Советник раасн, профессор каф. Строительного материаловедения и специальных технологий д т. н. Акулова М. В

Вид материала

Документы

Содержание Образование волокнистой структуры. По химизму По температуре Газовое число Повышенное водозатворение Реологические свойства пластично-вязких систем и их влияние на образование пористой структуры Реологические свойства минеральных композиций и способы их регулирования

Подобный материал:

• Разработчики программы повышения квалификации: Галимов Энгель Рафикович, д т. н., профессор,, 226.46kb.
• Региональное Отделение Российского Философского Общества Саратовский государственный, 223.62kb.
• Разработчики программы повышения квалификации: Алиева Б. Ш. д пед н., профессор, каф, 274.72kb.
• Концепция устойчивого развития в стратегии градостроительства франции 05. 23. 22 Градостроительство,, 332.07kb.
• Десятые академические чтения раасн, 2006, 1519.63kb.
• Заровняев Борис Николаевич, д т. н., профессор, зав. Каф. Огр открытых горных работ, 204.45kb.
• Лечение недержания мочи у мужчин о. Б. Лоран, член корр. Рамн, профессор, зав каф урологии, 39.64kb.
• Племяшов К. В., зав кафедрой акушерства, к в. н., Андреев Г. М., профессор каф акушерства,, 51.58kb.
• Кязимов Карл Гасанович Доктор педагогических наук, профессор ргсу, Государственный, 88.92kb.
• Программа для поступающих на Направления подготовки бакалавров 150700 «Машиностроение», 505.68kb.

Способы получения пористой структуры


При формовании оптимальной пористой структуры в теплоизоляционных материалах стремятся достичь максимальных значений пористости (минимальной средней плотности), получить оптимальные характеристики пористой структуры, чтобы улучшить функциональные показатели качества изделий, понизить теплопроводность без значительного снижения прочности, а также повысить экономические показатели – материалоемкость и себестоимость.

Лучшие показатели теплоизолирующей способности имеет ячеистая пористая структура с равномерно распределенными крупными и мелкими порами (между крупными), геометрической формы, без узких капилляров, стенки гладкие, упругие, межпоровые перегородки должны быть близкими между собой по величине, поры больших размеров.

Оптимальной ячеистой структурой следует считать равномерно распределенную в объеме материала пористость в виде полидисперсных по размеру, замкнутых, деформированных в правильные многогранники пор. Форма пор должна приближаться к правильному додекаэдру (двенадцатигранник).

Чтобы получить высокие значения пористости и добиться рационального ее строения, что обеспечивает повышение строительно-эксплуатационные свойства теплоизоляции, необходимо оптимизировать следующие характеристики ячеистой структуры: однородность распределения пористости в объеме материала, толщина межпоровых перегородок, плотность межпоровых перегородок, форма пор, характер внутренней поверхности пор, замкнутость ячеистой структуры.

Главная технологическая задача в производстве высокоэффективных теплоизоляционных материалов – обеспечить их высокопористое строение с заданными характеристиками пористой структуры.

Способы подразделяются на следующие основные группы: вспучивание, оно охватывает следующие способы поризации: низкотемпературное газообразование, высокотемпературное газообразование, пенообразование, аэрирование (воздухововлечение); удаление порообразователя, в качестве порообразователя используют воду, легколетучие жидкости, выгорающие добавки; неплотная упаковка; контактное омоноличивание; объемное омоноличивание, оно включает омоноличивание поризованной связкой, омоноличивание плотной связкой, создание комбинированных структур.

Образование волокнистой структуры. (неплотная упаковка)

Это древнейший способ придания волокнистым и зернистым материалам повышенных теплоизолирующих свойств. Он заключается в неплотной укладке природных волокнистых материалов (шерсть, сухие водоросли, стебли злаковых растений, опилки и др.). Однако свободная неплотная укладка пригодна только для создания засыпной теплоизоляции. Для придания такой системе прочности используют принципы механического связывания: свойлачивания коротковолокнистых и средневолокнистых материалов, скрепление проволокой длинномерных стеблей. Такая обработка приводит к уменьшению пористости системы, и этот фактор является определяющим при выборе способа связывания композиции в изделие.

