловатного производства. Получаемая из них вата характеризуется повышенной эксплуатационной стойкостью.

Подготовка сырья включает операции дробления, сортировки и дозирования. Плавление сырья осуществляется в шахтных печах - вагранках (d_BH до 1,5м, Н до 20м), ванных печах (S до 70м²) и др. Температура плавления составляет 1300 - 1500°С.

Основной операцией при производстве минеральной ваты является операция переработки расплава в волокно. В настоящее время используются несколько способов переработки.

По принципу воздействия энергоносителя на струю расплава, истекающего из плавильного агрегата, их можно разделить на три основных способа: дутьевой, центробежный и комбинированный.

Дутьевой способ основан на воздействии энергоносителя (пара, горячих газов), движущегося с большой скоростью (400 - 800 м/с), на струю расплава. Струя при этом расщепляется и образовавшиеся элементы вытягиваются в волокна (рис. 9).

Рис. 9 Схема дутьевого способа: 1-печь с минеральным расплавом; 2-струя; 3-сопло; 4-осажденные волокна

Центробежный способ основан на использовании центробежной силы вращающихся элементов центрифуг, на которые подается расплав.

При производстве минеральной ваты используют центробежные установки различных конструкций, отличающиеся между собой количеством вращающихся органов, их формой и расположением в пространстве. Центробежные установки могут быть одноступенчатыми, когда расплав обрабатывается на одной центрифуге, и многоступенчатыми, если переработку расплава в волокно осуществляют последовательно па нескольких центрифугах.

По форме рабочего органа центрифуги могут быть дисковыми, чашечными и валковыми (рис. 10), а по расположению плоскости вращения - горизонтальными и вертикальными. В одноступенчатой установке используют диск из жаростойкой стали или огнеупора, который вращается вокруг вертикальной оси.

Рис. 10 Схема центробежного способа: 1-печь с минеральным расплавом; 2-валки; 3-осажденные волокна; 4-струя расплава

Комбинированные способы основаны на использовании как центробежной силы, так и кинетической энергии пара или газа. В промышленности наиболее широкое применение получили центробежно-дутьевой и центробежно-фильерно-дутьевой (струя расплава перед расщеплением на волокна проходит через насадку с мелкими отверстиями - фильеру) способы.

Осаждение волокна производится в камере волокноосаждения (вертикальной или горизонтальной) на специальный сетчатый конвейер. На конвейере волокно уплотняется и формируется минераловатный ковер.

Минеральную вату, в зависимости от диаметра волокна, подразделяют на три вида:

ВМСТ - вата минеральная из супертонкого волокна диаметром от 0,5 до 3 мкм;

ВМТ - вата минеральная из тонкого волокна диаметром от 3 до 6 мкм;

ВМ - вата минеральная диаметром волокна от 6 до 12 мкм.

Вату вида ВМ, в зависимости от значения модуля кислотности, подразделяют на три типа:

А - с модулем кислотности св. 1,6;

Б - с модулем кислотности св. 1,4 до 1,6;

В - с модулем кислотности св. 1,2 до 1,4.

Вата видов ВМСТ и ВМТ относится к типу А.

Минеральная вата не горит - относится к классу негорючих материаллов (НГ). Эффективно препятствует распространению пламени и может применяться в качестве противопожарной изоляции и огнезащиты.

Обладает высокой химической стойкостью. Минеральная вата является химически пассивной средой и не вызывает коррозии.

Имеет малую усадку (в том числе термическую) и сохранение своих геометрических размеров в течение длительного периода эксплуатации. Теплопроводность ваты - не более 0,05 Вт/м ⁰С.

К недостаткам минеральной ваты следует отнести повышенную паропроницаемость. Диффундирующий сквозь минераловатный утеплитель пар конденсируется в его толще. В результате происходит уменьшение термического сопротивления ограждающей конструкции в течение всего холодного времени года.

Конструкция должна быть спроектирована таким образом, чтобы минимизировать прохождение паров влаги и, как следствие, - возникновение конденсата. Минераловатный утеплитель должен быть защищен с одной стороны пароизоляционным барьером.

Снаружи, напротив, должны быть созданы благоприятные условия для свободного выхода пара (высыхания утеплителя).

