10.2 Будова і властивості теплоізоляційних матеріалів
З усіх середовищ, не враховуючи безповітряний простір, найменшу теплопровідність має повітря, особливо коли воно знаходиться у порах матеріалу, тобто є малорухомим ( = 0,023 Вт.м-1.град-1). Тому матеріали для теплової ізоляції готують високопористими, а значить – легкими. Звичайно, пористість теплоізоляційних матеріалів більше 50 %, а деякі найбільш ефективні теплоізоляційні матеріали, наприклад, ніздрюваті пластмаси, нібито збудовані з повітря (пори складають 90 – 98 %, а стінки тільки 2 – 10 % від усього об‘єму).
Теплоізоляційні матеріали можуть мати таку будову:
– ніздрювату (ніздрюваті бетони, піноскло, газонаповнені пластмаси);
– зернисту (сипучі матеріали з різною формою і розміром зерен);
– волокнисту (азбест, мінеральна вата, скловата);
– пластинчасту (матеріали, що містять смолу).
Для матеріалів ніздрюватої будови характерні однорідні і рівномірно розподілені пори сферичної форми. Для одержання матеріалів ніздрюватої структури використовують засоби газо– і піноутворення.
Зернисту будову мають рихлі матеріали. При виготовленні сипучих порошків подібних теплоізоляційних матеріалів застосовують механічне подрібнення і помел.
Основним засобом одержання високопористих матеріалів волокнистої будови є утворення волокнистого каркаса з тонкими повітряними шарами, що поділяють волокна. Органічні волокна одержують механічним розщепленням деревини або рослинної сировини. Мінеральне волокно одержують шляхом розплавлення неорганічної сировини з наступним перетворенням розплаву у волокна.
Пластинчаста будова характерна для матеріалів, що містять у своєму складі смолу, яка спочатку при швидкому нагріванні спучується (спучений вермикуліт).
При однаковій пористості більш високі теплоізоляційні показники мають матеріали, що містять дрібні замкнені пори. Це особливо важливо при виборі матеріалів для високотемпературної ізоляції.
Теплоізоляційні матеріали необхідно оберігати від зволоження. Зволоження і, особливо, замерзання у порах матеріалу води обумовлює різке збільшення його теплопровідності, тому що теплопровідність води ( = 0,58 Вт.м-1.град-1) приблизно в 25 разів, а льоду ( = 2,32 Вт.м-1.град-1) – у 100 разів більше, ніж повітря.
Міцність теплоізоляційних матеріалів відносно невелика, внаслідок їхньої пористої будови. Межа міцності при стиску коливається у межах від 0,2 до 2,5 МПа. Для деяких теплоізоляційних матеріалів важливою характеристикою є межа міцності при вигині (плити, сегменти) або при розтягненні (мати, повсть, азбестовий картон).
Температуростійкість оцінюють температурною межею використання теплоізоляційного матеріалу. Вище цієї температури матеріал змінює свою структуру, втрачає механічну міцність, а органічні матеріали можуть горіти.
10.3 Неорганічні теплоізоляційні матеріали
Неорганічні теплоізоляційні матеріали використовують для утеплення будівельних конструкцій та ізоляції гарячих поверхонь промислового устаткування. Їх виготовляють на основі мінеральної сировини – гірських порід, шлаку, скла, азбесту і ін. До цієї групи відносять такі матеріали і вироби: мінеральна і скловата, легкі бетони на спучених заповнювачах (вермикуліти і перліти); ніздрюваті теплоізоляційні бетони; піноскло; матеріали азбестові і ті, що вміщують азбест, керамічні та інші.
Теплоізоляційні матеріали і вироби на основі мінеральних розплавів.
Мінеральна вата складається зі штучних мінеральних волокон. Виробляють її з доломіту, вапняку, мергелів, базальту, шлаків і золи. Виробництво її складається з двох основних операцій – одержання розплаву у ванних печах і перетворення у тоненькі волокна дутьовим або відцентровим методом.
Щільність мінеральної вати 75–150 кг/м3, теплопровідність = 0,042–0,046 Вт.м-1.град-1. Вата не горить, вона малогігроскопічна, температуростійка. Мінеральну вату використовують для теплоізоляції як холодних (до –200 оС), так і гарячих (до +600 оС) поверхонь. Мінвата "ROCKWOOL" витримує температуру до 1000 оС. Частіше мінеральну вату застосовують у вигляді виробів: плит, матів, шкаралуп, сегментів, повсті для утеплення підлог, стін, стель, дахів, труб. Повну номенклатуру цих виробів виготовляють фірми "ROCKWOOL" та "ISOVER".
