Теплоизоляционные материалы применяют для строительных ограждающих конструкций, трубопроводов, тепловых агрегатов и холодильных установок, чтобы обеспечить стабильный температурный режим внутри изолируемого объема за счет снижения теплового потока, проходящего через слой теплоизоляции. Для эффективной теплоизоляции необходимо, чтобы применяемый материал обладал не только низкой теплопроводностью, но и низкими значениями плотности и водопоглощения, достаточной прочностью, экологической и пожарной безопасностью, биостойкостью и свойствами, обеспечивающими его преимущества для изоляции различных поверхностей и для разных эксплуатационных условий. В данной работе рассмотрены традиционные и перспективные материалы для строительной и технической теплоизоляции, в состав которых входят преимущественно неорганические компоненты. Приведены общая характеристика, преимущества и недостатки минеральной ваты и изделий из нее, стеклообразные, жидкостекольные, асбестосодержащие и керамические теплоизоляционные материалы и изделия, композиционная теплоизоляция, в которой наполнителями являются природные и техногенные неорганические наполнители. В статье также рассматриваются перспективные на сегодняшний день силикатно-кальциевые плиты и листы, материалы и изделия для аэрогелиевой, вакуумной и отражающей теплоизоляции. Представленная информация позволяет оценить разнообразие и особенности теплоизоляционных материалов и изделий на неорганической основе. Также, рассмотрена пожарная характеристика неорганических теплоизоляционных материалов.
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, неорганические материалы, пожарная безопасность, энергоэффективность, асбестосодержащие материалы.
Thermal insulation materials are used for building envelopes, pipelines, heating units and refrigeration units to ensure a stable temperature regime inside the insulated volume by reducing the heat flux passing through the thermal insulation layer. For effective thermal insulation, it is necessary that the material used has not only low thermal conductivity, but also low values of density and water absorption, sufficient strength, environmental and fire safety, biostability and properties that provide its advantages for the insulation of various surfaces and for different operating conditions. This paper considers traditional and promising materials for construction and technical thermal insulation, which mainly include inorganic components. General characteristics, advantages and disadvantages of mineral wool and products from it, glassy, liquid glass, asbestos-containing and ceramic heat-insulating materials and products, composite thermal insulation, in which natural and man-made inorganic fillers are fillers, are given. The article also discusses the currently promising calcium silicate plates and sheets, materials and products for airgel, vacuum and reflective thermal insulation. The information provided allows you to evaluate the variety and characteristics of heat-insulating materials and products on an inorganic basis. Also, the fire characteristics of inorganic heat-insulating materials are considered.
Keywords: thermal insulation materials, inorganic materials, fire safety, energy efficiency, asbestos-containing materials.
Современный рынок теплоизоляционных материалов весьма разнообразен, применяемые утеплители на основе полимерных материалов обладают низким коэффициентом теплопроводности, но подвержены термической деструкции и распаду при высокой температуре, что приводит к полной деструкции материала за короткий период эксплуатации. Кроме того, они обладают высоким классом горючести, а продукты их горения токсичны [2].
Обладая такими качествами как высокая степень водопоглощения, повышенная сорбционная влажность теплоизоляционные материалы на минераловатной основе подвержены образованию микроорганизмов вредных для здоровья человека. На ряду с этим снижение теплоизолирующих свойств обусловлено постепенным саморазрушением волокнистой структуры материала, что также является одним из существенных недостатков [3].
Перспективным направлением по решению вопросов эффективной тепловой изоляции является разработка вспененных материалов на основе неорганических композиционных материалов призванных существенно сократить энергозатраты.
- Минераловатная теплоизоляция
Данная группа материалов является самой распространенной и широко применяемой как для строительной, так и для технической теплоизоляции. К минераловатным относятся материалы и изделия на основе волокон, получаемых из силикатных расплавов при помощи раздува струи (дутьевой метод), падения струи на вращающиеся диск или валки (центробежный способ), пропускания расплава через фильеру или комбинацией этих методов (центробежно-дутьевой и центробежно-фильерно-дутьевой способы).
