Теплоизоляционные материалы

По виду исходного сырья различают    неорганические и органические материалы. К первым можно отнести минеральную и стеклянную вату, пеностекло, перлит и вермикулит и т. д., ко вторым - материалы и изделия из древесного и другого растительного сырья; теплоизоляционные  пластмассы.   Смешанные материалы, в состав, которых входят неорганические и органические составляющие, относятся к первой (минеральные  изделия)   или  ко  второй  группе (фибролит) в зависимости от того, какие компоненты в смеси npeвышают 50% по массе.

По структуре материалы подразделяют на   волокнистые — весноволокнистые или стекловатные изделия, ячеистые - пеностекло, пенокерамика, пенобетон и зернистые  (сыпучие) — вспученные перлит, вермикулит и др.

По форме и внешнему виду различают  штучные и сыпучие теп­лоизоляционные материалы. К штучным материалам относят раз­личного вида и формы изделия. Они могут быть плоскими — кирпичи, маты,    блоки, плиты;     фасонными — цилиндры,    сегменты, скорлупы;   и  шнуровыми — шнуры,  жгуты.  Применение  штучных материалов повышает качество теплоизоляции и уменьшает трудо­затраты. К сыпучим относятся порошкообразные, волокнистые   и зернистые рыхлые материалы. Их применяют для засыпки пустот в каркасных стенах, в междуэтажных перекрытиях. Но со временем они слеживаются, уплотняются  и их  теплоизоляционные  свойства понижаются. Некоторые   порошки,   затворенные   водой,   идут для приготовления мастичной изоляции (совелит, магнезит «ньювель», асбозурит), применяемой в основном для заделки швов между теплоизоляционными изделиями.

По жесткости   теплоизоляционные изделия   подразделяют   на мягкие полужесткие, жесткие,   повышенной жесткости и твердые. Для индустриализации строительных работ все большее применение находят жесткие крупноразмерные теплоизоляционные материалы и изделия. Мерой жесткости является величина их сжимаемости или относительной   деформации    сжатия.    При    удельной    нагрузке 0,02 МПа жесткие материалы имеют относительное сжатие до 6%, полужесткие — 6...30 и  мягкие — более 30%. В  материалах  повы­шенной жесткости и твердых при удельной нагрузке соответственно 0,04 и 0,1 МПа относительное сжатие не должно превышать 10%.

По плотности теплоизоляционные материалы делят на особо легкие (особо низкой   плотности) плотностью 15...75 кг/м3, легкие (низкой   плотности) — 100...175,   средней   плотности — 200...350   и плотные —400...600 кг/м3.

