Минеральная вата и изделия на ее основе

Минеральная вата представляет собой теплоизоляционный материал, по­лучаемый из расплава горных пород или металлургических шлаков и сос­тоящий из стекловидных волокон и различных неволокнистых включений в виде капель силикатного расплава и микроскопических обломков воло­кон (рис.3). В технической литературе встречаются сведения о фактах, послуживших отправным началом для изобретения минерального волокна и зарождения его промышленного производства. Эти факты относятся к середине XIX века. В тот исторический период происходило быстрое развитие отраслей техники, связанных с сжиганием топлива, совершенствованием паровых котлов и паровых двигателей, появлением новых конструкций металлургических печей. Одно из объяснений изобретения минеральной ( шлаковой) ваты относится к устройству и работе доменных печей в Уэльсе (Англия), 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. Американская версия возникновения производства минеральной ваты связана с древней легендой, существовавшей у полинезийцев – жителей Гавайских островов в Тихом океане о том, что тонкие нити вулканического стекла – обсидиана, раздуваемые ветром из жидкой лавы, представляют собой волосы богини огня Пеле. В 1850 году американские инженеры собрали на Гавайских островах такие волокна, исследовали их состав и свойства, а затем воспроизвели их искусственным путем, воздействуя паром на струю расплава соответствующих горных пород.

Высокие теплоизоляционные свойства минеральной ваты обусловлены наличием большого количества воздушных пор: пористость достигает 95-96%. Объем и размер пор зависят от степени уплотнения и диаметра волокон. Средний диаметр волокон и их длина зависят как от химического состава расплава, так и от ряда технологических факторов. Чем длиннее волокно, тем более упругими и прочными получаются изделия.

Длина волокон минеральной ваты в зависимости от способа производ­ства бывает от 2 до 60 мм, в массе должно содержаться до 80-90% тон­кого волокна диаметром менее 7 мкм, содержание волокон диаметром свыше 15 мкм допускается не более 7%; теплопроводность - 0,042-0,046 Вт/(м°С); температуроустойчивость - не менее 600°С. В зависимос­ти от плотности минеральную вату выпускают трех марок - 75, 100 и 125.

Рис.3. Фотография структуры полужесткой минераловатной плиты на полимерной связке

Рис.4. Образцы изделии на основе минеральной ваты

Рис.5. Способы использования минераловатных материалов

Помимо волокон вата содержит частицы расплава, не вытянувшиеся в волокно. Эти включения получили название «корольки». Форма этих частиц в основном сферическая. Корольки повышают теплопроводность минеральной ваты, являясь «мостиками» передачи тепла. Средняя плотность минеральной ваты зависит от среднего диаметра волокна, содержания корольков и степени уплотнения. Стандартом предусмотрено определение средней плотности при удельной нагрузке 0,002 МПа, что соответствует нагрузке, которую испытывает вата в процессе эксплуатации. При одинаковой удельной нагрузке средняя плотность возрастает с увеличением диаметра и содержания корольков. Предусмотрен выпуск ваты марок 75, 100, 125. Содержание корольков размером свыше 0,25 мм ограничивается стандартом: для марок 75-12%; 100-20%, 125-25%.

Водопоглощение минеральной ваты при погружении в воду очень велико – до 600%. Гигроскопичность колеблется от 0,2 до 2%. Грибоустойчивость минеральной ваты зависит от условий эксплуатации. Минеральная вата не является благоприятной средой для развития грибов. Однако под действием органических кислот, выделяемых грибами, минеральная вата может разрушаться. Повысить грибоустойчивость можно путем повышения кислотности волокон. Температура спекания ваты 700-800°С, соответственно температура применения 600-700°С. Расстекловывание ваты может происходить уже при 500°С. Кислая вата меньше подвержена расстекловыванию. Минеральная вата обладает огнезадерживающими свойствами благодаря негорючести и малой теплопроводности. Теплопроводность зависит от диаметра волокна, средней плотности и содержания неволокнистых включений в вате. Увеличение диаметра волокна влечет за собой повышение теплопроводности. При увеличении диаметра волокна с 3 до 12 мкм теплопроводность растет на 10%.

Теплопроводность минеральной ваты не должна превышать показателей указанных в таблице 3.

Таблица 3

Теплопроводность минеральной ваты

при температуре	Вт/(м °С)
25±5°С	0,045
125±5°С	0,064
300±5°С	0,105

С увлажнением этот показатель резко возрастает, поэтому вату нужно предохранять от увлажнения.