Минеральная вата может быть получена из смеси перечисленных выше сырьевых материалов, а также с использованием в качестве добавок отходов силикатной и строительной отраслей промышленности, преимущественно боя глиняного (безобжигового), керамического и силикатного кирпичей. Для снижения температуры плавления к сырьевым материалам могут добавляться бор или оксид бора [4]. Для всех минеральных ват характерны низкая стоимость, низкая теплопроводность, высокие звуко- и электроизоляционные свойства, негорючесть (позволяет использовать в качестве огнезащиты), термостойкость, химическая и биологическая стойкость. К недостаткам минеральных ват относятся высокое водопоглощение (насыщение водой повышает теплопроводность и создает мостики холода) и хрупкость волокон, поэтому их часто обрабатывают гидрофобными веществами.
- Стеклообразная и жидкостекольная теплоизоляция
Данная группа представляет собой теплоизоляционные материалы и изделия с аморфной (стекловидной) твердой фазой, которые получают с использованием стекла, стеклообразующих минералов или жидкого стекла (силикатный клей, канцелярский клей — водный раствор силикатов натрия, калия или их смеси) в качестве связующего или для получения наполнителей. Наиболее распространенным материалом данной группы является ячеистое стекло (пеностекло), получаемое путем спекания тонкоизмельченных стекла, эрклеза (глыбы, образующиеся при дроблении стекломассы, застывшей при аварийной или плановой остановке стекловаренной печи), стекольного боя или некоторых природных минералов (трахиты, сиениты, нефелины, обсидианы, диатомиты, трепелы и др.) с газообразователями (известняк, доломит, антрацит и т. д.) [5]. Пеностекло характеризуется средней для теплоизоляционных материалов прочностью, водостойкостью, низким водопоглощением, негорючестью, термостойкостью (до 300– 400 °С для пеностекла на основе обычного стекла и до 1000°С при отсутствии щелочных оксидов), огнестойкостью, морозостойкостью до -55°С, отсутствием усадки, химической стойкостью (за исключением щелочей, плавиковой и фтороводородной кислот) и биостойкостью, хорошими электро- и звукоизоляционными свойствами, легкостью механической обработки, экологичностью. Недостатками пеностекла являются хрупкость, сравнительно высокая плотность, низкая паропроницаемость и высокая стоимость.
Асбестосодержащая теплоизоляция Данная группа представляет собой материалы и изделия, получаемые с использованием волокон хризотилового асбеста: минераловатные изделия (насыпной асбест, асбестовые вата, войлок, ткань, картон, бумага и шнуры), рассмотренные выше, и изделия на минеральных и полимерных связующих. Одним из материалов данной группы является пеноасбест, который получают из распушенных асбестовых волокон и технической пены при дополнительном диспергировании при помощи химических реагентов.
Асбестосодержащие материалы и изделия за счет наличия асбеста обладают высокой прочностью, температуростойкостью, химической стойкостью и огнестойкостью, однако при этом у них повышаются хрупкость и водопоглощение, а канцерогенность асбестовых волокон снижает экологичность и является главной причиной снижения объемов использования данной группы теплоизоляционных материалов [2].
Прочая теплоизоляция на неорганической основе наряду с рассмотренными выше материалами и изделиями в настоящее время для теплоизоляции широко применяется измельченное минеральное сырье и изделия, получаемые из него при помощи связующих или в результате высокотемпературной обработки. Одними из наиболее распространенных теплоизоляционных материалов и изделий данной группы являются легкие бетоны, представляющие собой цементные, известковые, гипсовые, магнезиальные, золовые или шлаковые вяжущие или их смеси, в которых заполнителем является природное или техногенное сырье в виде щебня, гравия или песка. В дополнение к легким минеральным заполнителям в состав легких бетонов вводится кварцевый песок. Также существуют легкие бетоны, которые получают с минимальным количеством кварцевого песка или при его отсутствии и называют беспесчаными (крупнопористыми) бетонами, однако такие бетоны отличаются низкими значениями прочности и теплопроводности. В качестве теплоизоляционных также применяются беспесчаные бетоны на гранитном щебне. Разновидностью легких бетонов на гипсовых вяжущих является ферригипс или паста феррон — материал на основе гидроксидов железа и гипсового вяжущего с различными заполнителями. Стоит отметить, что изделия на основе гипсовых вяжущих в виде плит и блоков без заполнителей также применяются в качестве теплоизоляционных. К природным минеральным заполнителям, используемым для получения легких бетонов, относятся высокопористые породы: пемза, туфы (вулканические, известковые и кремнистые), тальк, известняк-ракушечник, трепел, диатомит и др. К техногенным минеральным заполнителям относятся в первую очередь отходы: зола уноса, бой кирпича и шлаки (топливный, доменный и электротермофосфорный).
