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. Пергидроль легко разлагается в щелочной среде с образованием молекулярного кислорода. 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 C₁₉H₁₉COOH); 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 (FeO). 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 (вьюокогидратированный алюмосиликат магния) расщепляется на отдельные слюдяные пластинки, которых в 1 см³ насчитывается до 200 тыс. шт. (рис. 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/м.³), 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). Насыпная плотность вспученного перлитового щебня составляет 160—500 кг/м³. Пористость вспученного перлита может достигать 88—90% и более.

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%, Аl₂Оз — 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 его увеличении ухудшается вата, и волокна достигают толщины 10-40 мкм.

Самым распространенным 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, 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. 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.

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.