Свойства теплоизоляционных материалов

Свойства теплоизоляционных материалов зависят также от соотношения объемов воздуха, заключенного в порах, и твердого вещества, входящего в единицу объема материала.

 

Теплоизоляционные материалы имеют высокопористое строение, они создаются из веществ, имеющих аморфное строение, так как кристаллические вещества хорошо проводят тепло. Теплопроводность уменьшается в 10 и более раз, если использовать материалы, получаемые путем быстрого охлаждения расплава, примером являются стеклянные и минеральные волокна.

Воздух наименее теплопроводен из всех сред, не считая безвоздушного пространства. Теплопроводность сухого воздуха, заключенного в мелких порах, составляет лишь 0,023 Вт/(м.°С). Однако теплопроводность воздушных слоев значительно возрастает при увеличении их толщины.

Рисунок-1. Зависимость теплопроводности от толщины воздушных прослоек

Тепло через воздушный слой передается теплопроводностью λт, конвекцией λк и излучением λи, поэтому эквивалентный коэффициент теплопроводности слоя λэ можно представить состоящим из трех слагаемых:

λэ=λт+λк+λи;

На рис. 1 показано увеличение теплопроводности воздушного слоя вследствие резкого возрастания теплопередачи конвекцией и излучением по мере увеличения размера воздушного слоя. Поэтому в технологии теплоизоляционных материалов стремятся получать поры в виде мелких ячеек либо тонких воздушных слоев, разделяющих волокна.

В практике используют следующие основные способы создания высокопористого строения материала.Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бетоны, пеностекло, пористые пластмассы) используют способы газовыделения и пенообразования.

Читай также классификация теплоизоляционных материалов

Способ же высокого водозатворения состоит в применении большого количества воды при получении формовочных масс (например, из трепела, диатомита); последующее испарение воды при сушке и обжиге отформованных изделий способствует образованию воздушных пор. Этот способ часто сочетается с введением выгорающих добавок (древесных опилок, измельченного низкосортного каменного угля, торфяной крошки и др.).

Создание волокнистого каркаса — основной способ образования пористости у волокнистых материалов (минеральная вата, фибролит и т. п.). Высокопористое строение закрепляется главным образом путем тепловой обработки изделий, которая осуществляется в различных видах — путем обычного пропаривания или автоклавной обработки, сушки и обжига.

Важное значение имеет равномерное распределение воздушных пор в материале и характер пор. Желательно создавать мелкие, равномерно распределенные поры — ячейки закрытого типа. В закрытых порах воздух находится в спокойном состоянии и лучше выполняет роль теплоизолятора.

В замкнутые поры не попадает вода (при обычных условиях насыщения), что очень важно для сохранения стабильных теплофизических свойств и долговечности. Стремление к замкнутой пористости отличает структуру теплоизоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые должны иметь определенное количество «сквозных» пор.

Это принципиальное отличие необходимо иметь в виду, так как часто для производства теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий используются одни и те же исходные материалы (например, минеральное волокно, древесная масса и др.).Теплопроводность λ связана с коэффициентом температуропроводности α, теплоемкостью с и объемной массой ϒ материала следующим соотношением:

λ= αсϒ;
Объемная масса является главным аргументом, определяющим теплопроводность. Теплоизоляционные материалы по объемной массе (кг/м³) делят на:

1) особо легкие (ОЛ) — М15, М25, М35, М50, М75, М100;

2) легкие (Л) — M125, M150, М175, М200, М250, М300, М350 и

3) тяжелые (Т) — М400, М450, М500 и М600.

Материал, имеющий объемную массу, не совпадающую с показателями марок, относят к ближайшей большей марке. На рис. 2  представлен график зависимости теплопроводности материалов от объемной массы. По теплопроводности теплоизоляционные материалы делят на три класса: класс А — малотеплопроводные — с теплопроводностью до 0,058 Вт/(м·°С); класс Б — среднетеплопроводные — 0,058 — 0,116 Вт/(м·°С) и класс В — повышенной теплопроводности — не более 0,18 Вт/(м·°С).

