VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

К неорганическим теплоизоляционным материалам традиционно относят минеральную вату и изделия из нее, асбестовые изделия, утеплители на основе перлита и вермикулита, диатомита, трепела, пенобетоны, ячеистые бетоны, пеностекло [3].

Минеральная вата (ГОСТ 4640 – 93) состоит из искусственных минеральных волокон. Производство ее включает две основные технологические операции - получение расплава и превращение его в волокна диаметром до 2...10 мкм. Расплав получают, как правило, в шахтных плавильных печах - вагранках или ванных печах. Превращение расплава в минеральное волокно производят дутьевым или центробежным способом. При дутьевом способе выходящий из печи расплав разбивается на мелкие капельки струей пара или воздуха, которые вдуваются в специальную камеру и в полете сильно вытягиваются, превращаясь в тонкие волокна. При центробежном способе струя жидкого расплава поступает на быстровращающийся диск центрифуги и под действием большой скорости вращения сбрасывается с него и вытягивается в волокна. Таким образом, минеральная вата представляет собой тонкие и гибкие волокна, полученные при охлаждении предварительно раздробленного в капли и вытянутого в нити минерального расплава. В зависимости от вида сырья минеральная вата делится на каменную и шлаковую. Сырьем для производства каменной ваты служат горные породы - диабаз, базальт, известняк, доломит, глина и др. Шлаковую вату получают из доменных, ваграночных и мартеновских шлаков, а также шлаков цветной металлургии.

Волокна минеральной ваты обычно имеют длину от 2 до 10 мм, их диаметр - не более 8 мкм. Марку минеральной ваты определяют под пригрузом в 0,02 МПа. Коэффициент теплопроводности не превышает 0.05 Вт/(м·К) при 25˚С. Содержание неволокнистых включений, к которым относят частицы размером более 0.25 мм, должно быть в зависимости от марки ваты не более 12-25% Несмотря на то, что минеральную вату получают из расплава с температурой 1300-1400°С, температура её применения, как правило, составляет не более 600°С [11].

Основными преимуществами по применению данного материала является то, что подобные волокна не поддерживают горения, безопасны в смысле газовыделения при высоких температурах, вес кубометра ковра или мата не превосходит нескольких десятков килограммов. Удержание воздуха внутри подобной среды с развитой поверхностью позволяет добиться значений коэффициента теплопроводности до 0,05 Вт/(м·К). Низкая средняя плотность позволяет минеральным ватам конкурировать с пенопластами, а высокая температуростойкость (до 700°С) – с любыми другими теплоизоляционными материалами.

Стекловата - это материал представляет собой минеральное волокно, которое по технологии получения и свойствам имеет много общего с минеральной ватой. Для получения стеклянного волокна используют то же самое сырье, что и для производства обычного стекла или отходы стекольной промышленности. Кроме того, для нужд специальной теплоизоляции используются каолиновая, кварцевая и графитовая вата. Эти разновидности ваты обладают повышенной температуростойкостью. Стекловату получают в основном фильерно-дутьевым способом.

Прочность волокон стеклянной ваты выше, чем у минеральной, прочность при растяжении, равна 20-25МПа). Коэффициент теплопроводности - 0,030-0,052 Вт/(м·К). Температуростойкость стеклянной ваты обычного состава - 450°С, что ниже, чем у минеральной ваты. Комовую стеклянную вату для тепловой изоляции применяют реже, чаще всего ее перерабатывают в изделия.

По свойствам стекловата несколько отличается от минеральной. Волокна стеклянной ваты имеют большую толщину (16-20 мкм), чем минераловатные. Они обладают повышенной упругостью. Стеклянная вата содержит очень мало неволокнистых включений, обладает высокой вибростойкостью.