Вата предназначена для изготовления теплоизоляционных, звукоизоляционных и звукопоглощающих изделий, а также в качестве теплоизоляционного материала в строительстве и промышленности для изоляции поверхностей с температурой до 700°С (товарная вата). Вату поставляют, как правило, в виде транспортных пакетов.

Базальтовая (каменная) вата

Разновидность минеральной ваты, получаемой из горных пород габбро-базальтовой группы.

Сырьем для производства базальтовой ваты являются горные породы основного состава (модуль кислотности М₀=2-2,5).

Процесс получения базальтовой ваты заключается в плавлении породы в электропечах при температуре 1500°С и получении волокон. Волокнообразование производится следующими способами:

- центробежно-дутьевым способом (Rockwool, Isover);

- фильерно-дутьевым способом (дуплекс-процесс) - вторичным раздувом нитей, образованных прохождением расплава через фильеры, струей продуктов горения газа;

- безфильерным способом с плавлением базальтовой однокомпонентной шихты в ВЧ электромагнитном поле с последующим раздувом струи расплава высокоскоростным воздушным потоком (Рагос).

Базальтовую вату, в зависимости от диаметра волокна, подразделяют на три вида:

БСТВ - вата базальтовая из супертонкого волокна диаметром от 0,5 до 3 мкм;

БТВ - вата базальтовая из тонкого волокна диаметром от 3 до 6 мкм.

По сравнению с минеральной ватой, базальтовая вата отличается большей виброустойчивостью, температурным диапазоном применения (до 900°С) и долговечностью.

Плотность рыхлой базальтовой ваты - до 80 кг/м³. Теплопроводность -0,035-0,038 Вт/м °С.

Материалы из базальтовой ваты хорошо выдерживают нагрузку, устойчивы к влиянию климатических условий, не горючи и не оказывают вредного воздействия на окружающую среду.

Имея открытопористую структуру, изделия на основе базальтового волокна обладают высокими звукопоглощающими характеристиками.

Отечественная промышленность выпускает холсты, вату и маты из базальтового волокна по одноименным техническим условиям ТУ5761-002-04001485-93, ТУ 21-23-247-88, ТУ 5761-002-24506566-98.

Стекловолокно (стекловата)

Стекловолокно представляет собой минеральное волокно, которое по технологии получения и свойствам имеет много общего с минеральной ватой. Для производства стеклянного волокна (стеклянной ваты) применяют следующее основное сырье: песок, глинозем, борную кислоту, соду Nа₂СО₃, сульфат натрия Na₂SО₄, поташ К₂СО₃, известняк, мел, доломит.

Качество выше у волокон, изготовленных из боросодержащих стекол. Но бораты дороги и дефицитны, поэтому теплоизоляционное волокно преимущественно производят из щелочных составов.

Для производства стекловаты может использоваться и стеклобой. В Финляндии на предприятиях Saint-Gobain Isover OY используется до 80% вторичного сырья - стеклобоя бутылочного стекла.

Для получения расплава применяют, в основном, ванные печи с площадью зеркала расплава 48 и 62 м2. Стекольный расплав перерабатывается в текстильное и штапельное стекловолокно. Для производства теплоизоляционных материалов используется штапельное волокно.

Переработка стекольных расплавов в штапельное волокно осуществляется, в основном, фильерно-дутьевым и фильерно-центробежно-дутьевым способами. Получаемое стекловолокно имеет диаметр от 1 до 10 мкм и более.

По толщине стекловолокно подразделяется на:

- ультратонкое, диаметром менее 1 мкм;

- супертонкое, диаметром 1-3 мкм;

- тонкое (текстильное), диаметром 4-12 мкм;

- утолщенное (изоляционное), диаметром 12-25 мкм;

- толстое, диаметром более25 мкм.

Средняя длина стекловолокна составляет 5 см, в то время как средняя длина волокна минеральной ваты - 1,5 см. Для производства теплоизоляционных материалов используется утолщенное, тонкое и супертонкое волокно.

На основе стекловолокна выпускают плиты, маты, трубную изоляцию, а также тканые материалы, например, стеклянные теплоизоляционные ленты (ГОСТ 14256-2000) и ткани (ТУ 6-48-48-90), используемые для изоляции трубопроводов.

