Общие сведения о теплоизоляционных материалах

1. Введение

 

Теплоизоляционными называют материалы, применяемые в строительстве жилых и промышленных зданий, тепловых агрегатов и трубопроводов с целью уменьшить тепловые потери в окружающую среду.

Теплоизоляционные материалы характеризуются пористым строением и, как следствие  этого, малой плотностью (не более 600 кг/м3) и  низкой теплопроводностью (не более 0,18 Вт/(м*°С). Использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить толщину и массу стен и других ограждающих конструкций, снизить расход основных  конструктивных  материалов, уменьшить транспортные расходы и соответственно снизить стоимость строительства. Наряду с этим при сокращении потерь тепла отапливаемыми зданиями уменьшается расход топлива. Многие теплоизоляционные  материалы вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом.

Минеральная вата  (минераловатный утеплитель) - волокнистый теплоизоляционный материал. Наиболее распространенными в наше время являются минераловатные изделия. Структура ваты очень интересная. Она представляет собой тонкие и гибкие волокна, которые получились из капель раздробленного минерального расплава вытянутого в нити.

В зависимости от вида сырья минеральная вата делится на каменную и шлаковую. Сырьем для производства каменной ваты служат горные породы - диабаз, базальт, известняк, доломит, и др. Шлаковую вату получают из шлаков чёрной и цветной металлургии.

Ведущие мировые производители в качестве сырья используют исключительно горные породы, что позволяет получать минеральную вату высокого качества с длительным сроком эксплуатации. Именно её рекомендуется применять для ответственных конструкций - в случае, когда требуется их многолетняя надежная работа.

Патентных и других достоверных данных о изобретателях минеральной ваты нет. Но в технической литературе встречаются любопытные сведения о фактах, якобы, служивших отправным началом для изобретения минерального волокна и зарождения его промышленного производства. Неслучайно эти факты относятся к середине XIX века. В тот исторический период происходило быстрое развитие отраслей техники, связанных с сжиганием топлива и использованием тепла. В этих условиях и возникла необходимость изыскания новых в то время материалов для защиты промышленного оборудования от потерь тепла. Одно из объяснений изобретения минеральной (шлаковой) ваты относится к устройству и работе доменных печей в Уэльсе, где было замечено, что воздушное дутье из-за неплотностей в кладке таких печей выдувает наружу частички жидкого шлака, которые вытягиваясь и застывая, образуют волокна. Поэтому родиной шлаковой ваты считают Уэльс, где, впервые в 1840 году она была получена, а в 1864 году организовано ее промышленное производство.

Минвата является материалом, устойчивым к воздействию повышенных температур. Она сохраняет все свои химические и физические характеристики при температуре до + 400 С. Незначительное разрушение структуры начинается только при исходной температуре + 1090 С - это порог устойчивости материала.

 

 

 

 

2. Общие сведения о теплоизоляционных материалах

 

Неорганические теплоизоляционные материалы повсеместно используются в строительстве. Обширная номенклатура теплоизоляционных изделий основана на сравнительно небольшом количестве исходных сырьевых материалов. Однако, меняя технологические приемы обработки, можно значительно изменять свойства изделий применительно к условиям их эксплуатации.

Теплоизоляционные и акустические материалы и изделия должны иметь среднюю плотность не более 700 кг/м3, не должны выделять веществ, снижающих прочность соприкасающихся элементов конструкции и качество отделки помещений, вредных для здоровья и вызывающих порчу пищевых продуктов.

Все теплоизоляционные материалы классифицируются по следующим категориям:

По виду исходного сырья их разделяют на неорганические – огнеупорные теплоизоляционные материалы, ячеистое стекло (пеностекло), минеральная и стеклянная вата и изделия из них, теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструктивные материалы на основе минеральных вяжущих, автоклавные теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструктивные материалы, вспученные вермикулит и перлит и изделия на их основе, теплоизоляционные материалы на основе асбеста, вакуум-порошковая и вакуум-волокнистая теплоизоляция. Органические – фибролит на портландцементе, древесно-волокнистые и торфяные теплоизоляционные плиты, камышит, тплоизоляционные пластмассы и другое.