Для волокнистых материалов с длиной волокна до 20-30 мм неплотная упаковка при формовании изделий создается свойлачиванием. Этим способом из природных шерстяных волокон создается войлок. Наиболее широко этот метод используют при формовании волокнистого ковра в камере волокно-осаждения в технологии минераловатных изделий и в виде способа высокого водозатворения в технологии древесноволокнистых плит, торфоплит. Упаковка таких ковров в сочетании с прошивкой текстильной, стеклянной и синтетической нитью позволяет получать гибкие маты для теплоизоляции зданий и оборудования и звукоизоляции различных сооружений.

В валяльно-войлочном способе обработки природных волокон свойлачивание является одним из этапов предварительного уплотнения полуфабриката путем трения и давления при одновременном воздействии тепла и влаги для первоначального сближения и перепутывания волокон. Затем обычно следует валка – дальнейшая обработка трением, ударом и давлением. В результате изделие приобретает заданную плотность и прочность.

Способность волокон животного происхождения давать при свойлачивании изделия с высокой прочностью на разрыв и высокой формоустойчивостью объясняется спецификой строения волокон: чешуйчатой поверхностью, конусностью, высокой упругостью, набухаемостью и последующим сжатием, способностью извиваться и перемещаться.

У искусственных волокон, все эти особенности отсутствуют или выражены слабо. Поэтому при свойлачивании искусственных волокон получаются изделия с невысокой прочностью и жесткостью.

Свойлачивание минеральных волокон в камере волокно-осаждения основано на хаотической ориентации в процессе полета после волокнообразования и переплетении при укладке на пол камеры (движущийся конвейер). Возможна механическая подпрессовка волокон. Так образуется минераловатный ковер, обладающий связанностью и определенной прочностью на разрыв.

Свойлачивание способом высокого затворения обеспечивается хаотическим расположением и переплетением органических и минеральных волокон в изделиях формуемых из гидромасс. Содержание твердой фазы (волокон) в гидромассе составляет 2-10%. Это обеспечивает свободную ориентацию волокон в пространстве. На стадии формирования в процессе свободного гидростатического истечения воды из массы и последующего обезвоживания вакуум – отсосом и подпрессовкой закрепляется хаотический характер ориентации волокон и происходит их контактное соприкосновение. В процессе сушки контакты и зацепления волокон усиливаются, каркас приобретает определенную механическую прочность и жесткость.

Очень длинные и упругие волокна размалывают до определенного соотношения длины и диаметра, а торф в технологии торфоплит используют со степенью разложения (это определяет его упругость и способность обезвоживаться) 5-15%.

Пористость волокнистых материалов складывается из межволокнистой пористости и пористости собственно волокон. Поры в материалах с волокнистой структурой имеют неопределенную форму и представляют собой сообщающуюся систему воздушных полостей. Замкнутые поры отсутствуют. Чем тоньше волокно, тем больше число волокон в единице объема (при постоянной массе твердой фазы), а, следовательно, меньше размер единичной поры и ниже конвективный теплообмен в материале.

Материалы с волокнами малого диаметра должны характеризоваться лучшими теплофизическими и строительными свойствами, в том числе меньшей средней плотностью, большей упругостью, более высокой прочностью на изгиб и др.

Однако ниже определенного диаметра волокна средняя плотность материала заметно возрастает и еще больше увеличивается теплопроводность. Повышение средней плотности связано с уменьшением упругости и жесткости волокон малых диаметров, в результате чего наблюдается более плотная упаковка волокнистого ковра и большая слеживаемость в процессе эксплуатации. Рост теплопроводности в этом случае объясняется уменьшением пористости волокнистого каркаса.

Таким образом, оптимальной волокнистой структурой является структура с минимальным содержанием твердой фазы в виде длинных волокон малого диаметра, обеспечивающая упругость и неслеживаемость волокнистого каркаса при заданных нагрузках. Рациональная длина волокон определяется технологией, а диаметр – прочностными и упругими свойствами волокна. Волокна должны быть круглого сечения с плотной гладкой поверхностью, без резких перепадов диаметров по всей длине.

Газообразование (вспучивание).

Газообразование – способ, при котором из теплоизоляционного материала выделяется газ за счет введения в сырьевую массу специальных газообразователей – алюминиевой пудры, известняка и др. В результате химических реакций выделяются газы, которые, пытаясь выйти из формовочной массы, образуют в ней поры. Этим способом получают газобетон, газосиликат, ячеистое стекло (пеностекло) и газонаполненные теплоизоляционные пластмассы (пенопласты).

