Теплоизоляционные материалы

Рассматриваемые вопросы

1.Классификация и основные требования

2.Органические теплоизоляционные материалы

3.Неорганические теплоизоляционные материалы

4. Органические теплоизоляционные материалы

Теплоизоляционными называют материалы, имеющие теплопроводность не более 0,175 Вт/(м·°С) при 25 °С и предназначенные для снижения тепловых потоков в зданиях, технологическом оборудовании, трубопроводах, тепловых и холодильных промышленных установках. Применение таких материалов в конструкциях позволяет весьма существенно экономить тепловую энергию, дефицитность и стоимость которой постоянно растут.

Теплоизоляционные материалы и изделия классифицируют:

- по виду основного исходного сырья (неорганические и органические);

- структуре (волокнистые, ячеистые, зернистые, сыпучие);

- форме – рыхлые (вата, перлит), плоские (плиты, маты, войлок), фасонные (цилиндры, полуцилиндры, сегменты и др.) и шнуровые (шнуры, жгуты);

- сжимаемости – мягкие (М), имеющие относительную деформацию свыше 30 % при удельной нагрузке 2 кПа; полужесткие (ПЖ) – соответственно 6-30 %; жесткие (Ж) – не более 6 %. Кроме того, различают изделия повышенной жесткости, имеющие относительную деформацию до 10 % при удельной нагрузке 4 кПа, и твердые – до 10 % при удельной нагрузке 10 кПа;

- возгораемости (горючести) – несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Тепловой поток через пористые строительные материалы представляет собой сумму кондукционного (теплопередача) l_т, конвекционного l_к и радиационного (излучение) l_р потоков. Чем мельче поры и чем их больше, тем меньше теплопроводность изделия (рис. 15.1). Стремление к замкнутой пористости отличает структуру теплоизоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые должны иметь определенное количество открытых пор. Это принципиальное отличие необходимо иметь в виду, так как часто для производства теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий используются одни и те же исходные материалы. Минимальную теплопроводность имеет сухой воздух, заключенный в мелких замкнутых порах, в которых практически невозможен конвективный теплообмен, а именно 0,023 Вт/(м×°С). Теплопроводность скелета материала с аморфной структурой существенно ниже, чем с кристаллической. Таким образом, структура теплоизоляционного материала и изделия должна иметь скелет аморфного строения, предельно насыщенный мелкими замкнутыми порами или тонкими воздушными слоями.

Рисунок 15.1. Зависимость теплопроводности от толщины воздушных прослоек

Для теплопроводности имеют огромное значение влажность материала, так как теплопроводность воды равна 0,58 Вт/(м×°С), что в 25 раз выше, чем теплопроводность сухого воздуха, содержащегося в мелких замкнутых порах материала. В случае замерзания воды в порах теплопроводность льда составит 2,32 Вт/(м×°С), что на два порядка выше значения теплопроводности сухого воздуха и в 4 раза больше теплопроводности воды.

На практике используют различные способы создания высокопористого строения материала. Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бетоны, пеностекло, пористые пластмассы) используют способы газовыделения и пенообразования.

Способ высокого водозатворения состоит в применении большого количества воды при получении формовочных масс (например, из трепела, диатомита); последующее испарение воды при сушке и обжиге формовочных изделий способствует образованию воздушных пор. Этот способ часто сочетается с введением выгорающих добавок (углесодержащих техногенных отходов, древесных опилок и др.).

Создание волокнистого каркаса – основной способ образования пористости у таких материалов, как минеральная вата и изделия из нее, древесноволокнистые плиты и т.п. Высокопористое строение закрепляется путем затвердевания или отверждения (соответственно у неорганических и органических материалов).

Теплопроводность – основной качественный показатель теплоизоляционных материалов. По этому показателю они делятся на три класса: класс А – малотеплопроводные – до 0,058 Вт/(м × °С); класс Б – среднетеплопроводные – 0,058-0,116 Вт/(м × °С) и класс В – повышенной теплопроводности – не более 0,18 Вт/(м × °С).

Толщину однородной ограждающей конструкции в зависимости от ее требуемоготермического сопротивления и теплопроводности материала определяют по формуле

d = R_t × l , (15.1)

где d – толщина конструкции, м; R_t – термическое сопротивление, (м×°С)/Вт; l – теплопроводность материала, Вт/(м×°С).

