СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩЕГО ИЗДЕЛИЯ
MANUFACTURING METHOD OF HEAT-INSULATING ARTICLE

Изобретение относится к способам изготовления теплоизолирующих изделий и может найти применение при создании строительных конструкций, трубопроводов, нагревательных устройств, корпусов бытовых приборов, отделочных материалов и строительных изделий (кровельных материалов, панелей, сайдинга, окон и дверей).
Известны способы изготовления теплоизолирующих изделий, заключающиеся в использовании при изготовлении изделий композиций, включающих связующее из полимерного материала и по меньшей мере один слой теплоизолирующих элементов в виде полых сфер заданного размера (RU 2251563, 2005 г.; RU 97118225, 1999 г.; US 4689358, 1987 г.). В известных технических решениях композицию используют в виде покрытия, которое наносится на поверхность изделия.
Общим существенным недостатком известных технических решений является сложность процессов нанесения покрытия, и как результат - низкая адгезия покрытия с изделием, что ограничивает области применения известных способов.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является способ изготовления теплоизолирующего изделия, заключающийся в том, что предварительно изготавливают композицию, включающую связующее и несколько слоев теплоизолирующих элементов определенной геометрической формы, затем готовую композицию используют для изготовления изделия (RU 2318155, 2008 г.). В известном техническом решении теплоизолирующие изделия выполняют в виде полых вакуумированных частиц определенного размера, преимущественно в виде сфер, а в качестве связующего используют термопластичный материал изделия. Композицию используют в виде покрытия, которое наносят на поверхность изделия, последнее нагревают до размягчения его материала, а затем вдавливают сферы в изделие.
Существенным недостатком известного технического решения является ограниченная сфера его применения, обусловленная использованием в качестве связующего термопластичного материала изделия и теплоизолирующих элементов в виде полых вакуумированных сфер, а также сложность осуществления способа, поскольку для повышения теплоизолирующей способности изделия давление газа внутри сфер выбирают таким образом, чтобы коэффициент теплопроводности материала частиц был значительно меньше теплопроводности воздуха.
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в устранении указанных выше недостатков и в расширении арсенала технических средств, а именно в создании способа изготовления теплоизолирующего изделия.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа изготовления теплоизолирующего изделия, обеспечивающего высокие теплоизолирующие свойства изделия при расширении области применения способа.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа изготовления теплоизолирующего изделия предварительно изготавливают композицию, включающую связующее и несколько слоев теплоизолирующих элементов определенной геометрической формы, затем готовую композицию используют для изготовления изделия, в качестве связующего используют материал изделия, причем плотность материалов связующего и теплоизолирующих элементов отличаются друг от друга по меньшей мере в два раза, а теплоизолирующие элементы выполняют из сплошного в поперечном сечении материала.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение:
- при изготовлении композиции предварительно вносят в связующее теплоизолирующие элементы, выполненные в виде сфер или эллипсоидов или пирамид или микрочастиц произвольной формы;
- при изготовлении композиции предварительно формируют пространственную решетку из теплоизолирующих элементов, выполненных в виде полос или стержней, соответствующую форме изделия, причем продольные оси элементов в каждом отдельном слое параллельны между собой, а продольные оси элементов в смежных слоях располагают под определенным углом по отношению друг к другу, после чего наносят связующее на сформированную решетку;
- теплоизолирующие элементы могут быть выполнены в виде ваты, продольные оси волокон которой располагают в произвольном порядке.
Существенность отличительных признаков способа изготовления теплоизолирующего изделия подтверждается тем, что только совокупность всех действий и операций, описывающая изобретение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, а именно - создать способ изготовления теплоизолирующего изделия, обеспечивающий высокие теплоизолирующие свойства изделия при расширении области применения способа.
Настоящее изобретение поясняется иллюстрациями, где:
- на фиг. 1 представлена схема преломления лучей теплового потока при использовании полых сфер;
- на фиг. 2 представлена схема преломления лучей теплового потока при использовании сфер из сплошного в поперечном сечении материала.
Способ изготовления теплоизолирующего изделия реализуется следующим образом.
Предварительно изготавливают композицию, включающую связующее и несколько слоев теплоизолирующих элементов определенной геометрической формы. В качестве связующего используют материал изделия, причем плотность материалов связующего и теплоизолирующих элементов отличаются друг от друга по меньшей мере в два раза, а теплоизолирующие элементы выполняют из сплошного в поперечном сечении материала, например, стеклянного, металлического или минерального. Далее готовую композицию используют для изготовления теплоизолирующего изделия.
В частном случае при изготовлении композиции предварительно вносят в связующее теплоизолирующие элементы, выполненные в виде сфер или эллипсоидов или пирамид или микрочастиц произвольной формы. Например, при изготовлении изделия из пластика, перед формованием изделия в расплавленную массу пластика, представляющего собой связующее, добавляют необходимое количество стеклянных монолитных сфер или стеклянных микрочастиц произвольной формы (стеклянной пыли), а затем композицию перемешивают до получения однородного состава. После этого полученную композицию заливают в пресс-форму. Кроме того, возможен вариант, при котором смешивают гранулы пластика перед их плавлением и стеклянные сферы или стеклянную пыль с последующим нагревом и перемешиванием полученной расплавленной композиции.