Способ газообразования имеет ряд разновидностей различающихся по следующим признакам: химизму процесса газообразования; виду газообразователя; температуре газообразования и вспучивания массы.

По химизму процесса газообразование подразделяется на несколько способов: первый основан на выделении газа при взаимодействии газообразователя с компонентами массы (газообразователь – алюминиевая пудра, карбонаты, кислоты, и др.); второй основан на выделении газа из газообразователя (перекись водорода, органические газообразователи) без взаимодействия с массой.

По виду различают: газообразователи искусственно вводимые в массу (алюминиевая пудра, органические порофоры и газообразователи); газообразователи, являющиеся составной частью исходных компонентов (гидратная вода).

По температуре газообразования и вспучивания способ газообразования подразделяется на: низкотемпературный (температура процесса 100ºС), среднетемпературный (200-400ºС), высокотемпературный (выше 800ºС).

Современные газообразователи должны удовлетворять следующим требованиям: плавное течение процесса газовыделения с получением нетоксичных и не вызывающих коррозию продуктов; большой объем выделяющегося газа – большое газовое число; соответствие газового интервала максимального газообразования температуре размягчения вспениваемого материала: устойчивость в условиях хранения и транспортирования, доступность и относительно низкая стоимость.

Газовое число – это объем газа (мл), приведенный к нормальным условиям, выделяемый в единицу времени 1 г газообразователя при температуре газовыделения. Оно служит для первичной оценки эффективности газообразователей.

Используют несколько типов органических и неорганических газообразователей, различающихся по агрегатному состоянию, химической природе и механизму газообразования. Наиболее многочисленна и широко используется группа твердых вспенивающих веществ.

В настоящее время самый распространенный низкотемпературный газообразователь – алюминиевая пудра. Она представляет собой тонкодисперсный порошок алюминия, имеющий форму лепестков со средним диаметром 20-50 и толщиной 1-3 мкм. Каждая частица алюминия покрыта тонкой оболочкой стеарина, придающего пудре гидрофобность. В результате пудра приобретает высокую кроющую способность и всплываемость (она предназначена для лакокрасочной промышленности). Однако в технологии теплоизоляционных материалов это резко ухудшает распределение газообразователя в массе.

Уже в процессе помола каждая частица алюминия окисляется и покрывается плотной окисной пленкой. Сильные щелочи и кислоты средней концентрации растворяют защитную окисную пленку на поверхности алюминия:

Al₂O₃+2OH ^‾→2 AlO₂^‾+H₂O

С обнаженной поверхности алюминия переходит в раствор в виде ионов Al³⁺ при этом выделяются 3 моля водорода:

2 Al+6H⁺→2 Al³⁺+3H₂↑

Для вспенивая высокомолекулярных соединений, применяется группа легкокипящих жидких веществ (галоидпроизводные углеводороды, спирты, изопентан, толуол, бензол и т.д.). При нагревании до температуры кипения эти вещества, переходя в газообразное состояние, вспенивают полимеры. Несмотря на то, что по вспенивающей способности они уступают ряду газообразователей, они способствуют улучшению теплофизических свойств, а также образованию более равномерной структуры материала и повышению его физико-механических показателей.

Применяют среднетемпературные газообразователи, выделяющие газ в результате необратимого термического разложения при температуре до 120-160ºС, - порофоры. Из этой группе чаще всего используют азосоединения

(R-N=N-R), порофоры 4х3-21 и др.

В качестве высокотемпературных газообразователей используют органические (молотый кокс, антрацит, некоторые разновидности порофоров) и неорганические (карбонаты в виде молотого мела, известняка) вещества. В результате высокотемпературного воздействия выделяется СО₂. Эти газообразователи применяются в производстве пеностекла.

Есть теплоизоляционные материалы, высокотемпературным газообразователем в которых служит гидратная вода. Она входит в молекулярную структуру минерала или искусственного вещества и в силу химической связи с веществом может превращаться в пар лишь при высоких температурах (в искусственных композициях при 200-400ºС, в природных минералах при 800-1000ºС). Объем образующегося пара больше объема исходной воды в 600-4000 раз, поэтому при содержании 0.05-0.5% гидратной воды материал увеличивается в объеме в 15-40 раз. Используют при производстве вспученного перлита, вермикулита, растворимого стекла и глиносодержащих материалов. Вспучивание газообразователем предполагает, что выделяющийся в процессе газовыделения газ остается в массе и вспучивает ее, образуя ячеистую структуру. Формирование такой структуры включает три стадии: зарождение газового пузырька, рост пузырька, стабилизация размеров и местоположения газового пузырька.

