СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ, ЗЕРНИСТЫХ И ПОРОШКООБРАЗНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Несмотря на то что применение теплоизоляции началось давно, производство теплоизоляционных материалов и изделий представляет собой одну из молодых подотраслей промышленности строительных материалов. Развитие заводского производства теплоизоляционных материалов в нашей стране относится к эпохе социалистической индустриализации. Уже в годы первой пятилетки (1928 – 1932) возникло довольно большое число производств новых для того времени теплоизоляционных материалов: стеклянного волокна, шлаковой ваты, совелита, неавтоклавного пенобетона, магнезиального фибролита, торфоплит и др. Переход на заводское изготовление теплоизоляционных материалов и изделий диктовался резким повышением объемов капитального строительства и обеспечением его эффективными материалами, позволяющими снизить материалоемкость, трудоемкость, повысить индустриальность строительных работ, обеспечить энергосбережение.
С другой стороны, изготовленные в заводских условиях теплоизоляционные материалы и изделия характеризуются гораздо большей стабильностью функциональных и общестроительных свойств в течение эксплуатационного периода, чем традиционно применявшиеся до этого рыхлые и сыпучие материалы – пористые вулканические породы, сухие водоросли, стебли злаковых культур, шерсть, древесные опилки, рыхлые земли, пеплы и т. п. Слеживаемость рыхлых и сыпучих материалов, приводящая к резкому ухудшению теплофизических свойств тепловой изоляции, повышенная увлажняемость, сложность эксплуатации таких теплоизоляционных материалов, необходимость резкого повышения индустриализации строительных работ предопределяли переход к выпуску формованных теплоизоляционных изделий.
Особенно бурное развитие заводского производства теплоизоляционных материалов и изделий началось в послевоенное время, в период восстановления разрушенного войной хозяйства.
В настоящее время выделились четыре основных направления производства теплоизоляционных материалов: создание искусственных пористых зернистых материалов с последующим формованием из них высокопористых изделий; формование изделий из природных пористых материалов путем дополнительной поризации в процессе изготовления; производство высокопористых изделий из плотных искусственных и природных волокнистых и порошкообразных материалов одним из известных способов; производство рыхлых и сыпучих материалов для засыпной теплоизоляции.
Эти же основные направления используют для получения акустических изделий и материалов, производство которых получило большое развитие за последнее двадцатилетие.
Производство высокопористых изделий по первым трем направлениям основывается на омоноличивании исходных материалов (структурообразующих элементов) путем формования и отверждения. От способов формования и условий производства изделий из волокнистых, зернистых и порошкообразных материалов решающим образом зависят структура и, следовательно теплотехнические, акустические и общестроительные свойства высокопористых изделий и материалов.
Теплоизоляционные и акустические высокопористие изделия изготовляют путем формования исходных композиций (масс) с целью создания в материале пористости заданного объема и вида. Решающее значение при этом имеют реологические свойства формовочных масс, предопределяющие способ и параметры формования, а также вид пористой структуры и свойства изделий.
От реологических свойств связующего (в случае производства изделий из зернистых элементов с помощью контактного или объемного омоноличивания) или массы (при получении изделий с ячеистой структурой из вязкотекучих композиций (вспучиванием) зависят расход вяжущего (связующего), длительность технологических циклов перемешивания, формования и отверждения изделий, их свойства (средняя плотность, прочность, теплопроводность, коэффициент звукопоглощения и т. д.), а также экономические показатели производства самих изделий.
Повышение подвижности связующих и исходных масс позволяет уменьшить толщину омоноличивающих прослоек и межпоровых перегородок и тем самым сократить расход связующего, понизить среднюю плотность и повысить функциональные свойства изделий, повысить однородность формовочных смесей и ускорить процесс смешивания.
Вместе с тем повышение подвижности традиционным способом (увеличением водосодержания смеси или содержания растворителей при получении материалов на основе полимерных связующих) существенно удорожает производство и ухудшает свойства материалов.
Разбавление связующего снижает седиментационную устойчивость системы, что способствует расслоению исходных смесей; замедляет набор прочности материалом, повышает энергетические затраты на процесс твердения; снижает плотность связующего и, как следствие, приводит к существенному недобору прочности материала; увеличивает усадочные деформации, могущие привести к трещинообразованию и короблению изделий, повышает водопоглощение и сорбционную влажность материала и соответственно эксплуатационную теплопроводность.
Поэтому регулирование реологических свойств стремятся осуществлять комплексом различных приемов. Например, внешними воздействиями на структурированные смеси <вибрацией). вызывающими тиксотропный эффект, введением поверхностно-активных веществ, изменением температуры, т. е. способами, позволяющими направленно регулировать реологические свойства формовочных масс и связующих без их сильного разбавления.
Классификация способов получения высокопористых материалов и изделий
Для решения главной технологической задачи – получения теплоизоляционных и акустических материалов и изделий с заданной высокопористой структурой – применяют несколько десятков способов в зависимости от вида исходного сырья и заданных свойств изделий. Все многообразие способов поризации можно подразделить на шесть основных групп.