Недостатком волокнистых изделий является сложность получения на их основе жёстких конструкций без использования связующего, как правило, органического, что сразу же ставит эти материалы в разряд горючих. Но даже изготовленные без применения органических связующих, волокнистые стекломатериалы имеют ряд существенных недостатков. Благодаря высокой воздухо- и паропроницаемости волокнистых материалов химическое воздействие внешней среды распространяется на всю структуру (волокна) подобных материалов, (повышение влажности материала на 1% приводит к увеличению теплопроводности примерно в 30 раз). В результате воздействия влаги происходит разрушение как связующего и защитного слоя, так и самих волокон. Волокна становятся короче и менее связаны друг с другом. Теплофизические и прочностные характеристики мата или плиты в целом начинают заметно ухудшаться. Разрушение волокон происходит из-за температурных перепадов, так как сверхтонкие волокна начинают крошиться по причине делатометрического изменения их размеров и процессов кристаллизации внутри них.

Таким образом, с течением времени волокна становятся все короче и все менее связаны друг с другом, что сопровождается лавинообразным ухудшением всех положительных свойств теплоизоляционного материала. Однажды наступает такой момент, когда минеральный волокнистый материал приближается в своем состоянии к трухе из коротких (и весьма небезопасных в отношении здоровья) стеклянных иголок. Эти иголки под действием силы притяжения оседают. Образующийся слой распавшегося материала, служить теплозащитой уже не может [1, 18].

Асбестом (ГОСТ 12871-93) называют минералы группы серпентинов или амфиболов, имеющих волокнистое строение, способных при механическом воздействии разделяться на тончайшие волокна. По химическому составу асбестовые минералы являются водными силикатами магния, железа, кальция и натрия. Содержание воды в асбесте группы серпентинов составляет 13-14,5%, а в группе амфиболов (в зависимости от вида) 1,5-3%.Волокнистое строение наиболее ярко выражено у асбеста серпентиновой группы, к которой относится только один вид асбеста – хризотиловый.

Получают асбест в результате затвердевания приготовленной смеси асбеста, цемента и воды. Плотность асбеста составляет от 300 до 520 кг/м³.

В течение длительного времени асбест был практически единственным утеплителем, применяющимся в различных отраслях строительства, однако, с развитием исследований в области онкологических заболеваний выяснилось, что при вдыхании, пылевидные частицы данного материала могут провоцировать развитие рака легких [4].

Ячеистые бетоны(ГОСТ 25192-82) искусственный камневидный материал с равномерно распределенными порами в виде ячеек диаметром 1 – 2 мм, получаемый в результате затвердевания предварительно вспученной с помощью газообразователя смеси вяжущего вещества, кремнеземистых компонентов и воды.

В зависимости от вяжущего материала ячеистые бетоны бывают цементные или силикатные. По способу образования пористой структуры ячеистые бетоны подразделяются на пенобетоны, получаемые способом пенообразования пор, и газобетоны, получаемые способом газообразования пор. В качестве газообразователей используют алюминиевую пудру, в качестве пенообразователей – смолосапониновый, клееканифольный и другие составы [6, 11].

По способу твердения ячеистые бетоны делятся на бетоны естественного твердения при атмосферных условиях и искусственного твердения в автоклавах, при обработке водяным насыщенным паром, под давлением от 0,9 до 1,3 МПа, и температурой 175 - 190˚С.

Существенным преимуществом неавтоклавной технологии, является возможность организации производства ячеистого бетона, при отсутствии автоклавов и насыщенного пара, высокого давления. Основной недостаток неавтоклавных ячеистых бетонов усадка в процессе эксплуатации (2 – 3 мм/м), объясняется слабой закристаллизованностью продуктов гидратации цемента. Ячеистый бетон не гниет, не горит, имеет низкое содержание естественных радионуклидов и отвечает самым высоким санитарно–гигиеническим требованиям для строительства.

К основным недостаткам ячеистых бетонов следует отнести, высокое водопоглощение которое приводит к низкой влаго- и морозостойкости.

Водопоглощение теплоизоляционного газобетона достигает в некоторых случаях 20%. Высокая гидрофобность материала снижает адгезию к поверхности (затрудняет штукатурные работы) и прочность конструкций. Прочность ячеистых бетонов невысока. Например, прочность газобетона плотностью 300 кг/м³ составляет всего 0,8 МПа; плотностью 500 кг/м³ – 2,5-3,0 МПа, и плотностью 600 кг/м³ – 3,5 МПа соответственно [7].

