Структура и проницаемость волокнистых теплоизоляционных материалов


б. м. шойхет, кандидат технических наук, «сен-гобен строительная продукция»
Б. М. Шойхет, кандидат технических наук, «Сен-Гобен Строительная Продукция»


минеральная вата
Минеральная вата
рис. 2. примеры структуры теплоизоляционных материалов
Рис. 2. Примеры структуры теплоизоляционных материалов
рис. 2. примеры структуры теплоизоляционных материалов
Рис. 2. Примеры структуры теплоизоляционных материалов
Волокнистые теплоизоляционные материалы на основе стекловолокна и каменной ваты (прим. В статье используется термин «каменная вата», введенный новым ГОСТ Р ЕН (ИСО) 9229 «Материалы теплоизоляционные. Термины и определения», взамен принятого ранее термина «минеральная вата») широко применяются в строительстве, промышленности и ЖКХ. На российском рынке представлены теплоизоляционные материалы из стекловолокна и каменной ваты, производимые как на современном технологическом оборудовании по новейшим технологиям, так и на устаревшем оборудовании, что в значительной степени определяет их физико-технические и эксплуатационные характеристики

«Сен-Гобен Строительная Продукция» является производителем высококачественных волокнистых теплоизоляционных материалов как из стекловолокна, так и из каменной ваты.
Технологический процесс производства теплоизоляционных изделий из стекловолокна ТЕL запатентован концерном «Сен-Гобен» в 1957 г. Технология включает плавление шихты в ванной печи, образование волокон из расплава, формирование стекловатного ковра и резку его на изделия в виде плит и матов. Стеклянное волокно диаметром 3–5 мкм получают центробежно-фильерно-дутьевым (ЦФД) способом из силикатного расплава, основными компонентами которого являются кремнезем, сода и известняк. Волокна имеют длину 50–150 мм и характеризуются высокой прочностью и упругостью.
Высокое качество волокна достигается за счет оптимального химического состава, высокой степени однородности шихты и эффективной конструкции узла волокнообразования. В качестве связующего при производстве изделий применяются композиции на основе синтетических смол, включающие модифицирующие, гидрофобизирующие, обеспыливающие и другие добавки.
Теплофизические и физико-механические свойства теплоизоляционных материалов на основе стекловолокна и каменной ваты зависят от сложного комплекса факторов, включающих: вид исходного сырья, технологию получения волокна, диаметр и длину волокон, их химический и фазовый состав, структуру материала, качество связующего.
Учитывая наличие на мировом и отечественном строительном рынке широкого спектра волокнистых теплоизоляционных материалов различных производителей, отличающихся технологией производства, качеством волокна и, соответственно, физико-техническими и эксплуатационными свойствами, получение объективных данных о сравнительной воздухопроницаемости различных видов волокнистых теплоизоляционных материалов представляется весьма актуальным.
Фильтрационный перенос газа или жидкости в пористой среде при ламинарном режиме движения описывается уравнением Дарси:
где: Q – объемный расход (поток) газа, м3/сек;
∆P – перепад давления, Па;
S – площадь сечения образца, через которую проходит поток газа, м2;
e – толщина образца, м;
µ – динамическая вязкость газа, Па·сек;
K – проницаемость, м2.
В соответствии с законом Дарси объемный расход газа через материал пропорционален перепаду давлений ∆P и проницаемости среды К.
Проницаемость среды К зависит от структуры материала (волокнистый, ячеистый, зернистый), его пористости, объема, структуры и геометрических характеристик пор. Для учета свойств среды при оценке проницаемости используется гипотеза Козени-Кармана, в соответствии с которой для подчиняющегося закону Дарси потока газа проницаемость пористой среды характеризуется соотношением:
где: ε – пористость среды =
k – структурный фактор;
Sv – удельная поверхность, м-1;
m – масса образца, кг;
ρ – плотность материала волокна, кг/м3 .
Если рассматриваются материалы одинаковой пористости (плотности) с аналогичным расположением волокон (структурный фактор постоянный), то проницаемость и количество проходящего через единицу поверхности образца газа обратно пропорциональны квадрату удельной поверхности волокон – Sv, т. е.:
Экспериментальные исследования воздухопроницаемости различных видов отечественных теплоизоляционных материалов проводились институтом «Теплопроект» по разработанной институтом методике более 20 лет назад (1).
Экспериментальные исследования воздухопроницаемости широкого перечня волокнистых теплоизоляционных материалов на основе стекловолокна и каменной ваты проведены в последние годы в институте КРИР, Франция (2). Результаты исследований подтвердили значительное влияние структуры и плотности на проницаемость этих материалов.
Воздухопроницаемость волокнистых теплоизоляционных материалов определялась на экспериментальной установке Технического центра КРИР в соответствии со стандартом EN 29053 (ISO 9053) «Акустика. Материалы для акустического применения. Определение сопротивления воздухопроницанию» (3). Проницаемость исследованных материалов – К, (м2), определялась из соотношения:
К = η/r, (м2),
где: η – динамическая вязкость воздуха (Па·сек);
r – удельное сопротивление воздухопроницанию (Па·сек)/м2, определяемое по стандарту EN 29053.
На рис. 1 приведены результаты экспериментального исследования зависимости воздухопроницаемости от плотности для теплоизоляционных материалов из стекловолокна и каменной ваты, полученные в Техническом центре КРИР.
В результате проведенных исследований получены обобщающие зависимости воздухопроницаемости от плотности для каждого вида материала (стекловолокно и каменная вата). Все измеренные значения воздухопроницаемости для каждого вида материала укладываются в диапазон между кривыми минимальной (нижний предел) и максимальной (верхний предел) воздухопроницаемости. Все исследованные в Техническом центре КРИР виды теплоизоляционных материалов расположены между этими двумя линиями.
Значения проницаемости всех исследованных материалов находятся в диапазоне от 0,2–4,0 х 10-9 м2.
Проницаемость волокнистых теплоизоляционных материалов зависит от плотности и структурных характеристик конкретного материала, поэтому результаты измерений характеризуются определенным разбросом. Так, для изделий из стекловолокна плотностью 30 кг/м³ измеренные значения находятся в диапазоне 0,6 ÷ 1,0 х 10-9 м2, а для изделий из каменной ваты плотностью 40 кг/м³ – в диапазоне 1,25 ÷ 1,7 х 10-9 м2.
При увеличении плотности материалов разброс значений проницаемости существенно снижается и при плотности материалов 75 кг/м3 для изделий из стекловолокна находится в диапазоне 0,2–0,25 м2, а для изделий из каменной ваты – в диапазоне 0,4–0,7 м2.