По форме различают штучные (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, полуцилиндры, сегменты), рулонные (маты, полосы, матрацы), шнуровые (шнуры, жгуты) и сыпучие материалы.

По структуре их делят на пористо-волокнистые (минераловатные, стекловатные, асбесто- и древесноволокнистые), пористозернистые (перлитовые, вермикулитовые, совелитовые, известовокремнеземистые), ячеистые (ячеистые стекла, бетон, керамзитобетон, пенопласты).

По сжимаемости (относительной деформации сжатия под удельной нагрузкой 0,02 МПа) теплоизоляционные материалы подразделяют на мягкие – сжимающиеся более чем на 30%, полужесткие – на 6-30% и жесткие – до 6% высоты образцы. Различают также материалы повышенной жесткости с деформацией до 10% высоты при удельной нагрузке 0,04 МПа, твердые – до 10% высоты при удельной нагрузке 0,1 МПа.

Теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструктивные материалы, также как и другие материалы, используемые в строительстве, подвергаются в процессе эксплуатации механическим, тепловым и агрессивным воздействиям. Поэтому эти материалы должны иметь соответствующие свойства, обеспечивающие их долговечность.

Теплопроводность – способность материалов проводить тепло. Она характеризуется коэффициентом теплопроводности λ.

Прочность теплоизоляционных материалов и изделий означает способность сопротивляться без разрушения всем видам внешних силовых воздействий и зависит от их физического состояния и структуры.

Упругость – свойство материалы деформироваться под дейтсвием нагрузки и быстро восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия ее.

Эластичность – свойство материала упруго деформироваться под воздействием сравнительно малых сил, сохраняющееся длительное время после снятия нагрузки. Оно проявляется в минераловатных полужестких и жестких изделиях на битумном связующем.

Пластичность – свойство материала изменять свою форму и размеры без образования трещин под действием внешних нагрузок и сохранять ее после снятия нагрузки.

Ползучесть – свойство материала необратимо деформироваться под длительным воздействие малой силы.

Теплостойкость материалов оценивается температурой, при которой в нагреваемом материале начинается процесс деструкции.

Температуропроводность характеризует температурный градиент, устанавливающийся в материале при его нагревании или охлаждении.

Стойкость к термической деструкции – способность материалов выдерживать длительный нагрев при определенной температуре без существенных структурных изменений.

Тепловое расширение – свойство материала увеличиваться в размерах при нагревании.

Огенупорность – свойство материала противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать капельную жидкость.

Гигроскопичность – свойство материала поглощать влагу из воздуха.

Водостойкость – свойство материала сохранять прочность при увлажнении, не изменяя своего физического и химического состояния при длительном воздействии воды.

Морозостойкость характеризуется способностью насыщенного водой материала выдерживать большое количество циклов замораживания и оттаивания без существенного уменьшения прочности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Сырьевые материалы для производства минеральной ваты

 

Для производства минеральной ваты используют природное сырье – различные горные породы и промышленные отходы, главным образом металлургические, преимущественно доменные шлаки. Основным требованием к сырью для производства минеральной ваты при плавке сырья в вагранках являются:

- химический  состав, позволяющий получать расплав  с невысокой температурой плавления  и значительным интервалом вязкости, обеспечивающий получение химически  стойкой ваты против действия  атмосферных, температурных и других  факторов.

- прочность  и термическая стойкость кусков  сырья, допускающие плавку их  в вагранках без превращения в мелочь и образования большого количества пыли-уноса.

- распространенность  сырья, учитывая, что минеральную  вату должны вырабатывать непосредственно  в местах ее потребления или  вблизи этих мест вследствие  нетранспортабельности ее.

- доступность  получения сырья и несложность  его предварительной подготовки.

Горные породы для производства минеральной ваты представляют собой  осадочные, магматические, метаморфические породы. Наиболее распространенными осадочными породами являются глинистые и карбонатные.