Теплопроводность, т. е. способность пропускать тепло, — определяющий показатель качества теплоизоляционных материалов.
В соответствии с современными представлениями передача теплоты в твердых телах — диэлектриках объясняется колебаниями атомов кристаллической решетки. В материалах, проводящих электричество, она дополнительно обусловлена движением свободных электронов. У большинства теплоизоляционных материалов теплопроводность находится в интервале 0,029...0,21 Вт/(м/°С). Для наиболее эффективных высокопористых материалов она приближается к теплопроводности воздуха — 0,025 Вт/(м/°С). Теплопроводность материалов зависит в первую очередь от объема пор и характеристики пористой структуры. Теплота через воздушный слой передается теплопроводностью, конвекцией и излучением. Конвективный теплообмен увеличивается по мере роста размеров пор и воздушных прослоек, связывающих эти поры. На лучистый теплообмен решающее влияние оказывает температура эксплуатации. Для теплоизоляционных материалов предпочтительно мелкопористое строение, затрудняющее теплопередачу конвекцией и лучеиспус­канием. Важно создать также равномерное распределение пор в материале. Роль теплоизолятора воздух лучше выполняет в закрытых порах.
Теплопроводность материалов зависит от их химического соста­ва и степени кристаллизации. Чем сложнее химический состав и ближе структура материала к аморфной, тем меньше теплопроводность. Например, у кристалла кварца теплопроводность 7... 8 Вт/(м/°С), а у обычного стекла, которое кроме кремнезема содержит ряд других оксидов и имеет строение, близкое к аморфному, она составляет в среднем 0,75 Вт/(м/°С). В кристаллических телах теплопроводность зависит от размера кристаллов, дефектов решетки и дислокаций. Теплопроводность с ростом кристаллов при направлении теплового потока вдоль оптической оси растет, и она значительно выше, чем перпендикулярно оси. Теплопроводность уменьшается с увеличением молекулярной массы, возрастает с по­вышением температуры плавления.
Для кристаллических тел она уменьшается в увеличением числа атомов в молекуле. Для жидкостей и газов имеет место обратная зависимость.
Для большинства теплоизоляционных материалов теплопроводность линейно зависит от температуры. Теплопроводность неорганических материалов при положительных температурах изменяется на 0,0025 Вт/(м/°С) на каждый градус, при отрицательных — на 0,005, для органических соответственно на 0,0035 и 0,005 Вт/ (м/°С).
В нормативных документах величина теплопроводности приводится обычно при (25±5)°С.
Теплопроводность воды примерно в 25 раз больше, чем теплопроводность воздуха, поэтому нельзя допускать увлажнения теплоизоляционных материалов. С определенной степенью приближения теплопроводность влажных материалов. Для снижения сорбционного увлажнения теплоизоляционные материалы подвергают объемной гидрофобизации, положительно влияет также сокращение объема микропор, в которых происходит конденсация влаги. Водопоглощение теплоизоляционных материа­лов зависит от их структуры: при закрытой пористости (пеностекло, пенопласты) оно сравнительно невелико, при открытой, сообщаю­щейся пористости может достигать 400. ..600%.
Предельная температура применения является важным свойством, характеризующим качество теплоизоляционных материалов. Выше этой температуры материал изменяет структуру, теряет механическую прочность и разрушается, а органические материалы могут загораться. Предельная температура применения колеблется в широком диапазоне: для газонаполненных пластмасс она составляет 60...180°С, ячеистых бетонов — 400.. .700, минеральной ваты — 600, вспученного перлита и вермикулита 900°С.
Прочность теплоизоляционных материалов определяется прочностными показателями твердой фазы и параметрами поровой структуры. Положительное влияние на прочность оказыва­ют однородное распределение пор по объему и уменьшение их среднего диаметра. Положительно сказывается также подбор связующего с улучшенными адгезионными свойствами по отношению к заполнителям, ориентация волокон в направлении действия напряжений и другие технологические приемы. Степень уплотняемости материалов характеризуется сжимаемостью (%) под действием удельной нагрузки.
Долговечность теплоизоляционных материалов зависит от их химической и биологической стойкости, морозостойкости.
Область применения теплоизоляционных материалов определяется их горючестью, газо- и паропроницаемостью, химической и биологической стойкостью и др.
Минеральные материалы относятся к категории несгорающих. Горючесть органических теплоизоляционных материалов снижается пропиткой их антипиренами, которые плавятся или разлагаются под действием высокой температуры, что приводит к повышению температуры воспламенения или выделению газов, препятствующих распространению пламени. Огнестойкость материалов повышают также, покрывая их силикатными красками и другими негорючими, малотеплопроводными покрытиями.

Теплоизоляционными называют материалы,    характеризуемые низкой теплопроводностью и применяемые для тепловой изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования и трубо­проводов.

Теплоизоляционные материалы способствуют   снижению материалоемкости строительства, сокращению расхода топлива на отопление здания и производство  различных  промышленных продуктов. Использование  материалов   с низкой  теплопроводностью, например в ограждающих конструкциях крупнопанельных жилых зданий, позволяет в 1,5..2 раза снизить расход стали и в 3...4 раза расход цемента по сравнению с конструкциями без тепловой изоляции. Снижение массы конструкций приводит и к уменьшению транспортных затрат. Изоляция поверхностей оборудования на теп­ловых электростанциях снижает потери теплоты в 25 раз. Во многих случаях тепловая изоляция способствует интенсификации технологических процессов. При этом создаются нормальные температурные условия труда и комфортабельный микроклимат в помещениях. Общим признаком всех теплоизоляционных материалов является высокая пористость, которая достигается различными технологическими приемами: образованием волокнистого каркаса, вспучиванием массы в процессе формования или тепловой обработки, поризацией массы при смешивании с пеной, введением по­ристых заполнителей, выгорающих добавок, высоким водозатворением и др.

Теплоизоляционные материалы и изделия   классифицируют по целому ряду признаков.

характеристики ппж-200

Высокопористое строение материалов может достигаться чаще всего вспучиванием, удалением порообразователя: неплотной упаковкой, контактным омоноличиванием, объемным омоноличиванием, созданием комбинированных структур.