Такие достаточно широкие диапазоны изменения проницаемости волокнистых теплоизоляционных материалов объясняются тем фактом, что для каждого вида продукции (стекловолокно или каменная вата) на рынке присутствуют материалы различного уровня качества.
Определяющими факторами при сравнении проницаемости теплоизоляционных изделий одинаковой плотности из стекловолокна является средний диаметр волокна, удельная поверхность и взаимное расположение волокон в структуре материала.
Влияние диаметра волокна в наибольшей степени проявляется в теплоизоляционных изделиях низкой плотности. Фотографии микроструктуры теплоизоляционных материалов на основе стекловолокна различного диаметра, сделанные при одинаковом увеличении на электронном микроскопе, приведены на рис. 2. На снимках приведены материалы одинаковой пористости и плотности – порядка 30 кг/м³, отличающиеся диаметром волокна. В первом случае диаметр волокна ориентировочно 3–4 мкм, во втором – 10– 12 мкм. Из приведенных снимков видно, что при одинаковой пористости (плотности) микроструктура материалов и, соответственно, их технические характеристики существенно отличаются.
Материал с меньшим диаметром волокна характеризуется более высокой удельной поверхностью. В этом случае при прохождении потока воздуха через материал возрастают силы трения воздуха по поверхности волокон, что приводит к снижению его проницаемости.
В современной практике производства теплоизоляционных изделий из стекловолокна качество волокна характеризуется обобщенным условным показателем I, называемым «индексом качества волокна», который определяется на специальном приборе «Микронейр».
Индекс качества волокна характеризует проницаемость материала – чем выше индекс, тем выше проницаемость и косвенно коэффициент его теплопроводности. Исследования, проведенные в институте КРИР, показывают, что при одинаковой плотности теплоизоляционные материалы с меньшим индексом волокна характеризуются более низкими значениями коэффициента теплопроводности. В последние годы для легких теплоизоляционных материалов «Изовер» индекс волокна снижен с 2,9 до 2,7.
Анализ данных, приведенных на рис. 1, показывает, что проницаемость К теплоизоляционных изделий из стекловолокна плотностью, например, 40 кг/м³ имеет значения в диапазоне 0,4–0,65 х 10-9 м². Для теплоизоляционных изделий из каменной ваты эти значения проницаемости К достигаются при плотности материала 76–80 кг/м³. Аналогичная закономерность наблюдается и при других значениях проницаемости.
Таким образом, при одинаковых значениях плотности теплоизоляционные изделия из стекловолокна имеют по крайней мере в два раза меньшую проницаемость, чем теплоизоляционные изделия из каменной ваты. Cоответственно, чтобы обеспечить одинаковую воздухопроницаемость, теплоизоляционное изделие из каменной ваты должно иметь по меньшей мере в два раза более высокую плотность, чем из стекловолокна.
Значительное различие в воздухопроницаемости двух типов материалов из стекловолокна и каменной ваты объясняется различной технологией их изготовления и выявляется при анализе микроскопической структуры этих материалов.
Анализ микроструктуры материалов, приведенных на рис. 3, показывает, что при одинаковой плотности (равном количестве твердой фазы в единице объема) изделия из каменной ваты помимо волокон содержат и неволокнистые включения – «корольки», доля которых может достигать 15–20% по массе. «Корольки» являются сравнительно крупными частицами (в диаметре до 100 мкм и более), наличие которых снижает количество волокон в единице объема и, соответственно, их удельную поверхность, контактирующую с воздухом (1, 2).
Коэффициент теплопроводности волокнистых теплоизоляционных материалов, так же как и проницаемость, зависит от структурных параметров, а именно пористости материала, диаметра, удельной поверхности и расположения (ориентации) волокон в материале. В условиях эксплуатации коэффициент теплопроводности материала зависит от температуры, влажности и конструктивных факторов.
Снижение диаметра волокна в теплоизоляционных изделиях и повышение степени однородности волокон по диаметру при прочих равных условиях приводит к снижению их коэффициента теплопроводности и, соответственно, к повышению энергоэффективности конструкций с их применением.
В структуре теплоизоляционного материала волокна являются сквозными или несквозными теплопроводными включениями. Увеличение количества теплопроводных включений при сохранении суммарной площади их сечения (т. е. при той же плотности материала) уменьшает проходящий через них тепловой поток. Уменьшение диаметра и увеличение количества волокон в единице объема снижают газопроницаемость материала и уменьшают интенсивность свободной конвекции за счет увеличения удельной поверхности волокон и увеличения сопротивления трения на границе газовой фазы с поверхностью волокон. Радиационная составляющая теплового потока снижается за счет увеличения количества отражающих экранов в единице объема изделий. Указанные факторы суммируются и выражаются в снижении суммарного показателя – коэффициента теплопроводности изделий одинаковой плотности при снижении диаметра волокна.
На рис. 4 приведена зависимость коэффициента теплопроводности от индекса волокна и плотности материала, полученная в результате исследований, проведенных в институте КРИР. Результаты проведенных исследований подтверждают изложенные выше соображения относительно влияния диаметра волокна при производстве волокнистых ТИМ на их теплотехническую эффективность и эксплуатационную надежность.
Компания «Сен-Гобен Строительная Продукция» проводит научные исследования по совершенствованию технологии производства и повышению качества теплоизоляционных изделий из стекловолокна и каменной ваты. Производимые в разные годы на усовершенствованном оборудовании виды продукции из стекловолокна, а именно волокна марок «ТЕЛ», «Амбрелла», «Арланда», «Арланда +», «Термистар», отличаются в первую очередь средним диаметром и индексом волокна. Средний диаметр волокна «ТЕЛ» на первоначальном этапе производства составлял 15–20 мкм, после усовершенствования технологии в 60-х годах выпускалось волокно «Амбрелла» диаметром 7–8 мкм, с 1980 г. – волокно «Арланда» диаметром 4–5 мкм, с 2000 г. – волокна «Арланда+» и «Термистар» диаметром 2,5–3 мкм.
Теплоизоляционные плиты и маты «Изовер», выпускаемые заводом компании «Сен-Гобен Строительная Продукция Рус» в г. Егорьевске, изготавливаются из стекловолокна марок «Арланда +» и «Термистар», что обеспечивает высокие теплофизические и эксплуатационные свойства этой продукции.

