Анализ влияния обжига диатомита на теплопроводность жидких теплоизоляционных покрытий

УДК 699.86:678.046

НИЗИНА Т. А. ИНИН А. Е. СИНЮКОВ О. А. НЕВЕРОВ В. А.

Анализ влияния обжига диатомита на теплопроводность жидких теплоизоляционных покрытий

Приведены результаты экспериментальных исследований теплопроводности жидких теплоизоляционных покрытий, полученных на основе тонкодисперсных минеральных наполнителей (диатомит обожженный и необожженный, белая сажа) и стеклянных микросфер. Изучено влияние предварительной термической обработки диатомита при температуре 550 °С в течение 5 часов на теплофизические характеристики жидких теплоизоляционных покрытий. Приведены данные об оптимизации составов по содержанию тонкодисперсных минеральных наполнителей, полых стеклосфер и виду акриловой дисперсии с учетом получения покрытий с наименьшей теплопроводностью.

Ключевые слова: энергосбережение, теплопроводность, жидкие теплоизоляционные покрытия, минеральные порошки, диатомит, стеклосферы, белая сажа.

NIZINA T. A, ININ A. E, SINYUKOV O. A., NEVEROV V. A.

ANALYSIS OF INFLUENCE OF DIATOMITE CALCINATION ON THERMAL CONDUCTIVITY OF LIQUID THERMAL INSULATION COATING

In this paper presents the results of experimental research of thermal conductivity of liquid thermal insulation coatings, obtained on the basis of fine mineral fillers (calcined and non calcined diatomite, white carbon) and glass microspheres. We studied the effect of diatomite preliminary heat treatment at 550 °C for 5 hours on thermophysical characteristics of liquid thermal insulation coatings. The compositions are optimized on the basis of fine mineral fillers and glass microspheres content and acrylic dispersion type to produce coatings with lower thermal conductivity.

Keywords: energy saving, thermal conductivity, thermal insulation, mineral powders, diatomite, glass microspheres, white carbon.

Низина Татьяна Анатольевна

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры строительных конструкций ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

e-mail: nizinata@yandex.ru

Инин

Андрей

Евгеньевич

аспирант кафедры строительных конструкций ФГБОУ ВПО

«Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

e-mail: sucre90@mail.ru

Синюков Олег

Анатольевич

аспирант кафедры строительных конструкций ФГБОУ ВПО

«Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

e-mail:

olegsinyukov@yandex.ru

Неверов

Вячеслав

Александрович

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики твердого тела ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»

e-mail: ua4uu@yandex.ru

86

© Низина Т. А., Инин А. Е., Синюков О. А., Неверов В. А., 2016

Таблица 1. Химический состав диатомита

Оксиды 3120 А°3 Т02 К2° Са° Мд° Э°3 Р2°5

Содержание 87,23 3,41 5,15 0,32 1,21 1,75 0,73 0,03 0,06

Ограниченность запасов невозобновляемых природных топливно-энергетических ресурсов (нефть, природный газ, торф, уголь) заставила мировое сообщество обратить особое внимание на вопросы энергосбережения. Вопросы рационального использования энергоресурсов являются особенно актуальными для России. Суровые климатические условия, в которых находится большая часть страны, приводят к значительным расходам на отопление зданий. На потребление систем теплоснабжения только гражданских зданий приходится до 30 % добываемого в нашей стране твердого и газообразного топлива [1]. При этом теплопотери энергетических ресурсов достигают 70 %% при отоплении зданий и 40 % при транспортировке их через трубопроводы [2].

Для повышения эффективности использования энергоресурсов в России, а также с целью повышения уровня безопасности людей в зданиях и сооружениях в 2013 г. был введен СП 50.13330.2012 «СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий», разработанный в соответствии с Федеральным законом № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Для обеспечения требований СП возникает необходимость в применении эффективных теплоизоляционных материалов. С введением новых нормативных требований к теплозащите зданий ряд стеновых конструкций был вытеснен из строительной практики (например, легкобетонные панели), более широко стали применяться многослойные ограждающие конструкции с эффективным утеплителем, постоянно ведется разработка новых перспективных теплоизоляционных материалов [3].

Сегодня одним из перспективных теплоизоляционных материалов являются жидкие теплоизоляционные покрытия (ЖТП), представляющие собой суспензию полимерного свя-

зующего, целевых добавок, пигментов и тонкодисперсных порошков с низким значением коэффициента теплопроводности. К несомненным достоинствам ЖТП следует отнести: экологичность; пожаробезопасность; стойкость к атмосферным воздействиям; постоянный доступ к осмотру изолированной поверхности; удобство ремонта и монтажа [4; 5].

На основе ранее проведенных исследований [5-7] экспериментально подтверждено, что для снижения себестоимости разрабатываемых покрытий целесообразно использовать тонкодисперсные минеральные порошки, позволяющие существенно снижать расход дорогих микросфер без потери эксплуатационных характеристик покрытий. Использование минеральных порошков позволяет производить теплоизоляционные материалы, свойства которых значительно превосходят свойства изделий из пенополистирола и других теплоизоляционных материалов [8]. Наиболее перспективными наполнителями являются дисперсные минеральные порошки природного происхождения — диатомиты, а также микрокремнеземы, которые могут быть получены путем модификации минеральных порошков.