Колебания в химическом составе этих горных пород обычно не ограничивают их применения для данной цели: необходимое соотношение отдельных компонентов в сырье достигают составлением соответствующей сырьевой смеси – шихты, состоящей обычно из двух, а иногда из трех видов сырья.

Глины для производства минеральной ваты в большинстве случаев являются легкоплавкими.

К карбонатным горным породам, применяемым для производства минеральной ваты, относят известняки, доломиты и мергели.

Химический состав доломитизированных мергелей позволяет в ряде случаев получать из них вату высокого качества без добавки других видов сырья, что упрощает производство.

Сырьем для производства минеральной ваты могут служить также и магматические породы: базальт, габбро, гранит, диабаз, диорит, сиенит. Эти породы в большинстве своем являются кислыми. Содержание кремнезема в них колеблется от 45 до 75%. Некоторые из них содержат значительное количество окислов железа и щелочных металлов, что благоприятствует получению расплавов необходимой вязкости.

К метаморфическим горным породам, реже применяемым в качестве сырья для производства минеральной ваты, чем осадочные и магматические породы, относится, например, глинистый сланец.

Металлургические шлаки. Другим видом сырьевых материалов для выработки минеральной ваты являются металлургические шлаки, получаемые при выплавке металлов.

Шлаки представляют собой сплавы силикатов и алюмосиликатов кальция и магния. Химический состав шлаков характеризуют часто модулем кислотности Мо.

В соответствие с коэффициентом вязкости, определенным при температуре 1550 оС, шлаки делят на густые, промежуточные или средней вязкости и жидкие.

Жидкие шлаки более подвижны, текучи и быстро затвердевают с образованием кристаллической структуры. Густые шлаки, напротив, вязки, тягучи, застывают медленнее первых, при охлаждении лучше вытягиваются в стекловидные волокна.

По температуре плавления tпл шлаки условно считаются легкоплавкими, средней плавкости и тугоплавкими.

В зависимости от степени стабильности затвердевшего шлака различают шлаки стойкие, склонные к распаду и распавшиеся.

По микроструктуре шлаке делят на кристаллические, стекловидные и смешанные. По способу охлаждения шлаки могут быть медленно и быстро охлаждаемыми (гранулированными).

Особенно важное значение для производства минеральной ваты имеет вязкость, так как от нее зависят условия раздува расплава в волокно и его качество.

Наиболее пригодными для выработки минеральной ваты являются кислые шлаки. Однако химический состав кислых шлаков с высоким содержанием SiO2 для понижения вязкости расплава надо улучшать, добавляя в шихту доломит.

Кислые шлаки обладают большей стабильностью, меньшей склонностью к распаду, который может происходить под влиянием перекристаллизации некоторых минералов, содержащих главным образом SiO2, CaO, Fe2O3.

Шлаки, склонные к распаду, не пригодны для производства минеральной ваты, так как полученное из них минеральное волокно, находясь в строительных конструкциях, с течением времени может превратиться в порошок. Для предотвращения этого к таким шлакам необходимо добавлять другие виды сырья определенного химического состава, чтобы нейтрализовать вредное влияние веществ, вызывающих распад.

В производстве минеральной ваты наибольшее применение нашли доменные шлаки. Химический состав таких шлаков неодинаков. Кроме доменных шлаков для выработки минеральной вата могут быть использованы мартеновские шлаки, а также шлаки никелевых, цинковых и свинцовых заводов. Мартеновские шлаки, обычно содержащие окислы железа и марганца, используют в производстве минеральной ваты главным образом в качестве добавок для уменьшения вязкости расплава.

При использовании мартеновских шлаков как основного вида сырья к ним добавляют мергелистую глину, бой силикатного кирпича или другое кремнеземистое сырье.

Отходы промышленности строительных материалов. Наиболее распространенными видами таких отходов, используемых для производства минеральной ваты, являются бой глиняного и силикатного кирпича.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Свойства силикатных расплавов для получения минеральной ваты

 

Искусственное минеральное волокно получают из жидких силикатных расплавов. Производство такого волокна обычно состоит из двух основных технологических процессов:

А) получение силикатного расплава;

Б) превращение этого расплава в волокно.

