К теплоизоляционным относятся материалы, которые характеризуются низким коэффициентом теплопроводности и предназначены для снижения теплообмена между теплоизолируемым объемом и окружающей средой. Различают два основных вида теплоизоляции: строительную, которая сохраняет комфортный температурный режим внутри помещения вне зависимости от времени года и погодных условий, и техническую, которая обеспечивает заданный технологическим режимом температурный режим внутри оборудования или внутри инженерных коммуникаций, таких как водопроводы, газопроводы, нефтепроводы и т.д. В условиях роста цен на тепловые и энергетические ресурсы и тенденции по развитию энерго- и ресурсосберегающих технологий производство и применение теплоизоляционных и энергоэффективных материалов становится всё более актуальным и востребованным [1–3].
При этом чем больше разница температур между теплоизолируемым объемом и окружающей средой, тем более жесткие требования предъявляются к качеству теплоизоляционных материалов и тем большая экономия тепла и электроэнергии достигается при правильной и эффективной теплоизоляции. В то же время надо учитывать и другие факторы, оказывающие влияние на теплоизоляционные материалы в процессе эксплуатации: наличие агрессивных сред и негативных факторов окружающей среды, влажность, вероятность и величина температурных колебаний в окружающей среде, возможность механических, электрических и других воздействий. Совокупность этих факторов создает перечень требований, предъявляемых к теплоизоляционному материалу для конкретных задач при эксплуатации в определенных условиях, и является основой для принятия решения о выборе материала для теплоизоляции.
Наиболее распространенной и разнообразной группой теплоизоляционных материалов являются полимерные пеноматериалы, называемые также газонаполненными пластмассами [4–6], и полимерные композиционные материалы, наполненные материалами с низким коэффициентом теплопроводности: древесные и травянистые отходы, микропористые минералы (перлит, вермикулит и др.), золошлаковые отходы и т.д. [7–9]. Отдельной разновидностью полимерной теплоизоляции являются сферопластики, в которых связующими в большинстве случаев являются термореактивные полимеры, а в качестве отдельных или основных наполнителей применяют полые микросферы из различных материалов, которые позволяют уменьшить плотность и теплопроводность материала и получаемых из него изделий. Основными преимуществами сферопластиков перед большинством теплоизоляционных материалов являются высокие прочностные характеристики и низкое водопоглощение. В то же время, как и для большинства материалов на полимерной основе [10, 11], для них характерны водостойкость, химическая стойкость, легкость, диэлектрические характеристики и стойкость к большинству факторов окружающей среды [4 ,12].
Однако, как и большинство материалов на полимерной основе, сферопластики теряют свои свойства при повышении температуры из-за низкой термостойкости и термодеструкции полимерных связующих и микросфер на полимерной основе. Это ограничивает сферу их применения, особенно в качестве технической теплоизоляции. В связи с этим повышение температур эксплуатации сферопластиков является актуальной задачей. В настоящее время такая задача наиболее часто решается за счет применения термостойких полимерных связующих, например кремнийорганических соединений, и использования наполнителей, способных выдерживать высокие температуры, например применения микросфер на силикатной основе и дополнительного введения волокон на основе тугоплавких минералов [13, 14].
Цель данной работы заключалась в получении высокотемпературного полимерного композиционного материала, наполненного полыми микросферами, для технической теплоизоляции в условиях продолжительного температурного воздействия до 700 °С.
Материалы и методы исследования
Полимерным связующим для получения композиционного материала являлся тетраэтоксисилан, частично гидролизованный в среде водного раствора этилового спирта в присутствии азотной кислоты в качестве кислотного катализатора. Данное соединение относится к группе кремнийорганических связующих и представляет собой эфир ортокремниевой кислоты и этилового спирта общей химической формулы (C2H5O)4Si.
Наполнение полимерного связующего проводили при помощи полых алюмосиликатных микросфер, полученных в результате флотации из золошлаковых отходов теплоэлектростанций. Используемые в данной работе микросферы имели следующий состав (в мас. %): 55,8 SiO2, 35,5 Al2O3, 1,79 Fe2O3, 1,19 CaO, 1,5 Na2O+К2О, 1,17 ТiO2, 0,55 другие компоненты. Среди свойств данных микросфер можно отметить инертность, механическую прочность 18–27 МПа и сохранение свойств до температуры 1300 °С.