Теплопроводность материала связана с его плотностью (рис. 15.2).

В настоящее время нормативные требования к энергозащите вновь строящихся и эксплуатируемых зданий значительно повышены. Только высокоэффективные теплоизоляционные материалы плотностью менее 200 кг/м³ и теплопроводностью не свыше 0,06 Вт/(м×°С) способны обеспечить достаточное снижение энергопотерь в строительстве.

Прочность теплоизоляционных материалов при сжатии сравнительно невелика – 0,2–2,5 МПа. Основной прочностной характеристикой волокнистых материалов (плит, скорлуп, сегментов) является предел прочности при изгибе. У неорганических материалов он составляет 0,15–0,5 МПа; у древесных плит – 0,4–2 МПа. Гибкие теплоизоляционные материалы (минераловатные маты, войлок) испытывают на растяжение. Прочность материала должна обеспечивать его сохранность при перевозке, складировании, монтаже и, конечно, в эксплуатационных условиях.

Рисунок 15.2 Зависимость теплопроводности теплоизоляционных материалов от плотности: 1 – неорганические материалы; 2 – органические материалы

Деформативные свойства теплоизоляционных материалов характеризуются сжимаемостью (в виде относительной деформации в процентах) и гибкостью.

Водопоглощение не только ухудшает теплоизоляционные свойства пористого материала, но также понижает его прочность и долговечность. Материалы с закрытыми порами, например, пеностекло, отличаются небольшим водопоглощением. Для снижения водопоглощения при изготовлении материалов с большой открытой пористостью вводят гидрофобизующие добавки.

Газо- и паропроницаемость учитывают при применении теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях. С одной стороны, теплоизоляция не должна препятствовать воздухообмену жилых помещений с окружающей средой, происходящему через наружные стены зданий. С другой стороны, теплоизоляцию стен защищают от увлажнения с помощью гидроизоляции, устраиваемой с «теплой» стороны.

Огнестойкость связана со сгораемостью материала, т.е. его способностью воспламеняться и гореть. Сгораемые материалы можно применять только при осуществлении мероприятий по защите от возгорания. Возгораемость материалов определяется при воздействии температуры 800-850 °С и выдержке в течение 20 мин. Предельная температура применения не должна изменять эксплуатационные свойства материала.

Химическая и биологическая стойкость пористых теплоизоляционных материалов должна препятствовать проникновению в них агрессивных газов и паров, находящихся в окружающей среде. Органические теплоизоляционные материалы и связующие (клей, крахмал) должны обладать биологической стойкостью, т.е. сопротивляться действию микроорганизмов, домовых грибов, насекомых (муравьев, термитов).

Минераловатные изделия. Минеральная вата – волокнистый бесформенный материал, состоящий из тонких стекловидных волокон диаметром 5–15 мкм, которые получают из расплава легкоплавких горных пород (мергелей, доломитов, базальтов и др.), металлургических и топливных шлаков и их смесей. Наилучшим видом минерального волокна является базальтовое волокно, которое выдерживает температуру до 1000 °С, обладает стойкостью к коррозии. Широко используются стеклянные волокна. Минераловатные изделия на основе указанных волокон различаются как по структуре и внешнему виду (плиты, маты, скорлупы и т.д.), так и по эксплуатационным свойствам (прочности, сжимаемости, теплопроводности, стойкости и др.).

Маты в рулонах выпускают с синтетическим связующим (плотность 35–75 кг/м³); прошивные с металлическими, тканевыми, бумажными обкладками, а также с обкладкой из стеклохолста (100–200 кг/м³); из штапельного стекловолокна (25–50 кг/м³); из непрерывного стекловолокна (80–120 кг/м³); в виде холста из базальтового волокна (15–20 кг/м³). Прошивные маты – это гибкие изделия из слоя прошитого волокнистого материала. Последнее время используются вертикально-слоистые гибкие маты, состоящие из приклеенных к покровному материалу полос волокнистых плит при преимущественно перпендикулярном расположении волокон. Гибкие изделия, состоящие из слоя волокнистого материала со связующим веществом, называются войлоком.