Зарождение газового пузырька на поверхности частицы присуще всем газообразователям (кроме легкокипящих жидкостей). Рост газового пузырька и образование поры – сложный процесс, в котором формирование единичной газовой поры происходит не от одной частицы газообразователя, а от их совокупности.

Тонкодисперсные газообразователи имеют малую массу, и поэтому объем газового пузырька очень мал. Рост и образование газовой поры происходит вследствие двух одновременно протекающих явлений: во-первых, за счет объединения мельчайших газовых пузырьков при их росте, а во-вторых, путем втягивания частиц пудры в растущую газовую пору. Расстояние между частицами в массе в два и более раз меньше, чем диаметр газовой поры, возникающей из одной частицы, поэтому газовые пузырьки соприкасаются и объединяются. В результате «возмущения» массы к такому пузырьку подходят новые частицы газообразователя, которые или прилипают к пузырьку, или отдают свой пузырек или втягиваются в пузырек газа. В последнем случае это происходит из-за плохой смачиваемости газообразователя и замедляет процесс газообразования.

Рост газовых пузырьков не безграничен. Во-первых, процесс образования газовых пузырьков начинается и протекает одновременно, поэтому не может стянуться к одному пузырьку, во-вторых, расстояние между пузырьками по мере их объединения увеличивается, в-третьих, с увеличением размера пузырька угол смачивания уменьшается, сила сцепления с частицей ослабевает и пузырек отрывается.

Прекращение роста пузырька должно совпадать с интенсивным ростом значений реологических показателей массы и к концу газовыделения и вспучивания значения предельного напряжения сдвига и вязкости массы должны быть наибольшими. Так как газовый пузырек вследствие большой разницы в плотностях газа и массы стремится всплыть, что приводит к выходу газа из масса (кипению) и снижению пористости. В результате прекращения газовыделения, а также увеличения значений реологических свойств обеспечиваются стабилизация размеров и местоположения газовых пузырьков.

Необходимо отметить, что не весь выделяющийся газ удерживается массой. Поэтому оперируют понятиями коэффициенты газовыделения К_гв и газоудержания К_гу, употребляют также идентичные понятия V_гв­ – коэффициент использования порообразователя и V_гу коэффициент выхода пор. Решающим фактором создания высокопористой ячеистой структуры, достижения высоких значений коэффициента газоудержания является направленное регулирование пластично-вязких свойств массы и кинетики газовыделения.

Скорость газообразования для всех газообразователей зависит от температуры массы, химического состава газовой среды, для твердых – от тонины помола и вибрирования массы.

Вибрирование массы и введение в нее поверхностно-активных добавок является факторами управляемого воздействия на кинетику газовыделения и реологических свойств массы. В системах на минеральных вяжущих гидратационного твердения и в полимерных системах вибрационное вспучивание в сочетании с ПАВ интенсифицирует процессы газовыделения на поверхности газообразователя, ускоряя окончание этого процесса на крупных частицах. Все это происходит на стадии оптимальных пластично-вязких свойств смеси, что обеспечивает образование замкнутых пор. В процессе вибрации создаются равные условия для отторжения частиц алюминиевой пудры с поверхности растущих газовых пор, как только они достигнут определенного размера. По окончании вибрации резко возрастают предельное напряжение сдвига и вязкость массы, передвижение газовых пузырьков становится невозможным, увеличивается объем газовой фазы, снижается средняя плотность. ПАВ обладают пластифицирующим эффектом, повышает смачиваемость газообразователя, его однородность распределения в массе.

К способу газообразования относится вспучивание вермикулита, хотя процесс поризации несколько отличается, тем, что вспучивание происходит непосредственно из твердого состояния путем расслоения материала по плоскостям спайности и раздвижки слюдяных слоев.

