УДК 69

Оптимизация параметров пористой структуры материалов для достижения максимальных теплоизоляционных характеристик

Ерш Антон Юрьевич – аспирант Российского университета транспорта Института пути, строительства и сооружений.

Аннотация: В статье анализируется оптимизация параметров пористой структуры материалов для достижения максимальных теплоизоляционных характеристик. Рассматриваются понятие и разновидности пористости и взаимосвязь теплоизоляционных свойств материалов с их пористостью. Приводятся способы поризации материалов и придания им теплозащитных свойств. Выявляются аспекты создания пористых материалов, способствующие повышению их теплоизоляционных характеристик.

Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, теплоизоляционные характеристики, поры, поризация, термическая обработка.

Актуальной задачей строительной области является эффективное обеспечение энергосбережения, основным резервом которого выступает снижение потребления энергоресурсов зданиями и сооружениями [1]. Для возведения энергоэффективных зданий требуется применение эффективных теплоизоляционных материалов, важнейшим показателем свойств которых является высокая пористость [2]. Данное обстоятельство актуализирует исследование методов поризации и путей оптимизации пористой структуры теплоизоляционных материалов.

Целью работы является изучение оптимизации параметров пористой структуры материалов для достижения максимальных теплоизоляционных характеристик. Для её достижения были использованы аналитический, синтетический, индуктивный и дедуктивный методы обработки тематических исследований, научных публикаций и релевантных литературных источников.

Одной из важнейших характеристик теплоизоляционных материалов является пористость, соответствующая процентному объёму пор в объёме всего материала [3]. Материалы различаются по форме, расположению и концентрации пор в основном объёме. По размеру пор выделяют мелкопористые материалы с размером пор от 0,09 до 0,001 мм и менее и крупнопористые, размер пор которых составляет от 0,1 мм до 1-2 мм и более. Помимо этого, пористость подразделяется на истинную, открытую и закрытую.

Истинная пористость Пи является совокупностью открытой и закрытой пористости и характеризует отношение объёма всех пор к объёму материала:

Screenshot 1

где ρ – истинная плотность материала; ρср – средняя плотность материала.

Открытая пористость По характеризует отношение общего объёма соединённых между собой пор Vсп к объёму материала V:

Screenshot 2

где mв – масса водонасыщенного материала; mc – масса сухого материала; ρж – плотность жидкости.

Закрытая пористость Пз характеризует объём закрытых, то есть не связанных друг с другом пор в объёме материала:

Screenshot 3

Открытая пористость является причиной проникновения газов и влаги вглубь изделий, вследствие чего ухудшает эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов. Закрытая пористость обеспечивает увеличение эксплуатационной стойкости теплоизоляционных материалов. Материалы с порами небольшого размера и сферической формы обладают повышенной прочностью по сравнению с материалами с продолговатыми или эллиптическими порами, однако последние обладают лучшими показателями теплопроводности.

Теплоизоляционные свойства материалов существенного зависят от их пористости, поскольку со снижением пористости доля объёма воздуха, теплопроводность которого на порядок меньше теплопроводности материалов, сокращается [5]. При увеличении пористости теплопроводность материалов лимитируется теплопроводностью воздуха и практически не зависит от геометрии пористых структур, что связано с сокращением доли самого материала.

Согласно исследованиям теплофизических свойств теплоизоляционных материалов, с повышением плотности возрастает эффективный коэффициент теплопроводности [6]. При увеличении межволокнистой пористости повышается вклад в общую конвективную теплопроводность, что особенно заметно при повышенных температурах. С увеличением температуры от 0 до 500°С теплопередача через поры диаметром 1 и 6 мм увеличивается соответственно в 5,3 и 11,7 раза. В порах, диаметр которых не превышает 5 мм, конвекция начинает воздействовать при разности температур в 100 °С, а в порах, диаметр которых более 10 мм, – в 2 °С. Поэтому для повышения теплоизоляционных характеристик материалов предпочтительно мелкопористое строение с замкнутыми порами.

Для поризации материалов и придания им теплозащитных свойств используются следующие способы [7]:

  1. Газообразование. Способ заключается во введении в сырьевую массу компонентов, вызывающих химические реакции, сопровождающиеся интенсивным выделением газов, которые, стремясь выйти из затвердевающей массы, формируют пористую структуру. В качестве химических газообразователей применяются техническая перекись водорода (пергидроль) и алюминиевая пудра.
  2. Пенообразование. Способ основан на введении в жидкотекучие массы вяжущих веществ. В качестве пенообразователей используются калиевые и натриевые мыла, мыльный корень, сапонин, клееканифольный и алюмосульфонафтеновый пенообразователи, гидролизованная кровь.
  3. Повышенное водозатворение. Способ заключается в добавлении больших объёмов воды в формовочные массы и её дальнейшем испарении. Такой подход позволяет сохранить поры при последующем высушивании материала.
  4. Вспучивание. В основе способа лежит нагрев некоторых горных пород и шлаков до значительных температур, способствующий отделению цеолитной или химически связанной воды и выделению из сырья газов или водяных паров. Вспучивание используется для поризации перлита, обсидиана, вермикулита и некоторых разновидностей глин.
  5. Распушение. Способ заключается в преобразовании плотного минерального сырья в бесформенный волокнистый материал, которому в последующем придаётся нужная форма. Способ применяется для изготовления минеральной, стеклянной, хлопковой и шерстяной ваты.