Супертонкие волокна (СТВ), в отличие от обычных, обладают особыми свойствами, что позволяет применять их без связующего в виде матов, где скрепление волокон между собой происходит за счет сил естественного сцепления. Отечественной промышленностью выпускаются маты и вата из супертонкого волокна без связующего по ТУ 21-5328983-05-92.

Стекловолокно характеризуется высокой прочностью, вибростойкостью, биостойкостью, химической устойчивостью.

Отличие стекловолокна от минеральной ваты - в большей длине волокон первого. Это обуславливает одно из главных преимуществ стекловаты - повышенную упругость и способность после значительного сжатия восстанавливать свой объем и форму. Повышенная упругость изделий из стеклянного волокна позволяет транспортировать материал (спрессованный по сравнению с первоначальным объемом в 4 раза) в виде рулонов и упаковок. В развернутом виде материал быстро восстанавливает свой первоначальный объем и форму непосредственно после разворачивания.

Температура применения стекловаты - не выше 400⁰С.

Изделия из искусственного минерального волокна

В рыхлом (товарном) виде минеральную и стеклянную вату применять нецелесообразно. При транспортировании и хранении вата уплотняется и ее теплоизоляционные свойства ухудшаются.

Укладка рыхлой ваты в конструкции требует большой затраты ручного труда, причем, создаются тяжелые, антигигиенические условия вследствие пыления и колючести ваты. Перечисленные недостатки рыхлой ваты в значительной степени устраняются при переработке её в изделия. При этом изделия могут иметь следующую волокнистую структуру:

горизонтально-слоистую вертикально-слоистую

гофрированную пространственную

В качестве обкладочных материалов применяются проволочная сетка, стеклоткань, картон и др. материалы. Для прошивки используется проволока, стеклянные нити, пеньковые шнуры и пр.

Изделия из минеральной и стеклянной ваты выпускаются в довольно широком ассортименте. Их подразделяют на плоские (плиты, маты прошивные и вертикальнослоистые), фасонные (цилиндры, полуцилиндры, сегменты); шнуровые (шнуры, жгуты) и сыпучие (гранулированная вата).

Плиты

Плиты, в зависимости от относительной деформации при сжатии под нагрузкой, могут быть мягкими, полужесткими, жесткими, повышенной жесткости и твердыми.

Для получения плит на минераловатный ковер наносится связующее. При производстве изделий из минеральной ваты, в качестве связующего применяются фенолоспирты, карбамидные смолы, нефтяные битумы, ПВА дисперсии.

Для повышения эластичности используются каучуковые латексы. Для гидрофобизации используется водный раствор эмульсии КЭ-30-04 и силана.

Введение связующего осуществляется обрызгом, поливом или созданием гидромассы из минеральной ваты и связующего в виде эмульсии (мокрый способ).

После введения связующего, формуются соответствующие изделия. В процессе последующей сушки связующее отверждается и изделия приобретают необходимую жесткость и прочность.

Плиты могут формоваться по конвейерной технологии или поштучно. Поштучно формуются плиты повышенной жесткости и твердые плиты.

Маты

Маты изготавливаются из минераловатного ковра без пропитки связующим или с незначительной пропиткой. Маты могут быть прошивными или гофрированной структуры (ГС)

Изготовление прошивных матов производят путем обкладки минераловатного ковра гибкими материалами (металлической сеткой, водонепроницаемой бумагой, стеклотканью, асбестовой тканью) и прошивки изделий стеклянными, хлопковыми нитями или проволокой. Маты могут прошиваться и без обкладок.

Маты должны быть прошиты сплошными швами в продольном или поперечном направлениях, при этом обкладочные материалы могут быть пришиты с одной или двух сторон. Маты, применяемые в строительных конструкциях, должны быть прошиты только в продольном направлении.

Маты ГС допускается прошивать сплошными швами только в продольном направлении.

Особой разновидностью матов являются вертикально-слоистые маты (ламельные), обладающие повышенной прочностью и твердостью по сравнению с прошивными матами и, вместе с тем, сохраняющие гибкость.

Они состоят из полос-ламелей (позиция 2 рисунка в тексте), нарезанных из минераловатных плит и наклеенных на защитно-покровный материал (позиция - 1) в положении, при котором слои минеральной ваты в лам елях располагаются перпендикулярно защитно-покровному материалу.