Пенообразование – способ, применяемый для увеличения пористости за счет введения в формовочную массу заранее приготовленной мены в виде замкнутых мельчайших пленочных сферических оболочек, которые наполнены воздухом. Ячеистая структура закрепляется в процессе отвердения. Пену получают с помощью пенообразователей. В основе лежит способность поверхностно-активных веществ сорбироваться на поверхности раздела жидкость-воздух и резко снижать поверхностное натяжение на границе раздела. При растворении в воде ПАВ вследствие полярности молекул ориентированно адсорбируются на поверхности раздела фаз, повышая вязкость и механическую прочность поверхностных слоев и пленок. С повышением концентрации ПАВ поверхностное натяжение раствора падает до некоторого наименьшего значения, оставаясь в дальнейшем практически постоянным.

Максимальная стабильность пены наблюдается при насыщении адсорбционных слоев. В процессе пенообразования и «жизни» пены можно выделить три периода. В первый период при незначительном содержании в массе воздуха пузырьки пены отделены один от другого толстыми пленками жидкости и могут свободно перекатываться; это более или менее вязкие, но текучие системы. На этой стадии пена обладает сходством с обычной концентрированной эмульсией. Во второй период, связанный с насыщением системы воздухом, пузырьки теряют свободу перемещения, превращаясь в полиэдрические ячейки, разделенные тонкими, несколько изогнутыми пленками жидкости: наблюдается значительное преобладание дисперсной фазы над дисперсной средой: в этот период пена подобна желатинизированной эмульсии, устойчивость ее характеризуется механической прочностью остова, образованного из пленок дисперсионной среды. Третий период – коалесценсия – соответствует довольно быстрому распаду и превращению пены в две объемные фазы (жидкость-воздух) с минимальной поверхностью раздела.

Рассмотренные пены относятся к двухфазным и называются пустыми или «чистыми». Их смешивают со строительными растворами, в результате чего и получают пеноматериал.

С увеличением воздушных пор утолщаются перегородки. В результате снижается их устойчивость: происходит истечение жидкости из разделяющей пузырьки пленки – синерезис пены. Развитие этого процесса приводит к разрушению пены. Для замедления или ликвидации синерезиса в пены вводят различные стабилизаторы.

Пенообразователи, применяемые в производстве теплоизоляционных материалов должны обладать рядом специфических свойств: ПАВ – должно при небольших концентрациях резко снижать поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз вода-воздух; сохранять пеностойкость в водных вытяжках вяжущего и в условиях активной минерализации; не вызывать заметного удлинения сроков твердения или полимеризации, а также снижения прочности минеральных и полимерных изделий.

Кроме того, пенообразователь должен характеризоваться постоянством состава и свойств и не изменяться при транспортировании и хранении, должен быть недефицитным и дешевым, не иметь неприятного запаха и не быть токсичным.

В технологии теплоизоляционных пеноматериалов использовали пенообразователи на основе природных органических продуктов. К ним относится сапониновый – продукт экстрагирования сапонина из некоторых продуктов, называемых сапониноносами (например, мыльный корень); клееканифоль – продукт многоступенчатой переработки канифоли и столярного клея, который выполняет роль стабилизатора; гидролизованная кровь – пенообразователь, получаемый путем гидролиза, нейтрализации и закрепления свернувшейся крови, получаемой на бойнях, последовательно щелочью, хлористым аммонием и железным купоросом.

Применение пенообразователей на основе природных материалов сокращено в связи с ограниченностью сырьевой базы, сложностью процесса их приготовления и т.д. Поэтому сейчас в качестве пенообразователя используют больше синтетические поверхностно-активные вещества – продукты нефтепереработки и нефтехимического синтеза. Как правило, это вещества анионактивного класса, применяемые в производстве моющих средств. К ним относятся: сульфанолы, вещество «Прогресс», пенообразователь ПО-1 и др. модификации. Пенообразующая способность катионовых и неионогенных ПАВ, как правило, ниже, чем у анионактивных.

Получаемая способом пенообразования ячеистая структура характеризуется высокой замкнутостью пор, плотной и гладкой их внутренней поверхностью, равномерной пористостью по объему материала, примерно одинаковой по сечению толщиной межпоровых перегородок.

Традиционный способ пенообразования в производстве теплоизоляционных материалов – трехстадийный – и включает следующие этапы: приготовление из водных растворов ПАВ устойчивых технических пен («чистых» пен); приготовление жидкотекучих минеральных или полимерных композиций, образующих твердую фазу (остов) теплоизоляционного материала; смешивание пены и композиции до получения пеномассы заданной пористости. Из готовой пеномассы формуют изделия.