Диатомит (кизельгур) представляет собой кремнистую породу, сложенную мельчайшими опаловыми створками древних диатомовых водорослей — диатомей. Скелет (створки) диатомовых водорослей состоит из аморфного коллоидного кремнезема, который сформировался за счет диффузионных поверхностных процессов [9]. Высокая пористость диатомитов (до 85 %) в основном и определяет их теплоизоляционные свойства.

Природная влажность диатомитов может достигать 60 %, а водопогло-щение доходит до 140 %. Как извест-

но, влажные материалы проводят тепло лучше, чем сухие, так как теплопроводность воды примерно в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Поэтому с целью снижения коэффициента теплопроводности ЖТП было предложено использовать при его производстве обожженный диатомит. Для этого поступивший с карьера диатомит измельчали, а затем производили его обжиг в печи при температуре 550 °С в течение 5 часов. Процесс обжига диатомита позволяет удалить адсорбированную и поровую воду. Химический состав использовавшегося в работе диатомита Атемарского месторождения представлен в Таблице 1.

Цель проводимых экспериментальных исследований заключалась в изучении эффективности обжига диатомита на теплоизоляционные характеристики разрабатываемых составов. Коэффициент теплопроводности определялся согласно ГОСТ 7076-99 «Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме» с помощью прибора ИТС-1.

При проведении экспериментальных исследований по разработке эффективных составов ЖТП использовались методы математического планирования. В качестве варьируемых факторов были выбраны: диатомиты необожженный (Х1) и обожженный (Х2); белая сажа (Х3), вид (марка) акриловой дисперсии (Х4) и доля микросфер (Х5). Содержание специализированных видов добавок (для всех исследуемых составов) и загустителя Акрэмос-401 (для составов с акриловой дисперсией Акрэ-мос-101) принималось постоянным по отношению к массе связующего. Уровни варьирования переменных факторов приведены в Таблице 2.

Таблица 2. Уровни варьирования переменных факторов

Исследуемые факторы Уровни варьирования

Обозначение Наименование Единицы измерения -1 0 + 1

Диатомит необожженный % от массы ЖТП 0 5 10

Диатомит обожженный % от массы ЖТП 0 5 10

Х3 Белая сажа % от массы ЖТП 0 2,5 5

Х4 Вид акриловой дисперсии - Акрэмос-101 - Эколат-2014

Х5 Стеклосферы К20 % от массы ЖТП 12,5 15 17,5

Таблица 3. Основные характеристики стеклянных микросфер марок К15 и К20 производства 3Мтм Glass Bubbles

Характеристики Марка микросфер

К15 К20

Истинная плотность, г/см3 0,15 0,20

Средний диаметр, мкм 60 65

Толщина стенки, мкм 0,60 0,88

Отношение V /V, внутр/ общ. 0,94 0,92

Устойчивость к раздавливанию (90% неповрежденных), бар 21 34

Распределение частиц по объему, мкм 10 % 50% 90% 95% 10 % 50% 90% 95%

30 60 105 115 30 65 110 120

Иллюстрация 1. Изменение теплопроводности ЖТП в зависимости от вида

Иллюстрация 2. Изменение теплопроводности ЖТП в зависимости от вида

В данной работе были использованы стеклянные микросферы марки К20 производства компании 3М Glass Bubbles, обладающие более высокой устойчивостью к раздавливанию — 34 бар по сравнению с ранее использо-

ванными стеклосферами марки К15 той же компании (21 бар). Данная замена была обусловлена стремлением снизить вероятность раздавливания микросфер в процессе изготовления и нанесения составов ЖТП. При этом

необходимо отметить, что микросферы марки К20 обладают более высоким коэффициентом теплопроводности (0,065 Вт/ (м • К)), что приводит к необходимости дополнительной оптимизации составов. Основные характеристики стеклянных микросфер марок К15 и К20, изготовленных на основе борсиликатного стекла, приведены в Таблице 3.

Графические зависимости, показывающие изменение теплопроводности ЖТП в зависимости от содержания диатомита (а — необожженного; б — обожженного) и белой сажи при фиксированном уровне акриловой дисперсии Акрэ-мос-101 и содержании стеклосфер 12,5 и 17,5 % от массы ЖТП приведены, соответственно, на Иллюстрациях 1 и 2. Установлено, что при использовании в составах теплоизоляционных покрытий обожженного диатомита наилучшими теплоизоляционными характеристиками обладают композиты с содержанием: 5 % белой сажи и 4,5^6,5 % диатомита (Иллюстрации 1-2, б). В случае использования необожженного диатомита наиболее оптимальные значения по теплопроводности (ниже 0,07 Вт/ (м • К), что соответствует промышленно выпускаемым составам ЖТП) зафиксированы для составов, содержащих 7^10 % диатомита и 3^5 % белой сажи (Иллюстрация 1, а). Со снижением в составе ЖТП минеральных добавок наблюдается повышение коэффициента теплопроводности; в случае отсутствия в составе теплоизоляционных покрытий диатомита и белой сажи (см. Иллюстрации 1, 2) значения достигают 0,1 Вт/ (м • К).