ВЫВОДЫ
Анализ результатов исследований, проведенных институтом КРИР (Франция), позволяет сделать следующие выводы.
1. Качественные показатели волокнистых теплоизоляционных материалов из стекловолокна и каменной ваты, выпускаемых различными производителями, изменяются в широком диапазоне. Теплопроводность и проницаемость волокнистых теплоизоляционных материалов при прочих равных условиях зависят от качества волокна, а именно среднего диаметра волокна и наличия неволокнистых включений.
2. Сравнительные показатели теплопроводности и проницаемости материалов из стекловолокна равной плотности определяются преимущественно средним диаметром волокна, ориентацией волокон и однородностью волокон по диаметру. Материалы с меньшим диаметром волокна характеризуются более низкими значениями теплопроводности и проницаемости и, соответственно, более высокой теплотехнической эффективностью.
3. Для теплоизоляционных материалов из каменной ваты дополнительным фактором, снижающим качество продукции, является наличие неволокнистых включений – «корольков».
4. Для материалов из каменной ваты при равной плотности и одинаковом среднем диаметре волокна увеличение содержания «корольков» приводит к повышению теплопроводности и проницаемости и, соответственно, снижению теплотехнической эффективности материала.
5. При равной плотности проницаемость изделий из каменной ваты в среднем в два раза превышает проницаемость изделий из стекловолокна, и, соответственно, одинаковые значения воздухопроницаемости могут быть получены при использовании материалов из стекловолокна в два раза меньшей плотности, чем из каменной ваты.

Список использованных источников:
1. В. Г. Петров-Денисов, Л. А. Масленников. Процессы тепло - и массообмена в промышленной изоляции. Энергоатомиздат, М.,1983 г.
2. Eric Arquis, Cristian Cicasu. Сonvection phenomen in mineral wool in-stalled on vertical walls. Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Эффективные тепло - и звукоизоляционные материалы в современном строительстве и ЖКХ». Изд-во МГСУ, М., 2006 г.
3. EN 29053 (ISO 9053) Acoustics; materials for acoustical applications;
Determination of airflow resistance.



Другие новости индустрии:


Рынок навесных фасадных систем с воздушным зазором: перспективы развития и предпочтения потребителей
Алюминиевые конструкции как элемент архитектурного дизайна
Фасады со структурным остеклением
PRODEX и PRODIN – новое поколение деревянных панелей Prodema