Иногда используют уже готовые расплавы: огненно-жидкие шлаки металлургических печей.

При образовании волокна большое значение имеют вязкость и поверхностное натяжение расплавов.

Вязкость расплавов определяется внутримолекулярным трением, которое зависит от температуры и химического состава. Вязкость – свойство, обратное текучести; чем больше вязкость, тем медленнее при равных условиях течет жидкость. Вязкость жидкости зависит от температуры: с понижением температуры вязкость быстро возрастает. На вязкость силикатных расплавов оказывает сильное влияние химический состав их.

Помимо абсолютной величины вязкости расплава при определенной температуре очень важно знать скорость нарастания вязкости при снижении температуры. Обычно это свойство расплава характеризуется так называемым интервалом вязкости.

Под интервалом вязкости в данном случае понимают разность между двумя значениями вязкости, в пределах которой возможен процесс волокнообразования с получением тонких волокон в большем количестве. Часто интервал вязкости характеризуется не разностью величин вязкости в пределах определенных температур, а разностью температур, к которой относится интервал вязкости.

Расплавы, медленно затвердевающие, т.е. имеющие большой интервал вязкости, обычно называют «длинными» расплавами; быстро затвердевающие расплавы с малым интервалом вязкости – «короткими» расплавами.

Для производства минерального волокна лучше использовать длинные расплавы, чем короткие. На величину вязкости при определенной температуре и интервале вязкости большое влияние оказывает химический состав расплава.

Изменяя содержание отдельных составных частей в расплаве, можно изменять вязкость и интервал вязкости. При большом содержании в расплаве SiO2 вязкость расплавов повышается при высоких и низких температурах. С возрастанием содержания Al2O3 вязкость также почти всегда увеличивается, особенно резко повышаясь с понижением температуры.

Увеличение до определенного предела прочности количества CaO снижает вязкость расплава, а при большом содержании CaO (более 45%) вязкость может повыситься. Содержание MgO обычно снижает вязкость расплава в большей степени, чем CaO. Способность CaO и MgO уменьшать вязкость расплавов широко пользуется при плавке горных пород и шлаков в производстве минеральной ваты, добавляя к основному сырью известняк или доломит. Щелочи (Na2O и K2O) являются хорошими плавнями; они понижают температуру плавления и вязкость расплава, но это имеет практическое значение при производстве стеклянного волокна, а не минеральной ваты. Установлено, что содержание в расплаве окислов марганца и железа понижает вязкость.

Поверхностное натяжение. Образование новой поверхности связано с преодолением междумолекулярных сил сцепления в жидкости, т.е. сил поверхностного натяжения.

Для преодоления этих сил затрачивают значительную работу, выражаемую в дин/см, поэтому следует понижать величину поверхностного натяжения расплавов.

Содержание SiO2, Al2O3, CaO, MgO, MnO, FeO, т.е. тех окислов, которые входят в состав расплавов, применяемых для производства минеральной ваты, мало влияет на поверхностное натяжение их.

Влияние температуры на поверхностное натяжение расплавов при раздуве их в волокна тоже невелико. Для понижения поверхностного натяжения расплавов используют некоторые поверхностно-активные вещества.

Для этой цели в струю пара вводят небольшое количество легкого парафинового масла, которое обволакивает тончайшей пленкой частички расплава, вытягиваемые в волокна. Благодаря малому поверхностному натяжению масла поверхностное натяжение расплава также снижается, что и приводит к образованию более тонких и длинных волокон.     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Изделия из минеральной ваты и способы их изготовления

 

Из минеральной ваты изготавливают следующие виды теплоизоляционных изделий:

А) гибкие – войлок, маты, шнуры;

Б) жесткие – плиты, скорлупы, сегменты.

Помимо этих двух групп изделий выпускают еще так называемые полужесткие плиты, по существу представляющие собой более плотный войлок.