Получать пены, как и другие дисперсные системы, можно двумя способами: диспергационным и конденсационным. При диспергационном способе пена образуется в результате интенсивного совместного диспергирования пенообразующего раствора и воздуха. Технологически это осуществляется при прохождении струи газа через слой жидкости; при действии движущихся устройств на жидкость в атмосфере газа или при действии движущейся жидкости на преграду; при эжектировании воздуха движущейся струей раствора (в пеногенераторах).

Конденсационный способ образования пен основан на изменении параметров физического состояния системы, приводящих к пересыщению раствора газом. К этому же способу относится образование пен в результате химических реакций и микробиологических процессов, сопровождающихся выделением газообразных продуктов. Это происходит при создании пониженного давления в аппаратах с раствором, при повышении температуры раствора (при выпаривании, дистилляции), при введении в раствор веществ уменьшающих растворимость газов. Этот способ используют при получении пены для приготовления вспененных масс.

Воздухововлечение (относится к вспучиванию). Этот способ основан на вовлечении заданного объема воздуха в процессе приготовления массы, содержащей ПАВ. Этот способ характеризуется простотой технологического процесса (одностадийная поризация); возможностью с высокой точностью регулировать среднюю плотность получаемого поризованного материала в широком интервале значений; малой дефектностью поровой структуры и отсутствием трещин и «дырок формования» в межпоровых перегородках; отсутствием «горбушки» и операций по ее удалению и переработке.

Процесс насыщения концентрированных минеральных и полимерных суспензий воздухом детально не выяснен до сих пор. Он связан с изменениями на границе раздела фаз при введении ПАВ. Они самопроизвольно накапливаются на границе раздела фаз, обеспечивая понижение поверхностного натяжения.

При аэрировании (воздухововлечении) одновременно происходят два процесса: вовлечение воздуха в систему и выход его наружу при недостаточной удерживающей способности массы. Вовлечение воздуха в смесь из пространства над ее поверхностью осуществляется вследствие образования воздушных щелей лопастями смесителя. Вероятность возникновения щели и ее объем зависят, прежде всего, от скорости вхождения лопасти в систему и размера лопасти. В ходе образования «воздушного следа» гидростатическая сила сообщает смеси ускорение, направленное внутрь щели. Кинетика последующего разобщения щелей на множество мелких пузырьков зависит от интенсивности перемешивания и реологических характеристик массы. Вовлеченные в смесь воздушные пузырьки под действием поверхностного натяжения испытывают разрушающие усилия и лопаются в результате утоньшения стенок.

Введение ПАВ снижает поверхностное натяжение и тем самым уменьшает разрушающее усилие, при этом повышается вероятность устойчивого существования воздушного пузырька в массе. В вязкой жидкости пузырек всплывает долго, и под действием перемешивания пузырьки будут перемещаться вглубь массы, равномерно насыщая ее воздухом. Предельное напряжение сдвига системы обеспечивает стабильное содержание воздушных пузырьков в массе, максимальный диаметр которых пропорционален этому напряжению.

Регулирование объема вовлеченного воздуха и характеристик пористости осуществляется за счет факторов: выбора ПАВ и его дозировки, регулирования реологических свойств массы, изменение гидродинамических условий перемешивания. Выбирать ПАВ следует с учетом pH массы, ее дисперсности, предельных значений поризации, кинетики набора структурной прочности массы.

В качестве воздухововлекающих добавок (ВВД) в технологии теплоизоляционных материалов используют синтетические ПАВ из группы нефтяных сульфокислот (ПО-1), триэтаноламиновую соль лаурилсульфата («Эффект»), комплексные ПАВ (смесь алкилбензолсульфокислот, синтетических жирных кислот, эфиров вторичных спиртов). Это ВВД – анионного класса. Целесообразно вводить ВВД на стадии подготовки компонентов, в этом случае до 20% воздуха вовлекается в шлам в процессе его приготовления.

Способ аэрирования открывает широкие возможности направленного регулирования характеристик пористой структуры материала с помощью приемов основанных на регулировании скорости вращения смесительного вала; на изменение площади поверхности лопасти, путем ее поворота относительно оси вала или путем изменения объема (высоты) загрузки смесителя массой; на применении мешалок с несколькими смесительными валами, вращающимися с различной скоростью.

