СПОСОБЫ ПОРИЗАЦИИ МАТЕРИАЛОВ

К главнейшим искусственным способам поризации материалов с приданием им теплозащитных свойств относятся следующие.

Способ газообразования основан на введении в сырьевую смесь компонентов, которые способны вызвать химические реакции с выделением в больших количествах газовой фазы. Газы, стремясь выйти из твердеющей пластической массы, образуют пористую структу­ру материала — газобетона, газосиликата, газокерамики, ячеистого стекла, газонаполненной пластмассы и др.

В качестве химических газообразователей используются алюминиевая пудра и техническая перекись водорода (пергидроль). Алюминиевая пудра в результате реакции с гидроксидом кальция способствует выделению большого количества молекулярного водорода (см. 9.4.4). Пергидроль легко разлагается в щелочной среде с образованием молекулярного кислорода (см. 9.4.4). В обоих случаях вспучивается цементное тесто. Аналогично в расплавленные стекла и смолы вводятся реагенты, способствующие образованию газов СО₂, N₂ и др.

Способ пенообразования основан на введении в воду затворения вяжущих пенообразующих веществ. Стабилизированные пузырьки пены представляют собой воздушные поры пенобетона, пеносили­ката, пенокерамики и др. В качестве стабилизаторов пены для повы­шения ее стойкости до момента отвердевания вяжущего исполь­зуются столярный клей, сернокислый глинозем, смолы и др. Пенообразователями служат соли жирных кислот — натриевые и калиевые мыла, мыльный корень и извлекаемый из него сапонин; клееканифольный пенообразователь, получаемый из канифольного мыла (соль абиетиновой кислоты С₁₉Н₃₉СООН); алюмосульфонафтеновый пенообразователь, получаемый из керосинового контакта и сернокислого глинозема; гидролизованная кровь (ГК), получае­мая путем обработки отходов мясокомбинатов по схеме техниче­ская кровь + едкий натр + железный купорос + хлористый аммоний.

Способ повышенного водозатворения состоит в применении боль­шого количества воды при приготовлении формовочных масс (на­пример, из трепела, диатомита) и последующего ее испарения с со­хранением пор при высушивании. Этот способ применяют в производстве древесноволокнистых плит, торфяных, асбесто-трепельных и других материалов.

Способ вспучивания заключается в нагревании до высоких тем­ператур некоторых горных пород и шлаков. Из сырья выделяются газы или водяные пары главным образом в связи с отделением хи­мически связанной или цеолитной воды. При способе вспучивания сырьем служат перлит и обсидиан, вермикулит, некоторые разно­видности глин, в особенности содержащие легкоплавкую закись железа (FеО). Эти и некоторые другие сырьевые материалы после вспучивания образуют соответствующие высокопористые тепло­изоляционные материалы — вспученные перлит и вермикулит, керамзит, шлаковую пемзу и др. Так, например, при быстром на­гревании вермикулит (высокогидратированный алюмосиликат маг­ния — см. гл. 8) расщепляется на отдельные слюдяные пластинки, которых в 1 см³ насчитывается до 200 тыс. шт. (рис. 13.1). При этом зерна вермикулита сильно вспучиваются вследствие обильно­го выделения из минерала при нагревании химически связанной воды. Раздвигая пластинки, поры увеличивают объем зерен в 20—30 раз и более. Вспученный вермикулит характеризуется ма­лой насыпной плотностью (80—150 кг/м³), низкой теплопроводно­стью λ = 0,09—0,12 Вт/(м∙К). Обжиг производится во вращающих­ся и шахтных печах при быстром подъеме температуры до 800—1000°С и последующем охлаждении. Аналогичное увеличение объема при вспучивании происходит и при быстром нагревании в печах перлита (высококремнеземистой породы — см. гл. 8). На­сыпная плотность вспученного перлитового щебня составляет 160—500 кг/м³. Пористость вспученного перлита может достигать 88—90% и более.

Рис. 13.1. Вермикулит зернистый обожженый

Способ распушения заключается в изготовлении из сравнительно плотного минерального сырья волокнистого материала в виде бес­форменной массы с возможным последующим приданием ей формы изделий. Наибольшее распространение этот способ получил в про­изводстве минеральной и стеклянной ваты и изделий из них. Сырь­ем для минеральной ваты служат пегматиты, туфы и другие горные породы и металлургические шлаки, а для изготовления стеклянной ваты используют стеклянный бой и отходы стекла на стекольных заводах. Способом распушения получают также органические тепло­изоляционные материалы — хлопковую и шерстяную вату ватные изделия (ватин, войлок), древесные волокна и др.

В нашей стране наибольшее применение в строительстве находит минеральная вата в связи с доступностью местного сырья. Для оценки пригодности сырья определяют его химический состав и мо­дуль кислотности. В общем случае оптимальный химический состав шихты: SiO₂ —40—42%, Al₂O₃ — 12%, Fe₂O₃ — 3—4%, СаО — 30%, MgO — 10 —12% при модуле кислотности М = 55:45 = 1,22. Рекомендуемые пределы модуля кислотности 0,6—1,5, при значениях ко­торого толщина волокон ваты составляет 2—10 мкм, тогда как при егоувеличении ухудшается вата, и волокна достигают толщины 10—40 мкм.