В другом частном случае при изготовлении композиции предварительно формируют пространственную решетку из теплоизолирующих элементов, соответствующую форме изделия, после чего наносят связующее на сформированную решетку. Теплоизолирующие элементы выполняют в виде полос или стержней, причем продольные оси элементов в каждом отдельном слое параллельны между собой, а продольные оси элементов в смежных слоях располагают под определенным углом по отношению друг к другу. Оптимальным является расположение продольных осей элементов в смежных слоях под прямым углом относительно друг к другу, что увеличивает не только термоизоляционные свойства изделия, но и его прочность. В качестве примера реализации в пресс-форму, соответствующую форме изделия, перед нанесением связующего (например, расплавленной пластиковой массы) осуществляют укладку пространственной решетки из стальной проволоки. При этом оси стержней первого слоя проволоки ориентируют по длине получаемого изделия параллельно относительно друг друга, а оси стержней второго слоя укладывают под углом относительно стержней первого слоя таким образом, чтобы угол обеспечивал пересечение проекции оси по крайней мере одного стержня второго слоя решетки с не менее чем одной проекцией оси стержня первого слоя решетки. При этом стержни не пересекаются, т.к. они распложены в параллельных плоскостях, т.е. в слоях пересекаются только их проекции. Далее стержни в последующих слоях укладываются аналогичным образом. Окончательно сформированную решетку помещают в пресс-форму и наносят на нее связующее. Для придания изделию необходимых свойств теплоизолирующие стержни могут быть выполнены в виде изогнутых линий, повторяющих форму изделия, спиралей, отрезков стержней, меньших по своей длине, чем длина изделия.
В частном примере реализации способа теплоизолирующие элементы могут быть выполнены в виде ваты, продольные оси волокон которой располагают в произвольном порядке. Для придания теплоизолирующих свойств изделию в пресс-форму помещают минеральную вату или стекловату, после чего ее заливают связующим, например смолой или расплавленной пластмассой.
Теплоизолирующие свойства изделия реализуются следующим образом.
Тепловой поток падает на поверхность изделия и дальше распространяется аналогично лучу света. При этом для луча все материалы прозрачны, т.е. тепловой поток не отражается от границ сред. При прохождении через теплоизолирующий элемент (например, сферу) луч дважды преломляется, т.е. изменяет направление своего распространения (см. фиг. 1, 2). Указанный принцип является основой теплоизолирующих свойств вышеупомянутых известных технических решений (RU 2251563; RU 97118225; US 4689358; RU 2318155).
В случае равенства удельных весов исходного материала и сфер преломление не происходит и луч свободно проходит через материал изделия. При этом теплоизолирующие свойства изделия практически будут соответствовать теплоизолирующим свойствам исходных материалов композиции. Известные технические решения используют в качестве связующего полимеры или термопластичные материалы, а в качестве теплоизолирующих элементов полые сферы из стекла или керамики. Удельный вес полимеров и термопластов ниже удельного веса стекла или керамики, что приводит, как указано выше, к преломлению луча. Однако использование полых сфер приводит обратному эффекту - луч после прохождения через полость сферы преломляется в противоположную сторону, что аналогично преломлению при прохождении через две изогнутые пластины, т.е. происходит выравнивание луча (см. фиг. 1). При определенных условиях это может привести к усилению теплообменник процессов и снижению теплоизолирующих свойств изделия.
В заявленном способе для повышения теплоизолирующих свойств изделия используют не полые, а сплошные в поперечном сечении теплоизолирующие элементы, поскольку чем больше разница удельных весов исходного материала и теплоизолирующих элементов (например, сфер), тем больше будет преломляться луч и тем меньше преломлений понадобится для отражения теплового потока (см. фиг. 2). При этом материал, из которого изготовлены теплоизолирующие элементы, может быть менее плотным, чем исходный материал. Например, для придания теплоизолирующих свойств изделию из железа в композицию могут быть введены нанокерамические элементы, например, сферы из керамики, стекла или стеклоуглерода. Выполнение композиции, включающей связующее из пластика и теплоизолирующие элементы в виде нескольких слоев стержней из железа, ориентированных по длине изделия, например, сайдинга, увеличивает термоизоляционные и прочностные свойства изделия. Для обеспечения теплоизоляционных свойств изделий из металла (петли и ручки оконных рам и дверей, элементы конструкций холодильных камер и бытовых холодильников, металлочерепица, бытовая техника и т.д.), в композиции могут быть использованы нанокерамические теплоизоляционные элементы различной формы: сферы, стержни, полосы или вата из керамики, стекла или стеклоуглерода. В зависимости от разницы удельных весов связующего и теплоизолирующих элементов, а также от толщины изделия, диаметр теплоизолирующих элементов в композиции может колебаться от 10 нм (нанокерамика) до 10 мм, а их содержание от 5% до 95% объема композиции. Указанный диапазон диаметров применяемых теплоизолирующих элементов определяется необходимостью придания теплоизолирующих свойств различным материалам, толщина которых может быть от десятых долей миллиметра до метра и более. Реализация предложенного способа при изготовлении сайдинга, рам окон, корпусов приборов, труб, кровельных материалов и т.д. позволяет улучшить теплоизолирующие и прочностные характеристики изделий и приводит к снижению расходов на отопление или охлаждение защищаемых объектов.
Таким образом, техническое решение позволяет расширить область применения способа изготовления теплоизолирующих изделий, обеспечивающих высокие теплоизолирующие свойства.