В качестве защитно-покровного материала применяются: рубероид по ГОСТ 10923, стеклорубероид по ГОСТ 15879, фольга алюминиевая дублированная, стеклопластик рулонный для теплоизоляции и фольгорубероид по техническим условиям предприятия-изготовителя.

В качестве клеящего вещества применяется битум марок БН-70/30 и БН-90/10 по ГОСТ 6617, полиэтиленовая пленка - по ГОСТ 10354.

Маты, в зависимости от средней плотности, подразделяются на марки 75 и 125.

Фасонные изделия

Фасонные изделия часто называют трубными секциями (pipe section). Производство фасонных изделий (минераловатных цилиндров, полуцилиндров, сегментов) на синтетическом связующем имеет свои особенности. Этот вид минераловатных изделий широко применяют для тепловой изоляции трубопроводов.

Фасонные изделия вырабатывают из минеральной ваты, пропитанной синтетическим связующим двумя способами:

- способом навивки на специальную оправку;

- способом горячего прессования.

Способ навивки позволяет получать цилиндры и полуцилиндры полужесткого типа различных диаметров. Для этого используют навивочные станки.

Способом горячего прессования получают жесткие полуцилиндры и сегменты. Сущность способа - в уплотнении пропитанной связующим минераловатной заготовки в фасонных горячих формах, в которых осуществляется и тепловая обработка изделий.

Для удобства монтажа цилиндры разрезаются вдоль по образующей с одной стороны.

Среди отечественных производителей минеральной и стеклянной ваты и изделий из них наиболее известны ОАО «Термостепс (группа заводов), ЗАО «Завод Минплита» (Челябинск), ЗАО «Минеральная вата» (Железнодорожный), ЗАО «Изорок» (Тамбовская обл.), ЗАО «Минвата» (Кстово), АООТ «Теплоизоляция» (Саранск), ООО «Мостермостекло», ОАО «Салаватстекло» (Салават), «URSA Evrazia» (С-Петербург).

Среди зарубежных компаний, активно работающих на российском рынке, наиболее известны «Rockwool International A/S» (Дания), «Saint-Gobain Isover », (Франция), «IZOMAT» (Словакия), «PAROC OY AB» (Финляндия) и др.

2.1.2 Материалы на основе природных минеральных волокон

Асбестосодержащие материалы

Асбест - общее название природных минералов из группы серпентинов или амфиболов волокнистого трубчатого строения d_ви=30-60?, D_н=300-400?, длина до 15 мм.

По химическому составу минералы представляют собой водные силикаты кальция, магния, железа, натрия. Асбест обладает очень высокой прочностью на разрыв (до 300 МПа), что превышает прочность многих натуральных и искусственных волокон.

При температуре выше 600°С начинается интенсивная дегидратация асбеста, поэтому температуру его применения ограничивают указанным значением.

Наибольшее применение для производства асбестосодержащих материалов нашел хризотил-асбест (3MgO•2SiО₂•2H₂О) из группы серпентинов с ярко выраженным волокнистым строением.

Для производства теплоизоляционных материалов применяется асбест 6 и 7 групп по ГОСТ 12871-93.

Асбестоизвестковые или известково-кремнеземистые теплоизоляционные изделия изготавливаются формованием и последующей автоклавной обработкой водной суспензии тонко измельченной смеси извести, кремнеземистого компонента (песка диатомита или трепела) и асбеста. При использовании в качестве кремнеземистого компонента вулканических пород материал имеет название «вулканит».

Для изготовления известково-кремнеземистых изделий применяются: асбест хризотиловый 5 или 6-го сорта полужесткой группы по ГОСТ 12871-93, известь строительная воздушная кальциевая негашеная без добавок по ГОСТ 9179-77, диатомит, трепел, кварцевый песок или другие кремнеземистые материалы, содержащие не менее 75% SiО₂.

Известково-кремнеземистые изделия предназначаются для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов при температуре изолируемых поверхностей до 600°С.

Известково-кремнеземистые изделия, в зависимости от средней плотности, подразделяются на марки 200 и 225.

Изделия выпускаются в виде плит прямоугольного сечения (ППС), плит трапецеидального сечения (ПТС), полуцилиндров (Ц) и сегментов (С).

