close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

4343 goryaynov k. e. korovnikova v. v tehnologiya proizvodstva polimernih izdeliy

код для вставкиСкачать
1
I
г
щ
у
ЗГ'/
К .Э .Г О Р Я Й Н О В , В .В .К О Р О В Н И К О В А
ТЕХНОЛОГИЯ
рттт
с .
ПОДИ МЕРНЫХ
И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
А
из. ЕЛИ И
ш
V
«■ •
1 W
ІП
*•% *
^
ж
•
ОНЕк
ж
* 'V
0
( ХДШ Р
*
| чЯ
_
^щ Л Р т
»
** ■
*
•
•
і ЛИ - * і
*IV t * С * Т *’Ж
. / J Я К % . V yS*
в Г
j i ®
apW >
t
V
i
W
w
. * vf w
j i
m
v » w
i
*
j
К. Э . ГОРЯЙНОВ, В. В. К О Р О В Н И К О В А
ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОИЗВОДСТВА
ПОЛИМЕРНЫХ
И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
ИЗДЕЛИЙ
Допущено
Министерством высшего и среднего специального
образования С С С Р в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности
«Механическое оборудование предприятий
строительных материалов, изделий и конструкций»
МОСКВА
«ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1975
6СЗ
ГӨ7
УДК 691 (075,8)
%
Рецензенты: кафедра строительных материалов и изделий Калининского
политехнического института (зав. кафедрой дохт. техн. наук, проф.
И. И. Верней); докт. техн. наук, проф. Г. И. Горчаков.
с
'л
ь
Горяйнов К. Э., Коровникова В. В.
Г 67
Технология производства полимерных и теплоизоляци­
онных изделий. Учебник для вузов. М., «Высш. школа»,
1975.
296 с. с ил.
иЯт < т и о !!? НИКе Даются общие сведения о полимерах, пластических массах и других
^
" ^ аеМЫХ на ^ 1108® полимеров. Рассматриваются термомеханические
КН теРмо™шстичны* н термореактнвных композиций в изделия. Д а ­
ется описание технологии физико-химических и теплофиэнческих явлений, происхо­
дящих при получении теплоизоляционных материалов и изделий
_
30209—208
001 (01)—75
181— 75
© Издательство «Высшая школа», 1975 г
6СЗ
ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебнике изложены основные сведения о свой­
ствах и технологии полимерных и теплоизоляцион­
ных изделий, которые нашли или найдут в ближай­
шие годы применение в строительстве. Достаточно
подробно описана заводская технология и приводят­
ся сведения о результатах последних научных
исследований в этой области. Кроме того, по мето­
дическим соображениям в учебнике рассматрива­
ются данные, которые, с одной стороны, способст­
вуют расширению у студентов теоретического
кругозора в областях, на которых базируются основы технологии по‘лгімёрныхл 4и -!теплоизоляционных
изделий, а с другой с¥оройы\*Ййзволят им получить
необходимые практические-Зйа^ия. *
Приведены основные данные по механическому
оборудованию, работающему на современных пред­
приятиях промышленности строительных материа­
лов.
Введение и часть вторая учебника написаны з а ­
служенным деятелем науки и техники РСФСР, докт.
техн. наук, проф. К. Э. Горяйновым; часть первая
канд. техн. наук, доц. В. В. Коровниковой.
Авторы учебника приносят глубокую благодар­
ность сотрудникам кафедры строительных мате­
риалов и изделий Калининского политехнического
института (зав. кафедрой докт. техн. наук, проф.
И. И. Верней) и докт. техн. наук, проф. Г. И. Горча­
кову за ценные замечания, сделанные ими при ре­
цензировании книги.