Другими, весьма перспективными теплоизоляционными материалами, являются материалы, получаемые на основе жидкого стекла [10, 17]. Теплоизоляционные изделия на основе вспученного жидкого стекла, включают широкую гамму материалов, структурообразующим элементом которых являются продукты термического или химического вспучивания гидратированных растворимых стекол (гидратированных щелочных силикатов). Эти материалы могут быть классифицированы по следующим признакам:

1) природе структурообразующих элементов изделий;

2) принципу вспучивания;

3) фракционному составу;

4) эксплуатационным свойствам;

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

По природе вспучивания жидкостекольные материалы разделяются на термовспученные и вспученные в результате химического взаимодействия жидкого стекла со специальными веществами, вводимыми в сырьевую смесь. К термовспученным материалам относятся зернистые, а также обжиговые монолитные материалы. К вспученным химическим путем относят заливочные композиции, в которые вводят газообразующий компонент.

Зернистые материалы в зависимости от гранулометрического состава разделяются на крупнозернистые с размером зерен более 5 мм (стеклопор) и мелкозернистые с размером зерен от 0,01 до 5 мм (силипор).

Основными представителями данного класса теплоизоляционных материалов являются:

Пеносиликат получаемый на основе жидкого стекла имеет следующие свойства, при плотности материала 50-300 кг/м³, предел прочности при сжатии составляет 0,08-0,9 МПа, коэффициент теплопроводности 0,030-0,065Вт/м°·С [23].

Стеклосиликат связующим при изготовлении стеклосиликата является жидкое стекло или его смесь со специальными добавками. Различают три разновидности этого материала.

Стеклосиликат первой разновидности относится к крупнопористым легким бетонам, объемная масса крупнопористого стеклосиликата находится в пределах 80-140 кг/м³, прочность при сжатии – 0,15-0,4 МПа, теплопроводность – 0,05-0,07 Вт/(м·°C).

Стеклосиликат второй разновидности относится к группе омоноличенных наполненных материалов и назван обжиговым стеклосиликатом. Объемная масса обжигового стеклосиликата равна 130-200 кг/м³, прочность при сжатии составляет – 0,2 - 0,4 МПа, теплопроводность – 0,07-0,08 Вт/(м·°C).

Стеклосиликат третьей разновидности также относится к группе омоноличенных наполненных материалов. Этот вид стеклосиликата получил название заливочного. Его объемная масса равна 120-200 кг/м³, прочность при сжатии 0,2-0,4 МПа, теплопроводность 0,06-0,08 Вт/(м·°C) [32, 33].

Стеклофосфогель является близким аналогом обжигового стеклосиликата. При его изготовлении используют смесь жидкого стекла, ортофосфорной кислоты и измельченного стеклопора. Получаемый материал имеет крупные поры, характеризуется объемной массой равной 90-150 кг/м³, прочностью при сжатии 0,12-0,2 МПа и теплопроводностью 0,07 Вт/(м·°C) [32, 33].

Стеклоцемент этого крупнопористый теплоизоляционный материал, представляющий из себя, перемешанные гранулы стеклопора и цементного молока. Для изготовления стеклоцемента используют высокомарочные быстротвердеющие цементы (БТЦ, ОБТЦ), а также гипсоцементно-пуццолановые вяжущие. Объемная масса стеклоцемента 120-200 кг/м3, прочность при сжатии 0,15-0,3 МПа, теплопроводность 0,07-0,1 Вт/(м·°C) [32, 33].

Стеклопенополиуретанпри объемной массе 100-180 кг/м³ его прочность при сжатии равна 0,7-1,0 МПа [32, 33].

Стеклопенокарбамид готовят на основе мочевино-формальдегидных смол. В отличие от заливочных пенопластов при его изготовлении вначале из смолы приготовляют пеномассу, которая затем заполняет межзерновые пустоты вспученного стеклопора. Достоинство этого материала перед традиционными карбамидными пенопластами - значительное уменьшение усадочных деформаций при существенном повышении жесткости и прочности. Объемная масса стеклопенокарбамида равна 60 кг/м³, прочность при сжатии 0,04 – 0,08 МПа, теплопроводность – 0,04 Вт/(м·°C) [32, 33].

