К вопросу об использовании защитных коллоидных покрытий для теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу об использовании защитных коллоидных покрытий для теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон

Современные материалы на основе минеральных волокон широко распространены в мире строительства, выступая в качестве прекрасного изолятора тепла, холода, звука и шума. Однако, являясь по своей природе аморфными неорганическими материалами, они более восприимчивы к действию окружающей среды, чем аналогичные органические материалы. Поэтому создание защиты минеральных теплоизоляционных материалов от действия факторов внешней среды имеет большое практическое значение. Теплоизоляционные материалы находятся в разных условиях (относительная влажность, давление, температура) и могут увлажняться тремя способами: капиллярным подсосом, водопоглощением при погружении и сорбционным увлажнением. Известно, что одним из их существенных недостатков является способность минеральных волокон повышать свой коэффициент теплопроводности при изменении влажности.

От места расположения теплоизоляционного материала в конструкции зависит - какое из этих воздействий воды будет наиболее существенным. Согласно классификации Ребиндера существуют три вида связи влаги с материалом: свободная, физико-химическая и химическая. Наиболее значимой для перераспределения влажностного потенциала и эксплуатационных свойств является химическая связь. Если теплоизоляционный материал на основе минеральных волокон находится в конструкциях стен, колонн, полов подвалов, помещений технических подпольев или эксплуатируемых покрытий подземных паркингов, то преимущественно осуществляется капиллярный подсос влаги из грунта, а также возможно увлажнение при погружении в подземные или грунтовые воды. Таким образом, в этих конструкциях на утеплителе присутствует как мигрирующая свободная, так и связанная влага.

В надземных конструкциях при наружном утеплении, т.е. в навесных панельных, вентилируемых, оштукатуренных фасадах, в стыках, при утеплении «мостиков холода», в сухих условиях (небольшая относительная влажность), доступ для свободной влаги практически закрыт, водопоглощение при смачивании также происходит ограниченно. Здесь главную роль играют мономолекулярная адсорбция воды и процесс инфильтрации воздуха в толще капиллярно-волокнистого материала. В условиях высокой относительной влажности в утеплителях конструкций кровель, несущих наружных конструкций верхних этажей высокоэтажных зданий начинаются полимолекулярная конденсация и диффузия водяных паров, т.е. происходит сорбционное увлажнение.

Для того чтобы материал существенно не повышал теплопроводность, нужно придать необходимую водостойкость волокнам и материала в целом, предотвратив тем самым попадание влаги внутрь, уменьшив пленочную адсорбированную влагу на поверхности и накопление её в толще капиллярно-волокнистого материала.

Водостойкость материалов зависит от ряда физико-химических факторов: адгезии воды к поверхности материала, свободной энергии поверхности, связанной энергии поверхности (теплоты смачивания), шероховатости и пористости поверхности волокон, капиллярного подсоса, наличия на поверхности адсорбированных инородных веществ, способности сорбировать и десорбировать влагу из воздуха и водяных паров, а также от выраженности явления гистерезиса.

Вода является химическим соединением с ковалентной полярной связью. Поверхностное натяжение воды (силы когезии) зависит от её температуры, составляет 72 мН/м при 25?С и уменьшается при увеличении температуры. Поверхностное натяжение воды гораздо меньше поверхностного натяжения практически всех неорганических материалов. Величина поверхностного натяжения раздела между двумя фазами тем выше, чем больше разность полярностей обеих смежных фаз.

Так как в состав волокон входят гидрофильные оксиды кремния, натрия и кальция, поверхность стекловидных волокон в нормальных условиях достаточно плотно покрыта гидроксидными (полярными) группами, в среднем восемь групп OH ^- на 1 мм² [1]. Это значит, что при действии воды гидроксидные группы стекловолокна будут ориентированы полярными концами в сторону полярной части молекул воды и образуют водородную связь с молекулами воды. При изменении внешних условий находящаяся на поверхности адсорбционная влага продолжает накапливаться, образуя полимолекулярные слои благодаря полярной поверхности стекла, что приводит к увеличению смачиваемости и гидрофильности.