•
т
я»
ВВЕДЕНИЕ
ХХІУ съезда
Г три вРД ™ ж Г ь Дв '°£п ”
ввести в эксплуатацию 580
■ - s
’—
КПСС ^
n~ «
y
оё строительство более 500 млрд. руб
„ ^ ь Г о Г л ^ о Г ™ іе в о * и мясо-молочной промышленности, атом_ные, тепловые и гидроэлектростанции, дальн и е линии газопроводов
электрon= H o е сельскохозяйственное строительство будет влож ено
129 млрд руб., на которые предусм атривается построить много новых
благоустроенных поселков, а т а к ж е больш ое количество крупных комп­
лексов по производству мяса, молока и других продуктов сельскохозяи-
СТВ6ДлГосушествления таких громадных объемов капитального строи­
тельства потребуется большое количество строительных материалов и в
том числе полимерных и теплоизоляционных изделии.
За девятую пятилетку объем производства пластических масс,
сравнению с уровнем 1970 г., должен увеличиться в два раза.
В результате применения в строительстве пластмасс и синтетичес­
ких полимеров, • взамен традиционных строительных материалов, в
1975 г. будёт уменьшено трудовых затрат на 140,6 млн. чел-ч, сэконом­
лено 123,2 тыс. т стали, 130,6 тыс. т чугуна, 9,6 тыс. т цветных метал­
лов и 975,5 тыс. т древесины.
Производство основных теплоизоляционных материалов уже в
1973 г. достигло значительных объемов — 25 млн. м3, не считая древес­
новолокнистых и камышитовых плит, в том числе, минеральной ваты
и изделий из нее было выпущено более 15 млн. м3, штапельного стеклянолокна
и
изделий
из
него
—
около
1,8
млн.
м
,
теплоизоляционных
ногощ щ М Н И
^
О
__ __
__ ^
^
w
л
ТТ ТТ Т Я ПН ____—
ентнофиброл
A
ячеистых
'lV llvlliX A VWA
бетонов
--- --- • -- * '
*
£0
более 2,0 млн. м3, древесноволокнистых изоляционных плит — оолее
0,8 млн. м 2, камышитовых плит — около 1,7 млн. м 2.
Появился ряд новых видов теплоизоляционных материалов из стек­
лянного волокна, вспученного перлита и вермикулита, ячеистое стекло,
и 1 /-«_______ _____ _
1 /х ТТ л г и о л г п п п н и р ТРГТППИЧПЛ Я ITИ О Н НЫ е
фибролит
изделия.
Научное прогнозирование, проведенное институтом «ВНИИТеплоизоляция» в соответствии с предполагаемой структурой промышленно­
го, гражданского и сельскохозяйственного строительства и потребно^
4
стью в теплоизоляционных материалах, с учетом индустриализации
строительно-монтажных работ, облегчения массы зданий и сооружений,
повышения эффективности тепловой изоляции ограждающих конструк­
ций, позволяет считать наиболее перспективными по технико-экономи­
ческим показателям следующие тепло- и звукоизоляционные материа­
лы: минераловатные теплоизоляционные изделия, стекловолокнистые
материалы, теплоизоляционные изделия на основе газонаполненных
пластмасс, теплоизоляционные ячеистые бетоны, теплоизоляционные
изделия на основе вспученных пород, свойства и технология которых и
рассматриваются в данном учебнике.
Часть первая
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИИ
Г лава
г
'
.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛАХ И ИЗДЕЛИЯХ
В группу полимерных строительных материалов и изделий входят
природные или синтетические высокомолекулярные соединения. Это по­
лимеры, пластмассы, лакокрасочные материалы, клеи и мастики, а так­
же каучуки и резины.
§ 1. Полимеры
Полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из большого
числа одинаковых структурных звеньев, связанных между собой хими­
ческими связями в длинные цепи. Такие цепи полимеров могут иметь
линейное, разветвленное или пространственное строение, что и опреде­
ляет их разнообразные физические, механические и физико-химические
свойства.
В природе полимеры встречаются в виде целлюлозы, белков, при­
родных смол и каучуков. Будучи соответствующим образом перерабо­
таны (химически модифицированы), они в той или иной степени могут
быть использованы в промышленности. Однако такие полимеры в строи­
тельной технике вследствие малой водостойкости и атмосферостойкости
имеют весьма ограниченное применение.