Асбестомагнезиальные материалы (наиболее известный - ньювель) представляют собой смесь асбеста и основной магнезиальной соли - основного гидрокарбоната магния (магнезия-альба) состава 4MgCО₃•Mg(OH)₂•4 H₂О.

Основной гидрокарбонат магния имеет много воздушных пор, которые находятся между его мельчайшими кристаллами. Его получают из магнезита, доломита или рапы (морская вода с высокой концентрацией соли).

Ньювель - высококачественный теплоизоляционный материал, однако, вследствие сложности технологического процесса, он оказался менее конкурентоспособным, чем другие теплоизоляционные материалы.

Асбестодоломитовые материалы (наиболее известный - совелит) изготовляют из доломитовой извести и асбеста. Отличаются они от ньювеля тем, что, кроме основного гидрокарбоната магния, содержат карбонаты кальция. Производятся совелитовые плиты и совелитовые порошки.

Асбестодиатомитовые материалы - это сыпучие порошкообразные смеси, состоящие, в основном, из асбеста и диатомита с добавками различных веществ.

Наиболее широко распространен материал асбозурит, состоящий из 15-30% (по массе) асбеста и 70-85% - диатомита или трепела.

Материалы с добавками слюды, шиферных отходов или вермикулита называют асбослюдой, асботермитом, асбозонолитом.

Шнуры асбестовые представляют собой изделия, изготовленные путем обвивания сердечника из асбестовой ровницы асбестовой пряжей. Производятся по ГОСТ 1779--83.

Подразделяются на:

- шнуры асбестовые общего назначения ШАОН;

- шнуры асбестовые пуховые ШАП;

- шнуры асбестовые газогенераторные ШАГ.

2.1.3 Ячеистое стекло

Пеностекло или ячеистое стекло - высокопористый теплоизоляционный материал ячеистой структуры, в котором равномерно распределенные поры разделены тонкими перегородками из стекловидного вещества.

Известно несколько способов получения пеностекла:

- введение в состав шихты веществ, обильно выделяющих газообразные продукты в процессе варки стекла;

- продувание стекольного расплава воздухом или газами;

- вспучивание размягченного стекла под вакуумом в результате расширения воздуха, содержащегося в стекломассе;

- смешивание тонкодисперсного стекольного порошка с технической пеной и последующее закрепление пористой структуры стекломассы спеканием; спекание смеси, состоящей из порошкообразного стекла и газообразователя (порошковый способ).

В России на сегодняшний день существуют следующие виды пеностекла:

- изоляционно-строительное, используемое для утепления ограждающих конструкций зданий;

- изоляционно-монтажное, применяющееся для изоляции установок глубокого и умеренного холода, промышленного оборудования и теплопроводов с рабочей температурой до 400°С;

- влагозащитное, характеризующееся водопоглощением за 360 суток не более 1,8% по объему;

- специального назначения (бесщелочное и высококремнеземистое, применяющееся для тепло- и электроизоляции приборов и аппаратов и характеризующееся высокой прочностью, термостойкостью, радиопрозрачностью (температура применения-до 600°С для бесщелочного пеностекла и до 1200°С - для высококремнеземистого);

- декоративно-акустическое (звукопоглощающее); фильтрующее, характеризующееся мелкой сообщающейся пористостью.

Основные свойства ячеистого стекла представлены в таблице 6.

Вспененное жидкое стекло - продукт термического или химического вспучивания гидратированного растворимого стекла.

Известны вспученные жидкостекольные материалы, представляющие собой продукты вспучивания гидратированных растворимых стекол, и композиционные материалы, включающие гранулированное вспученное жидкое стекло и связующее.

Таблица 6

Свойства ячеистого стекла

Показатель	Виды ячеистого стекла
	изоляционно-строительное	изоляционно-монтажное	бесщелочное	влагозащитное
Средняя плотность, кг/м3	150-250	130-160	350-500	140-180
Теплопроводность при 20°С, Вт/(м°С)	0,06 - 0,087	0,055 - 0,07	0,1 - 0,125	0,06 - 0,07
Прочность, МПа: при сжатии при изгибе	0,8-2,0 0,5 - 1,0	0,5 - 0,8 0,3 - 0,4	3-5 1,0- 1,5	0,6 - 0.9 0,4 - 0,6
Допустимая температура применения, °С	400	От-160 до 400	600	-

По природе вспучивания жидкостекольные материалы разделяются па термовспученные и вспученные в результате химического взаимодействия между стеклом и специально введенным в него веществом.