Повышенное водозатворение (относится к способам удаления порообразователя). Этот способ, отличающийся простотой выполнения, - один из старейших в производстве строительных и теплоизоляционных материалов. Он основан на использовании в составе массы компонентов с высокой водоудерживающей способностью, введении в массу больших объемов воды и испарении ее после создания несущего каркаса.

Образующийся каркас препятствует большой усадке материала при удалении воды, в результате чего формируется воздушная пористость.

Большие объемы воды удерживаются массой за счет сорбционных и капиллярных сил. Этот вид связи относится к слабым механическим взаимодействиям воды с твердыми телами, и такая механически связанная вода начинает интенсивно испаряться при 70-90ºС.

Как правило, 1 л воды затворения обеспечивает образование 0.8-0.92 л воздушной пористости. Подбор и подготовка компонентов с высокой водоудерживающей способностью сводится к выбору материалов по их сорбционной способности и технико-экономическим показателям и тонкодисперсной подготовке этих материалов, чтобы увеличить их сорбционную поверхность. Наиболее широко используют распушенный асбест, тонкодисперсный бентонит, известь. Эффективный прием удержания в массе большого количества воды затворения – использование в качестве вяжущего в теплоизоляционных материалах и водорастворимых полимерных веществ, таких, как крахмал (1.5-3%-ный водный раствор), карбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ), оксиэтилцеллюлоза и др.

Для создания каркаса используют волокнистые и зернистые каркасообразующие компоненты, подбирая такое их объемное наполнение, которое препятствует существенной усадке или используют тонкодисперсные быстросхватывающиеся вяжущие, обеспечивающие формирование каркаса до начала испарения влаги. Способ высокого водозатворения широко используют при производстве теплоизоляционных и акустических изделий из волокнистых материалов: древесно-волокнистых плит (содержание твердой фазы в массе до 2%); жестких минераловатных плит (твердой фазы 15%); декоративно-акустических минераловатных изделий, торфоплит (твердой фазы 3-6%), асбестосодержащих и других эффективных изделий.

Вода удаляется частично при формовании изделий или заготовок (прессованием, вакуумированием, отжимом) и окончательно при сушке. Характер формируемой пористости определяется в основном видом каркасообразующего материала. В волокнистых системах образуется волокнистая структура, в монолитных смесях из зернистых материалов создаются смешанные структуры, пронизанные сетью капиллярных пор. Пористость этого типа характеризуется большим водопоглощением, в том числе капиллярным подсосом, что резко ухудшает эксплуатационные свойства теплоизоляции.

Реологические свойства пластично-вязких систем и их влияние на образование пористой структуры

Из приведенных выше направлений производства теплоизоляции все, кроме волокнистой структуры, основываются на использовании пластично-вязких композиций и материалов.

Обычно применяют дисперсные системы в виде высококонцентрированных или сильно разбавленных минеральных и полимерных водных суспензий, а также материалы в пиропластичном состоянии. Реологические свойства таких пластично-вязких систем описываются комплексом показателей: вязкостью, пределом текучести и др.

Сравнение вязких свойств жидкостей и дисперсных систем показывает значительное отличие между ними. Пластично вязкие дисперсные системы по механическим свойствам занимают промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями, характеризуясь одновременно прочностью при сдвиге и текучестью после разрушения структуры. Такие системы по механическим свойствам в зависимости от предела текучести при сдвиге и вязкости делятся на нормально-вязкие, аномально-вязкие и пластичные дисперсные системы. К нормально-вязким дисперсиям относятся системы, у которых не обнаружено измеримого предельного напряжения сдвига и отсутствует структурная вязкость (ведут себя как истинные жидкости). Аномально-вязкие системы не обнаруживают прочности структуры при сдвиге, но при низких давлениях имеют структурную область на кривой течения. К аномально-вязким дисперсным системам относятся многие коллоидные растворы и суспензии невысокой концентрации. Пластичные дисперсные системы характеризуются пределом текучести при сдвиге. При напряжениях ниже предела текучести они испытывают только упругие деформации, а за пределом текучести обнаруживают остаточные (пластичные) деформации. К таким системам принадлежат высококонцентрированные суспензии.

