Стремительное развитие техники и непрерывное совершенствование ее объектов требуют создания конструкций, обеспечивающих рациональное использование энергоресурсов.
Высококачественная теплоизоляция – это теплоизоляция, коэффициент теплопроводности которой в нормальных условиях ниже теплопроводности воздуха. Традиционно в качестве теплоизоляции используют различного состава пено- и волокнистые материалы.
В последние годы в России и за рубежом активно ведутся работы по созданию теплоизоляционных материалов с использованием полых микросфер, которые характеризуются значительно более низкими коэффициентами теплопроводности.
Анализ научно-технической и патентной информации показывает, что для получения теплоизоляционных конструкций перспективно использовать полые стеклянные или алюмофосфатные микросферы, имеющие температуру плавления не менее 1000 ºС и тонкую оболочку. Размер микросфер должен находиться в интервале от 50 до 500 мкм [4].
Применяемые при изготовлении теплоизоляционного покрытия микросферы обладают рядом специфических свойств. Сферическая форма микросфер позволяет использовать меньшее количество связующего для ее смачивания, чем для любой другой формы наполнителя. Низкая плотность и очень низкая реакционная способностью. Их химический состав обеспечивает высокую устойчивость к кислотам и щелочам, рН-нейтральны. Теплопроводность полых микросфер зависит от толщины оболочки и состава, и давления газа, заполняющего полость. Твердая поверхность микросфер обеспечивает их высокую устойчивость к эрозии и полностью непроницаема для жидкостей и газов. [3]
На практике широко используются два типа микросфер: алюмосиликатные и натриевоборосиликатные, внешний вид которых представлен на рисунке 1.
Алюмосиликатные микросферы гораздо более прочные, чем большинство натриевоборосиликатных микросфер. Температура плавления алюмосиликатных микросфер составляет 1350 ºС, однако свои свойства они сохраняют до 1000 ºС. Натриевоборосиликатные микросферы имеют температуру плавления около 1000 ºС, однако размягчаются и слипаются без потери свойств при 700 ºС.
а б
Рисунок 1. Внешний вид микросфер: а – алюмосиликатные; б – натриевоборосиликатные
Теплоизоляционные покрытия из наполнителей на основе микросфер формируются путем нанесения их смеси с различными связующими на поверхность конструкционных изделий или элементов изделий. Основная задача связующего заключается в обеспечении адгезии наполнителя к обрабатываемой поверхности и в придании теплоизоляционному покрытию необходимой прочности.
Жидкое стекло для этих целей имеет ряд преимуществ по сравнению с другими связующими. Адгезия смесей на основе жидкого стекла в разы лучше, чем у смесей к примеру на основе алюмофосфатных связующих. Кроме того, смеси на основе жидкого стекла отверждаются уже при комнатной температуре. Используя жидкое стекло в работе, было решено производить процесс вспенивания. Вспененным жидким стеклам свойственна ячеистая пористая структура, общая пористость в среднем составляет 98-99,6 %.
Кроме микросфер при создании теплоизоляционного покрытия перспективно в смесь добавлять наноструктурные материалы. В работе предпочтение было отдано аэрогелю на основе AlOOH, который сохраняет свои свойства при температурах до 1000 ºС. Аэрогель на данный момент является самым легким твердотельным материалом, обладающим самыми лучшими теплоизоляционными свойствами, обусловленными нанопористой структурой и низкой плотностью [2].
Пространственная структура материалов на основе аэрогеля обеспечивает исключительную термостабильность теплоизоляторов, тем самым сохраняя коэффициент теплопроводности на постоянном уровне. Практически полная водонепроницаемость, но в то же время достаточная паропроницаемость теплоизоляционных материалов на основе аэрогеля позволяет защитить трубы от коррозии. Теплоизоляционные материалы на основе аэрогеля имеют хорошую гибкость, прочность на разрыв, прочность на сжатие, практически не обладают усадкой с течением времени, деформационно устойчивы.