К термовспученным материалам относят зернистые (силипор, стекло-пор, бисипор), а также обжиговые монолитные материалы - пеносиликат. К вспученным химическим путем - заливочные композиции, в которые вводят газообразующий компонент (эколит и др.).

2.1.4 Материалы на основе вспученных и пористых горных пород

Материалы на основе вспученного перлита

Вспученный перлит получают при термической обработке при температурах 850-1200⁰С сырья из вулканических стекловатых водосодержащих пород кислого состава, отвечающих требованиям ГОСТ 25226-96.

В зависимости от содержания воды, вулканические стекла разделяют на обсидианы (до 1% воды), перлиты (1-6%), пехштейны, витрофиры и др. (более 6%).

В производстве вспученного перлита все применяемые в качестве сырья вулканические породы с содержанием воды называют перлитом.

Химический состав перлита различных месторождений колеблется в следующих пределах, % по массе: SiО₂ - от 70 до 75; А1₂О₃ - от 2,5 до 9; Fe₂О₃ - от 0,2 до 4; CaO+MgO - от 0,3 до 6; Н₂О - от 0,3 до 10.

Вспучивание перлитовых пород заключается в совмещении процессов испарения находящейся в них связанной воды с переходом вещества породы из твердого в пиропластическое состояние. Порообразователем, в данном случае, служит вода, которая, переходя из твердого состояния в пар при температуре 900-950°С, увеличивается в объеме в 4000 раз. При этом происходит вспучивание пластичной массы.

Коэффициент вспучивания (отношение объема вспученной массы к объему до вспучивания) для хорошо вспучивающихся перлитов - от 13 до 16.

Мировой уровень производства вспученного перлита достигает 20 млн. м в год. В 90-х годах 20-го века ежегодный рост объемов производства этого материала в мире, в среднем, составил около 10%.

Вспученный перлит производится в виде песка или щебня (ГОСТ 10832-91), а также в виде плит и фасонных изделий.

Вспученный перлитовый песок применяется в значительных объемах для производства теплоизоляционных сухих строительных смесей.

Наибольшее количество вспученного перлита в мировой практике используется в формованных теплоизоляционных изделиях (около 60%).

В качестве связующего используют различные продукты: цемент, гипс, битум, жидкое стекло, синтетические смолы.

Изделия из вспученного перлита, в зависимости от применяемого вида связующего, подразделяют на два основных типа:

- безобжиговые - битумоперлит, перлитофосфогель, пластоперлит, цементоперлит, силикатоперлит, стеклоперлит, гипсоперлит;

- обжиговые - керамоперлит, перлиталь, перлитофосфат, керамоперлитофосфат, термоперлит.

Производство всех видов перлитовых изделий включает следующие операции: подготовку и дозировку сырьевых материалов, смешивание компонентов, формование изделий и тепловую обработку. Исключение составляет битумоперлит, который не требует тепловой обработки.

Битумоперлит

Перлитобитумная смесь - смесь перлитового песка марок 150, 200 и строительного битума. Выпускается марок БП-350, БП-400.

Перлитобитумные изделия - изделия, изготовленные из вспученного перлитового песка, битумоглиняной пасты, асбеста и модифицирующих добавок (например, карбоксиметилцеллюлозы, СДБ).

Перлитобитумные изделия, в зависимости от содержания битума, относятся к трудносгораемым (Т) или сгораемым (С) материалам. Изделия, в зависимости от средней плотности, подразделяют на марки 200, 225, 250 и 300.

Пластоперлит

Пластоперлит получают из вспученного перлитового песка и синтетических смол.

Наиболее эффективными вяжущими являются композиции инденкумароновых, мочевиноформальдегидных, алкилфенольных и фенолформальдегидных смол. Из пластоперлита формуются изделия в виде плит.

После формования изделия проходят тепловую обработку в сушильных камерах при температуре 50-70°С.