Мінеральна повсть – це листи з мінеральної вати, просочені синтетичними смолами і пресовані.
Мінераловатні плити і мати – це вироби у вигляді жорсткого або гнучкого килима з мінеральної вати, яка у залежності від типу виробу може бути просочена мінеральними або синтетичними в'яжучими, та ще укріплена покриттям (бітумінізованим папером, склотканиною, металевою фольгою або сіткою), прошита міцними нитками або тонким дротом.
Скловату одержують витягненням з розплавленої скломаси (вапняк, пісок, сода) волокон. Шар скловати в 5 см дорівнює термічному опору цегляної кладки товщиною в 1 м. Але скловата вважається канцерогенним матеріалом і її вживання у житлових і виробничих приміщеннях заборонено.
Теплоізоляційні матеріали одержують також зі спучених гірських порід, що містять у своєму складі пов‘язану воду. При нагріванні вода перетворюється у пар, спучує попередньо роздроблену породу, внаслідок чого утворюються пористі зерна (спучений перліт) або спучені луски (спучений вермикуліт). Використовують як легкі заповнювачі бетону.
Теплоізоляційні матеріали і вироби, що вміщують азбест, розподіляють на азбестові, що складаються з азбестового волокна (азбестовий папір, картон, вироби з них), і ті, що вміщують азбест і виготовлені з суміші азбестових волокон з мінеральним в‘яжучим (вапно, цемент). Порошкоподібні суміші цих матеріалів перед використанням змішують з водою і одержану пластичну масу наносять на поверхню для теплоізоляції. В заводських умовах з таких само мас формують вироби – плити, сегменти, шкаралупи.
Характерною особливістю гірської породи – азбесту є його волокниста структура і здатність розщеплюватися на тонкі еластичні, гнучкі волокна. Це обумовило специфіку його застосування в якості теплоізолюючого негорючого матеріалу.
Найбільше значення з декількох різноманітностей азбесту має хризотил–азбест, волокна якого більш міцні та еластичні. Мінералогічний склад хризотил–азбесту 3MgO.2SiO2.2H2O. вода що входить до його складу, при температурі 400–500 оС починає відщеплюватися, а при температурі 700оС вилучається повністю, що веде до руйнування структури матеріалу.
На основі азбесту і цементу одержують азбоцементні вироби у вигляді плоских покрівельних плит (шифер), профільованих листів для стін і покрівлі, вентиляційних труб, коробів і ін.
Одержують їх внаслідок формування і наступного твердіння суміші з 80–85 % портландцементу, 15–20 % азбесту і води.
Технологія виробництва азбоцементних виробів включає такі операції: розпушування азбесту на волокна; змішування з цементом, водою; виготовлення полотна і формування з нього листів і труб; різка, вигинання, пресування; твердіння виробів у пропарювальній камері.
Поведінка азбоцементу при дії високих температур обумовлюється поведінкою цементного каменю та азбесту (рис. 10.1)
При нагріванні до t = 100…150 оС міцність підвищується за рахунок випарювання фізичної вологи. При t = 400 оС, внаслідок дегідратації, починається різке зниження міцності, що при t = 500 оС становить 50 % від первинної. При t = 800 оС залишається лише 15 % міцності. При пожежі може мати місце небезпечне руйнування за рахунок значної кількості (8–11 %) вологи. При нагріванні вона утворює тиск, що веде до вибуху.
Теплоізоляційні вироби виготовляють формуванням (литтям, пресуванням, прокатом) гіпсової або гіпсобетонної суміші з наступним сушінням. Міцність їх на стиск складає від 25 до 100 кг/см2.
Вони мають достатньо високу вогнестійкість за ознакою прогріву і малу вогнестійкість за ознакою втрати несучої здатності: навіть при 100 оС вони втрачають міцність. Але повільний прогрів, обумовлений пористістю каменю, а також витратами тепла на вилучення хімічно зв‘язаної води, дозволяє з успіхом застосовувати гіпс для захисних конструкцій.
Поведінка гіпсових і гіпсобетонних виробів обумовлюється поведінкою гіпсового каменю (див. п.3.2.1), а також видом і кількістю заповнювачів. Так, гіпсові або гіпсоволокнисті плити, що містять не більше 8 % органічної маси, відносяться до негорючих, а ті, що містять більше 8 % органічної маси, – до важкогорючих. Гіпс часто використовують для виготовлення теплоізоляційних виробів, що застосовують для захисту металевих і інших конструкцій від нагрівання.