Особой разновидностью матов являются прошивные маты в оболочке из проволочной сетки или плотной бумаги. Такие маты часто называют матрацами.

Шнуры состоят из минеральной ваты, обернутой в бумагу. Они представляют собой как бы бумажные шланги, набитые ватой; используют их вместо пакли для утепления швов в стенах жилых зданий.

Кроме формованных изделий, из минеральной ваты вырабатывают и сыпучие теплоизоляционные материалы – гранулированную вату и смеси ее с различными веществами. Их применяют для набивных, засыпных и мастичных теплоизоляционных конструкций, но в ограниченных количествах.

Способы получения изделий из минеральной ваты основаны главным образом на склеивании волокон ее с помощью различных связующих веществ. Поэтому основными вопросами технологии минераловатных изделий являются выбор связующего вещества и способа смешивания его с волокнами ваты.

Виды связующих веществ. Для связывания волокон ваты при изготовлении из них изделий предложено много связующих веществ: органических (нефтяные битумы, синтетические смолы) и неорганических (растворимое стекло, цемент, некоторые глины).

Связующие вещества, используемые в производстве минераловатных изделий, должны обладать следующими основными свойствами:

- высокой  склеивающей способностью, позволяющей  получать прочные изделия;

- возможностью  тонкого диспергирования для  образования тонкой и ровной  поверхности, покрывающей волокна;

- температуростойкостью, водостойкостью, недефицитностью и невысокой стоимостью.

Выбор вида связующего вещества для изготовления изделий определяется часто условиями применения этих изделий.

Органические связующие вещества. Наиболее распространены в качестве связующих веществ при производстве изделий из ваты битумы и синтетические смолы, как обеспечивающие получение изделий с наименьшим объемным весом и коэффициентом теплопроводности.

Нефтяные битумы. Они характеризуются твердостью, температурой размягчения и растяжимостью. Эти свойства взаимно связаны: с увеличением твердости температура размягчения повышается, а растяжимость уменьшается.

Для изготовления минераловатных изделий преимущественно используют битумы с температурой размягчения не менее 45-50 оС, определяемой на приборе «кольцо и шар». Повысить твердость битума и температуру размягчения его можно, добавляя к нему керосиновый контакт или резинаты кальция и марганца. Лучшие результаты дает добавление к битуму керосинового контакта.

Синтетические смолы. Самыми эффективными связующими веществами в производстве минераловатных изделий являются синтетические смолы.

Синтетические смолы, применяемые для этой цели, должны:

А) хорошо растворяться в воде и других растворителях;

Б) легко диспергироваться, чтобы покрывать волокна тонкой пленкой;

В) обладать хорошей адгезией к волокну;

Г) быть термореактивными, т.е. не размягчаться при повторном нагревании;

Д) не иметь склонности к самопроизвольному старению.

Наиболее удовлетворяют этим условиям феноло-формальдегидные и карбамидо-формальдегидные смолы;

Фенолоспирты, применяемые для склеивания минерального волокна, должны содержать:

А) сухой остаток не менее 50%;

Б) свободный фенол не более 9%.

Фенолоспирты разводят водой для получения рабочего раствора смолы. Необходимую степень разведения находят опытным путем, добавляя к фенолоспиртам такое количество воды, при котором не наступает помутнение раствора. Соотношение фенолспирт : вода колеблется от 1:2 до 1:10 (по весу).

При изготовлении жестких и акустических минераловатных плит фенолоспирты применяют в смеси с поливинилацетатной эмульсией.