Теплопроводность минераловатных изделий складывается из трех составляющих: теплопроводности волокон, теплопроводности воздушной среды и влаги, находящихся между волокнами, а также передачи тепла лучеиспусканием. Теплопроводность твердой части, как основная составляющая общей теплопроводности, зависит от геометрии и ориентации волокон в пространстве. При заданной плотности наиболее эффективным теплоизолятором является минеральная вата с хаотически расположенными и беспорядочно ориентированными волокнами.

Ориентация волокон влияет не только на теплопроводность, но и на прочностные характеристики минераловатных изделий. Прочность на сжатие у них возрастает с ростом количества вертикально ориентированных волокон. Таким образом, чем выше процент количества вертикально ориентированных волокон, тем более низкой плотности минеральную плиту можно применять для обеспечения заданной прочности на сжатие. Поэтому технология формования минераловатных плит, обеспечивающая высокий процент вертикально ориентированных волокон, является наиболее прогрессивной.

Технология минеральной ваты

Производство минеральной ваты включает следующие процессы: подготовку сырья; плавление сырья и получение силикатного расплава; переработку расплава в волокно; формирование минераловатного ковра; рулонирование минераловатного ковра.

Силикатные расплавы для производства минеральной ваты получают путем плавления сырья в печах следующих типов: шахтных (вагранках), ванных электродуговых, циклонных и конверторных печах.

Могут быть также использованы огненно-жидкие шлаки металлургических печей. Для подогрева жидких шлаков применяют специальные печи – шлакоприемники.

Использование печи того или иного типа зависит в основном от вида сырья и наличия топливных или энергетических ресурсов.

Переработка расплава в волокно осуществляется двумя способами: дутьевым и центробежным. Сущность дутьевого способа заключается в том, что на струю жидкого расплава, вытекающего из печи, воздействует струя водяного пара или сжатого газа. Центробежный способ основан на использовании центробежной силы для превращения струи расплава в тончайшие минеральные волокна. Полученные волокна осаждаются в камере волокноосаждения на движущуюся ленту транспортера.

Минеральная вата хрупка, и при ее укладке образуется много пыли, поэтому вату гранулируют, то есть превращают в рыхлые комочки – гранулы. Эффективность использования минеральной ваты особенно возрастает при выпуске ее и применении в виде готовых изделий. Сама минеральная вата является как бы полуфабрикатом, из которого выполняют разнообразные минераловатные изделия: войлок, маты, полужесткие и жесткие плиты, скорлупы, сегменты и др. Формирование минераловатных изделий производится путем нанесения различных связующих на волокна и последующего уплотнения. В качестве связующего используются в основном органические вещества (синтетические смолы и олигомеры, битумы, крахмал) и их композиции. Для высокотемпературной изоляции применяют минеральные вяжущие вещества ( цементы, глины, жидкое стекло, фосфатные связующие) и их композиции с добавками органического происхождения. Смешивание минеральной ваты со связующими веществами осуществляется следующими способами:

1. Диспергированием связующих в виде растворов, эмульсий, суспензий или порошков в камере волокноосаждения через паровые или воздушные сопла;

2. Подачей связующего под давлением в трубопровод энергоносителя или перед струей силикатного расплава в процессе его раздува;

3. Пропиткой минераловатного ковра жидкотекущим связующим за камерой волокноосаждения методами окунания или полива с последующим отжимом и вакуумированием;

4. Пульверизацией связующего на тонкие слои ваты, которые затем набираются до заданной толщины;

5. Приготовлением гидромасс в смесителях в присутствие большого количества воды;

6. Пропусканием паров связующего через минераловатный ковер в специальных камерах.

Применяя способы 1,2,4 и 6 получают рулонные материалы, а способами 3 и 5 изготавливают жесткие и твердые изделия.

Применение минеральной ваты

Минеральная вата прочно занимает ведущее положение среди теплоизо­ляционных материалов из неорганического сырья. Это обусловлено неогра­ниченностью сырьевых запасов, простотой производства, высокой морозо­стойкостью, малой гигроскопичностью и небольшой стоимостью; ее можно применять для изготовления теплоизоляционных изделий и теплоизоляции при температуре изолируемых поверхностей от -200 до +600°С. (рис.4 и 5). На строительном рынке представлены различные марки минеральной ваты и изделий на их основе (PAROC, ROCKWOOL, IZOTEK, IZOVOL, ТЕРМОСТЕК, АКСИ и т.д.), отличающиеся происхождением сырьевых материалов и свойствами готовых материалов.

Мягкие плиты и маты, как правило, применяются в каркасных конструкциях. Жесткие и полужесткие плиты из минеральной ваты предназначены для применения на объектах, где изоляция подвергается механическим нагрузкам, либо в процессе выполнения монтажных работ, либо при эксплуатации. Прочность на сжатие жестких изделий напрямую зависит от плотности теплоизоляционного материала и содержания связующего.