Перлитонемент

В России разработано и внедрено в производство большое количество пер лито-цементных теплоизоляционных материалов и изделий. Среди них -перлитоцементные плиты, кирпичи, скорлупы и сегменты (Хотьковский АО «Теплоизолит», ЗАО Дмитровская теплоизоляция, ЗАО Магаданперлит и др.).

Перлитоцементные изделия (плиты, кирпич, скорлупы, сегменты) изготовляют из смесей, содержащих перлитовый песок, портландцемент марки 400, распушенный асбест V сорта и воду.

Изделия формуют и подвергают термовлажностной обработке, с последующей сушкой.

Стеклоперлит (аналог перлитогеля)

Стеклоперлит получают из смеси вспученного перлитового песка (60 -70%) и жидкого стекла плотностью 1,25 - 1,35 г/см (30 - 40%).

Технология стеклоперлитовых изделий отличается от технологии перлитоцементных изделий лишь тепловой обработкой сырца, которую осуществляют в туннельных сушилках при температуре 300 - 400°С.

Силикатоперлит

Для производства селикатоперлита используется вспученный перлитовый песок. Силикатоперлит изготовляют на известковом и известково-кремнеземистом вяжущем с добавкой асбеста в автоклавах при давлении 0,8 -1,2 МПа.

Перлитофосфогель

Перлитофосфогелевые материалы получают из вспученного перлитового песка, асбеста, жидкого стекла с добавкой ортофосфорной кислоты.

Изделия могут армироваться специальными покрытиями, например, мешочной бумагой.

Керамоперлит

Перлитокерамические изделия (керамоперлит) формуют на гидравлических или фрикционных прессах из массы, содержащей 50-60% вспученного перлитового песка и 40-50% глины.

Изделия более высокого качества получают при использовании огнеупорных или бентонитовых глин. Отформованные изделия сушат и обжигают при температуре 750-850°С.

Используя в качестве одного из компонентов ортофосфорную кислоту, получают керамоперлитофосфатные изделия. Формовочная смесь содержит: 80% по массе перлитового песка, 20% - глины и 25-30% - ортофосфорной кислоты.

Предпочтительно применять огнеупорные тонкодисперсные пластичные глины. Тепловую обработку производят при температуре 900°С.

Лигноперлит, термоперлит, эпсоперлит

Лигноперлит получают из перлитового песка и связующего.

В качестве связующего применяются лигносульфонаты с небольшим количеством добавок фосфорной кислоты и кремнийорганической жидкости ГКЖ-10, 11.

Лигносульфонаты, известные в технике как концентраты сульфиднод-рожжевой бражки (СДБ), являются доступным источником сырья. Их содержание в материале может составлять от 7 до 20% по массе.

В зависимости от содержания связующего, лигноперлит относят к несгораемым и трудно сгораемым материалам.

Термоперлит получают из перлитового песка и связующего. В качестве связующего применяется гидроокись натрия с гидрофобизирующими добавками или без них.

Эпсоперлит получают из перлитового песка и связующего - семиводного сульфата магния (эпсомита MgSО₄•7H₂О),взаимодействующего при термообработке с веществом перлита (SiО₂).

Материалы на основе вспученного вермикулита

Вермикулит - гидратированный магнезиальный слоистый силикат магния с переменным количеством железа.

Вермикулит образуется, главным образом, за счет выветривания магнезиально-железистых слюд флогопит-биотитового ряда. Основные изменения при переходе исходных слюд в вермикулит происходят в межслоевых промежутках слюд, где после выноса щелочных катионов располагаются молекулы воды.

Вспученный вермикулит представляет собой сыпучий зернистый материал чешуйчатого строения, получаемый в результате обжига вермикулитов при температурах 800-900°С.

В результате обжита удаляется гидратная вода и частицы вермикулита увеличиваются в объеме в 15-20 раз.

В отличие от вспученного перлита, вспученный вермикулит обладает упругостью, которая выражается в его способности частично восстанавливать высоту предварительно сжатой пробы после снятия сжимающей нагрузки.

Основные месторождения вермикулита в РФ - в Мурманской области (разрабатывает ОАО «Ковдорслюда», г. Ковдор) и на Урале (Потанинское месторождение).

Изделия из вспученного вермикулита получают по технологии, аналогичной технологии изделий из вспученного перлита. В качестве связующих применяют битум, жидкое стекло, портландцемент, глину, диатомит (трепел).

