Теплоизоляционная композиция

Изобретение относится к производству строительных материалов на основе полимерных композиций и может быть использовано в качестве конструкционного материала теплоизоляционных плит полифункционального назначения, например стеновых панелей, а также в качестве теплоизоляционного материала. Описывается теплоизоляционная композиция, содержащая 70-90 мас.% пенополиуретана и 10-30 мас.% наполнителя, причем в качестве наполнителя используют зольные микросферы продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления с размерами фракций 1-10 мкм не более 20 мас.%, с размерами фракций 30-40 мкм не менее 65 мас.% и с размерами фракций 80-100 мкм не более 15 мас.%. Полученные композиции имеют плотность 51 кг/м³, прочность на сжатие 1,36 МПа и коэффициент теплопроводности 0,124 Вт/м·К. 1 табл.

 

Изобретение относится к производству строительных материалов на основе полимерных композиций и может быть использовано в качестве конструкционного материала теплоизоляционных плит полифункционального назначения, например стеновых панелей, и в качестве теплоизоляционного материала.

Применяемые теплоизоляционные материалы не обладают обходимым комплексом упругопрочностных и теплоизоляционных свойств для их применения в качестве конструкционно-теплоизоляционных материалов. Повышенные требования к энергосбережению в строительстве требуют увеличения объема выпуска эффективных стеновых материалов полифункционального назначения, то есть одновременно являющихся и конструкционными, и теплоизоляционными.

Известна теплоизоляционная композиция, включающая жесткий пенополиуретан и натриевое жидкое стекло, являющееся наполнителем, при следующем соотношении компонентов, мас.%: пенополиуретан 33-60, натриевое жидкое стекло - остальное (патент РФ №2123013, МПК⁶ С 08 G 18/00).

Описанная теплоизоляционная композиция обладает узкими функциональными возможностями, так как, несмотря на ее низкую теплопроводность, уровень прочности на сжатие невысок, что не позволяет использовать данную композицию не только в качестве теплоизоляционного, но и в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является теплоизолирующая композиция, включающая жесткий пенополиуретан и полые стеклянные микросферы, являющиеся наполнителем, при следующем соотношении компонентов, мас.%: пенополиуретан 70-95, стеклянные микросферы 5-30. Стеклянные микросферы могут иметь размеры фракций 30-50 мкм или 60-140 мкм. Стеклянные микросферы могут иметь смесь фракций с размерами 30-50 мкм и 60-140 мкм. При содержании стеклянных микросфер в интервале 15-30% их массы прочность на сжатие теплоизолирующей композиции составляет до 0,95 МПа. Плотность теплоизолирующей композиции составляет от 52 до 75 кг/м³ (патент РФ №2226202, МПК⁷ С 08 L 75/04, C 08 J 9/32). Стеклянные микросферы применяются в качестве дисперсного наполнителя для улучшения прочностных и эксплуатационных характеристик материала за счет их влияния на структурообразующие процессы в пенополиуретане (Тараканов О.Г., Шамов И.В., Альперн В.Д. Наполненные пенопласты. - М.: Химия, 1989, - 344 с.).

В качестве основных недостатков известной теплоизоляционной композиции можно отметить следующие:

- невысокая прочность на сжатие, максимальное значение которой достигается только при содержании стеклянных микросфер около 30 мас.% и составляет 0,95 МПа, высокая плотность, составляющая от 52 до 75 кг/м³, обусловленная введением полых стеклянных микросфер. При этом отсутствует возможность прогнозирования механизма разрушения, оценки длительной прочности и эффективности сопротивления нагрузкам теплоизолирующей композиции, так как во фракционном составе стеклянных микросфер не указана функция распределения по размерам, то есть, например, при размере стеклянных микросфер 60-140 мкм не указано, сколько процентов от их массы составляют фракции с размером 140 мкм;

- узкие функциональные возможности, так как композицию можно использовать только в качестве теплоизоляционного, но не в качестве конструкционного материала, что связано с ее недостаточно высокой прочностью на сжатие, повышенными значениями плотности и теплопроводности;

- низкая экономичность, обусловленная высокой стоимостью стеклянных микросфер и ограниченным количеством предприятий, занимающихся их производством.

При создании изобретения ставилась задача получения теплоизоляционной композиции с оптимальным комплексом эксплуатационных свойств, позволяющих использовать ее не только в качестве теплоизоляционного, но и в качестве конструкционного материала.

