1.3. Виды оптимальных структур теплоизоляционных материалов

Состояние структуры вещества подразумевает степень упорядочения слагающих его молекул, атомов. В зависимости от этого вещество может характеризоваться аморфной, нестабильной субмикрокристаллической и стабильной кристаллической структурой.

К оптимальным структурам теплоизоляционных материалов относятся такие структуры, которые характеризуются максимальными значениями пористости с равномерным распределением пор и заполнителя по объему. При использовании связующих для получения теплоизоляционных материалов необходимо еще одно условие: наличие непрерывной прослойки вяжущего при минимальном водотвердом (водоцементном) отношении.

Оптимизация ячеистой структуры

Если пору представить в виде шаров одинакового диаметра (идеальный случай), то возможны 2 вида их плотнейшей упаковки: гексагональная и кубическая гранецентрированная.

Все другие упаковки будут характеризоваться меньшей пористостью.

Оптимизация волокнистой структуры

При создании волокнистой структуры используемые в материале волокна в большинстве случаев являются плотными и характеризуются пористостью, близкой к нулевой. Поэтому считают, что пористость волокнистых материалов представлена порами, образующимися между волокнами.

Значительное влияние на свойства волокнистых материалов оказывает размер поперечного сечения волокна. Уменьшение диаметра волокон снижает количество дефектов его структуры. Это вызывает увеличение прочности волокон и, как следствие, возрастание прочности волокнистого, например, минераловатного ковра. Однако при этом увеличивается количество твердой фазы в единице объема всего материала, что вызывает уменьшение размера пор и ослабление конвективного теплообмена. В связи с этим снижается теплопроводность волокнистых материалов.

При значительном снижении диаметра волокна теряют упругость, в результате чего образуются материалы с повышенной средней плотностью и теплопроводностью.

Диаметры минеральных волокон должны быть 6-8 мкм. Поперечное сечение волокон должно быть круглым, т.к. в этом случае уменьшаются средняя плотность материала и доля контактной теплопроводности.

Таким образом, для волокнистых материалов оптимальной является структура с минимальным содержанием твердой фазы, представленной волокнами оптимального диаметра и обеспечивающей упругость и неслеживаемость волокнистого характера при заданных нагрузках.

Оптимизация зернистой пористости

Пористость материалов зернистой структуры слагается из пористости самих зерен и межзерновой пористости. У эффективных материалов с зернистой структурой вклад межзерновой пористости и пористости самих зерен в общую пористость приблизительно одинаков.

Пористость зерен чаще всего бывает ячеистой закрытой (стеклопоры, гранулы пенополистирола) или открытой (перлит, вермикулит). 1-й вид более желателен.

Различают 2 вида зернистой структуры: нестационарную и стационарную.

Нестационарная зернистая структура формируется у теплоизоляционных материалов. Прочность системы определяется силами механического трения между частицами.

Стационарная зернистая структура формируется у теплоизоляционных материалов и изделий с применением связующих. Ее прочность определяется адгезионными и когезионными свойствами вяжущего в местах контакта с зернами.

Структура с мелкими высокопористыми зернами монофракционного состава, оптимальной стационарной зернистой структурой - из высокопористых зерен увеличенного размера и монофракционного состава со сферической уплотненной поверхностью.

Способы получения пористой структуры

Существуют различные способы получения высокопористых материалов. Основные из них:

1) газообразование;

2) пенообразование;

3) высокое водозатворение;

4) создание зернистой пористости (механическая диспергация);

5) получение волокнистого каркаса;

6) вспучивание минерального и органического сырья при нагревании;

7) способ выгорающих добавок.

Способ газообразования основан на выделении газа в поризуемом материале при добавлении к основному сырью специальных газообразователей. Существуют газообразователи, которые выделяют газ, либо в результате разложения самого газообразователя без взаимодействия с поризуемым материалом.

2Al+3Ca(OH)₂+6H₂O=3CaO·Al₂O₃· H₂O +2H₂

2H₂O₂=2H₂O+O₂

Перекись водорода разлагается с выделением О₂.