При вспучивании в пластично-вязкой массе выделяется или в нее вводится газовая фаза. При этом образуется дисперсная систе­ма и ячеистая пористая структура, объем пор которой зависит от количества газообразующего компонента. Основными разновидностями вспучивания являются газо- и пенообразование. При газообразовании газы, выделяемые в результате химических реакций, выходя из пластичной массы, образуют поры. Газообразователи не должны разлагаться при хранении и перевозке, выделять газы, вредные для здоровья людей. В процессе газообразования компоненты массы могут участвовать или не участвовать в химическом взаимодействии с газообразователями.  Интенсификация процесса газообразования достигается вибрированием, при котором происходит непрерывное обновление поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
С помощью газообразования получают газобетоны, ячеистое стекло, газонаполненные пластмассы.

Пенообразование заключается в смешивании пластичного теста со специально приготовленной пеной — дисперсной структурирован­ной системой, состоящей из жидкой и газообразной фаз. Пенообразователями служат высокомолекулярные соединения, мыла и другие вещества, дающие прочные пленки, разделяющие пузырьки газа. Основными показателями качества пены служат ее выход (пенистость) — отношение объема пены к объему водного раствора пенообразователя и стойкость (пеноустойчивость) — способность пены сохранять первоначальный объем без разрушения. Для увеличения выхода пены вводят активаторы — добавки электролитов.

Необходимая стойкость пены достигается применением стабилизаторов, тормозящих процесс коалесценции — саморазрушения пены. Распространены следующие пенообразователи: продукт экстрагирования сапонина из некоторых _ растений; клееканифольный, получаемый из канифольного мыла и столярного или казеинового клея; алюмосульфонафтеновый — продукт взаимодействия керосинового контакта и сернокислого глинозема; ГК — гидролизованная кровь.
В настоящее время вместо пенообразователей на основе природных — органических продуктов все шире используют синтетические поверхностно-активные вещества — продукты переработки нефти. Разработка новых ПАВ с высокой воздухововлекающей способностью позволила применить для получения теплоизоляционных материалов способ аэрирования, т. е. насыщения концентрированных минеральных и полимерных суспензий воздухом.

Способностью к вспучиванию при быстром нагревании обладают некоторые горные породы и минералы — перлит, вермикулит, неко­торые виды глин, в результате выделения из них при высокой тем­пературе водяного пара или другого газа. Они при этом обычно (за исключением вермикулита) переходят в пластично-вязкое (пиропластическое) состояние. Коэффициент вспучивания — отношение объемов материала после и до нагрева — колеблется в широких пределах в зависимости от температуры и скорости ее подъема.

Образование пористой структуры без вспучивания имеет место при удалении порообразователя. В качестве парообразователей при этом используют воду, легколетучие жидкости, выгорающие добав­ки. Из масс с высоким содержанием воды (гидромасс) формуют древесно-волокнистые, торфяные, асбестоцементные теплоизоляционные плиты. Ячеистые бетоны способом высокого водозатворения изготовлять неэффективно, так как при этом требуется большой расход теплоты на испарение влаги. Высокую пористость за счет выгорающих добавок достигают при получении теплоизоляционных керамических изделий.

Неплотную упаковку как способ получения теплоизоляционных материалов используют при изготовлении изделий из волокнистых и зернистых компонентов.
Пористость волокнистых материалов обусловлена взаимным пе­реплетением волокон, образующих жесткий каркас. Объем пор при этом зависит от диаметра волокон, их упругости, свойств поверхно­сти. Более высокая пористость достигается длинноволокнистым ма­териалом. При получении теплоизоляционных материалов широко используют волокна, получаемые механическими, термическими, гидравлическими и другими способами диспергации неорганическо­го и органического сырья. Изделия из волокон часто формируют с различными вяжущими (фибролит, арболит, минераловатные плиты и др.) или без них (прошивные минераловатные маты и др.).

При использовании зернистых компонентов неплотная упаков­ка достигается гранулометрическим составом частиц, обеспечива­ющим повышенную межзерновую пустотность. Таким путем полу­чают различные сыпучие (засыпные) материалы.

Контактное омоноличивание заключается в связывании волок­нистых или зернистых материалов в местах их контакта с помощью тонких прослоек цементного или глиняного теста, водных растворов полимеров и т. д. В отличие от контактного объемное омоноличива­ние основано на полном заполнении межзерновых пустот связующим. Для создания достаточно легких материалов применяют при этом способе высокопористые заполнители с оптимальным зерновым составом (перлит, вермикулит, распушенный асбест).
В ряде случаев получают теплоизоляционные материалы с комбинированными структурами — волокнисто-ячеистые, зернисто-ячеистые и др

Ведущее место в общем балансе теплоизоляционных материалов занимают неорганические или минеральные материалы: минеральная вата, ячеистые бетоны, материалы из вспучивающихся горных пород, пеностекло и др.

