Тема 16. Теплоізоляційні матеріали та вироби

 

1. Особливості будови та властивості матеріалів.

2. Неорганічні та органічні теплоізоляційні матеріали.

3. Використання теплоізоляційних матеріалів.

 

Теплоізоляційні матеріали застосовуються для теплової ізоляції огороджувальних конструкцій будівель, промислового та енергетичного обладнання, трубопроводів. Коефіцієнт теплопровідності таких матеріалів не вищий за 0,18 Вт/мК, густина до 600 кг/м³.

За коефіцієнтом теплопровідності всі теплоізоляційні матеріали поділяють на 3 класи: А – малотеплопровідні, l = 0,058 Вт/мК; Б – середньотеплопровідні l = 0,058 – 0,116 Вт/мК; В – підвищеної теплопровідності l £ 0,18 Вт/мК.

За середньою густиною теплоізоляційні матеріали є таких марок: ОЛ – особливо легкі – 15, 25, 35, 50, 75, 100 кг/м³, Л – легкі – 125, 150, 175, 200, 250, 300 кг/м³; Т – важкі – 400, 450 500, 600 кг/м³.

Коли через огороджуючу конструкцію проходить тепловий потік, вона чинить опір. Цей опір характеризується величиною, яка обернена до коефіцієнту теплопровідності

R₀ = 1 / l,

і називається опором теплопередаванню.

Найвищий опір теплопередаванню чинять ті матеріали, у яких найвища пористість, причому, там, де пори закриті, сферичні, діаметром 0,1 – 2,0 мм. Повітря, що міститься у порах практично нерухоме, а повітря, як відомо, має найменший коефіцієнт теплопровідності, що становить 0,023 Вт/мК. Тому при створенні теплоізоляційних матеріалів слід старатися наблизитися до цього показника. Пористість теплоізоляційних матеріалів становить не менше 50%, а для деяких ніздрюватих пластмас навіть 90 – 98%. Водонасичення, особливо замерзання води у порах матеріалу призводить до різкого збільшення теплопровідності, бо теплопровідність води у 25 разів більша, а у льоду у 100 разів більша, ніж у повітря. Тому всі теплоізоляційні матеріали потрібно захищати від зволоження.

 

Неорганічні теплоізоляційні матеріали

Характеризуються низькою теплопровідністю, високою вогнестійкістю, низькою гігроскопічністю, стійкістю щодо загнивання. Їх використовують для утеплення будівельних конструкцій, ізоляції гарячих чи холодних поверхонь промислового обладнання і трубопроводів.

Мінеральна вата. Сировина – гірські породи: доломіт, вапняк, мергель, базальт, шлак, зола. Технологія виготовлення: плавлення сировини, отримання волокон. Розплав відбувається у шахтних печах-вагранках, у ванних печах. Волокноутворення відбувається відцентровим способом, дуттям. Густина 75 – 150 кг/м³, коефіцієнт теплопровідності 0,042 – 0,046 Вт/мК. Температура використання від –200 до +600⁰С. Застосовують мінеральну вату у вигляді гранул для засипки, для виготовлення матів, повсті, жорстких чи напівжорстких плит, шкаралуп, сегментів.

Мінеральна повсть – виготовляється у вигляді листів, рулонів. Для скріплення між собою волокон мінеральну вату просочують синтетичними смолами і пресують. Густина 100 – 150 кг/м³, l = 0,046 – 0,052 Вт/мК. Використання – для утеплення стін і перекриттів будівель.

Мінеральні мати – у вигляді килима, який складається з шару мінеральної вати між двома шарами бітумінізованого паперу або склотканини чи металевої сітки. Килим прошивають ниткою чи дротом. Розміри матів 500 х 150 х 10, густина 100 – 200 кг/м³, l = 0,046 – 0,058 Вт/мК.

Рис. 16.1. Технологічна лінія виробництва мінераловатних плит: 1 – насос;

2 – трубопровід зв’язуючої речовини; 3 – центрифуга; 4 – лійка; 5 – камера осадження волокон; 6 – розрихлювач вати; 7 – пульпатор; 8 – трубопровід подачі пульпи; 9 – формувальний конвеєр; 10 – зливний пристрій; 11 – камера відсмоктування; 12 – валик; 13 – камера теплообробки; 14 – різаки;

15 – трубопровід; 16 – рециркуляційний басейн

Мінераловатні напівжорсткі плити виготовляють напиленням у шар вати бітуму чи смоли з наступним пресуванням та тепловою обробкою для сушіння та полімеризації густина 75 – 300 кг/м³, l = 0,041 – 0,070 Вт/мК. Температура використання до +60⁰С на бітумі, до +200⁰С на синтетичній зв’язуючи речовині.

Мінераловатні жорсткі вироби виготовляють з суміші мінеральної вати, бітумної емульсії, синтетичної смоли. Формують, пресують, піддають теплообробці, під час якої відбувається сушіння і полімеризація. Густина 100 – 140 кг/м³, товщина матеріалу 4 – 10 см, l = 0,051 – 0,135 Вт/мК. Використовують жорсткі мінераловатні вироби для утеплення стін, перекриттів, у покриттях житлових і промислових будівель, для теплоізоляції холодильників.

Фасонні жорсткі вироби (сегменти, шкаралупи) застосовують для теплоізоляції гарячих поверхонь. Виготовляють з мінеральної вати на синтетичній або бентоніто-колоїдній зв’язуючій речовині.

