Способы пастеризации материалов
К главнейшим искусственным способам поризации материалов с приданием им теплозащитных свойств относятся следующие.
Способ газообразования основан на введении в сырьевую смесь компонентов, которые способны вызвать химические реакции с выделением в
больших количествах газовой фазы. Газы, стремясь выйти из твердеющей пластической массы, образуют пористую структуру материала -- газобетона, газосиликата, газокерамики, ячеистого стекла, газонаполненной пластмассы и др.
В качестве химических газообразователей используются алюминиевая пудра
и техническая перекись водорода (пергидроль). Алюминиевая пудра в результате
реакции с гидроксидом кальция способствует выделению большого количества
молекулярного водорода. Пергидроль легко разлагается в щелочной среде с
образованием молекулярного кислорода. В обоих случаях вспучивается цементное
тесто. Аналогично в расплавленные стекла и смолы вводятся реагенты,
способствующие образованию газов СО2, N2 и др.
Способ пенообразования основан на введении в воду затворения вяжущих
пенообразующих веществ. Стабилизированные пузырьки пены представляют
собой воздушные поры пенобетона, пеносиликата, пенокерамики и др. В качестве
стабилизаторов пены для повышения ее стойкости до момента отвердевания
вяжущего используются столярный клей, сернокислый глинозем, смолы и др.
Пенообразователями служат соли жирных кислот - натриевые и калиевые мыла,
мыльный корень и извлекаемый из него сапонин; клееканифольный
пенообразователь, получаемый из канифольного мыла (соль абиетиновой кислоты
C19H19COOH); алюмосульфонафтеновый пенообразователь, получаемый из
керосинового контакта и сернокислого глинозема; гидролизованная кровь (ГК),
получаемая путем обработки отходов мясокомбинатов по схеме техническая кровь
+ едкий натр + железный купорос + хлористый аммоний. [3]
Способ повышенного водозатворения состоит в применении большого
количества воды при приготовлении формовочных масс (например, из трепела,
диатомита) и последующего ее испарения с сохранением пор при высушивании.
Этот способ применяют в производстве древесноволокнистых плит, торфяных,
асбестотрепальных и других материалов.
Способ вспучивания заключается в нагревании до высоких температур
некоторых горных пород и шлаков. Из сырья выделяются газы или водяные пары
главным образом в связи с отделением химически связанной или цеолитной воды.
При способе вспучивания сырьем служат перлит и обсидиан, вермикулит,
некоторые разновидности глин, в особенности содержащие легкоплавкую закись
железа (FeO). Эти и некоторые другие сырьевые материалы после вспучивания
образуют соответствующие высокопористые теплоизоляционные материалы –
вспученные перлит и вермикулит, керамзит, шлаковую пемзу и др. Так, например,
при быстром нагревании вермикулит (вьюокогидратированный алюмосиликат
магния) расщепляется на отдельные слюдяные пластинки, которых в 1 см3
насчитывается до 200 тыс. шт. При этом зерна вермикулита сильно вспучиваются
вследствие обильного выделения из минерала при нагревании химически
связанной воды. Раздвигая пластинки, поры увеличивают объем зерен в 20--30 раз
и более. Вспученный вермикулит характеризуется малой насыпной плотностью
(80--150 кг/м3), низкой теплопроводностью л=0,09-0,12 Вт/(м-К). Обжиг
производится во вращающихся и шахтных печах при быстром подъеме
температуры до 800--1000°С и последующем охлаждении. Аналогичное
увеличение объема при вспучивании происходит и при быстром нагревании в
печах перлита (высококремнеземистой породы). Насыпная плотность вспученного
перлитового щебня составляет 160-500 кг/м3. Пористость вспученного перлита
может достигать 88-90% и более [3].
Способ распушения заключается в изготовлении из сравнительно плотного
минерального сырья волокнистого материала в виде бесформенной массы с
возможным последующим приданием ей формы изделий. Наибольшее
распространение этот способ получил в производстве минеральной и стеклянной
ваты и изделий из них. Сырьем для минеральной ваты служат пегматиты, туфы и
другие горные породы и металлургические шлаки, а для изготовления стеклянной
ваты используют стеклянный бой и отходы стекла на стекольных заводах.
Способом распушения получают также органические теплоизоляционные
материалы - хлопковую и шерстяную вату, ватные изделия (ватин, войлок),
древесные волокна и др.
В нашей стране наибольшее применение в строительстве находит
минеральная вата в связи с доступностью местного сырья. Для оценки пригодности
сырья определяют его химический состав и модуль кислотности. В общем случае
оптимальный химический состав шихты: SiO2 - 40-42%, Аl2О3 - 12%, Fe2O3 - 3-4%,
СаО - 30%, MgO - 10-12% при модуле кислотности М = 55:45 = 1,22.
Рекомендуемые пределы модуля кислотности 0,6-1,5, при значениях которого
толщина волокон ваты составляет 2-10 мкм, тогда как при его увеличении
ухудшается вата, и волокна достигают толщины 10-40 мкм.