Технический результат заключается в повышении прочности на сжатие, снижении плотности и теплопроводности при достаточной светостойкости, расширении функциональных возможностей и повышении экономичности теплоизоляционной композиции.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплоизоляционной композиции, включающей жесткий пенополиуретан и полые микросферы, являющиеся наполнителем, в качестве полых микросфер использованы зольные микросферы продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления с размерами фракций 1-10 мкм не более 20 мас.%, с размерами фракций 30-40 мкм не менее 65 мас.% и с размерами фракций 80-100 мкм не более 15 мас.% при следующем соотношении компонентов, мас.%: пенополиуретан 70-90, зольные микросферы продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления 10-30.

Повышение прочности на сжатие и снижение плотности теплоизоляционной композиции обеспечивается введением зольных микросфер, обладающих развитой поверхностью, малой плотностью, позволяющих изменить геометрические параметры газоструктурного элемента и повысить агрегативную устойчивость пены вследствие расположения зольных микросфер в тяжах и узлах ячеек, образования пространственного коагуляционного каркаса, повышения устойчивости микро- и макроячеек.

Эффективный коэффициент теплопроводности теплоизоляционной композиции определяется с учетом процессов переноса теплоты исходя из положений аддитивности вкладов теплопроводности твердой фазы и теплопроводности газа, заполняющего ячейки. Следовательно, снижение теплопроводности теплоизоляционной композиции обусловлено тем, что часть энергии затрачивается на нагрев зольных микросфер, которые представляют собой полую сферическую частицу, а коэффициент их теплопроводности ниже коэффициента теплопроводности стеклянных микросфер, используемых в теплоизоляционной композиции, выбранной в качестве прототипа.

Сохранение достаточной светостойкости теплоизоляционной композиции при повышении прочности на сжатие, снижении плотности и теплопроводности обусловлено введением полых зольных микросфер продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления, имеющих хорошую отражательную способность вследствие того, что их поверхность остеклована на 50-70%.

Повышение экономичности теплоизоляционной композиции обусловлено тем, что зольные микросферы, содержащиеся в золе-уносе, накапливаются на гидрозолоотвалах ТЭС в больших количествах. Этого объема вполне достаточно для организации промышленного производства конструкционных теплоизоляционных изделий. Таким образом применение зольных микросфер минимизирует затраты на приобретение наполнителя.

Полые зольные микросферы представляют собой минеральный наполнитель, который образуется в результате сжигания угля, следовательно, их применение позволяет обеспечить утилизацию отходов и улучшение экологической обстановки вблизи золоотвалов ТЭС. В результате высокотемпературного сжигания образующиеся золы приобретают полую сферическую форму с развитой удельной поверхностью более 200 м²/кг. Строительно-технические свойства зольных микросфер в большей степени зависят от их гранулометрического состава. Применение седиментационного и ситового анализа показало, что фракции с размерами 1-10 мкм составляют не более 20% от всей массы зольных микросфер, фракции с размерами 30-40 мкм - не менее 65%, фракции с размерами 80-100 мкм - не более 15%. При этом средний размер зольных микросфер составляет 30-40 мкм. Применение фракций различных размеров позволяет реализовать в материале механизмы упрочнения, характерные для наполненных пенопластов.

Наличие зольных микросфер размером от 1 до 10 мкм в диапазоне до 20% повышает агрегативную устойчивость пен, что позволяет свести к минимуму применение поверхностно активных веществ для их стабилизации. Увеличение содержания данной фракции может привести к охрупчиванию стенок ячеистой структуры вследствие образования дополнительных сшивок между тяжами и, следовательно, к их разрушению.

Фракции с размерами 30-40 мкм позволяют формировать морфологию структуры, позволяющую получать высокий уровень прочностных и теплофизических характеристик.

Фракции более крупных размеров от 80 до 100 мкм практически не влияют на деформационно-прочностные (по отношению к ненаполненному материалу) свойства материала при их содержании не более 15 мас.%. Увеличение их содержания приведет к изменению геометрии ячеистой структуры, к увеличению степени ее дефектности и, следовательно, к снижению прочности на сжатие.

Применение зольных микросфер продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления в качестве наполнителя пенополиуретана обусловлено, во-первых, тем, что зольные микросферы являются полыми частицами, поэтому введение их в теплоизоляционную композицию позволяет уменьшить ее плотность, во-вторых, тем, что поверхность зольных микросфер остеклована на 50-70%, что свидетельствует о хорошей отражательной способности, то есть их введение в теплоизоляционную композицию позволит повысить ее светостойкость по сравнению с не наполненным пенополиуретаном и сохранить ее на уровне светостойкости теплоизоляционной композиции, содержащей жесткий пенополиуретан и стеклянные микросферы.