Минеральная вата состоит из стекловидных волокон и неволокнистых включений, образованных в результате затвердевания силикатного расплава. Волокна минеральной ваты имеют диаметр 1...10 мкм и длину от 2...3 до 20...30 см. При слишком тонких во­локнах вата легко уплотняется и смешивается. С повышением диаметра волокон от 3 до 12 мкм теплопроводность увеличивается на 10%.
Для минеральной ваты характерна высокая пористость, достига­ющая 96..,98%, и низкая плотность. Минеральную вату выпускают трех марок по плотности: М75, 100, 125. Определение плотности производится при удельной нагрузке 0,002 МПа. Для каждой марки ограничивается содержание неволокнистых включений «корольков». Для М75 оно должно быть не более 12%, для М100 —20%, для М125 —25%.
Допустимая теплопроводность минеральной ваты зависит от условий применения. При температуре (25±5)°С она не должна превышать 0,045 Вт/(мм/°С), при (125±5)°С — 0,064 и при (300±5°)С — 0,105 Вт/(мм/°С). Предельная температура применения ваты 600...700°С, выше этой температуры наблюдается ее спекание. Температуростойкость ваты зависит от химического состава: более кислые составы имеют большую стойкость, чем основные.
Разрушение минеральной ваты может проходить под действием щавелевой, лимонной и других органических кислот, выделяемых некоторыми грибами. Большей грибостойкостью обладает вата по­вышенной кислотности.
Для минеральной ваты характерно высокое водопоглощение, достигающее при погружении в воду до 600%. Ее гигроскопичность составляет 0,2...2%.
Сырьем для производства минеральной ваты служат горные породы, а также другие силикатные материалы, отходы промышленности. Из горных пород наибольшее распространение получили диабазы, базальты, габбро и близкие к ним метаморфические горные породы и мергели.
В нашей стране основным сырьем для производства минеральной ваты являются доменные шлаки. Использование шлака вместо природного сырья дает экономию до 23 руб/т. Для получения минеральной ваты наряду с доменными применяют также ваграночные, мартеновские шлаки и шлаки цветной металлургии.
Требуемое соотношение кислотных и основных окислов в шихте обеспечивается применением кислых шлаков. Кроме того, кислые шлаки более устойчивы против распада, недопустимого в ми­неральной вате. Повышение содержания кремнезема расширяет температурный интервал вязкости, т. е. разность температур, в пре­делах которых возможно волокнообразование. Модуль кислотности шлаков корректируется введением в шихту кислых или основ­ных добавок. Кислыми добавками обычно служат бой керамиче­ского и силикатного кирпича, зола ТЭС, различные кремнеземис­тые горные породы, а основными — доломиты и известняки.
Для шлаков, содержащих повышенное количество оксидов железа и марганца, дополнительной качественной характеристикой является коэффициент насыщения — отношение процентного со­держания к суммарному процентному содержанию прочих оксидов. Этот коэффициент при плавке шихты в вагранках колеблется от 1,5 до 2.
Технологический процесс получения минеральной ваты склады­вается из получения расплава и переработки его в минеральное волокно. Для получения расплава применяют преимущественно вагранки, иногда ванные, электродуговые и другие печи.
Вагранка относится к шихтным плавильным печам непрерывно­го действия. Она состоит из корпуса, выполненного из листовой ста­ли и футерованного огнеупорным кирпичом. Горение топлива и плавление сырья происходят в нижней, горновой части вагранки. Здесь для плавления минерального сырья устроен ватержакет — металлический цилиндр с двумя стенками, между которыми проходит проточная вода для охлаждения. Воздух, необходимый для горения топлива, подается через специальные отверстия или фурмы. Для производства минеральной ваты применяют вагранки диаметром 1000, 1250 и 1400 мм при отношении рабочей высоты к диаметру 3 : 5. Загружаемое в вагранку сырье по мере опускания вниз расплавляется.

Основными видами минераловатных изделий являются плиты мягкие, полужесткие и жесткие, навивные цилиндры и скорлупы.
Плиты мягкие на битумном связующем (минераловатный вой­лок) получают в результате обработки битумом в момент образова­ния минеральной ваты с последующим уплотнением получившегося ковра. Содержание битума в мягких плитах колеблется от 2 до 6%. При получении полужестких плит применяют более твердые сорта битума, содержание которого доводят до 16...18%. Жесткие плиты на битумном связующем (минеральная пробка) изготовляют из гид­ромассы, полученной из минеральной ваты и битумной эмульсии, или пасты при вакуумировании и тепловой обработке в туннельных сушилках.
Плиты на синтетических связующих изготовляют обработкой ми­неральной ваты водными растворами полимеров.