Полужесткие и мягкие плиты изготовляют с синтетическим, битумным и крахмальным связующим. Изделия (плиты, маты) с синтетическим связующим имеют меньшую плотность, более прочны и привлекательны на вид по сравнению с изделиями на битумном связующем. Плотность плит 35–250 кг/м³, теплопроводность 0,041–0,07 Вт/(м×°С). Жесткие плиты и фасонные изделия (скорлупы, сегменты) выпускают с синтетическим, битумным и неорганическим связующим (цементом, глиной, жидким стеклом и др.). Для повышения прочности и снижения количества связующего в состав изделий вводят коротковолокнистый асбест. Плиты толщиной 40–100 мм выпускают плотностью 100–300 кг/м³ и теплопроводностью 0,051–0,135 Вт/(м×°С). Твердые плиты, имеющие пониженную сжимаемость, изготовляют на синтетическом связующем (фенолоспирте, растворе или дисперсии карбамидного полимера и др.). Прочность на сжатие минераловатных изделий повышается с ростом количества вертикально ориентированных волокон. Прочность на сжатие при 10 %-ной деформации в
100 кПа может быть достигнута для минераловатных плит плотностью 150–160 кг/м³ при содержании вертикально ориентированных волокон около 65 %; для плит плотностью 180–190 кг/м³ – около 55 %. Минераловатные изделия с гофрированной структурой, содержащие до 30 % ориентированных в вертикальном направлении волокон, имеют плотность 140–200 кг/м³. По сравнению с плитами с горизонтальной ориентацией волокон гофрированные плиты отличаются меньшей деформативностью и повышенной в 1,7–2,5 раза прочностью.

Керамические теплоизоляторы изготовляют путем формования, сушки и обжига глинистого и другого минерального сырья (диатомит, трепел, огнеупорная глина, перлит). По сравнению с другими теплоизоляционными материалами они имеют высокую прочность и температуру применения (до 900 °С). Большая пористость создается путем введения в формовочную массу газообразователей, выгорающих добавок.

Ячеистое стекло (пеностекло) вырабатывают из стекольного боя, либо используют те же сырьевые материалы, что и для производства других видов стекла: кварцевый песок, известняк, соду и сульфат натрия. При спекании порошка стекольного боя с газообразователями – коксом и известняком – выделяется углекислый газ, образующий поры. Газообразующими добавками могут служить также мел или карбиды кальция и кремния. Ячеистое стекло имеет в материале стенок крупных пор мельчайшие микропоры, обусловливающие малую теплопроводность при достаточно высоких прочности, водостойкости и морозостойкости. Ячеистое стекло – несгораемый, экологически чистый материал с достаточно высокой температуростойкостью (для щелочного – 400 °С, для бесщелочного – до 600 °С); хорошо обрабатывается. Применяют для теплоизоляции стен зданий, тепловых сетей при их подземной бесканальной прокладке, для теплоизоляции стен, перекрытий, кровель, в конструкциях холодильников.

Вулканитовые изделия изготовляют из смеси молотого диатомита или трепела (около 60 %), воздушной извести (20 %) и асбеста (20 %). Отформованные изделия подвергают автоклавной обработке, которая ускоряет химическое взаимодействие между кремнеземистым компонентом и воздушной известью, приводящее к образованию гидросиликатов кальция.

Теплоизоляционные бетоны. Крупнопористые легкие бетоны готовят на основе пористого заполнителя – вспученного перлита, легкого керамзита или вермикулита и минерального вяжущего. Их плотность может составлять 150–300 кг/м³. Теплоизоляционные ячеистые бетоны (газо- и пенобетоны) получают плотностью от 150 до 500 кг/м³. Эти бетоны имеют низкую теплопроводность, достаточную марку по прочности, сравнительно низкое водопоглощение. Они морозостойки, обладают хорошей гвоздимостью, огнестойкостью. Теплоизоляционные бетоны используют для утепления наружных ограждений как в виде сборных плит, так и в качестве монолита.

Зернистые материалы (теплоизоляционные засыпки). В виде пористого песка с насыпной плотностью 50–120 кг/м³ и теплопроводностью 0,04–0,075 Вт/(м×°С) при температуре до 900 °С применяют вспученный перлит и вспученный вермикулит (предельная температура применения 1100 °С), измельченные диатомиты и трепелы (насыпная плотность 400–700 кг/м³ и теплопроводность 0,11–0,18 Вт/(м×°С)). При температурах до 450–600 °С применяют гранулированную и стеклянную вату, дробленую пемзу и вулканический туф, топливные шлаки, получаемые при сжигании кускового топлива, топливные золы от сжигания пылевидного топлива, доменные гранулированные шлаки.