Дополнительным наполнителем для получаемого материала являлся белый электрокорунд марки 25А по ГОСТ 28818-90 с содержанием алюминия не менее 99,5 мас. %. Содержание примесей в электрокорунде данной марки ограничено следующими значениями (в мас. %, не более): 0,03 Fe2O3, 0,1 SiO2, 0,2 Na2O.
Для получения образцов изучаемого материала к полимерному связующему в соответствии с исследуемыми рецептурами полимерных композиций последовательно при перемешивании добавляли электрокорунд и полые алюмосиликатные микросферы. Компоненты перемешивали при температуре 20–25 °С в течение 30 мин, а затем полученную смесь заливали в формы и нагревали со скоростью 100 °С/ч до 1000 °С.
У полученных образцов по ГОСТ 23630-79 определяли теплопроводность через тепловое сопротивление при монотонном режиме нагрева до 250 °С при помощи прибора ИТ-λ-400, по ГОСТ 409-2017 определяли кажущуюся плотность через отношение массы образца к его объему и по ГОСТ 4651-2014 определяли прочность на сжатие в условиях приложения нагрузки вдоль главной оси образцов с постоянной скоростью до разрушения. Испытания по прочности на сжатие дополнительно проводили у образцов, которые в течение 10 ч выдерживались при 700 °С в воздушной атмосфере.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате предварительного этапа исследований в данной работе проводились эксперименты по получению образцов при разном количестве полимерного связующего с последующей визуальной оценкой. В ходе исследований было установлено, что из композиций, содержащих меньше 4 мас. % полимерного связующего, затруднительно получить композицию с хорошими реологическими показателями, а при использовании гидролизованного тетраэтоксисилана в количестве от 4 до 14 мас. % у образцов после термической обработки наблюдаются деформации, связанные с недостатком связующего. В то же время использование связующего в количестве свыше 76 мас. % приводит к появлению у образцов деформаций, связанных с низкой термостойкостью композиции.
Количество микросфер было ограничено 13–66 мас. %, так как при меньшем их количестве эффект от их введения незначителен, а при большем количестве наблюдается излишнее падение прочности материала. Добавка менее 3 мас. % электрокорунда также практически не дает эффекта, при более 42 мас. % электрокорунда наблюдается существенное повышение теплопроводности, что является ограничением для теплоизоляционного материала.
В связи с полученными результатами было принято решение провести определение свойств у образцов, полученных с использованием составов полимерных композиций, представленных в табл. 1.
Результаты определения теплопроводности и прочности на сжатие образцов представлены в табл. 2.
Как следует из данных таблицы, образцы полученного материала характеризуются средними для сферопластиков теплоизоляционными показателями, высокой прочностью и хорошей термостойкостью, которая проявляется в сохранении прочности после длительного воздействия повышенной до 700 °С температуры.
Таблица 1
Исследуемые составы полимерных композиций
|
№ состава |
Содержание компонента, мас. % |
||
|
Тетраэтоксисилан |
Полые алюмосиликатные микросферы |
Электрокорунд белый |
|
|
1 |
14,0 |
66,0 |
20,0 |
|
2 |
30,0 |
40,0 |
30,0 |
|
3 |
45,0 |
13,0 |
42,0 |
|
4 |
60,0 |
16,0 |
24,0 |
|
5 |
76,0 |
21,0 |
3,0 |
Таблица 2
Свойства образцов получаемого композиционного материала
|
№ состава |
Кажущаяся плотность, кг/м3 |
Теплопроводность при 250 °С, Вт/м∙°С |
Прочность на сжатие, МПа |
Прочность на сжатие после 10 ч при 700 °С на воздухе, МПа |
|
1 |
305 |
0,20 |
6,4 |
6,0 |
|
2 |
314 |
0,23 |
6,9 |
6,6 |
|
3 |
372 |
0,26 |
9,3 |
9,1 |
|
4 |
359 |
0,24 |
9,7 |
8,7 |
|
5 |
322 |
0,19 |
10,5 |
8,7 |
Таблица 3
Технические показатели известного и разработанного теплоизоляционного материалов
|
Показатель |
Известный материал |
Разработанный материал |
|
Теплопроводность при 250 °С, Вт/ м∙°С |
0,11–0,25 |
0,19–0,26 |
|
Кажущаяся плотность, кг/м3 |
290–346 |
305–359 |
|
Предел прочности при сжатии, МПа |
5,4–7,2 |
6,4–10,5 |
|
Предел прочности при сжатии после 10 ч при 700 °С на воздухе, МПа |
4,7–6,8 |
6,0–9,1 |