Скловата – різновид мінеральної вати. Сировина для її виготовлення – склобій або ті ж сировинні компоненти, що і для виготовлення скла. Виготовляють волокна відцентровим способом чи методом дуття. Густина до 125 кг/м³, l = 0,052 Вт/мК. Переваги скловати: не виявляє усадки у теплоізоляційному шарі конструкції, не руйнується при вібрації, мало гігроскопічна, морозостійка, температура застосування до +200⁰С, а прошивні мати зі скловати до +450⁰С.

Ніздрювате скло (піноскло) виготовляють з тієї ж сировини, що і скловату, а також застосовують трахіт, сієніт, обсидіан, нефелін. Спікають сировину, додають газоутворювач (вапняк, кокс, антрацит). При температурі 800 – 900⁰С утворюється велика закрита пористість 80 – 95%, у міжпорових перегородках є і мікропори. Після печі матеріал розрізають на блоки певної величини і випалюють. Густина 150 – 600 кг/м³, l = 0,06 – 0,14 Вт/мК, границя міцності при стиску 2 – 6 МПа, температура використання до 300 – 400⁰С, а безлужного скла до +1000⁰С. Переваги: добре обробляється, не горить, не гниє, водо-, морозостійке. Недолік – піноскло крихке. Використання – для утеплення стін, перекриттів, покриттів громадських та промбудівель, для теплоізоляції теплоустановок, мереж, холодильників.

 

Матеріали зі спучених гірських порід

Спучений вермикуліт – сипкий теплоізоляційний матеріал, отриманий шляхом подрібнення і короткотривалого випалювання протягом 3 – 5 хвилин природного вермикуліту. Вермикуліт – складний алюмосилікат магнію, продукт видозміни слюд, в основному біотиту. У процесі випалювання при температурі 800 – 1000⁰С вермикуліт спучується, збільшуючись у об’ємі в 20 разів і більше. Спучений вермикуліт має високу пористість, малу густину, низьку теплопровідність і високу температуростійкість. Насипна густина його залежить від умов випалювання і розмірів зерен. В залежності від розмірів зерен вермикуліт поділяють на 3 фракції: крупну 5 – 10 мм, середню – 0,6 – 5 мм, дрібну – до 0,6 мм. Вермикуліт виготовляють трьох марок: 100, 150, 200.

 

ПОКАЗНИКИ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СПУЧЕНОГО ВЕРМИКУЛІТУ

Марка	Насипна густина, кг/м^3	Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК), при температурі
20 – 30^0С	320 – 330^0С
		0,064	0,151
		0,07	0,157
		0,076	0,162

Випалюють вермикуліт у шахтних або обертових печах. Найефективніший спосіб випалювання – у зваженому стані. Спучений вермикуліт сортують на фракції за крупністю зерен і за насипною густиною і запаковують у щільні паперові мішки. Зберігають вермикуліт у критих приміщеннях, не допускаючи зволоження, розпилення, забруднення, ущільнення. Висота складування вермикуліту у м’якій тарі не повинна перевищувати 1,5 м. Транспортують у критих вагонах і автомобілях.

Спучений вермикуліт – прекрасний теплоізоляційний матеріал. Його застосовують як засипку при температурі ізолюючих поверхонь від –260 до + 1100⁰С. Вермикуліт застосовують для виготовлення теплоізоляційних виробів – додаючи в’яжучі речовини формують плити, шкаралупи, сегменти. Температуростійкість виробів зі спученого вермикуліту залежить від в’яжучої речовини: вироби на основі портландцементу мають температуростійкість до 1000⁰С, на основі глини з додаванням крохмалю – до 900⁰С, на основі полімерних в’яжучих – не вище 200⁰С. Спучений вермикуліт застосовують як заповнювач для легких бетонів і для приготування штукатурних теплоізоляційних розчинів.

Перліт – кремнеземиста гірська порода вулканічного походження при короткотривалому випалюванні подрібненого перліту при температурі 700 – 1200⁰С отримується пористий матеріал у вигляді піску чи щебеню – спучений перліт. Окрім перліту сировиною можуть бути і інші вулканічні породи, які відносяться до групи вулканічних стекол. Загальною властивістю сировини усіх видів, що забезпечує спучення, є вміст води.

Показник збільшення об’єму при спучуванні перліту називають кратністю спучування (можу досягати 20). За розміром зерен спучений перліт поділяють на фракції: пісок дрібний – до 1,2 мм, крупний – 1,2 – 5 мм, щебінь дрібний – 5 – 10 мм, крупний – 10 – 20 мм. В залежності від насипної густини перлітовий пісок випускають таких марок – 100, 150, 200, 250, а перлітовий щебінь – марок 300, 400, 500. Коефіцієнт теплопровідності перлітового піску 0,052 – 0,07 Вт/(мК) при вологості не більше 2%.

Перліт випалюють у шахтних і обертових печах. Умови пакування, транспортування, зберігання аналогічні до вермикуліту. Допускається транспортувати перлітовий щебінь насипом без тари.

Перлітовий щебінь застосовують як заповнювач в теплоізоляційних та конструктивно-теплоізоляційних бетонах. Перлітовий пісок – заповнювач у бетонах і розчинах для виготовлення теплоізоляційних виробів, для вогнезахисної штукатурки. Пісок застосовують для теплоізоляційних засипок при температурі поверхонь від –200⁰С до +800⁰С.

Теплоізоляційні вироби зі спученого перліту можна отримати при додаванні до нього зв’язуючих речовин – портландцементу, рідкого скла, діатоміту. Залежно від в’яжучих речовин вироби будуть мати різні показники густини, міцності, теплопровідності, теплостійкості.