Стеклопор получают путем грануляции и вспучивания жидкого стекла с минеральными добавками (мелом, молотым песком, золой ТЭС и др.). Технологический процесс включает производство гранулята – стеклобисера и его низкотемпературное (при 320–360 °С) вспучивание. Стеклопор выпускают трех марок: СЛ (насыпная плотность 5–40 кг/м³ и теплопроводность 0,028–0,035 Вт/(м × °С); Л (соответственно 40–80 кг/м³ и 0,032–0,04 Вт/(м×°С); Т (соответственно 80–120 кг/м³ и 0,038–0,05 Вт/(м×°С). В сочетании с различными связующими стеклопор используют для изготовления штучной, мастичной и заливочной теплоизоляции. Наиболее эффективно введение стеклопора в наполненные пенопласты, так как позволяет снизить расход полимера и значительно повысить их теплостойкость.

Материалы на основе органического сырья природного происхождения. Фибролит – плитный материал из древесной шерсти и неорганического вяжущего вещества. Древесную шерсть (стружку длиной 200–500, шириной 2–5 и толщиной 0,3–0,5 мм) получают на специальных станках, используя короткие бревна ели, липы, осины или сосны. Вяжущими чаще всего служат портландцемент (цементный фибролит) и магнезиальное вяжущее (магнезиальный фибролит). Формы с массой последовательно проходят камеру начеса, прессовочный вал, пост разделки на плиты, камеру твердения и сушки. Плиты выпускают плотностью 300–500 кг/м³, теплопроводностью 0,1–0,15 Вт/(м×°С), с пределом прочности при изгибе 0,4–1,2 МПа. Плиты применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций, устройства перегородок, каркасных стен и перекрытий в сухих условиях. Фибролит хорошо обрабатывается – его можно пилить, сверлить, в него можно вбивать гвозди.

Теплоизоляционные бетоны на основе органических заполнителей (арболит, опилкобетон, костробетон, полистиролбетон и т.п.) изготовляют на основе минерального вяжущего и легкого органического заполнителя (древесных опилок, дробленой станочной стружки или щепы, сечки соломы или камыша, костры, вспученных полистирольных гранул и др.). Теплоизоляционные бетоны имеют плотность до 500 кг/м³, предел прочности при сжатии 0,5–3,5 МПа, предел прочности при изгибе 0,4–1,0 МПа; теплопроводность 0,08–0,12 Вт/(м×°С).

Древесноволокнистые плиты изготовляют путем горячего прессования массы, содержащей около 90 % органического волокнистого сырья (чаще всего применяют специально приготовленную древесную шерсть) и 7–9 % синтетических смол (фенолоформальдегидных и др.). Для улучшения свойств плит в сырьевую массу добавляют гидрофобизующие вещества, антисептики и антипирены. Древесноволокнистые плиты производят из неделовой древесины, используют отходы лесопиления и деревообработки, а также бумажную макулатуру, солому, стебли кукурузы. Плотность древесноволокнистых теплоизоляционных плит – до 250 кг/м³, теплопроводность – до 0,07 Вт/(м×°С).

На основе растительного сырья готовят ряд местных материалов: камышит, соломит, торфяные изоляционные плиты и др.

Одним из перспективных направлений в производстве современных теплоизоляционных материалов является использование вторичного сырья, в том числе бытовых отходов (бумаги и картона). При этом получают эковату, которая является по теплоизоляционным свойствам аналогом традиционных утеплителей: минеральной ваты, стекловаты и т.д. Среднее значение теплопроводности эковаты составляет 0,041 Вт/(м×°С). Эковата трудно сгораема, что обусловлено добавками антипиренов, биостойкая, обладает звукопоглощающими свойствами.

Сотопласты изготовляют путем склейки гофрированных листов бумаги, стеклянной или хлопчатобумажной ткани, пропитанных полимером. Они служат эффективным утеплителем в трехслойных панелях.