Минераловатные теплоизоляционные изделия имеют следующие области применения в строительстве.

- в фасадных системах наружного утепления «мокрого» типа;

- в качестве теплоизоляционного слоя в навесных вентилируемых фасадах;

- в наружных стенах с утеплителем с внутренней стороны стен;

- в наружных стенах с утеплением внутри стен (слоистая кладка, трехслойные бетонные или железобетонные панели, трехслойные «сэндвич-панели с металлическими обшивками);

- в качестве основания под рулонные и мастичные кровли;

- в конструкциях скатных кровель;

- в конструкциях перекрытий и полов, в частности, полов по грунту и сопряжений наружных стен и перекрытий.

Широкая область применения определяет широкую номенклатуру минераловатных изделий, выпускаемых ведущими производителями, которая включает в себя:

- плиты для тепловой изоляции металлических, кирпичных и бетонных частей здания. Как правило, их запрессовывают между соответствующими элементами конструкций;

- маты для утепления стропильных и подпольных конструкций. Данные изделия должны быть защищены от увлажнения путем установки пароизоляции с «теплой» стороны;

- Специальные ветрозащитные плиты,которые рекомендуется применять как ветрозащиту над мягкими плитами в стеновых и строительных конструкциях. Специально для «вентилируемых» фасадов разработаны готовые двухизоляционные плиты со слоями разной плотности. Их устанавливают таким образом, чтобы более плотная часть находилась снаружи, а менее плотная примыкала к стене;

- полужесткие плиты, выдерживающие механические нагрузкидо 5 кН/м². Такие плиты применяют, например, в железобетонных трехслойных панелях;

- жесткие плиты, выдерживающие нагрузку до 12 кН/м².

- плиты повышенной жесткости, предназначенные для изоляции плоской кровли и являющиеся основанием под рулонную и мастичную кровли. Разработаны специальные плиты, которые при использовании их в качестве верхнего слоя придают кровле необходимый уклон.

Базальтовое волокно

В современном строительстве применяются базальтовые волокна,технологии производства которых достаточно новы и имеют ряд принципиальных особенностей, связанных с исходным сырьем – базальтом. Базальтовые породы (базальты, андезитобазальты, базаниты, диабазы, габро, долериты, амфиболиты, андезитовые порфириты и другие породы) относятся к основным породам магматического происхождения, имеют высокую природную химическую и термическую стойкость.Базальты представляют собой черную плотную застывшую лаву, находящуюся в скрытокристаллическом или аморфном состоянии, с зернистым строением и стекловидной массой. Она заполняет промежутки между зернами различных размеров. Базальты являются твердыми и одновременно хрупкими трудно обрабатываемыми породами, их прочность варьируется в широких пределах - от 110 до 500 МПа - и в связи с большим содержанием стекла может резко падать; плотность и средняя плотность очень близки и составляют 3000...3300 кг/м³. Базальты являются хорошими кислотоупорными и электроизоляционными материалами и высоко ценятся как сырье для каменного литья. Литой камень базальтин используют для получения отделочных изделий, химической аппаратуры, отличающихся кислотоупорностью, высокой прочностью (до 800 МПа) и долговечностью.

Диабаз (в переводе с французского - дважды базальт) отличается высокой твердостью, вязкостью, долговечностью

Базальтовые породы – однокомпонентное сырье обогащение, плавление и гомогенизация которых произведены в результате древней вулканической деятельности. Особенностями базальтов является то, что основные энергозатраты по их подготовке к производству волокон выполнены природой.

Основные технологические процессы в производстве базальтовых волокон подобны процессам, проходящим при производстве минеральных волокон из карбонатных горных пород и стекловаты, но, хотя и происходят при более высоких температурах 1400 – 1600^о С, не требуют операций присущих варке стекла (осветление, остужение, гомогенизации) благодаря химическому составу и структуре базальтового сырья.

Теплоизоляционные материалы из базальтового волокна по всем показателям превосходят изделия из обычного минерального волокна и стекловаты, а именно по влагопоглощению, химической стойкости, вибростойкости и предельным температурам применения. Плотность базальтового волокна – 45 -55 кг/м³, температурный диапазон применения- от -259 ^оС до + 900 ^оС, теплопроводность – 0,039 -0,043 Вт/мК, водопоглошение по массе не более 1,5% за 72 часа.

Базальтовое волокно в виде холста, прошивных матов и мягких плит применяются в качестве тепловой изоляции промышленно-энергетического оборудования, строительных конструкций, зданий, сооружений в жилищно-гражданском и промышленном строительстве, звукоизоляции и изоляции трубопроводов.