ТИМ. Особенности свойств, структуры и способов получения. Применение

      В зависимости  от  назначения  вырабатывают  текстильное  и теплоизоляционное (штапельное) стекловолокно. Средний  диаметр текстильного волокна 3-7 мкм, а теплоизоляционного 10-30 мкм.

      Стеклянное  волокно  значительно большей длины, чем  волокна минеральной ваты и  отличается  большими  химической  стойкостью  и  прочностью. Плотность стеклянной  ваты 75-125 кг/м3, теплопроводность  0,04-0,052 Вт/(м/°С), предельная температура  применения  стеклянной  ваты 450 °С. Из стекловолокна  выполняют маты, плиты, полосы и другие изделия, в том  числе  тканые.

     Пеностекло - теплоизоляционный материал ячеистой структуры. Сырьем для производства изделий из пеностекла (плит, блоков) служит смесь тонкоизмельченного  стеклянного боя с газообразователем (молотым известняком). Сырьевую смесь засыпают в формы и нагревают в печах до 900 "С, при этом происходит плавление частиц и разложение газообразователя. Выделяющиеся газы вспучивают стекломассу, которая при охлаждении превращается в прочный материал ячеистой структуры

      Пеностекло обладает  рядом  ценных  свойств,  выгодно  отличающих  его  от  многих  других  теплоизоляционных  материалов: пористость  пеностекла 80-95 %, размер  пор 0,1-3 мм, плотность  200-600 кг/м3, теплопроводность 0,09-0,14 Вт/(м, /(м* °С),  предел прочности при сжатии пеностекла 2-6 МПа. Кроме того, пеностекло  характеризуется водостойкостью, морозостойкостью, несгораемостью, хорошим  звукопоглощением, его легко обрабатывать режущим инструментом.

     Пеностекло в виде  плит длиной 500, шириной 400 и толщиной 70-140 мм используют в строительстве  для  утепления стен, перекрытий, кровель и других частей  зданий, а в виде полуцилиндров, скорлуп и сегментов - для изоляции тепловых агрегатов и теплосетей,  где  температура не превышает 300 °С. Кроме того, пеностекло служит звукопоглощающим и одновременно отделочным  материалом  для  аудиторий,  кинотеатров и  концертных  залов.

    Асбестосодержащие  материалы и изделия. К материалам и изделиям из асбестового волокна без добавок или с добавкой связующих веществ относят асбестовые  бумагу,  шнур, ткань, плиты и др. Асбест может быть также частью композиций, из которых изготовляют разнообразные теплоизоляционные материалы ( совелит  и др). В рассматриваемых материалах и изделиях использованы ценные  свойства асбеста: температуростойкость,  высокая  прочность, волокнистость и др.

    Алюминиевая  фольга (альфоль)-новый теплоизоляционный материал, представляющий собой ленту  гофрированной бумаги с наклеенной на гребне гофров алюминиевой фольгой. Данный вид теплоизоляционного материала в отличие от любого пористого материала сочетает низкую теплопроводность воздуха, заключенного между листами алюминиевой фольги, с высокой отражательной способностью самой поверхности алюминиевой фольги. Алюминиевую фольгу для целей теплоизоляции выпускают в рулонах шириной до 100, толщиной 0,005- 0,03 мм.

Практика использования алюминиевой фольги в теплоизоляции показала, что оптимальная толщина воздушной прослойки между слоями фольги должна быть 8- 10 мм, а количество слоев должно быть не менее трех. Плотность такой слоевой конструкции из алюминиевой (фольги  6-9 кг/м3,    теплопроводность - 0,03 - 0,08 Вт/(м* С ).

Алюминиевую фольгу употребляют в качестве отражательной изоляции в теплоизоляционных слоистых  конструкциях  зданий  и сооружений, а также для теплоизоляции поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре 300 °С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства теплоизоляционных материалов.

Теплоизоляционные материалы, как правило, имеют характерные свойства, благодаря которым они способны прослужить долгое время даже при жесткой эксплуатации.

Рассмотрим эти свойства более подробно

1. Базовой характеристикой, которая должна быть присуща теплоизоляционному материалу, является низкая теплопроводность. 
Коэффициент теплопроводности (теплопроводность) определяют как количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте равном единице. 
Коэффициент теплопроводности λ получают в Вт/(м*К). Способы и методы проведения испытаний тепловой проводимости материалов в различных странах существенно разнятся, поэтому в обязательном порядке следует предоставлять данные об условиях испытаний, при которых проводились измерения, например, о температуре, это позволит провести более тщательное сравнение теплопроводности различных материалов. 
Величина теплопроводности пористых материалов (теплоизоляционные материалы) зависит от вида, размера и расположения пор, плотности материала, молекулярной структуры и химического состава твердых частей основы, вида и давления газа, заполняющего поры, коэффициента излучения поверхности, ограничивающей поры. Но самыми важными показателями материала являются его температура и влажность, они оказывают самое большое влияние на коэффициент теплопроводности. 
Из этих двух показателей наибольшее влияние при эксплуатационных условиях оказывает влажность, хотя с увеличением температуры теплопроводность материалов тоже значительно растет. 
Коэффициент теплопроводности базовых конструкций должен лежать в пределах 0,03-0,05 Вт/(м*К)

2. Другое свойство это средняя  плотность – ее величина вычисляется  отношением массы вещества к  занимаемому им объему. Она определяется как соотношений кг/м3.