Рисунок-2. Зависимость теплопроводности  теплоизоляционных материалов от объемной массы:

1-неорганические материалы; 2-органические материалы.

Теплопроводность пористых материалов резко возрастает при увлажнении (см. рис. 6 физические свойства строительных материалов), так как теплопроводность воды, равная 0,58 Вт/(м·°С), в 25 раз больше теплопроводности воздуха.В определенных пределах  теплопроводность повышается прямо пропорционально возрастанию объемной влажности (W0, в %), что  позволяет вычислить теплопроводность влажного материала λw по следующей формуле:

λw=λс+δWo,

где λс-теплопроводность сухого материала;δ-приращение теплопроводности на 1 % объемной влажности, которое составляет: для неорганических материалов при положительной температуре -0,002 Вт/(м·°С), при отрицательной температуре -0,004 Вт/(м·°С),для органических соответственно -0,003 и 0,004 Вт/(м·°С).

Замерзание воды в порах материала с образованием льда увеличивает-λw , так как теплопроводность льда равна 2,32 Вт/(м·°С), т. е. в 4 раза больше теплопроводности воды. Теплоизоляция тепловых агрегатов и теплопроводов работает при повышенных температурах. Теплопроводность λt при средней температуре материала можно вычислить, зная теплопроводность λ0 при 0°С и температурную поправку β на 1°С повышения температуры:

λt=λ0(1+βt);

У различных пористых материалов теплопроводность возрастает при повышении температуры с разной скоростью, поэтому и температурный коэффициент -β  будет различный. Расчетные значения теплопроводности материала принимают по СНиП II-3 — 79. Нормы проектирования. Строительная теплотехника.

У некоторых материалов (магнезитовых огнеупоров, металлов) теплопроводность уменьшается при повышении температуры и, следовательно, температурная поправка имеет отрицательный знак.

Физико-механические свойства теплоизоляционных материалов

Прочность теплоизоляционных материалов при сжатии сравнительно невелика — 0,2 — 2,5 МПа. Основной прочностной характеристикой волокнистых материалов (плит, скорлуп, сегментов) является предел прочности при изгибе. У неорганических материалов он составляет 0,15 — 0,5 МПа; у древесных плит — 0,4 — 2 МПа. Гибкие теплоизоляционные материалы (минераловатные маты, войлок, асбестовый картон) испытывают на растяжение.

Прочность материала должна быть такова, чтобы обеспечивалась его сохранность при перевозке, складировании, монтаже и, конечно, в эксплуатационных условиях.

Водопоглощение не только ухудшает теплоизоляционные свойства пористого материала, но также понижает его прочность и долговечность. Материалы с закрытыми порами, например пеностекло, отличаются небольшим водопоглощением. Для снижения водопоглощения при изготовлении материалов вводятся гидрофобизующие добавки.

Температуростойкость — способность материала выдерживать длительный нагрев при определенной температуре.

Газо- и паропроницаемость учитывают при применении в ограждающих конструкциях. Она может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Например, желательно, чтобы теплоизоляция не препятствовала воздухообмену жилых помещений с окружающей средой, происходящему через наружные стены зданий. Однако теплоизоляцию стен влажных производственных помещений часто защищают от увлажнения с помощью надежной гидроизоляции, устраиваемой с «теплой» стороны.

 

Свойства, характеризующие долговечность теплоизоляционных материалов

Огнестойкость — способность материала и конструкций выдерживать в течение определенного времени действие пожара. Она связана со сгораемостью материала, т. е. его способностью воспламеняться и гореть. Сгораемые материалы можно применять только при осуществлении мероприятий по защите от возгорания.
Возгораемость (огнестойкость) — способность теплоизоляционного материала выдерживать в течение определенного времени действие высокой температуры и открытого пламени. Предельная температура применения — важная характеристика при изоляции промышленного оборудования; это свойство зависит от состава и структуры материала. По возгораемости теплоизоляционные материалы и изделия делят на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Морозостойкость должна учитываться как важное свойство утеплителя ограждающих конструкций зданий и холодильников.