Ячеистые пластмассы подразделяются в зависимости от характера пор на пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими перегородками. К поропластам относятся ячеистые пластмассы с сообщающимися порами. Имеются материалы со смешанной структурой. В ячеистых пластмассах поры занимают 90-98 % объема материала, поэтому ячеистые пластмассы очень легкие и малотеплопроводны. Их плотность составляет всего 15–45 кг/м³, а теплопроводность – 0,026–0,058 Вт/(м×°С).

Пенополиуретан получают в результате химических реакций, протекающих при смешении исходных компонентов (полиэфира, диизоцианита, воды, катализаторов и эмульгаторов). Изготовляют жесткий и эластичный полиуретан. Плотность 25–45 кг/м³, прочность при 10 %-ном сжатии – 0,3–0,7 МПа. Жесткий пенополиуретан отличается высокой механической прочностью, устойчивостью к износу и химической и биологической стойкостью. Может быть использован при температуре от -50 °С до +110 °С. Жесткий пенополиуретан применяют в виде плит и скорлуп. Эластичный пенополиуретан служит для герметизации стыков панелей. Разработаны рецептуры заливочных композиций, которые могут вспениваться даже на холоде. По огнестойкости относится к самозатухающим материалам.

Пенополистирол изготовляется из полистирола с порообразователем. Беспрессовый пенополистирол (ПСБ) имеет плотность 20–40 кг/м³ и теплопроводность 0,035–0,04 Вт/(м×°С). Его водопоглощение может достигать относительно больших значений, что ухудшает теплоизоляционные и физико-механические свойства и ограничивает срок службы этого материала (около 10 лет). Более эффективный материал – экструзионный пенополистирол (ЭППС) – практически не впитывает влагу, и поэтому его теплотехнические свойства не ухудшаются при эксплуатации. Его плотность находится в пределах от 30 до 50 кг/м³, а теплопроводность составляет 0,03–0,035 Вт/(м×°С).

Пенополивинилхлорид – теплоизоляционный материал, незначительно изменяющий свои свойства при изменении температуры от -60 до +60 °С. Он менее горюч по сравнению с пенополистиролом.

Вспененный полиэтилен («Пленэкс», «Изолон» и др.) применяют для тепловой изоляции трубопроводов и технологического оборудования при температуре до от -40 до +100 °С. Наличие в этих материалах антипиренов делает их трудногорючими.

Органические теплоизоляционные материалы, и прежде всего ячеистые пластмассы, а также минераловатные изделия благодаря их высоким теплоизоляционным свойствам и чрезвычайно малой плотности относят к эффективным утеплителям. При этом они отличаются низкой удельной стоимостью. Так, теплоизоляционный слой пенопласта толщиной 5–6 см эквивалентен по теплозащите слою 14–16 см из ячеистого бетона или кладке толщиной 100–150 см из обычного кирпича. В то же время особенностью органических теплоизоляционных материалов, и прежде всего ячеистых пластмасс, является их ограниченная теплостойкость (для последних – от 60 до 130 °С в зависимости от вида пластмассы). Большинство из них горючи, а при горении они образуют множество летучих высокотоксичных соединений. Кроме того, недостатком этих материалов является усадка, которую можно уменьшить, выдерживая материал до применения и используя гибкие и эластичные материалы типа битумно-эластомерного наплавляемого полотна в качестве гидроизоляционного слоя.

На этом фоне более привлекательными выглядят теплоизоляционные материалы на основе легких органических заполнителей и минерального вяжущего вещества, а также из сырья природного происхождения, которые являются трудносгораемыми и биостойкими материалами (при условии введения добавок эффективных антипиренов и антисептиков). Наиболее долговечными и экологически чистыми, несомненно, являются минеральные теплоизоляционные материалы (пеностекло, ячеистые бетоны и т.д.). Поэтому, несмотря на более высокую стоимость, в настоящее время применение именно этих материалов растет (особенно с учетом последних достижений науки и технологии в снижении их плотности и теплопроводности).

Контрольные вопросы

1. Свойства теплоизоляционных материалов.

2. Материалы с участием сырья органического происхождения.

3. Ячеистые пластмассы, составы и области применения.

4. Составы ТИМ неорганической природы, области применения.

5. Керамические ТИМ, составы, области применения.

6. Органические ТИМ, составы, области применения.