У теплоизоляционных материалов средняя плотность гораздо ниже плотности большинства строительных материалов, это обусловлено большой пористостью теплоизоляционных материалов. В настоящее время в строительстве применяются теплоизоляционные материалы, плотность которых составляет от 17 до 400 кг/м3, в зависимости от их назначения.

Теплоизоляционные свойства тем лучше, чем меньше средняя плотность сухого материала при температурном режиме, свойственном ограждающим конструкциям зданий.

Уменьшение средней плотности материала приводит к увеличению его пористости. От равномерности распределения пор внутри материала зависят его базовые свойства, которые и определяют пригодность материала для использования в строительных конструкциях: морозостойкость, сорбционная влажность, прочность, водопоглощение, теплопроводность. У материалов с равномерно расположенными небольшими замкнутыми порами наблюдаются самые лучшие теплоизоляционные свойства.

3. Еще одним свойством является  влажность – накопление жидкости  в материале. Теплопроводность теплоизоляционных и строительных материалов значительно растет с увеличением влажности.

Некоторое количество влаги всегда наблюдается в материалах с капиллярно-пористой структурой, находящихся в естественной воздушной среде. Происхождение этой влаги определяется тем, что присутствующие в воздухе с определенной влажностью молекулы водяного пара, попадая под влияние молекулярных сил более сухого материала, конденсируются на поверхности в виде тонкой водяной пленки. 
После того как сорбированная влага достигла состояния равновесия на поверхности материала с давлением водяного пара в воздухе, постепенно происходит впитывание влаги во внутреннюю структуру материала. 
Когда материал находится в воздушной среде с постоянными температурой и относительной влажностью, то в нем преобладает равновесное состояние (неизменное количество влаги), эта влага называется сорбционной. 
 
4. Немаловажным свойством является водопоглощение – это возможность впитывать и удерживать в порах влагу при прямом контакте с водой материала. Водопоглощение теплоизоляционных материалов определяется количеством воды, поглощаемым материалом с нормальной влажностью при проведении им определенного времени в воде, относительно удельной массы сухого материала. 
 
Чем больше поглощает материал влагу, тем больше теплопроводность материала. Это происходит потому, что вода занимает внутри материала какую-то часть объема пор и ячеек, замещая собой воздух. 
Такое существенное увеличение теплопроводности теплоизоляционного материала вызывается тем, что теплопроводность воды λ=0,58 Вт/(м*К ) приблизительно в 25 раз выше теплопроводности «стоячего» воздуха. 
Когда температура окружающей среды падает ниже нуля градусов Цельсия вода в порах материала замерзает, а это служит еще большим увеличением теплопроводности материала, потому что теплопроводность льда λ=2,2 Вт/(м*К ) практически стократно превышает теплопроводность «стоячего» воздуха. 
Гидрофобизация позволяет значительно уменьшить водопоглощение стекловолокнистых и минераловатных теплоизоляционных материалов, как правило, путем введения кремнийорганических добавок. 
Если материал практически не увлажняется при взаимодействии с водой, то это говорит о том, что он обладает свойством гидрофобности. 
 
 
5. Другое свойство теплоизоляционных материалов это морозостойкость – способность выдерживать в насыщенном состоянии многоразовое изменение температур от стадии замораживания до стадии оттаивания попеременно без видимых признаков нарушения структуры. 
 
6. Прочность является механическим свойством теплоизоляционных материалов, ее рассчитывают на сопротивление трещинообразованию, растяжение, изгиб, сжатие. 
 
Прочность определяется как способность материалов оказывать сопротивление разрушительным действиям внешних сил, которые вызывают внутренние напряжения в материале и деформацию. Это свойство теплоизоляционных материалов имеет зависимость от структуры, прочности остова (твердой составляющей) и пористости материала. Если материал обладает структурой с крупными неравномерными порами, то он менее прочен, чем материал с мелкими порами. 
 
7. Долговечность конструкции зависит и от химической стойкости покрытия теплоизоляционного материала (данный фактор следует особенно тщательно учитывать при выборе материалов для утепления покрытий производственных сооружений). К тому же необходимо учесть и биологическую стойкость. 
 
8. Также немаловажными свойствами теплоизоляционных материалов, используемых для покрытия, являются способность к дымообразованию, возможность выделения токсичных газов при горении, горючесть. Выбор теплоизоляционного материала зависит от предъявляемых требований СНиП на кровли, пожарную безопасность и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура теплоизоляционных материалов.