Вспучивание. Этот способ поризации основан на выделении в пластично-вязкой массе или введении в нее газовой фазы в виде водорода, кислорода, диоксида углерода, паров воды, воздуха, изопентана, фреона и др. В результате насыщения массы газовой фазой увеличивается ее объем – происходит вспучивание (вспенивание). Образуется дисперсная система – воздух в «жидкости», твердеющая при дальнейшей технологической обработке (автоклавировании, пропаривании, охлаждении, нагревании и т. д.).
При вспучивании формируется ячеистая пористая структура, общий объем пористосуи которой зависит от количества введенного и удержанного массой газообразного компонента. Решающее влияние на показатели пористой структуры оказывают реологические характеристики поризуемых масс.
Вспучивание охватывает следующие способы поризации: низкотемпературное газообразование, высокотемпературное газообразование, пенообразование (воздухововлечение). Общим для всех разновидностей вспучивания является пластично-вязкое состояние поризуемых масс в период их поризации, т. е. поризуемые массы должны обладать способностью необратимо деформироваться (течь) без разрыва сплошности. Как известно, пластично-вязкое состояние тел характеризуется реологическими показателями: вязкостью, предельным напряжением сдвига, текучестью, пластической прочностью, поверхностным натяжением. Для успешного проведения вспучивания и получения материала с заданной пористой структурой необходимо направленно регулировать реологические характеристики поризуемых масс.
Существует единственный материал, вспучивание которого происходит без его перехода в пластично-вязкое (пиропластическое) состояние – вермикулит. При этом образуется пластинчатая пористость за счет раздвижки пластинок слюды межпакетной водой, переходящей в парообразное состояние при нагревании частиц вермикулита до высоких температур.
Удаление порообразователя. В основу этого способа положено испарение или выжигание порообразователя, которое происходит при средне- или высокотемпературном воздействии. При этом объем поризуемой массы практически не изменяется, вспучивания не происходит. В качестве порообразователей применяют воду, легколетучие жидкости, выгорающие твердые добавки. При использовании выгорающих добавок образуется, как правило, ячеистая пористая структура, при применении испаряющихся жидкостей – пористо-капиллярная.
Неплотная упаковка. Этот способ используют при изготовлении волокнистых и зернистых высокопористых материалов. Применительно к волокнистым материалам и изделиям он основан на свойлачиваемости, т. е. на перепутывании волокон и удержании приданной изделию формы за счет трения и зацепления волокон между собой. В этом случае получают волокнистую пористую структуру, характеристики которой зависят от толщины и длины применяемых волокон, а сохранение первоначальных свойств – от упругости волокон, их стойкости в среде эксплуатации.
В случае применения пористых зернистых компонентов этот способ предполагает получение теплоизоляционных засыпок, пористость которых и ее характеристики зависят от пористости используемых зерен, величины этих зерен и их гранулометрического состава. Увеличение общей пористости предопределяется прежде всего применением монофракционного состава зерен, а уменьшение размера пор – снижением их среднего диаметра.
Таким образом, неплотная упаковка волокнистых и зернистых материалов реализуется при свойлачивании и механическом диспергировании и рассеве.
Контактное омоноличивание. Способ, широко используемый при производстве теплоизоляционных и акустических изделий, основан на омоноличивании зернистых и волокнистых элементов структуры в местах их взаимного контакта с помощью тонких склеивающих прослоек. Эти прослойки создают, вводя в каркасообразующий материал маловязкие композиции связующего, равномерно и тонким слоем распределяя его по поверхности зерен или волокон, которые затем приводят к соприкосновению путем применения к ним небольших прессующих усилий. В качестве связующих используют жидкотекучие композиции (предпочтительно водные растворы) полимеров, цемента, глины, растворимого стекла. Вид пористости материалов, получаемых контактным омоноличиванием, зависит от вида применяемых каркасообразующих материалов: из волокон формируется волокнистая пористая структура, из зерен – зернистая. Контактное омоноличивание осуществляют, применяя различные технологические способы распределения связующего по поверхности структурообразующих элементов, формования изделий и удаления излишков связующего из материала. На свойства изделий, получаемых этим способом, существенное влияние оказывают реологические характеристики связующих, их клеящая способность и методы введения в формовочную смесь.
Объемное омоноличивание. Этот способ отличается от предыдущего тем, что связующим заполняют все пустоты между каркасообразующим материалом. В подавляющем большинстве объемное омоноличивание применяют для получения материалов из высокопористых зерен. При этом с целью увеличения общей пористости материала стремятся применять полифракционные высокопористые зерна, с тем чтобы достичь их наибольшего количества в объеме материала. Вторым эффективным приемом повышения пористости является применение поризованного связующего (в виде пеномассы). Материал в этом случае получают с ячеистой пористостью, складывающейся из пористости зерен и пористости связующего.
Создание комбинированных структур. Этим способом получают высокопористые изделия с двумя видами пористости и более: волокнисто-ячеистой, зернисто-ячеистой, волокнисто-ячеисто-капиллярной и т. п. Целью создания комбинированных структур является увеличение общей пористости изделий, повышение их прочностных показателей при изгибе. Этот способ включает множество технологических разновидностей, отличающихся последовательностью получения пористых структур, а также сочетаниями технологических операций.