Для решения проблем с водопоглощением при смачивании минеральных теплоизоляционных материалов можно применить защиту методами гидрофобизации. Для этого используют кремнийорганические и другие пленкообразователи. Минеральноволокнистые материалы представляют собой слабо или сильно спутанные каркасы из волокон, а поровое пространство можно считать системой капилляров. Если органическую пленку нанести только на поверхность минеральных волокон, то смачиваемость снижается путем химической фиксации неполярных углеводородных радикалов, ориентированных по направлению к полярным гидроксидным группам молекул воды. В этом случае пористая поверхность материала может пропускать воду внутрь, и здесь уже нужно производить объемную гидрофобизацию или распыление легколетучих полисилоксановых углеводородов для уменьшения смачиваемости стенок капилляров. Это создаст противокапиллярное давление, которое не дает воде проникнуть внутрь материала. Кремнийорганические жидкости достаточно прочно сцепляются с поверхностью стекловолокон в виде двух- и более молекулярной пленки, что утяжеляет материал и нередко приводит к возникновению явления «перемасливания», а удалить слабосвязанный слой гидрофобизатора не всегда удается. Вследствие осаждения посторонних гидрофильных частиц на гидрофобизированной поверхности стекловолокна в процессе эксплуатации происходит частичная гидрофилизация этой поверхности. К тому же материал будет воздухонепроницаемым и не будет «дышать».

В)

Рис. 1. Диаграммы физико-химических свойств оксидообразующих элементов шламов следующих составов: а - карбонатного; б - хромосодержащего; в-алюмосодержащего

В настоящей работе предлагается иной механизм защиты минеральных волокон. Для защиты материалов на основе минеральных волокон с гидрофильной поверхностью от капиллярного смачивания и сорбционного увлажнения предлагается использовать шламы очистки сточных вод, образующиеся на промышленных предприятиях различного профиля [2].

Выбор данных материалов обусловлен следующими предпосылками. Во-первых, по условиям образования это высокодисперсные вещества (удельная поверхность от 5000 до 12000 см²/г) с анион-активными поверхностными веществами (в количестве 0,05-0,2%), которые относятся к классу воздухововлекающих.

Во-вторых, по агрегатному состоянию данные вещества можно разделить на коллоидно-кристаллические тела (карбонатный шлам) и коллоидные (алюминатный шлам). Первые содержат гидроксиды двухвалентных металлов, отличающиеся низкой энергией связи, увеличенными катионными радиусами, и близки к минеральным золям. Коллоидные вещества обладают более высокими по значению электрокинетическими потенциалами, по заряду в основном положительными; легко осаждаются в виде геля на волокна, имеющие отрицательный знак потенциала поверхности. При переходе из пластичного состояния в вязко-упругое гели превращаются в твердую оболочку, уменьшающую выщелачиваемость и растворимость волокон, увеличивая тем самым водостойкость и не ухудшая при этом устойчивость к сорбционному увлажнению.

Шламы после осаждения представляют собой минеральные клеи, которые на поверхности минерального волокна создают микроуплотняющий эффект. В состав этих материалов входят кислотные и основные оксиды. На рисунке 1 показаны основные физико-химические свойства оксидообразующих элементов: атомная масса, электроотрицательность и температура плавления.

Исследуемые шламы имеют полиминеральные составы, в которых можно выделить содержание основных тугоплавких элементов: Cr, Fe, Si. К числу таких относятся алюмо- и хромосодержащие шламы. По электроотрицательности шламы разделяются на несколько групп: с наибольшей (1,64-1,74 эВ), со средней (1,47-1,56 эВ) и с наименьшей (1,04-1,23 эВ). По атомной массе элементы можно расположить в следующей последовательности: Fe>Cr>Ca>Si>Al>Mg.

По совокупности физико-химических свойств наибольшую адгезионную способность и температуру плавления имеют алюмо- и хромосодержащие шламы, обладающие сложным составом и большой молекулярной массой, а наименьшей - карбонатные, представленные преимущественно карбонатами. По сравнению с предыдущими шламами их можно классифицировать как мономинеральные. Наилучшие коллоиднозащитные свойства имеют алюмо- и хромосодержащие шламы, которые в процессе нанесения на поверхность распушенных стекловолокон в камере волокноосаждения обеспечат надежное сцепление и направленно сформированный поверхностный слой.

Список литературы

шлам строительный гидрофильный сорбционный

1. Пащенко А.А. Гидрофобизация., - Киев: Изд-во «Наукова Думка», 1973.

2. Коренькова С.Ф., Шеина Т.В. Основы и концепция утилизации химических осадков промстоков в стройиндустрии / Самарск. гос. арх.-строит. ун-т. - Самара, 2004.

Размещено на Allbest.ru