В настоящее время в различных отраслях промышленности поли­
мерных материалов: резиновой, лакокрасочной, в производстве пласт­
масс, искусственных волокон и т. п., исключительную роль играют
синтетические полимеры, получаемые путем химического синтеза из
низкомолекулярного сырья. Основными видами такого сырья являются
мономеры, т. е. вещества, молекулы которых способны при определен­
ных условиях реакции полимеризации соединяться между собой с обра­
зованием полимеров. В свою очередь мономеры могут быть получены
путем переработки природных и нефтяных газов, аммиака, камен­
ного угля, углекислоты, азота и других исходных химических
веществ.
Сырьевая база для производства полимеров в СССР в виде при­
родного газа, попутных газов, получаемых при добыче и переработке
нефти, а также в виде продуктов переработки каменных углей, практи­
чески не ограничена.
В результате дальнейшего развития большой химии и в том числе
химии полимеров, а также крайне разнообразных ценных свойств поли­
мерных материалов они находят все большее применение в различных
областях техники.
Д л я получения строительных материалов полимеры в чистом виде
без добавок (наполнителей и др.) используют очень редко, лишь для
6
изготовления органических стекол, труб и пленок. Однако их широко
применяют при производстве строительных материалов из пластмасс.
В пластмассах синтетические полимеры являются основным компонен­
том, выполняя роль связующего вещества и придавая материалу необ­
ходимые технические свойства.
§ 2. Пластмассы
Пластмассы — это материалы, состоящие частично или полностью
из органических высокомолекулярных соединений (полимеров) и обла­
дающие на некоторой стадии переработки пластическими свойствами.
Эти свойства дают возможность получать изделия заданной формы и
размеров различными методами.
Кроме полимеров в состав пластмасс могут входить и другие компо­
ненты: наполнители, пластификаторы, смазывающие вещества, пигмен­
ты, красители (минерального или органического происхождения), ста­
билизаторы и др. Таким образом, пластмассы представляют собой обыч­
но сложную композицию различных веществ, главнейшими из которых
является полимер — связующее. Технические свойства изделий из пласт­
масс в значительной степени предопределяются свойствами как поли­
меров, так и наполнителей, занимающих чаще всего наибольшую
часть объема композиции пластмассы. В качестве наполнителей для
пластмасс могут быть использованы порошкообразные, волокнистые
или листовые материалы минерального и органического происхож­
дения.
Отличительной особенностью большинства пластмасс и изделий
из них является их высокая прочность, относительная легкость и высо­
кая химическая стойкость к воздействию агрессивных жидкостей и га­
зов. Кроме того, изделия из пластмасс после формования не требуют
дополнительной окраски или обработки поверхности и после изготовле­
ния имеют красивый внешний вид.
В настоящее время изделия из пластмасс имеют наибольшее при­
менение в строительстве. Это покрытия полов жилых и промышленных
зданий, изделия для санитарно-технического оборудования, тепло- и
звукоизоляционные материалы, отделочные и конструкционные ма­
териалы и др.
В качестве синтетических материалов для полов изготавливают,
например, глифталевый линолеум, поливинилхлоридный безосновный
линолеум на тканевой и теплоизоляционной основах, резиновый лино­
леум (релин), поливинилхлоридные и кумароновые плитки, а также по­
лимерные составы для устройства бесшовных покрытий полов. В каче­
стве санитарно-технического оборудования из пластмасс применяют
ванны, умывальники, раковины, вентиляционные и радиаторные решет­
ки, а также множество мелких изделий для оборудования кухонь, моеч­
ных и других помещений санитарной техники. Особую группу материа­
лов из пластмасс представляют собой трубы, которые вследствие ряда
преимуществ по сравнению с металлическими трубами начинают полу­
чать все большее применение в строительстве. Тепло- и звукоизоляцион­
ные материалы и изделия из пластмасс широко используются в строи­
тельстве в виде пенопластов (чаще пенополистирола), поропластов и
сотопластов. Номенклатура отделочных и конструкционных материа­
лов, изготовляемых из пластмасс, также весьма обширна и включает:
материалы для отделки стен, потолков и встроенной мебели, погонаж­
ные архитектурно-строительные изделия и, наконец, конструкционные и
вспомогательные материалы, среди которых значительную роль играют
стеклопластики, получаемые с применением стекловолокна и стекло­
ткани.