Стеклобитум изготавливают из стеклопора и битумов марок БН-ΙV или БН-V. При изготовлении стеклобитума практически не требуется запрессовки изделий, в результате чего на 1 м³ изделий расходуется всего 1,05-1,1 м³ вспученного стеклопора. Объемная масса стеклобитума колеблется в пределах от 80 до 200 кг/м³, теплопроводность – 0,045-0,07 Вт/(м·°C) [22].

Одним из существенных недостатков материалов на основе жидкого стекла, является довольно высокое водопоглощение (до 35%), обусловленное значительной долей сквозной пористости в структуре и низкое значение водостойкости, приводящее к необходимости их зашиты от воздействия ударно-механических нагрузок, воды и атмосферных осадков [5, 8, 9].

Кроме представленных выше материалов, существуют такие неорганические теплоизоляционные материалы, как вспученный перлит и вермикулит [14, 15, 31], а также пеностекло.

Пеностекло является неорганическим силикатным материалом, состоящим на 95-97% из газовой фазы и 5-3% стекла и газообразователей [12].

В 1932 г. профессор И. И. Китайгородский опубликовал сведения о возможности получения пеностекла по принципу пропускания газовоздушной смеси через расплавленную стекломассу. Однако технически эту идею осуществить тогда было трудно. В 1934 г. во Франции Лонг получил патент на изготовление пеностекла нагреванием до 900°С смеси стекольного порошка с газообразователем и восстановителем. В 1939 г. И.И. Китайгородский и Ю.М. Бутт разработали способ промышленного производства пеностекла, реализованный лишь в 1947 г. при крупных стекольных заводах с использованием в качестве сырья стекольного боя. Дальнейшее развитие производства пеностекла шло в направлении совершенствования технологии и расширения сырьевой базы. Так предполагалось, что производство пеностекла вполне удовлетворительно может развиваться на базе отходов стекольной промышленности. Первые попытки обеспечить производство пеностекла отходами стекла требуемой кондиции показали несостоятельность такого решения [13, 16].

Известно несколько способов получения ячеистой структуры пеностекла:

-холодный – получение при обычной температуре пеностекольной «сырой» массы, включающей молотое стекло и пенообразователь, с последующей фиксацией структуры спеканием частиц стекла при высокой температуре;

-введением в состав шихты веществ, образующих при варке стекла обильную пену;

-использованием вакуума для вспенивания размягченного стекла;

-порошковый – спеканием порошкообразной смеси стекла с газообразователем.

Наибольшее распространение получил порошковый способ, позволяющий регулировать физико-механические свойства пеностекла в широких пределах за счет изменения вида газообразователя, химического состава стекла, температурного режима обработки. Промышленность производит по этому способу несколько видов пеностекла: монтажное, строительно-изоляционное, звукоизолирующее, фильтрующее, специальное температуростойкое [19 - 21, 23, 24].

Сущность порошкового способа заключается в следующем: формы, заполненные шихтой, содержащей тонкомолотые стекло и газообразователь (0,5-3% по массе), нагревают до температуры вспенивания и охлаждают. Размягчение и спекание частиц стекла начинается при 600°С. Дальнейший подъем температуры снижает вязкость стекла, способствует выделению газов вследствие разложения газообразователя и вспучиванию стекломассы со значительным увеличением ее объема. По достижении необходимой степени поризации температуру в печи снижают. При этом прекращается выделение газа и фиксируется ячеистая макроструктура пеностекла вследствие резкого увеличения его вязкости [25, 30.

Способность стекломассы вспениваться и характер возникающей поризованной структуры регламентируются физико-химическими и технологическими факторами. К первым относятся вязкость и поверхностное натяжение стекольного расплава, которые, в свою очередь, зависят от химического состава стекла, давления выделяющейся газовой фазы, определяемого видом и количеством газообразователя. К технологическим факторам относятся степень измельчения спекаемого материала, температура и скорость ее подъема, продолжительность вспенивания [12].