Неорганические связующие вещества. Температуростойкость изделий из минеральной ваты с применением растворимого стекла, портландцемента и некоторых других неорганических связующих веществ выше, чем при использовании органических связующих веществ, но изделия имеют большой объемный вес (400-500 кг/м3), малую прочность (0,5-1,5 кГ/см2) и недостаточную эластичность. Эти свойства делают их менее эффективными, чем изделия, изготовленные с органическими связующими веществами. Прочность изделий с неорганическими связующими можно повысить путем создания определенных условий химического взаимодействия между компонентами минеральной ваты и связующим веществом. Связующее вещество в этом случае должно быть возбудителем активных свойств минерального волокна, а само волокно должно обладать повышенной гидравлической активностью. При этом на поверхности волокон возникают новообразования связующего вначале коллоидного характера, которые затем переходят в кристаллические формы, что и повышает прочность изделий до 3-4 кГ/см2 без увеличения их объемного веса. Неорганические связующие вещества в настоящее время редко применяют для изготовления минераловатных изделий.

Смешанные связующие вещества. Для изготовления жестких минераловатных изделий часто используют смеси, состоящие из битума и какого-либо диспергированного неорганического материала, например диатомита, трепела или бентонитовой глины.

Способы производства. Гибкие изделия из минеральной ваты изготавливают конвейерным способом. Конвейерный способ производства гибких изделий основан на перемещении перерабатываемой в изделия ваты через ряд технологических установок при помощи последовательно расположенных конвейеров.

При этом способе связующие вещества (битумы или синтетические смолы) обычно в виде водных эмульсий при помощи специальных паровых форсунок вводятся непосредственно в камеру волокноосаждения и обволакивают волокна, находящиеся в камере во взвешенном состоянии. Волокна, покрытые тонким слоем связующего вещества, осаждаются на конвейер камеры, где и образуют непрерывно движущийся ковер – пласт минеральной ваты определенной толщины, пропитанной связующим веществом. Связующее вещество на волокнах для связки их в изделия закрепляют тепловой обработкой изделий, соответствующей виду связующего вещества. Например, войлок с использованием битумов лишь охлаждается по выходу из камеры волокноосаждения; полужесткие плиты с битумным связующим подвергаются сушке и затем охлаждению, а маты с синтетическими смолами последовательно перемещаются через камеры тепловой обработки.

Смешивание в камере волокноосаждения является более простым и экономичными, чем смешивание в специальных смесителях. Изделия после формования в камерах волокноосаждения получаются менее влажными, чем при втором способе; на их сушку затрачивается меньше тепла.

На чертеже представлена технологическая линия производства гибких минераловатных изделий: войлока и полужестких плит с добавкой битумной эмульсии. Основными агрегатами здесь являются вагранки, камера волокноосаждения и конвейерная сушилка.

Вагранки представляют собой шахтные плавильные печи непрерывного действия, теплообмен в которых происходит по принципу противотока. Сырье, загружаемое в верхнюю часть вагранки, опускается вниз, превращаясь при этом в расплав, в образовавшиеся в нижней части вагранки горячие продукты горения поднимаются вверх, передавая свое тепло расплавляемому материалу. Вагранки для производства минеральной ваты существенно отличаются от вагранок для плавки чугуна.

 

Схема конструкции вагранки

Корпус вагранки выполнен из листовой стали и футерован шамотным огнеупором. Внизу вагранки для охлаждения горна имеется водяная рубашка. Воздух подают в вагранку через воздуховодное кольцо и фурмы. Расплав вытекает из летки. Сырье и топливо загружают в вагранку через загрузочный люк. Для улавливания пыли и искр, уносимых из вагранки отходящими газами, служит искрогаситель.

Необходимость применения водяной рубашки вызывается сильным химическим действием жидкого силикатного расплава на огнеупорную футеровку, в результате чего она быстро разрушается.

Камеры волокноосаждения. Для сбора полученного минерального волокна служат так называемые камеры волокноосаждения. Объем и форма таких камер должны соответствовать аэродинамическим и теплотехническим условиям образования и осаждения минеральных волокон. Кроме того, в камере во многих случаях обрабатываются связующими веществами находящиеся во взвешенном состоянии волокна для получения минерального войлока и других минераловатных изделий. В зависимости от направления струи пара при раздуве камеры волокноосаждения могут быть горизонтальными или вертикальными. В производстве минеральной ваты применяют почти всегда горизонтальные камеры.