Функциональные свойства теплоизоляционных материалов - Классификация и свойства теплоизоляционных материалов

А) Теплопроводность

Теплопроводность - важнейшая характеристика теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов. Единица измерения теплопроводности - Вт/(м °К) или Вт/(м °С).

В старой системе СГС теплопроводность измеряется в ккал/(м ч°С). Соотношение между старыми и международными единицами теплопроводности - 1 Вт/(м °С) = 0,86 ккал/(м ч °С) или 1 ккал/(м ч °С) = 1,163 Вт/(м °С).

Теплопроводность материалов определяется следующим выражением:

(6)

Где: q - плотность теплового потока (Вт/м2) через материал толщиной (м) д при разности температур на противоположных поверхностях (°С) Дt.

Или термическим сопротивлением R (м2 °С/Вт), определяемом как

(7)

Теплопроводность жидкости или газа определяется уравнением Дебая

(8)

Где с - теплоемкость среды, Дж/кг °С (см. ниже); щ - скорость распространения волны, м/сек; l - длина свободного пробега волны, м.

Теплопроводность различных материалов колеблется в очень широких пределах, например:

    - 0,024 Вт/(м °С) - для воздуха в неподвижном состоянии при 0°С и 0,075 при 1000°С; - 0,55 Вт/(м °С) - для воды при 0°С и 0,7 при 100°С; - 2,5 Вт/(м °С) - для льда; - 0,11 - 0,17 Вт/(м °С) - для дерева; - 0,45 - 0,8 Вт/(м °С) - для керамического кирпича; - 45 - 60 Вт/(м °С) - для стали и чугуна; - 418 Вт/(м °С) - для серебра, т. е. теплопроводность воздуха почти в 18 тыс. раз ниже, чем серебра.

Установлены следующие эмпирические зависимости теплопроводности от параметров состояния материалов, влажности и температуры:

1) Теплопроводность и пористость связаны следующей зависимостью (уравнение Леба)

, (9)

Где л - теплопроводность материала; лS - коэффициент теплопроводности твердой фазы; р - коэффициент пористости в сечении, перпендикулярном потоку тепла.

2) Связь теплопроводности и средней плотности для ряда теплоизоляционных материалов упрощенно выражается линейной зависимостью

, (10)

Где л - теплопроводность; а и b коэффициенты.

Эта зависимость применима для пенобетонов, пенокерамики, бетонов на пористых заполнителях. Однако ряд исследований показал, что для волокнистых (минеральная вата) и полимерных ячеистых (пенополистирол) материалов зависимость теплопроводности от плотности имеет экстремум.

При уменьшении средней плотности меньше определенного значения теплопроводность возрастает.

Причина этого явления - увеличение радиационного теплового потока в общей части теплового потока через материал. С учетом этого явления была предложена следующая зависимость:

, (11)

Где л - теплопроводность материала; г0 - средняя плотность; А, В и С - коэффициенты.

Расчеты, проведенные в НИИСФ (Москва), показали, что для базальтовой ваты лmin = 0,033 Вт/м °С при г = 75,3 кг/мі; для пенополистирола - лmin = 0,029 Вт/м °С при г = 30 кг/м

3) Теплопроводность в зависимости от влажности материала можно приближенно рассчитать по следующей линейной зависимости:

, (12)

Где л - теплопроводность материала; лС - теплопроводность сухого материала; W0 - влажность материала, %; д - коэффициент, равный для органических материалов 3,5-10-3 (при положительных температурах) и 4-10-3 (при отрицательных температурах); для неорганических материалов 2-10-3 (при положительных температурах) и 3,5-10-3 (при отрицательных температурах).

4) Теплопроводность материала зависит от температуры. СНиП 2.04.14-88 рекомендует определять расчетную теплопроводность по следующей зависимости:

, (13)

Где л - теплопроводность материала, л0- теплопроводность при 0° С, Т - температура; в - температурный коэффициент.

Для фенольных пенопластов в =0,00019-0,00023; для минераловатных изделий в =0,0002-0,0003; для изделий из стеклянной ваты в =0,00023-0,00035; для известково-кремнеземистых изделий в =0,0001; для вспученного перлита в =0,00012.

В действительности зависимости теплопроводности теплоизоляционных материалов от температуры несколько сложнее и обладают явно наблюдаемой кривизной.

На рис.6 представлены некоторые из них.