Химическая и биологическая стойкость. Большая пористость теплоизоляционных материалов благоприятствует проникновению в них агрессивных газов и паров, находящихся в окружающей среде. Стойкость теплоизоляции повышают, применяя защитные покрытия. Органические теплоизоляционные материалы и связующие (клей, крахмал) должны обладать биологической стойкостью, т. е. сопротивляться действию микроорганизмов, домовых грибов, насекомых (муравьев, термитов).

Структура и свойства теплоизоляционных материалов

 

Теплоизолирующая способность материала зависит не только от количества, но и характера пор, их распределения, размеров,открыты они или замкнуты. Наиболее высокими теплоизоляцион ными свойствами обладают материалы, содержащие при всех прочих равных условиях большое количество мелких и замкнутых пор, заполненных воздухом.

Воздух в неподвижном состоянии обладает очень малой теплопроводностью (при 20°С) — 0,02 Вт/(м·°С). Если взятькакое-либовысокопористое тело с мелкими и замкнутыми порами и рассмотреть его структуру под микроскопом, то можно увидеть множество воздушных пор, от гороженных друг от друга тонкими вещественными стеночками.

Совокупность таких пор, содержащих малотеплопроводный воздух, создает преграду на пути следования тепла или холода и делает материал малотеплопроводным. Для улучшения изоляционных свойств материала желательно, чтобы на пути теплового потока имелось как можно больше таких воздушных пор, а тонкие ограничивающие их стенки располагались сотообразно.

В наибольшей мере изолирующее свойство воздуха проявляется только при спокойном его состоянии, так как находящийся в движении воздух оказывает содействие переносу тепла. Крупнопористое, раковистое строение материала с вытянутыми порами создает условия для возникновения конвекционных потоков воздуха, что вызывает усиление передачи тепла через материал. Чем меньше объем воздуха, заключенного в порах, тем меньше его подвижность и тем лучше изолирующие свойства.

Теплоизоляционные свойства материалов зависят также от соотношения объемов воздуха, заключенного в порах, и твердого вещества, входящего в единицу объема материала. Чем тоньше слой твердого вещества, окружающего поры, тем лучше теплозащитные свойства материала и меньше его коэффициент теплопроводности. В очень пористых материалах с очень малой плотностью объем воздуха, содержащегося в них, настолько велик и теплоизолирующие свойства настолько большие, что роль твердого вещества в передаче становится очень незначительной. В таких материалах теплопроводность может приближаться к теплопроводности воздуха (например, в мипоре).

Если сравнить теплопроводность материалов, имеющих одинаковый вещественный состав, но различную пористость, то можно заметить, что теплопроводность почти пропорциональна плотности материала, т. е. содержанию в них твердого вещества.
Поры и пористые каналы в материале могут быть созданы вспениванием его, введением при изготовлении материала газообразующих добавок, контактным склеиванием или спеканием отдельных зерен и частиц материала, взаимоналожением большого количества волокон и т. п.

Структура материала оказывает существенное влияние на его теплозащитные свойства. Особенно наглядно это проявляется в материалах волокнистого строения. Например, теплопроводность древесины вдоль волокон приблизительно в 2 раза больше теплопроводности поперек волокон. Для характеристики теплоизоляционных свойств материалов, применяемых в виде засыпок, большое значение имеет крупность зерен. С уменьшением размера зерен теплозащитные свойства материала улучшаются, что имеет место даже в том случае, если плотность его остается неизменной.

Таким образом, рассматривая общий характер строения теплоизоляционных материалов, можно сделать вывод, что малую теплопроводность материалам придают поры, когда они заполнены воздухом, но если поверхность этих пор будет покрыта пленкой воды или поры будут заполнены водой, то теплоизоляционные свойства материалов резко снижаются. Это происходит потому, что вода имеет большую теплопроводность, нежели воздух (примерно в 25 раз). Поэтому при эксплуатации теплоизоляционные материалы необходимо защищать от увлажнения.