Хорошая термостойкость данного материала связана с высокими показателями тепло- и термостойкости компонентов полимерной композиции. Частично гидролизованный тетраэтоксисилан относится к кремнийорганическим соединениям, относящимся к теплостойким соединениям. Частичный гидролиз данного соединения, который сопровождается процессами поликонденсации с образованием связей ≡Si−O−Si≡ [15], приводит к повышению показателей адгезии к стеклу, атмосферо- и теплостойкости. Основным веществом электрокорунда является оксид алюминия Al2O3, который является термостойким и тугоплавким. Кроме того, данная добавка выполняет роль термостойкой армирующей добавки, способствуя сохранению прочности при повышении температуры. Материал алюмосиликатных микросфер также является термостойким. Таким образом, каждый из компонентов способствует повышению стойкости материала к воздействию температур, а его низкая теплопроводность за счет наличия микросфер также препятствует распространению теплового потока и повышает теплостойкость в направлении от источника теплоты.
При этом следует учитывать, что более термостойким компонентом является электрокорунд, поэтому образцы, в составе которых его больше, отличаются более высокой теплостойкостью и лучше сохраняют свою прочность после воздействия повышенной температуры. Образцы по составам с высоким содержанием микросфер отличаются чуть меньшей теплостойкостью, но при этом их теплоизоляционные свойства выше, что связано с высокой теплопроводностью электрокорунда и низкой теплопроводностью алюмосиликатных микросфер. Образцы по составам с высоким содержанием полимерного связующего отличаются более высокой начальной прочностью, но у них выше теплопроводность при низком содержании микросфер и ниже теплостойкость при низком содержании электрокорунда.
В то же время повышение количества микросфер снижает кажущуюся плотность материала, а повышение количества электрокорунда увеличивает данное свойство, что связано с высокой плотностью электрокорунда.
Для дополнительной оценки свойств полученного материала было проведено его сравнение с известным материалом для термостойкой технической теплоизоляции [14] на основе 20–70 мас. % раствора поликарбосилана в ксилоле, 15–65 мас. % полых алюмосиликатных микросфер и 10–45 мас. % кварцевых волокон (табл. 3).
Как видно из данных таблицы, разработанный материал несколько уступает известному по теплоизоляционным характеристикам, сравним с ним по кажущейся плотности, но превосходит его по прочности и теплостойкости. Следовательно, полученный материал может быть использован для технической теплоизоляции, работающей при температурах изолируемых поверхностей до 700 °С, наравне с известным материалом.
Заключение
В результате выполнения работы установлено, что на основе 14–76 мас. % тетраэтоксисилан, частично гидролизованный в среде водного раствора этилового спирта в присутствии азотной кислоты в качестве кислотного катализатора, 13–66 мас. % полых алюмосиликатных микросфер и 3–42 мас. % белого электрокорунда может быть получен теплостойкий композиционный материал теплоизоляционного назначения.
Все применяемые компоненты способствуют повышению термостойкости получаемого материала. При этом связующее дополнительно придает теплостойкость и атмосферостойкость, микросферы понижают теплопроводность, а электрокорунд позволяет повысить прочность и теплостойкость.
При сравнении полученного материала с известным и сходным с ним по составу и назначению установлено, что полученный материал незначительно уступает известному по теплоизоляционным показателям, но превосходит по прочности и теплостойкости, сохраняя свою прочность в течение длительного времени при 700 °С.
Таким образом, полученный материал может применяться для технической теплоизоляции поверхностей, температура которых при эксплуатации нагревается до 700 °С. В качестве областей применения можно рекомендовать теплоизоляцию оборудования и сооружений в теплоэнергетике и на производственных предприятиях различных отраслей промышленности, тепловую защиту конструктивных элементов летательных аппаратов от воздействия газодинамического и теплового потоков.
Библиографическая ссылка
Акимова А.С., Филиппова Л.С. ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2022. – № 8. – С. 40-44;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13424 (дата обращения: 20.05.2024).