зависимость теплопроводности от температуры

Рис.6. Зависимость теплопроводности от температуры: 1 - вертикально-слоистый мат из базальтовой ваты; 2 - базальтовый техмат; 3 - карбамидный пенопласт; 4 - цилиндр из базальтовой ваты; 5 - муулито-кремнеземистая вата; 6 - базальтовый прошивной мат

Б) Теплоемкость

Теплоемкость - свойство материала поглощать и сохранять теплоту при повышении температуры. Количественной характеристикой этого свойства материалов является удельная теплоемкость (Дж/кг С):

, (14)

Где с - удельная теплоемкость; m - масса, Q - количество поглощенного тепла; (t - t1) - разность температур материала и среды.

Удельная теплоемкость показывает какое количество теплоты надо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С.

Удельная теплоемкость материалов зависит от их природы и в значительно меньшей степени от пористости. Например, удельная теплоемкость воздуха и плотного бетона равна соответственно 1,04 и 0,92 кДж/(кг °С). Удельная теплоемкость органических материалов значительно выше, чем минеральных.

У жидкости удельная теплоемкость больше, чем у газов и твердых тел

Теплоемкость меняется с увлажнением материала:

(15)

Где cW - теплоемкость при влажности w; c0 - теплоемкость в сухом состоянии; w - влажность материала в %.

В) Температуропроводность

Температуропроводность - это способность материала к выравниванию температуры в его объеме, если она не одинакова.

Характеризуется скоростью распространения (выравнивания) температуры в материале.

(16)

Где б - температуропроводность, м2/сек; с - удельная теплоемкость; г - средняя плотность, кг/м3 .

Некоторые значения температуропроводности: у стали - 2,1-10-5 ; у воздуха - 1,8-10-5; у минеральной ваты - 0,055-10-5; у стекла - 0,048-10-5.

Г) Предельная температура применения

Предельная температура применения - это предельная температура (ТПр), при которой материал выполняет свое функциональное назначение.

Эта температура несколько ниже температуростойкости материала, так как при ее назначении учитывают влияние деструктивных процессов, происходящих в материалах при длительном воздействии высоких температур Так, в стеклообразных материалах (минеральной, стеклянной вате, ячеистом стекле и др.) в условиях длительного воздействия повышенных температур возможны образование и рост кристаллов, что приводит к резкому возрастанию внутренних напряжений в стекле вплоть до его разрушения. Направленно изменяя вещественный состав стекол, можно значительно повышать ТПр.

В полимерных или полимерсодержащих материалах происходит температурная деструкция высокомолекулярных соединений (обрыв цепей, образование поперечных связей), в результате чего прочность и эластичность полимерного связующего резко ухудшаются. В материалах на гидравлических вяжущих, а также в асбестосодержащих материалах при длительном воздействии повышенных температур происходит дегидратация минерального вяжущего и асбеста, что приводит к сбросу прочности и повышению хрупкости изделий.

Для материалов из органического сырья (камышит, торфяные плиты, ДВП и т. п.) ТПр назначают с учетом возможности возгораемости материалов в процессе эксплуатации. Ее можно повысить введением в состав материалов антипиренов.

Значения ТПр °С, для некоторых теплоизоляционных материалов:

Керамические волокна - до 1300 °С,

Муллитокремнеземистая вата - до 1150 °С;

Вспученный вермикулит - до 1100 °С;

Жаростойкий перлитобетон - до 1000 °С;

Диатомитовая теплоизоляция - до 900 °С;

Базальтовая вата - до 900 °С;

Минеральная вата - до 700 °С;

Пеностекло - до 700 °С, в зависимости от состава;

Стеклянная вата-до 400 °С;

Минераловатные изделия на различных связующих - до 60 - 400 °С, в зависимости от вида и содержания связующего;

Торфоплиты - до 100 °С;

Газонаполненные пластмассы - до 60 - 180 °С.

Д) Горючесть

Теплоизоляционные материалы подразделяются на три группы горючести в соответствии с ГОСТ 12.1.044 - 89: сгораемые (горючие), трудносгораемые (трудногорючие) и несгораемые (негорючие).

Трудногорючие и горючие теплоизоляционные материалы в зависимости от значений параметров горючести, определяемых по ГОСТ 30244-94 (степени повреждения, температуре дымовых газов, продолжительности самостоятельного горения), подразделяют на четыре группы горючести: П, Г 2, ГЗ, Г 4.

Е) Пористость

Пористость - одна из важнейших характеристик теплоизоляционных материалов.

Пористость важна не только как косвенная характеристика теплопроводности материалов, но и как параметр состояния, позволяющий оценивать долю (процентное содержание) газовой (воздушной) фазы в объеме материала.

Следует различать пористость общую, открытую и закрытую.

Общая пористость определяется отношением объема пор в материале к объему материала:

ПОб=VПор/VМат (17)

Или

ПОб=(1 - г/с), (18)

Где с - истинная плотность, г - средняя плотность.