В последнее время для теплоизоляции промышленных тепловых агрегатов и каминов, а также в качестве противопожарных перегородок стали широко применяться силикатно-кальциевые (силикат-кальциевые, кремниево-кальциевые) плиты (панели) и листы, которые получают путем приготовления водной суспензии из кремнезема или высококремнеземистых материалов и извести, заливки суспензии в форму и автоклавной обработки изделий. Во время обработки при температурах 950–1500 °С происходит реакция между оксидом кремния и карбонатом кальция с образованием силиката кальция и углекислого газа, формирующего мелкопористую структуру материала. Для дополнительного повышения пористости в состав суспензии иногда вводят пенообразователи (например, алюминиевую пудру), а для повышения прочности нередко добавляют стекловолокна, базальтовые, керамические, углеродные, полипропиленовые, целлюлозные и др. волокна. Силикатно-кальциевые плиты отличаются низкой теплопроводностью (0,053–0,07 Вт/м·о С), термостойкостью (от -200 до +1100 °С), огнестойкостью, экологичностью, легкостью, высокой прочностью, биостойкостью, химической стойкостью и легкостью механической обработки [6].
На сегодняшний день существует множество теплоизоляционных материалов на неорганической основе и изделий из них, что позволяет подобрать материал в зависимости от утепляемой поверхности и температурного режима. Такое разнообразие объясняется широким выбором применяемого неорганического сырья, преимущественно минеральных материалов, которые в большинстве случаев широко распространены в природе, могут быть легко синтезированы или являются крупнотоннажными техногенными отходами. Однако стоит отметить, что некоторые виды природного минерального сырья широко распространены только в определенных регионах, поэтому применение теплоизоляции на их основе в других регионах ограничено. Другим ограничением для ряда неорганических теплоизоляционных материалов является их высокая стоимость. Для всех рассмотренных материалов и изделий можно выделить преимущества, связанные с их неорганической основой: экологичность, долговечность, термостойкость, огнестойкость и негорючесть. В сочетании со сравнительно высокими значениями прочности, хорошими тепло- и звукоизоляционными характеристиками некоторые из рассмотренных материалов можно применять в качестве конструкционных, облицовочных, звукоизоляционных, огнезащитных и др. Распространенность сырья и преимущества рассмотренных материалов и изделий являются предпосылками для их дальнейшего широкого распространения и массового применения, появления новых и совершенствования существующих теплоизоляционных материалов на неорганической основе.
Литература:
- Павлычева Е. А., Пикалов Е. С. Характеристика современных материалов для облицовки фасадов и цоколей зданий и сооружений // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2020. № 4. С. 55–61.
- Минько Н. И., Пучка О. В., Евтушенко Е. И., Нарцев В. М., Сергеев С. В. Пеностекло — современный эффективный неорганический теплоизоляционный материал // Фундаментальные исследования. 2013. № 6–4. С. 849–854.
- Мелконян Р. Г., Суворова О. В., Макаров Д. В., Манакова Н. К. Производство стеклообразных пеноматериалов: проблемы и решения // Вестник Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 10. № 1. С. 133–156.
- Сопегин Г. В. Перспективы применения пеностекла в строительстве // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2017. Т. 2. С. 418–424.
- Терещенко И. М., Дормешкин О. Б., Кравчук А. П., Жих Б. П. Получение теплоизоляционных материалов на основе кремнегеля по одностадийной технологии // Труды БГТУ. Химия и технология неорганических веществ. 2015. № 3. С. 97–101.
- Воробьева А. А., Виткалова И. А., Торлова А. С., Пикалов Е. С. Исследование влияния температурного режима на физико-механические свойства пеносиликатного материала на основе сырья Владимирской области // Фундаментальные исследования. 2016. № 10–1. С. 26–30.