Субмикропоры в материале зарождаются в областях, обогащённых квазивакансиями и атомами газов, которые были адсорбированы расплавом в процессе получения [8]. При более высокотемпературном нагреве новые поры не только зарождаются, но и осуществляют активную коалесценцию. Параллельное протекание данных процессов усиливает разуплотнение расплава. С увеличением температуры изотермического нагрева активность коалесценции повышается, при этом появляется тенденция не к разуплотнению, а к повышению плотности аморфного материала. Кристаллизация расплава связана с увеличением его плотности в результате ускорения процессов залечивания пор и их частичного захвата образующимися межзёренными границами. При наличии в процессе порообразования температурно-концентрационных градиентов важную роль играет захват твёрдой фазой избыточных вакансий, облегчающий конденсацию вакансий около структурных несовершенств и способствующий образованию газовакансионных кластеров, выступающих зародышами диффузионных субмикро-, микро- и макропор.

Термическая обработка является наиболее важной технологической стадией получения теплоизоляционных материалов, поскольку в ходе её проведения обеспечивается интенсивное порообразование в результате протекания химических и физических процессов, дающих синергетический эффект [9]. Этот эффект способствует получению материала с высокими показателями эксплуатационных свойств, отличающегося необходимыми стабильными значениями объёмной и насыпной плотности и коэффициента теплопроводности.

При этом температура изотермической выдержки значительно сильнее сказывается на формировании пористой структуры, чем время [10] Это объясняется тем, что основное влияние на порообразование материала оказывает величина вязкости массы материала. При увеличении температуры вязкость снижается, и вспенивающие газы интенсивнее увеличивают объём пор. Также на динамику изменения вязкости влияет химический состав основного сырья, вследствие чего для различных теплоизоляционных материалов требуются различные температуры поризации.

Важным этапом формирования равномерной пористой структуры теплоизоляционных материалов является изготовление и предварительная подготовка сырья к поризации [11]. При интенсивном предварительном удалении избытка свободной и адсорбированной влаги в материале образуются крупные сквозные поры. В процессе изотермической выдержки порообразователями являются в основном молекулярная и силанольная вода, связанная с мостиковыми атомами кислорода, которая, переходя в пар, способствует образованию пористой структуры.

Таким образом, для достижения максимальных теплоизоляционных характеристик материалов необходима оптимизация параметров их пористой структуры. Для формирования необходимой пористой структуры материалов используются различные способы поризации, обеспечивающие протекание химических реакций с газообразованием или создание условий для поглощения влаги и газов из атмосферы при соответствующем температурном воздействии.

Список литературы

  1. Джураев С.М., Курбанбаев Ш.Э., Нурмухаммадов Ж.Ш.У. Синтез новых негорючих теплозащитных материалов и исследование их свойств // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. – 2020. – Т. 4, № 2. – С. 123-129. – DOI: 10.33408/2519-237X.2020.4-2.123
  2. Яценко Л.А. Функциональная структура и алгоритм работы динамической модели процесса порообразования стеклокомпозитов на основе природного силикатного сырья при высокотемпературном синтезе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2023. – № 2. – С. 34-38. – DOI: 10.17213/1560-3644-2023-2-34-38
  3. Твердынин Н.М. Эксплуатационные материалы: учеб. пособие для вузов / Н.М. Твердынин, Л.Р. Шарифуллина. – М.: Изд-во Юрайт, 2023. – 157 с.
  4. Пономаренко А.А. Технология и свойства строительных изоляционных материалов и изделий: лабораторный практикум / А.А. Пономаренко, В.Б. Ежов, Н.П. Комарова. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2017. – 92 с.
  5. Хайруллин А.Р. Конструирование вспененных пористых теплоизоляционных материалов методом диаграммы Вороного / А.Р. Хайруллин, А.А. Синявин, А.И. Хайбуллина, В.К. Ильин // Инженерный вестник Дона. – 2022. – № 4 (88). – С. 487-499.
  6. Воробьев Н.Н. Расчётно-экспериментальное исследование эффективной теплопроводности волокнистых материалов / Н.Н. Воробьев, Д.Я. Баринов, А.В. Зуев, С.И. Пахомкин // Труды ВИАМ. – 2021. – № 7 (101). – С. 95-102. – DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-7-95-102
  7. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение в 2 ч. Часть 2: учебник для вузов / И.А. Рыбьев. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во Юрайт, 2023. – 429 с.
  8. Пучка О.В. Научные основы технологии пористых акустических и теплоизоляционно-конструкционных строительных стеклокомпозитов: дис. … д-ра техн. наук: 05.17.11 / Олег Владимирович Пучка; Белгород. гос. техн. ун-т им. В.Г. Шухова. – Белгород, 2019. – 431 с.
  9. Баранцева С.Е. Исследование физико-химических процессов, происходящих при формировании пористой структуры теплоизоляционных материалов на основе гранитоидных пород Беларуси / С.Е. Баранцева, Ю.А. Климош, Л.И. Хмылко, А.И. Позняк, Н.Н. Гундилович, И.М. Азаренко, А.В. Поспелов // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. – 2020. № 2 (235). – С. 13-20.
  10. Гольцман Б.М. Исследование динамики формирования пористой структуры пеностекольных материалов / Б.М. Гольцман, Е.А. Яценко, Н.С. Гольцман, В.С. Яценко // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2022. – № 2. – С. 34-39. – DOI: 10.17213/1560-3644-2022-2-34-39
  11. Манакова Н.К. Вспененные материалы на основе техногенных отходов // Вестник Евразийской науки. – 2020. – № 4. – 8 с. – DOI: 10.15862/21SAVN420