Или

ПОб=ПЗ + ПК (19)

Где ПЗ - закрытая пористость; ПК - кажущаяся (открытая) пористость.

Кажущаяся (открытая) пористость определяется экспериментально по поглощению, например, воды и представляет отношение объема открытых пор в материале к объему материала:

ПК=VОткр. пор/VМат. (20)

Закрытая пористость представляет отношение объема закрытых пор в материале к объему материала:

ПЗ=VЗакр. пор/VМат. (21)

Или

ПЗ = ПОб-ПК. (22)

Для зернистых материалов (заполнителей для легких бетонов, засыпной теплоизоляции) введено понятие межзерновой пустотности МЗп %, которая характеризует объем пустот между зернами материала и определяется по следующей зависимости:

МЗп=(1 - г/гЗ) 100% (23)

Где гЗ - плотность зерен материала; г - насыпная плотность.

В таблице 2 приводятся значения пористости материалов различной структуры.

Таблица 2. Значения пористости теплоизоляционных материалов

Структура

Материалы

Пористость, %

Общая

Открытая

Закрытая

Ячеистая

Ячеистый бетон

Пеностекло

Пенопласты
    85 -90 85-90 92-99
    40- 50 2-5 1-55
    35-50 80-88 37-98

Волокнистая

Минеральная вата

85-92

85-92

0

Зернистая

Перлитовые Стеклопор
    85-88 90-95
    60-65 60-65
    20-28 25-35

Объем общей пористости определяется содержанием в материале каркасообразующих элементов (волокон, зерен, мембран, образующих межпоровые перегородки в ячеистых структурах), прочностью этих элементов и образованного ими каркаса.

Чем выше прочность структурообразующего материала и чем прочнее связи между элементами каркаса, тем больше может быть общая пористость теплоизоляционного материала.

Для материалов с волокнистой и зернистой структурой значения общей пористости не являются величинами постоянными, так как даже при небольшой нагрузке ПОб снижается за счет уплотнения. После снятия нагрузки у волокнистых материалов возможно частичное восстановление ПОб за счет упругого последействия волокон.

В технологии теплоизоляционных материалов применяют ряд приемов для повышения ПОб. Для материалов с волокнистой структурой это достигается путем уменьшения диаметра волокон до предела, обеспечивающего малую сминаемость минеральной ваты, снижением содержания связующего в материале за счет повышения его адгезионных и когезионных свойств, а также путем направленного ориентирования волокон по отношению к нагрузке при эксплуатации материала.

Для материалов с зернистой структурой - применением зерен монодисперсного гранулометрического состава, повышением их прочности, увеличением пористости зерен, снижением расхода связующего путем уменьшения его вязкости, поризацией связующего.

Для материалов с ячеистой структурой - повышением прочности межпоровых перегородок и уменьшением их толщины.

Повышение общей пористости может быть также достигнуто конструкционными приемами, путем снижения эксплуатационной нагрузки на теплоизоляционный слой в конструкции.

Открытая пористость ухудшает эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов, являясь причиной проникновения влаги и газов в глубь изделий. Это приводит к резкому повышению теплоемкости и теплопроводности теплоизоляции, интенсификации химической и физической коррозии твердой фазы.

Закрытая пористость обеспечивает повышенную эксплуатационную стойкость строительной теплоизоляции. При производстве теплоизоляционных материалов с ячеистой структурой П 3 стремятся увеличить. Это достигается оптимизацией процесса порообразования путем направленного регулирования его кинетики и реологических характеристик формовочных смесей.

При устройстве высокотемпературной теплоизоляции предпочтительней материалы с волокнистой структурой, они намного лучше выдерживают резкие колебания температуры, так как элементы, слагающие их структуру, способны деформироваться без разрушения каркаса и релаксировать за счет этого температурные напряжения.

Размер и форма пор оказывают существенное влияние не только на теплопроводность теплоизоляционных материалов, но и на их прочностные характеристики. Снижение размера пор в материалах с любой структурой до определенного предела в зависимости от прочности и степени связности каркасообразующего материала является одним из эффективных приемов повышения прочности высокопористых изделий.

Форма пор также оказывает влияние на прочность теплоизоляционного материала. Наилучшие показатели по прочности имеют ячеистые и зернистые материалы со сферическими порами. Форма пор является причиной анизотропии свойств теплоизоляционных материалов. Например, прочность материала с продолговатыми или эллиптическими порами при приложении нагрузки вдоль короткой оси пор меньше, чем при приложении нагрузки вдоль длинной оси. Теплопроводность же вдоль короткой оси больше, а вдоль длинной оси - меньше.

Похожие статьи




Функциональные свойства теплоизоляционных материалов - Классификация и свойства теплоизоляционных материалов

Предыдущая | Следующая