7
§ 3. Лакокрасочны е материалы
Лакокрасочные материалы — это природные или синтетические
составы, наносимые в жидком состоянии на поверхность изделия и об­
разующие после высыхания тонкие покровные пленки. Покрытия изде­
лий или конструкций лакокрасочными материалами производят с це­
лью защиты их от вредного воздействия атмосферы, паров или газов,
предохранения от загнивания, а также придания изделию красивого
внешнего вида.
Готовые красочные составы, предназначенные для создания декора­
тивного защитного покрытия зданий и сооружений, часто называют
строительными красками. В настоящее время в строительстве все большее значение приобретают синтетические лакокрасочные материалы,
эмульсионные краски и т. п. красочные составы, получаемые на основе
полимеров. В связи с этим резко сокращается использование красочных
составов на основе натуральных масел (олиф).
Связующие вещества, являясь необходимым компонентом красоч­
ных составов, играют существенную роль в образовании прочной плен­
ки и сцепления частиц пигмента с обрабатываемой поверхностью. В ка­
честве связующего в полимерных красочных составах часто используют
искусственные — синтетические олифы, получаемые из непищевых про­
дуктов и, в отличие от натуральных и полунатуральных олиф, не содер­
жащие растительных масел или содержащие их не более 35%. Из ис­
кусственных олиф наибольшее распространение в строительстве получи­
ли: олифа глифталевая (раствор глифталевого полимера в органическом
растворителе с некоторым содержанием растительных масел), олифасинтоль (раствор продуктов окисления керосина в бензоле или других
органических растворителях) и др. Такие олифы применяют в основном
для разбавления масляных красочных составов до малярной консистен­
ции и внутренней окраски помещений.
В качестве пленкообразующих веществ в полимерных красочных
составах используют также синтетические клеи, т. е. полимерные синте­
тические продукты, обладающие высокой адгезионной (прилипающей)
способностью. Эти клеи применяют в виде эмульсий или водных и спир­
товых растворов. В настоящее время для изготовления синтетических
клеев для красочных составов употребляют поливинилацетат и др.
Кроме пленкообразующих веществ, одним из важнейших компонен­
тов красочных составов являются пигменты. Это тонкодисперсные цвет­
ные порошки, нерастворимые в пленкообразующих веществах, но способ­
ные равномерно смешиваться с ними, образуя красочные составы разно­
го цвета (колера). Пигменты для полимерных красочных составов могут
быть органические и минеральные как искусственного, так и природного
происхождения. Д ля приготовления красочных составов в строительстве
чаще всего используют минеральные пигменты вследствие их атмосфер­
ной и химической стойкости.
Наряду с красочными составами на основе синтетических олиф и
клеев широко применяют лаки и эмали.
Лаки — это растворы смол, битумов и других пленкообразующих ве­
ществ в некоторых летучих растворителях. Лаки, будучи нанесенными
на обрабатываемую поверхность тонким слоем, способны после высыха­
ния образовывать твердые, часто прозрачные и блестящие, покровные
пленки.
