Теплоизоляционные материалы нового поколения

В 2013 году разработана и утверждена Государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Республике Мордовия» на 2014–2020 годы с общим объемом финансирования 4 606,2 миллиона рублей. Одним из базовых документов для этой программы стал Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Сегодня идет активный поиск прорывных возможностей, связанных с энергоэффективностью применительно к строительной отрасли. Мероприятия по энергосбережению могут быть разными. Один из самых действенных способов увеличения энергоэффективности зданий – применение современных технологий энергосбережения, что подразумевает так же сознание новых эффективных теплоизоляционных материалов нового поколения.

В России необходимо значительно увеличить объемы производства теплоизоляционных материалов, расширить их ассортимент, улучшить качество и повысить долговечность. Традиционным для России «теплым материалом» является древесина, однако она недолговечна: горит, гниет, подвержена биодеградации. Теплоизоляция на основе синтетических материалов дешевле, легче, теплее, но она горит, выделяет вредные газы, 1

нарушает экологию жизненного пространства. Поэтому в последние годы активно ведутся разработки по созданию эффективных теплоизоляционных материалов нового поколения на основе минеральных порошков, вакуумированных в специальных пакетах [1].

Германия, Япония, США, Китай уже разработали, производят и применяют в строительной отрасли вакуумированные теплоизоляционные панели, форма и геометрия которых обеспечиваются минеральным порошком, играющим роль наполнителей. Теплоизоляционные панели имеют коэффициент теплопроводности в диапазоне 0,002÷0,02 Вт/(м∙К), который на порядок ниже, чем у пенополистирола или пенополиуретана. Производство вакуумных изоляционных панелей освоено в Западной Европе. Предприятия Германии выпускают несколько видов теплоизоляционных панелей типа VIP. Особая роль в технологии производства вакуумных теплоизоляционных панелей отводится наполнителям, которые в данном случае являются многофункциональными и поликомпонентными.

Исходя из функциональных требований, наполнитель должен обеспечивать стабильные теплозащитные свойства VIP на весь нормативный или расчетный срок эксплуатации. Для этого, согласно экспериментальным данным, наполнитель должен иметь следующие характеристики: пористость в состоянии свободной засыпки выше 92%; крупность частиц менее0,2 мм с высокой степенью однородности; координационное число в пределах 2÷4, фрактальная размерность неоднородностей поверхности зерен наполнителя – в пределах 2,4–2,7; элементный состав более чем на 90% должен состоять из оксидов кремния.

В то же время многокомпонентный наполнитель должен: обеспечивать заданную форму при изготовлении и в процессе эксплуатации; воспринимать значительное внешнее давление; обеспечивать возможность управления созданием многоуровневой поровой структуры наноразмерного уровня. Поэтому рассматривалась возможность применения при производстве вакуумных теплоизоляционных панелей дисперсных порошков из природных диатомитов. Особенности поровой структуры и морфологии поверхностей, составляющих диатомиты и порошок FRONT-VIP частиц микрометровых размеров, исследовались на многофункциональном электронном микроскопе Quanta 200 i3D. На рис. 1 представлена микрофотография фрагмента панциря створок диатомовых водорослей, причем кремнистые остатки могут иметь весьма разнообразную форму, а размеры поровых каналов лежат в пределах 0,4–2,6 мкм [2].

Определение и оценку структурных характеристик дисперсных порошков выполнили методом малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР). Были исследованы особенности структурных неоднородностей природного диатомита Атемарского месторождения, а также 2

порошка-наполнителя вакуумной изоляционной панели FRONT-VIP компании VACU – ISOTECKG. Характер кривых I(s) свидетельствует о том, что исследованные материалы содержат в своем составе рассеивающие неоднородности (поры) разных линейных размеров, а высокие значения интенсивности рассеяния обусловлены резким контрастом, вызванным большой разницей между плотностью кремнеземных частиц и порами. На рис. 2 показаны экспериментальные кривые МУРР природного диатомита Атемарского месторождения и порошка-наполнителя изоляционной панели FRONT-VIP.

Рис.1. Микрофотография фрагмента панциря диатомовой водоросли.

Рис. 2. Кривые малоуглового рентгеновского рассеяния дисперсных порошков:

1 – природного диатомита; 2 – порошка-наполнителя FRONT-VIP.

На кривой МУРР диатомита Атемарского месторождения выделяются три прямолинейных участка, соответствующих значениям вектора рассеяния: 0,013÷0,026; 0,031÷0,061 и 0,067÷0,095 Å^-1. Параметр α для этих участков 2,59, 1,56 и 3,73; размеры неоднородностей, соответственно, 24÷48, 10÷20 и 7÷9 нм. Наиболее крупномасштабные рассеивающие объекты ведут себя как массовые фракталы с фрактальной размерностью D = α = 2,59, что характерно для разветвленных самоорганизованных пористых структур. Второй прямолинейный участок индикатрисы lg /(s) — lg s соответствует неоднородностям с фрактальной размерностью D = 1,56, которые могут представлять собой кластеры в виде изогнутых цепочек сферических пор нано- и микрометрового масштаба, возможно, поровые каналы. Кроме массовых фракталов в природном диатомите Атемарского месторождения наблюдаются неоднородности с фрактальной поверхностью раздела. Размеры таких неоднородностей 7÷9 нм, а фрактальная размерность – D S = 6 – α = 2,27. Такое значение фрактальной размерности соответствует несильно изрезанной поверхности, если учесть, что совершенно гладкая поверхность имеет D S = 2,0 , а сильно изрезанная пористая поверхность – 3,0. Результаты дают основания считать, что изученные зернистые системы пригодны: для создания теплоизоляционных материалов нового поколения; в качестве наполнителей вакуумных изоляционных панелей.

Однако для получения наполнителя с перечисленными выше характеристиками для вакуумированных панелей диатомит в чистом виде не приемлем, необходима его модификация. Для проведения эксперимента была использована математическая модель процессов – двухфакторной план (метод Коно), где варьировались следующие факторы: Х 2 – концентрация щелочи для обработки диатомита (10, 20, 30%), Х 1 – температура обработки (50, 70, 90°С). Были получены полиномиальные уравнения, описывающие оптимальные режимы модификации. Анализ полученных экспериментальных данных показал (рис. 3), что наибольший выход модифицированного продукта получен при обработке диатомита 30 % раствором щелочи при температуре 90 °С. Рентгеноструктурный анализ позволил выявить наибольшее содержание чистого оксида кремния в модифицированном диатомите, что составило 98,98%. Такое количество оксида кремния было получено при обработке диатомита 10% раствором щелочи при температуре 50 °С.

Рис. 3. Оптимизация режимов получения модифицированного диатомита.

Сырьевой базой для получения кремнезёма в республике Мордовия могут служить два месторождения диатомита – Атемарское и Анучинское с суммарными запасами 21 106 тыс.м3. По результатам проведенных исследований был разработан и запатентован способ получения тонкодисперсного аморфного микрокремнезёма (патент на изобретение РФ №2526454), который можно использовать в качестве наполнителя вакуумированных панелей [3].