Самым распространенным способом плавки шихты является ваграночный;
применение ванных пламенных и электрических печей более ограничено. Вагранка
-- шахтная цилиндрическая печь из листовой стали и футерованная изнутри
шамотным кирпичом. В зависимости от производительности вагранки диаметр
шахты, куда загружают шихту, составляет от 750 до 1250 мм при высоте, в 425 раз
большей диаметра. Охлаждение шахты в зоне плавления производится с помощью
водяной рубашки. Максимальная температура газов в вагранке достигает 1700°С и
выше, что зависит от интенсивности горения кокса. Вязкость вытекающего
расплава составляет не более 2,0-2,5 Па, что регулируется добавлением в шихту
плавней.
Существует несколько способов переработки расплавов в минеральную вату,
но к основным относятся дутьевой и центробежный. При дутьевом способе расплав
попадает на желоб и рассекатели. Вертикальная струя расплава разбивается струей
пара или воздуха, поступающих к соплу под давлением 0,6-0,8 МПа и выходящих
из сопла со скоростью 700-800 м/с. При встрече со струей расплава образуются
капли, вытягивающиеся в цилиндрики и грушевидные тела. Дальнейшее удлинение
грушевидных тел приводит к образованию нитей из расплава при раздуве. Часть
волокон не успевает оформиться и остается близкой по форме к каплям-шарикам,
называемым корольками. С увеличением давления и скорости истечения
уменьшается количество нежелательных корольков в вате. Волокна,
образовавшиеся при раздуве, увлекаются в специальную камеру и там осаждаются.
В нижней части камеры установлен сетчатый конвейер, оканчивающийся валиками
для подпрессовки ваты. Для придания эластичности волокна опрыскивают
синтетическим связующим или битумом, что позволяет придавать вате форму
матов, плит и др.
При переработке расплава центробежным способом струя направляется на
горизонтально расположенный диск с радиальными насечками (канавками). Диск
насажен на вертикальный вал, который от мотора передает вращательное движение
диску со скоростью 3500-4000 об/мин. Под влиянием центробежной силы струя,
стекающая по канавкам с диска, разбрасывается в виде тончайших нитей,
прижимаемых сжатым воздухом к корпусу установки. Волокно из центробежной
установки переносят к прессу и прессуют его в кипы или направляют на
формование изделий [3].
Качество минеральной ваты характеризуется средней плотностью от 50 до
125 кг/м3, пористостью - до 90%, теплопроводностью – 0,038-0,043 Вт/(м-К) при
температуре 25±5°С.
Дутьевым и центробежным способом получают также стекловату, а
направленное стекловолокно -- способом непрерывного вытягивания нити из
отверстий (фильер) жароупорной пластины (фильерный способ). Получаемые нити
отличаются высокой прочностью на растяжение: при диаметре 4-5 мкм прочность
составляет до 50 МПа.
Способом распушения получают асбест, а затем асбестовый материал,
являющийся хорошим теплоизолятором, особенно в виде асбестовых бумаги,
картона, войлока, а также пластичных смесей и изделий на основе вяжущих.
Известен еще один способ поризации теплоизоляционных материалов –
способ выгорающих органических веществ, вводимых в сырье как
порообразующие добавки, в частности, при производстве керамических
теплоизоляционных изделий. К керамическому сырью – диатомиту, трепелу, глине
и т. п. – добавляют опилки дробленый уголь, торф, лигнин и др., а для мелкой и
равномерной пористости -- нафталин, который при нагревании полностью
улетучивается (возгоняется). На выгорании органического «ядра» из сферической
минеральной оболочки основано производство полого шарообразного заполнителя
– керамического вакулита. Этот способ позволяет использовать
невспучивающееся сырье, учитывая дефицитность вспучивающихся глин.
Насыпная плотность вакулита – до 300 кг/м3; используют в теплоизоляционных и
конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах.
Кроме свойств, упоминавшихся выше (теплопроводности, прочности,
средней плотности), следует отметить еще ряд свойств теплоизоляционных
материалов, обусловливающих их качество. Температуростойкость и стойкость к
термической деструкции характеризуют способность материала выдерживать
длительный нагрев при высокой температуре без изменения своего состояния. От
этого свойства зависит максимальная температура применяемого материала,
например, минеральной ваты каолинового состава – до 1150°С, вспученного
перлита – до 900°С, обычной минеральной ваты – до 600°С. Огнестойкость
характеризует способность воспламеняться и гореть.
Влагопоглощение – способность поглощать, а водоудерживающая
способность – удерживать влагу при контакте с ней. Вместе с другими свойствами
– водостойкостью, гигроскопичностью, водопроницаемостью – они отражают
важные стороны качества теплоизоляционных материалов и изделий.
Вода отрицательно влияет и на теплозащитные свойства материалов, и на его
долговечность в конструкциях. Устраивают защитные покрытия по теплоизоляции
из стеклопластиков, алюминиевой фольги и др.