Самым распространённым способом плавки шихты является ваграночный, применение ванных пламенных и электрических печей более ограничено. Вагранка — шахтная цилиндрическая печь из листовой стали и футерованная изнутри шамотным кирпичом. В за­висимости от производительности вагранки диаметр шахты, куда загружают шихту, составляет от 750 до 1250 мм при высоте, в 425 раз большей диаметра. Охлаждение шахты в зоне плавления производится с помощью водяной рубашки. Максимальная темпе­ратура газов в вагранке достигает 1700°С и выше, что зависит от ин­тенсивности горения кокса. Вязкость вытекающего расплава состав­ляет не более 2,0—2,5 Па∙с, что регулируется добавлением в шихту плавней.

Существует несколько способов переработки расплавов в мине­ральную вату, но к основным относятся дутьевой и центробежный.

При дутьевом способе расплав попадает на желоб и рассекатели. Вертикальная струя расплава разбивается струей пара или воздуха, по­ступающих к соплу под давлением 0,6—0,8 МПа и выходящих из соп­ла со скоростью 700—800 м/с. При встрече со струей расплава образу­ются капли, вытягивающиеся в цилиндрики и грушевидные тела. Дальнейшее удлинение грушевидных тел приводит к образованию ни­тей из расплава при раздуве. Часть волокон не успевает оформиться и остается близкой по форме к каплям-шарикам, называемым королька­ми. С увеличением давления и скорости истечения уменьшается коли­чество нежелательных корольков в вате. Волокна, образовавшиеся при раздуве, увлекаются в специальную камеру и там осаждаются. В ниж­ней части камеры установлен сетчатый конвейер, оканчивающийся ва­ликами для подпрессовки ваты. Для придания эластичности волокна опрыскивают синтетическим связующим или битумом, что позволяет придавать вате форму матов, плит и др.

При переработке расплава центробежным способом струя на­правляется на горизонтально расположенный диск с радиальными насечками (канавками). Диск насажен на вертикальный вал, кото­рый от мотора передает вращательное движение диску со скоростью 3500—4000 об/мин. Под влиянием центробежной силы струя, стека­ющая по канавкам с диска, разбрасывается в виде тончайших нитей, прижимаемых сжатым воздухом к корпусу установки. Волокно из центробежной установки переносят к прессу и прессуют его в кипы или направляют на формование изделий.

Качество минеральной ваты характеризуется средней плотно­стью от 50 до 125 кг/м³, пористостью — до 90%, теплопроводно­стью — 0,038—0,043 Вт/(м∙К) при температуре 25±5°С.

Дутьевым и центробежным способом получают также стеклова­ту (см. 18.5), а направленное стекловолокно — способом непрерыв­ного вытягивания нити из отверстий (фильер) жароупорной пласти­ны (фильерный способ). Получаемые нити отличаются высокой прочностью на растяжение: при диаметре 4—5 мкм прочность со­ставляет до 50 МПа.

Способом распушения получают асбест, а затем асбестовый ма­териал, являющийся хорошим теплоизолятором, особенно в виде ас­бестовых бумаги, картона, войлока, а также пластичных смесей и изделий на основе вяжущих.

Известен еще один способ поризации теплоизоляционных мате­риалов — способ выгорающих органических веществ, вводимых в сы­рье как порообразующие добавки, в частности, при производстве керамических теплоизоляционных изделий. К керамическому сы­рью — диатомиту, трепелу, глине и т. п. — добавляют опилки, дробленый уголь, торф, лигнин и др., а для мелкой и равномерной пористости — нафталин, который при нагревании полностью улету­чивается (возгоняется). На выгорании органического «ядра» из сфе­рической минеральной оболочки основано производство полого шарообразного заполнителя — керамического вакулита (рис. 13.2). Этот способ позволяет использовать невспучивающееся сырье, учи­тывая дефицитность вспучивающихся глин. Насыпная плотность вакулита — до 300 кг/м³; используют в теплоизоляционных и конст­рукционно-теплоизоляционных легких бетонах.

Кроме свойств, упоминавшихся выше (теплопроводности, проч­ности, средней плотности), следует отметить еще ряд свойств тепло­изоляционных материалов, обусловливающих их качество.

Температуростойкость и стойкость к термической деструкции характеризуют способность материала выдерживать длительный нагрев при высокой температуре без изменения своего состояния. От этого свойства зависит максимальная температура применяемо­го материала, например минеральной ваты каолинового состава — до 1150°С, вспученного перлита — до 900°С, обычной минеральной ваты — до 600°С. Огнестойкость характеризует способность воспламеняться и гореть.

Рис. 13.2. Вакулит разного размера (из разработок А.И. Петриковой)

Влагопоглощение — способность поглощать, а водоудерживающая способность — удерживать влагу при контакте с ней. Вместе с другими свойствами — водостойкостью, гигроскопичностью, водопроницаемостью — они отражают важные стороны качества тепло­изоляционных материалов и изделий.

Вода отрицательно влияет и на теплозащитные свойства матери­алов, и на его долговечность в конструкциях. Устраивают защитные покрытия по теплоизоляции из стеклопластиков, алюминиевой фо­льги и др.