Теплоизолирующая способность материала зависит не только от количества, но и характера пор, их распределения, размеров, открыты они или замкнуты. Наиболее высокими теплоизоляционными свойствами обладают материалы, содержащие при всех прочих равных условиях большое количество мелких и замкнутых пор, заполненных воздухом. Воздух в неподвижном состоянии обладает очень малой теплопроводностью (при 20°С) — 0,02 Вт/(м°С).

Если взять какое-либо высокопористое тело с мелкими и замкнутыми порами и рассмотреть его структуру под микроскопом, то можно увидеть множество воздушных пор, отгороженных друг от друга тонкими вещественными стеночками. Совокупность таких пор, содержащих малотеплопроводный воздух, создает преграду на пути следования тепла или холода и делает материал малотеплопроводным. Для улучшения изоляционных свойств материала желательно, чтобы на пути теплового потока имелось как можно больше таких воздушных пор, а тонкие ограничивающие их стенки располагались сотообразно.

Типичная структура пенополистирольного пенопласта. Хорошо видно, что ячейки воздуха разделены тонкими пленками полимерного материала.

В наибольшей мере изолирующее свойство воздуха проявляется только при спокойном его состоянии, так как находящийся в движении воздух оказывает содействие переносу тепла. Крупнопористое, раковистое строение материала с вытянутыми порами создает условия для возникновения конвекционных потоков воздуха, что вызывает усиление передачи тепла через материал. Чем меньше объем воздуха, заключенного в порах, тем меньше его подвижность и тем лучше изолирующие свойства.

Теплоизоляционные свойства материалов зависят также от соотношения объемов воздуха, заключенного в порах, и твердого вещества, входящего в единицу объема материала. Чем тоньше слой твердого вещества, окружающего поры, тем лучше теплозащитные свойства материала и меньше его коэффициент теплопроводности. В очень пористых материалах с очень малой плотностью объем воздуха, содержащегося в них, настолько велик и теплоизолирующие свойства настолько большие, что роль твердого вещества в передаче становится очень незначительной. В таких материалах теплопроводность может приближаться к теплопроводности воздуха (например, в мипоре).

Если сравнить теплопроводность материалов, имеющих одинаковый вещественный состав, но различную пористость, то можно заметить, что теплопроводность почти пропорциональна плотности материала, т. е. содержанию в них твердого вещества. Поры и пористые каналы в материале могут быть созданы вспениванием его, введением при изготовлении материала газообразующих добавок, контактным склеиванием или спеканием отдельных зерен и частиц материала, взаимоналожением большого количества волокон и т. п.

Структура базальтовой ваты. Хорошо видно переплетение многочисленных нитей (волокон).

Структура материала оказывает существенное влияние на его теплозащитные свойства. Особенно наглядно это проявляется в материалах волокнистого строения. Например, теплопроводность древесины вдоль волокон приблизительно в 2 раза больше теплопроводности поперек волокон. Для характеристики теплоизоляционных свойств материалов, применяемых в виде засыпок, большое значение имеет крупность зерен. С уменьшением размера зерен теплозащитные свойства материала улучшаются, что имеет место даже в том случае, если плотность его остается неизменной.

Таким образом, рассматривая общий характер строения теплоизоляционных материалов, можно сделать вывод, что малую теплопроводность материалам придают поры, когда они заполнены воздухом, но если поверхность этих пор будет покрыта пленкой воды или поры будут заполнены водой, то теплоизоляционные свойства материалов резко снижаются. Это происходит потому, что вода имеет большую теплопроводность, нежели воздух (примерно в 25 раз). Поэтому при эксплуатации теплоизоляционные материалы необходимо защищать от увлажнения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Способы получения высокой пористости теплоизоляционных материалов.

При производстве различных современных теплоизоляционных материалов применяют следующие способы образования у них высокопористого строения.

Способ газообразования, основанный на выделении газа в поризируемом материале путем добавки к основному сырью специальных газообразователей.

Способ пенообразования заключается в понижении поверхностного натяжения жидкости, обычно воды, при добавке к ней поверхностно-активных веществ - пенообразователей, что создает пену, которую смешивают с поризируемым материалом. Такой способ называют часто способом вспенивания.

Способ высокого водозатворения. Сущность способа заключается в применении большого количества воды при получении формовочных масс, из которых приготовляют материалы, с последующим испарением этой воды в процессе сушки, благодаря чему в материале образуются поры.

Способ механической диспергации применяют при изготовлении сыпучих теплоизоляционных материалов, например при измельчении диатомита или распушке асбеста. Обычно служит вспомогательным способом при других способах порообразования.

Способ создания волокнистого каркаса является основным способом создания высокопористого строения при производстве стекловаты и минеральной ваты, а также у фибролита. Он имеет существенное значение в образовании пористости и у других материалов, содержащих в своем составе волокно, например асбестовое или древесное.