Вермикулит применяют в качестве теплоизоляционной засыпки при температуре изолируемых поверхностей от -260 до +1100°С (до 900°С - при изоляции вибрирующих поверхностей), для изготовления теплоизоляционных изделий, а также в качестве заполнителя для легких бетонов и для приготовления штукатурных растворов и сухих строительных смесей: огнезащитных, теплоизоляционных и звукопоглощающих.

Производятся и теплоизоляционные смеси из вермикулита и асбеста, используемые в качестве теплоизоляционных засыпок.

Пористые заполнители

Искусственные пористые заполнители

Предназначены для приготовлении легких бетонов по ГОСТ 25820-00.

Могут использоваться в качестве теплоизоляционных и звукоизоляционных засыпок.

Производятся следующие виды искусственных пористых заполнителей по ГОСТ 9579-90:

- гравий (керамзитовый, шунгизитовый, аглопоритовый);

- щебень (шлакопемзовый, аглопоритовый, керамзитовый);

- песок (керамзитовый дробленый и обжиговый, шунгизитовый, аглопоритовый, шлакопемзовый).

Керамзитовые пористые заполнители получают обжигом вспучивающихся легкоплавких глин при температуре 1000-1100°С.

Аглопоритовые пористые заполнители получают обжигом легкоплавких глин с примешанными выгорающими добавками при температуре 900-1100°С.

Шунгизитовые пористые заполнители получают обжигом шунгитовых пород при температуре 1000-1100°С.

Шлакопемзовые пористые заполнители (термозит)получают вспучиванием доменного расплавленного шлака при резком охлаждении водой.

Гравий и щебень изготовляют следующих основных фракций 5 - 10; 10 - 20; 20 - 40 мм.

Песок: крупный, средний и мелкий.

Марки по насыпной плотности - 250 -1100.

Природные пористые заполнители

Предназначены для приготовлении легких бетонов по ГОСТ 25820-00. Могут использоваться в качестве теплоизоляционных и звукоизоляционных засыпок.

Получают из горных пород вулканического (пемз, шлаков, туфов, крупнопористых базальтов, андезито-базальтов и андезитов) или осадочного происхождения (пористых известняков, известняков-ракушечников и других карбонатных пород, а также алевролитов, спонголитов, опоки и других кремнеземистых пород).

Производятся щебень и песок по ГОСТ 22263-76

Щебень изготовляют следующих фракций: 5 - 10; 10 - 20; 20 - 40 мм.

Песок: крупный, средний и мелкий.

Марки по насыпной плотности - 300 -1400.

Щебень и песок, используемые для теплоизоляционных засыпок, должны иметь насыпную плотность не более 800 кг/м3 и коэффициент теплопроводности не более 0,15 Вт/м ч °С.

2.1.5 Керамические теплоизоляционные материалы

Группа керамических теплоизоляционных материалов включает ряд разновидностей высокопористой керамики: диатомитовые (трепельные), перлитокерамические (см. п. 4.2.1.4), огнеупорые (шамотные, динасовые, дистен-силлиманитовые, высокоглиноземистые, корундовые и др.(см. соответствующую главу).

Высокопористое строение этих изделий обеспечивается различными способами. Однако закрепление высокой пористости и придание изделиям прочности во всех случаях достигаются только в процессе их обжига, что и позволяет объединить эти материалы общим названием

Диатомит и пенодиатомит

Основным сырьем для производства диатомитовых керамических изделий служат диатомиты и трепелы.

Диатомит - природный материал, аморфный опаловый кремнезём, представляющий собой окаменелые останки древних диатомитовых водорослей (диатомей). Это пористая порода, на 90% заполненная воздухом, что определяет её высокие теплоизоляционные характеристики.

Трепел - порода более раннего происхождения и более плотная.

По существу, диатомиты и трепелы являются разновидностями одной горной породы и имеют одинаковый химический состав. Это природные гидраты кремнезема в аморфном состоянии, относящиеся к группе опала. Их химический состав в чистом виде можно выразить формулой mSiO₂•nH₂O.

Теплоизоляционные изделия из диатомитов трепелов изготавливают в виде кирпичей, полуцилиндров и сегментов.

...