Введение зольных микросфер продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления, являющихся дисперсным наполнителем, в количестве 10-30 мас.% является оптимальным, так как обусловлено экстремальной зависимостью прочности теплоизоляционной композиции от содержания наполнителя. В области концентраций зольных микросфер ниже 10 мас.% не происходит существенного изменения теплофизических и механических характеристик материала, они соответствуют значениям, характерным для не наполненного пенополиуретана. Превышение концентрации зольных микросфер более 30 мас.% приводит к повышению вязкости композиции, что затруднит перемешивание компонентов и, следовательно, снизит технологичность композиции, приведет к ухудшению ее эксплуатационных характеристик.

Предлагаемое изобретение поясняется таблицей, в которой приведены данные зависимостей прочности на сжатие, плотности и теплопроводности теплоизоляционной композиции от содержания зольных микросфер продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления.

Пример конкретного выполнения.

Пенополиуретан, содержащий полиэфирный и изоцианатный компоненты, вводимый в теплоизоляционную композицию в количестве 70-90 мас.%, получают по технологии заливки в формы. Зольные микросферы продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления, являющиеся дисперсным наполнителем, вводят в теплоизоляционную композицию в количестве 10-30 мас.%. При содержании 10 мас.% дисперсный наполнитель вводят в полиэфирный компонент пенополиуретана, тщательно перемешивают, соединяют с изоцианатным компонентом пенополиуретана и специальными добавками, например модификаторами и стабилизаторами, в соотношении полиэфирного и изоцианатного компонентов 1:1. При наполнении более 10 мас.%, дисперсный наполнитель вводят в равных количествах в оба компонента пенополиуретана, затем все тщательно перемешивают.

Данные по прочности на сжатие заявленной теплоизоляционной композиции получены в соответствии с ГОСТ 23206-78 «Пластмассы ячеистые. Метод испытания на сжатие». Теплопроводность образцов исследовалась по методике, основанной на изучении распространения тепла в образце после действия теплового импульса (Практикум по полимерному материаловедению. / Под ред. П.Г.Бабаевского. - М.: Химия, 1980, с.235-242). Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что в диапазоне содержания зольных микросфер от 10 до 30 мас.% происходит существенное увеличение прочности на сжатие вплоть до 1,36 МПа в сочетании с низким коэффициентом теплопроводности 0,124 Вт/м·К и плотностью от 33 до 51 кг/м³. Таким образом, этот диапазон содержания зольных микросфер является оптимальным и наиболее подходящим для практического применения. При этом не отмечено ухудшение технологичности композиции при заливке в форму, не затруднены процессы совмещения компонентов и вспенивания композиции.

Таким образом, введение полых зольных микросфер продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления в теплоизоляционную композицию позволяет по сравнению с теплоизоляционной композицией, выбранной в качестве прототипа, увеличить прочность теплоизоляционной композиции на сжатие (более 0,95 МПа), снизить плотность (менее 51-75 кг/м³). Кроме того, применение более дешевого наполнителя, по сравнению с используемым в теплоизоляционной композиции, выбранной в качестве прототипа, приведет к снижению затрат на производство данного материала. Такое сочетание свойств позволяет использовать предлагаемый композиционный материал в качестве строительных материалов для создания теплоизоляционных плит полифункционального назначения.

Теплоизоляционная композиция

Таблица Зависимость прочности на сжатие, плотности и теплопроводности теплоизоляционной композиции от содержания зольных микросфер продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления
№ п/п	Содержание пенополиуретана, мас.%	Содержание зольных микросфер, мас.%	Плотность, ρ, кг/м3	Прочность на сжатие, σ, МПа	Коэффициент теплопроводности, α, Вт/м·К
1	100	0	30	0,35	0,030
2	95	5	33	0,40	0,050
3	90	10	35	0,76	0,098
4	85	15	38	0,91	0,125
5	80	20	43	1,10	0,120
6	75	25	48	1,13	0,100
7	70	30	51	1,36	0,124
8	65	35	54	1,10	0,130
9	60	40	55	0,65	0,143

Теплоизоляционная композиция, включающая жесткий пенополиуретан и полые микросферы, являющиеся наполнителем, отличающаяся тем, что в качестве полых микросфер использованы зольные микросферы продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления с размерами фракций 1-10 мкм не более 20 мас.%, с размерами фракций 30-40 мкм не менее 65 мас.% и с размерами фракций 80-100 мкм не более 15 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Пенополиуретан	70-90
Зольные микросферы продуктов сжигания угля твердого шлакоудаления	10-30