Увеличение доли стеклосфер с 12,5 до 17,5 % практически не приводит к изменению вида трехмерных поверхностей, однако по абсолютным значениям теплопроводности наблюдается значительное снижение данного показателя (Иллюстрации 1, 2). Наименьшие значения теплопроводности для составов с 17,5 % содержанием стеклосфер на основе необожженного и обожженного диатомитов составляют, соответственно, 0,043 и 0,028 Вт / (м • К) по сравнению с аналогичными показателями для покрытий с 12,5 % содержанием микросфер — 0,063 и 0,049 Вт/ (м • К).

Для более наглядного представления влияния доли стеклосфер на теплопроводность ЖТП были построены графические зависимости, представленные на Иллюстрации 3. Из анализа полученных данных следует, что повышение содержания микросфер К20 с 12,5 до 17,5 % при-

Иллюстрация 3. Изменение отношения теплопроводностей ЖТП с содержанием сте-клосфер 12,5% к 17,5% в зависимости от вида

водит к снижению теплопроводности, соответственно, для необожженного и обожженного диатомита в 1,24-1,48 и 1,24-1,73 раза. Наибольший эффект для необожженного диатомита проявляется при максимальных исследуемых концентрациях минеральных добавок; в случае замены диатомита на обожженный область максимального снижения теплопроводности зафиксирована при содержании диатомита 4,5-6,5 % и белой сажи — 4,5-5%.

В ходе исследования для увеличения эластичности покрытия помимо акриловой дисперсии Акрэмос-101 была также использована высокоэластичная дисперсия Эколат-2014. Для составов ЖТП на основе акриловой дисперсии Эколат-2014 были получены значения теплопроводности, близкие к значениям для составов с Акрэмос-101 как для необожженного, так и для обожженного диатомита, что свидетельствует о незначительном влиянии вида акриловой дисперсии на теплоизоляционные свойства покрытий при прочих равных составляющих смесей.

Заключение

Из анализа полученных результатов следует, что предварительная высокотемпературная обработка порошка природного диатомита позволяет улучшить теплофизические характеристики жидких теплоизоляционных покрытий. Замена обычного диатомита обожженным позволяет получать составы с более низким коэффициентом теплопроводности, что является одним из основных показателей теплоизоляционных покрытий. За счет использования в составах ЖТП обожженного диатомита появляется возможность применения более устойчивых к раздавливанию

микросфер марки К20 (3М Glass Bubbles), повысив тем самым технологичность при изготовлении составов и нанесении теплоизоляционных покрытий.

Список использованной литературы

1 Береговой А. М., Викторова О. Л., Береговой В. А. Энергосбережение в жилых зданиях с альтернативными источниками энергии // Жилищное строительство. 2008. № 5. С. 36-37.

2 Баталин Б. С., Евсеев Л. Д. Пено-полистирол: низвержение мифа // Материалы и технологии. 2010. № 9. С. 13-15.

3 Гагарин В. Г., Козлов В. В. Требования к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий» // Жилищное строительство. 2008. № 8. С. 2-6.

4 Панченко Ю. Ф., Зимакова Г. А., Панченко Д. А. Энергоэффективность использования нового теплозащитного материала для снижения теплопотребления зданий и сооружений // Вестник ТГАСУ. 2011. № 4. С. 97-105.

5 Инин А. Е., Низина Т. А., Михайлова В. М. Разработка составов полимерных связующих для жидких теплоизоляционных покрытий на основе диатомита и белой сажи // Материалы X Международной конференции молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов». Пенза : Пенз. гос. ун-т архит. и строит., 2015. С. 59-62.

6 Низина Т. А., Инин А. Е. Разработка жидких энергосберегающих покрытий на основе местных ми-

неральных наполнителей // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций : материалы Всерос. науч.-техн. конф. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2014. С. 89-94.

7 Низина Т. А., Инин А. Е. Энергоэффективные жидкие теплоизоляционные покрытия на основе полых микросфер и тонкодисперсных минеральных наполнителей // Региональная архитектура и строительство. 2015. № 4. С. 33-42.

8 Селяев В. П., Осипов В. А., Неверов В. А. и др. Полиструктурная модель теплоизоляционного материала на основе дисперсного микрокремнезема // Региональная архитектура и строительство. 2012. № 2. С. 5-11.

9 Селяев В. П., Осипов В. А., Куп-рияшкина Л. И. и др. Теплоизоляционные материалы и изделия на основе вакуумированных дисперсных порошков микрокремнезема и диатомита : монография. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2013. 220 с.