Вязкость и поверхностное натяжение являются важнейшими характеристиками, определяющими возможность получения пены из стеклянного расплава. Низкое поверхностное натяжение позволяет получать тонкие пленки, вязкость препятствует разрыву этих пленок. Высокое поверхностное натяжение расплава препятствует получению пены. Как и при получении минеральной ваты, предпочтительнее использовать расплавы с широким температурным интервалом рабочей вязкости, т. е. «длинных» расплавов [13].

Химический состав используемого стекла должен предопределять его следующие основные технологические свойства:

– размягчение стекла должно происходить при достаточно низкой температуре, скорость снижения вязкости с ростом температуры – незначительна;

– использование стекла должно быть экономически целесообразным, что определяется его невысокой стоимостью и недефицитностью сырьевых компонентов;

– при нагревании порошкообразное стекло не должно «расстекловываться» (кристаллизоваться) до полного завершения процесса вспенивания [16].

Давление газовой фазы при вспенивании зависит от вида газообразователя, его расхода, температуры разложения и может достигать 1,1 МПа.

Расход газообразователя более 5 % вызывает усиленное газовыделение, приводящее к увеличению размера пор, что не всегда желательно, хотя при этом и уменьшается средняя плотность. К такому же результату приводит повышение температуры выше оптимальной, когда вязкость уменьшается настолько, что вследствие прорыва стенок пор они соединяются и укрупняются. Чем выше температура, тем быстрее идет вспучивание и получается материал с меньшей средней плотностью. Непосредственное влияние на скорость спекания порошкового стекла, качество получаемого расплава и структуру пеностекла оказывает тонкость помола стекла. Степень диспергации стекла в шихте регламентируется остатком на сите с 10000 отв./см² не более 10 % и полным прохождением через сито с 6400 отв./см² [12].

Применение того или иного газообразователя зависит от технологических параметров получения пеностекла (температуры, степени и вида поризации), свойств стекла (интервала вязкости стекла, поверхностного натяжения), требуемой окраски. Технология пеностекла включает следующие основные переделы: получение стеклянного расплава; производство из расплава стеклянного гранулята; получение шихты; вспенивание и отжиг; обработка, упаковка и складирование. При использовании отходов стекольного или тарного производства технологическая схема отличается лишь отсутствием первых двух переделов [13].

Стеклянный расплав получают в ванных стекловаренных печах непрерывного действия. Гранулят образуется при резком охлаждении вытекающих из печи струй расплава, обильно орошаемых водой, что исключает его кристаллизацию. Далее следует измельчение стеклогранулята или стеклоотходов и кускового газообразователя на дробилках до размера зерен не более 3 мм с последующим совместным помолом в шаровых мельницах непрерывного действия до удельной поверхности 500–700 м²/кг. Вспучивание и отжиг производят в жароупорных стальных или чугунных формах по одно- или двухстадийному режиму либо на непрерывно движущемся жаростойком конвейере [26, 27].

Для повышения химической и термической стойкости в композиции вводятся щелочные алюмосиликаты, трепела, каолиниты и другие глинистые вещества, содержащие силикаты алюминия. Для получаемых материалов характерна достаточно несложная и неэнергоёмкая технология. Общей является способность жидкого стекла образовывать при нагреве высокопористую структуру, характеризующуюся высокой адгезионной способностью, что позволяет получать теплоизоляционные материалы с использованием различных органических и неорганических наполнителей. Однако использование таких материалов в строительстве может быть затруднено низкой водостойкостью, присущей пене на основе жидкого стекла. Кроме того, вода, являющаяся основным порообразователем в данных композициях, вряд ли способна образовывать структуры с равномерной пористостью. В результате кажущаяся плотность получаемых таким образом изделий может варьироваться в пределах от 75 до 350 кг/м³ [26].

Ведутся исследования по получению пеностекла из стеклобоя с использованием карбонатных газообразователей. Причём для уменьшения закрытой пористости авторы предлагают использовать поверхностно-активную добавку – высококремнеземистую глину. Таким способом предполагается снизить температуру вспенивания пеностекла без ухудшения его структуры [28, 29].

На кафедре ХТ ВлГУ, с участием авторов, ведутся разработки по получению высокоэффективной теплоизоляции на основе техногенных отходов промышленности [34-36].

Список использованной литературы: