3. Двухслойные материалы и полимерно-металлические изделия

По количеству основных теплоизоляционных слоев конструкции различают одно- и многослойные (двух- и трехслойные). Многослойная изоляция бывает однородная или неоднородная, т. е. выполненная из двух или более теплоизоляционных материалов или изделий [4].

По назначению полимерные покрытия разделяют на защитно-декоративные, химически стойкие (антикоррозионные), электротехнические, антифрикционные (фрикционные), теплоизоляционные, обще конструкционные и др. [1].

Обычно покрытие выполняет несколько функций, например, является защитно-декоративным и электроизоляционным, обеспечивает работоспособность подвижного соединения в коррозионно-активной среде, защищает поверхность от коррозии и придает ей анти адгезионные свойства и т.п. [1].

Покрытие должно быть долговечным, абразивостойким, хорошо противостоять влияниям атмосферы, обладать высокой адгезией к металлическим поверхностям и надежно защищать металл от коррозии [7].

Для антикоррозионной защиты широко используются композиции на основе полиолефинов, поливинилхлорида, пентапласта, фторопластов, эпоксидных, полиэфирных, фенольных и фенолоформальдегидных смол и других органических и элементоорганических полимеров [1, 7, 8].

Полимерные материалы являются хорошими диэлектриками. Широкое применение в электроизоляционной технике находят покрытия на основе эпоксидных смол, отличающиеся высокой стойкостью к тепловому старению и повышенной влагостойкостью. Электрические свойства покрытий зависят от типа смолы и отвердителя, состава композиции, технологических и других факторов. Например, в зависимости от типа используемого отвердителя удельное объемное электрическое сопротивление покрытий может изменяться на один – два порядка, при этом можно пронаблюдать заметное изменение диэлектрической проницаемости и электрической прочности, в то время как физико-механические свойства пленок изменяются незначительно.

Стабильными электрическими свойствами при высоких температурах обладают фторопласты и покрытия на их основе. Пленочный политетрафторэтилен широко используется для изоляции обмоточных нагревостойких проводов в электродвигателях, генераторах, трансформаторах и т.д. Использование других термопластов в электроизоляционной технике ограничено из-за их низкой термостойкости. Например, покрытия из полиэтилена низкого давления и поливинилбутираля имеют стабильные электрические свойства лишь при значениях температуры до 343 К [1, 7].

В настоящее время наблюдается тенденция к вытеснению традиционных жидких лакокрасочных материалов и металлических покрытий в процессах защитно-декоративной отделки изделий дисперсными материалами и композиционными составами (порошковыми красками) на их основе. Уже накоплен достаточный опыт применения покрытий на основе полимеров для защитно-декоративной отделки изделий. Для получения защитно-декоративных покрытий применяют составы на основе полиэтилена, поливинилбутираля, поливинилхлорида, эпоксидов, полиэфиров, реже – полиамидов [7, 9].

Полимерные покрытия являются эффективным средством защиты металлов от коррозии и износа, применяются для придания поверхности металлических изделий теплоизоляционных, антиадгезионных и других свойств. Полимерные покрытия наносят из порошков, гранул, пленок, расплавов, суспензий и растворов полимеров [1, 8].

Теплоизоляционные полимерные покрытия. Жидкие теплоизоляторы – специальные составы с повышенными антикоррозионными свойствами и улучшенной адгезией для теплоизоляции металлических объектов и конструкций, эксплуатирующихся в условиях повышенной влажности и воздействия слабых агрессивных сред [10, 15].

Жидкая теплоизоляция применима практически везде, где требуется тепло-, гидроизоляция, а именно при утеплении наружных или внутренних стен жилых зданий, производственных цехов, кровли в особенности паропроводов и трубопроводов горячего, холодного водоснабжения и т.д. [13].

Данные теплоизоляционные покрытия характеризуется высокой и стабильной адгезией, атмосферостойкостью, термостойкостью, антикоррозионными свойствами.

Жидкие теплоизоляторы разрабатываются как многофункциональное покрытие, решающее проблемы теплоизоляции, защиты от конденсата и коррозии, предназначены для тепловой изоляции и антикоррозионной защиты изделий из черных и цветных металлов: трубопроводов, промышленного оборудования, емкостей различного назначения, а также железобетонных конструкций. Рабочий режим от минус 60 до 200 °С с максимальной пиковой нагрузкой 260°С [6].

Обычно данное теплоизоляционное покрытие, представляет собой жидкую композицию на основе водной дисперсии акрилового латекса, наполненную полыми микросферами.

Полые микросферы представляют собой мелкодисперсные легкосыпучие порошки белого цвета, состоящие из тонкостенных (0,5–0,8 мкм) частиц сферической формы диаметром 10–120 мкм и низкой плотностью – 0,2 г/см³. Конечные свойства материала определяются диаметром микросфер, их гранулометрическим составом, толщиной стенок и количеством микросфер в готовом составе. Кроме микросфер жидкое теплоизоляционное покрытие содержит аэрогель, относящийся к классу мезопористых материалов (пористый материал, структура которого характеризуется наличием полостей или каналов с диаметром в интервале 2 – 50 нм.), в которых полости занимают не менее 50% объема. Аэрогели характеризуются самыми высокими показателями прочности в расчете на единицу массы. Кроме того, это отличные электро-, тепло- и звукоизоляторы [10–15].

После нанесения на поверхность жидкого теплоизоляционного покрытия и полного высыхания в течение 24 часов образуется высокоэластичное теплоизоляционное покрытие, имеющее высокую адгезию к металлу, дереву, пластику и обладающее отличными гидроизоляционными, теплоизоляционными свойствами и устойчивостью к воздействию атмосферных осадков и перепадов температуры, к ультрафиолетовым лучам. Высокая эластичность позволяет теплоизоляционному покрытию выдерживать резкие перепады температур, не образуя трещин. Кроме того, такие покрытия, способны перекрывать мелкие трещины на фасадах домов.

Теплоизоляционные покрытия обладают свойством уменьшения радиационной составляющей теплового потока с собственной поверхности за счет высокого коэффициента отражения и рассеивания части теплового потока и является жидким утеплителем [17].

Наблюдения показали, что при нанесении жидкого теплоизоляционного покрытия на поверхность, образуются два отражающих слоя на границе раздела «поверхность – покрытие» и «покрытие – атмосфера», которые препятствуют передаче тепла через слой материала.

Теплоизоляционное покрытие наносится послойно. Толщина одного технологического слоя составляет от 0,4 до 0,8 мм. Норма расхода теплоизолятора при однослойном покрытии 1 литр на 1,5–2 м². Трудоемкость нанесения аналогична трудоемкости малярных работ. Преимущества жидкого теплоизолятора [13]:

– снижает или полностью устраняет конденсацию;

– стоек к воздействию слабых агрессивных сред;

– термостойкость;

– позволяет теплоизолировать объекты без остановки технологического цикла;

– предотвращает коррозию под изоляцией;

– не поддерживает горение;

– снижает дымообразование и распространение огня;

– нетоксичен;

– наносится на поверхности любых конфигураций;

– малые трудо– и ресурсозатраты при эксплуатации и ремонте.

4. Выводы по разделу 1

1. Тепловые методы неразрушающего контроля занимают исключительно место среди методов и средств контроля качества, долговечности и надёжности как традиционных, так и вновь создаваемых материалов.

2. В результате обзора патентных и литературных источников обнаружено многообразие способов неразрушающего контроля теплофизических свойств объектов.

3. Среди методов контроля качества полимерных покрытий особый интерес вызывают неразрушающие методы теплового анализа. При этом перспективными являются методы и средства, которые основаны на определении параметров нестационарного теплопереноса на начальной стадии его развития.

4. В большинстве случаев при неразрушающем контроле теплофизических свойств используют те методы, при которых поверхностный источник тепла постоянной мощности функционирует на ограниченной области исследуемого образца.

2. Теоретическое обоснование и аппаратурное оформление неразрушающего контроля

2.1 Физическая модель

На металлической пластине с низкотеплопроводным покрытием толщиной h₁ расположен измерительный зонд, включающий в себя плоский круглый нагреватель, теплоизолирующую подложку и термоприёмники (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 Измерительная схема.

Исследуемое тело представляет собой конструкцию, состоящую из двух слоев: первый – низкотеплопроводный с теплофизическими свойствами λ₁, с₁, ρ₁; второй – высокотеплопроводный с теплофизическими свойствами λ₂, с₂, ρ₂. Толщина первого слоя – h₁, второго – h₂. Температура в точках контроля измеряется с помощью термоприёмников (ТП1, ТП2).

Тепловое воздействие на систему с равномерным начальным температурным распределением осуществляется с помощью нагревателя постоянной мощности, выполненного в виде тонкого диска радиусом R_Н, встроенного в подложку измерительного зонда, выполненную из рипора, радиусом R_ИЗ.

Размеры подложки измерительного зонда и металлической пластины (L₁ , L₂ , h₂) подобраны так, что их можно считать полуограниченными. Для упрощения тепловой схемы и расчётов пренебрегаем теплоёмкостью и оттоками тепла по проводам теплоприёмников.

Тепловая схема многослойной системы, включающей в себя теплоизолирующий слой (подложка измерительного зонда), нагреватель, низкотеплопроводное покрытие толщиной h₁ и металлическое основание, представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.2 Тепловая схема многослойной системы