Композиции, используемые в технологии теплоизоляционных материалов, в зависимости от концентрации могут по своим механическим свойствам относится к любому из этих классов. На практике чаще всего используют смеси, представляющие собой пластично-вязкие и аномально-вязкие системы.

Теория пластичности дисперсных систем, принятая в настоящее время, базируется на модели твердого пластично-вязкого тела. В модели твердого пластично-вязкого тела «обобщены» свойства абсолютно твердого тела и истинной жидкости. У пластичных дисперсных систем в связи с тиксотропией можно различать два предела текучести: динамическое предельное напряжение сдвига τ₀ определяемое непосредственно после перемешивания смеси при мгновенном приложении усилия и статическое предельное напряжение сдвига, являющееся в отличие от τ₀ для данной системы величиной переменной, зависящей от времени ее выдерживания в состоянии покоя. Реологические свойства пластично-вязкого тела, характеризуются двумя физическими постоянными: пластической вязкостью и предельным напряжением сдвига.

Реологические свойства минеральных композиций и способы их регулирования

Минеральные композиции в технологии теплоизоляционных материалов представляют собой водные коллоидные растворы или водные суспензии. Эти двух- и многокомпонентные смеси можно рассматривать как трехфазную систему, содержащую твердые частицы с адсорбированной пленочной водой, «жидкую» воду и воздух. Механические свойства смесей в основном зависят от объемного соотношения фаз, практически решающее значение имеет количество воды затворения. Значение предельного напряжения сдвига при переходе от разбавленных к высококонцентрированным суспензиям может измениться от нуля до значительных величин, т.е. τ₀ оказывается функцией концентрации системы. Объясняется это особыми свойствами воды.

Пластичность дисперсных систем типа концентрированных суспензий обуславливается наличием на твердых частицах дисперсной среды тонких адсорбционных пленок воды. Чем больше избыток воды, тем меньшим предельным напряжением сдвига и значением структурной вязкости будет характеризоваться раствор. Это хорошо иллюстрируется механической моделью – аналогией пластично-вязкого тела. Избыток воды служит с одной стороны смазкой между грузом и столом, понижая тем самым предел текучести, с другой – уменьшает вязкость жидкости (например, глицерина), в которой двигается поршень, а тем самым и вязкое сопротивление сдвигу. Избыток воды в растворе не обеспечивает оптимальных соотношений между двумя основными физическими постоянными, характеризующими такую систему, не говоря уже о том, что избыток воды ухудшает многие технологические свойства масс, экономические и строительно-эксплуатационные показатели теплоизоляционных изделий. Резкое снижение предельного напряжения сдвига при незначительном изменении вязкости может быть достигнуто разрушением структуры тонкодисперсной суспензии, содержащей незначительное количество воды, внешними динамическими воздействиями. Хорошо известным и наиболее распространенным приемом разрушения структурных связей является вибрирование дисперсных систем.

Если действие вибрации иллюстрировать механической моделью – аналогией пластично-вязкого тела, то можно проследить следующее. При приложении вибрации к столу установленный на нем груз при ускорении, обеспечивающим преодоление его массы, будет отбрасываться вверх. Отделяясь на короткие промежутки времени от поверхности стола, груз получает в эти мгновения возможность свободно двигаться в горизонтальной плоскости. Таким образом, резко уменьшаются значения предельного напряжения сдвига. При этом возможная скорость перемещения груза в каких-то конечных пределах определяется ускорением, приложенным к столу.

Вместе с тем сопротивление, которое оказывает жидкость движению поршня при приложении вибрации, остается почти без изменений, т.е. вязкость системы понижается незначительно.

Таким образом, вибрирование концентрированных суспензий дает возможность направленно изменять их реологические характеристики. Большое влияние при этом оказывают интенсивность вибрационных воздействий и их характер: амплитуда, частота и направленность вибрации, место приложения вибровоздействий к массе, длительность вибрации.

Эффективно регулирование реологических свойств композиции с помощью поверхностно-активных веществ. Влияет на реологические свойств композиций и температура. С одной стороны, повышение температуры приводит к уменьшению поверхности натяжения и вязкости воды, что должно снижать предельное напряжение сдвига и пластическую вязкость композиций; с другой стороны с ростом температуры резко ускоряется гидролиз и гидратация минеральных вяжущих, увеличивается скорость коллоидации различных тонкодисперсных систем, что приводит к значительному возрастанию реологических показателей.