В итоге после ряда экспериментов принято было решение использовать в качестве наполнителя полые стеклянные и алюмосиликатные микросферы и аэрогель, получаемый авторами по Патенту РФ № 81490 [1].
На рисунке 2 представлены экспериментальные образцы теплоизоляционных покрытий на основе полых стеклянных микросфер на металлической подложке и без. Массовое соотношение компонентов в суспензии составляло: 30 мас. % полых стеклянных микросфер, 70 мас. % связующего с добавками аэрогеля.
Рисунок 2. Образцы теплоизоляционного покрытия на Ме подложке и без, содержащие 70 мас. % вспененного связующего и 30 мас. % наполнителя
Образцы имели хорошую структуру и прочность. Далее для образца без подложки при помощи прибора для измерения теплопроводности ИТС-1 были произведены измерения. На Российской рынке на данный момент представлено разнообразие жидкой теплоизоляции, которая является аналогом разрабатываемой. При этом предел температуростойкости жидкой теплоизоляции 400 °С. Результаты сравнения теплопроводности представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Сравнение теплопроводности экспериментального образца с аналогом
| Наименование | Коэф. теплопроводности, Вт/м·к |
|
Экспериментальный образец теплоизоляции |
0,026 |
| Конкурент (жидкая теплоизоляция) |
0,082 |
Результаты проведенных исследований позволили сделать вывод о перспективности создания теплоизоляционных покрытий на основе микросфер, а так же конкурентоспособности на современном рынке.
Прочность теплоизоляционного покрытия обеспечивается применением в качестве наполнителя полых микросфер. Микросферы образуют несущий каркас теплоизоляционного материала. Связующее жидкое стекло, обеспечивает хорошую адгезию практически к любой поверхности и не требует высокотемпературной термической обработки.
Благодарность
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57914X0062.
Список литературы:
1.Асхадуллин, Р.Ш., Мартынов, П.Н., Юдинцев, П.А. (2008). Установка для синтеза ультрапористого оксигидроксида алюминия со слоисто-волокнистой наноструктурой. Патент № 81490.
2.Мартынов, П.Н., Асхадуллин, Р.Ш., Юдинцев, П.А. (2006). Аэрогель АlООН: получение, свойства, применение. Нанотехника, 5, 35-41.
3.Пурхало, Ю.В., Арешкин, В.П., Кульницкий, А.Э., Осина, И.О. (2009). Микросфера силикатная. Перспективы использования. Коррозия. Территория нефтегаз, 2, 52 -54.
4.Фасюра, В.Н., Фасюра, В.В., Фасюра, Д.В., Захваткин, С.С. (2013). Композиция для получения строительных материалов. Патент № 2529973.[schema type=»book» name=»ПОЛУЧЕНИЕ НОВОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ МИКРОСФЕР И АНИЗОТРОПНЫХ НАНОСТРУКТУР » description=»В работе приведены экспериментальные исследования по получению на основе микросфер и анизотропных наноструктур нового теплоизоляционного покрытия, способного обеспечивать работоспособность оборудования при высоких температурах. Подобран оптимальный состав теплоизоляционного покрытия. Прочность теплоизоляционного покрытия обеспечивается применением в качестве наполнителя полых микросфер. Микросферы образуют несущий каркас теплоизоляционного материала, а давление газа внутри микросфер не позволяет им менять свою форму даже при достижении температур размягчения стекла. Связующее использованное в процессе работы обеспечивает хорошую адгезию практически к любой поверхности. Результаты проведенных исследований позволили сделать вывод о перспективности создания теплоизоляционных покрытий на основе микросфер. » author=»Зуборева Мария Валерьевна, Китаева Наталья Константиновна, Малынкин Вадим Григорьевич» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-14″ edition=»euroasia-science_6(27)_23.06.2016″ ebook=»yes» ]