В строительстве для наружной и внутренней окраски по дереву ши­
роко используют: масляно-смоляные лаки — растворы синтетических по­
лимеров, модифицированных высыхающими маслами в органических
растворителях; синтетические безмасляные лаки, являющиеся раствора­
ми некоторых синтетических полимеров в органических растворителях;
нитроцеллюлозные лаки — растворы нитроцеллюлозы совместно с пла*
8
стификаторами в органических растворителях; лаки, полученные на
основе битумов, спиртовые лаки и др. Часто применяют в строительстве
также эмалевые красочные составы, получаемые путем растирания пиг­
ментов на летучесмоляных растворителях-лаках. В качестве пигментов
для эмалевых красочных составов чаще всего используют цинковые, ти­
тановые или литопонные белила, железный сурик и др. Такие красочные
составы применяют главным образом для покрасок внутри помещений,
имеющих нормальный влажностный режим. К числу полимерных кра­
сочных составов относятся также водоразбавляемые глифталевые и
акрилатные эмульсионные краски различного колера, отличающиеся
повышенной влагостойкостью и применяющиеся для наружной и внут­
ренней покрасок бетона, штукатурок и кирпичных стен зданий.
§ 4. Клеи и мастики
Клеи полимерные представляют собой синтетические полимерные
вещества, обладающие высокой адгезионной (прилипающей) способно­
стью.
Склеивание — это процесс неразборного соединения изделий или де­
талей, при котором все плоскости прочно соединяются тонкой пленкой
клея. При этом главным фактором, определяющим степень адгезии клея
к поверхности склеиваемых плоскостей, являются химические связи обо­
их материалов.
Прочность клеевого шва соединения обусловлена как адгезией са­
мого клея к приклеиваемой поверхности, так и когезией пленки клея. Ко­
гезией пленки клея в данном случае называют силы взаимодействия
между молекулами самого клеящего вещества. Таким образом, для полу­
чения прочного клеевого соединения важно установить соответственное
равновесие между адгезией и когезией клея. При малой когезии, т. е. ма­
лой механической прочности пленки клея, высокая прилипающая спо­
собность его не обеспечивает еще прочного клеевого соединения, и на­
оборот. Как показали исследования, прочность клеевых соединений для
большинства склеиваемых материалов зависит от чистоты склеиваемых
поверхностей. Д л я склеивания изделий из пластмасс крайне важно, что­
бы химический состав изделий и клея были близки.
В настоящее время для склеивания строительных материалов суще­
ствует широкая номенклатура полимерных клеев. Из них наиболее рас­
пространены следующие.
Клеи, получаемые на основе мочевиноформальдегидных, фенолоформальдегидных, резорциноформальдегидных и эпоксидных полимеров с
добавлением (иногда перед применением) соответствующих отвердителей, часто используют при отделке стен декоративными бумажно-слоис­
тыми пластиками, креплении древесностружечных плит, водостойкой ф а­
неры и т. п. Однако применение для этого вида работ эпоксидных клеев
ограничено вследствие их высокой стоимости. Разработанные в послед­
ние годы клеи на эпоксидной основе применяют для соединения бетон­
ных элементов и железобетонных конструкций. При этом прочность шва
клеевого соединения часто превосходит прочность самого склеиваемого
материала. К числу полимерных клеев следует отнести, например, клей
К -17, на основе мочевиноформальдегидного полимера МФ-20, МФ-17
с отвердителем хлористым аммонием или щавелевой кислотой; фенолоформальдегидный клей КБ-3 на основе фенолоформальдегидного поли­
мера в смеси с наполнителем (древесная мука) и керосиновым контак­
том (контакт Петрова) и т. д.
Клеи, приготовляемые на основе поливинилацетата, перхлорвинила,
инден-кумароновых полимеров, полиамидов и т. д., применяют в виде ра­
створов в органических растворителях или в виде водных дисперсий.
Отверждение клеев этой группы происходит главным образом за счет
9
испарения органического растворителя, полимеризации мономеров и дру­
гих физико-химических процессов. Поливинилацетатные клеи, например,
широко используют для склеивания древесины, стекла, керамики, бума­
ги и т. п. материалов в тех случаях, когда не требуется высокая стой­
кость к атмосферным воздействиям и повышенной температуре. Клеи на
основе хлорированного поливинилхлорида пригодны для склеивания из­
делий из твердого поливинилхлорида между собой или приклеивания их
к бетону, металлу, древесине.
Для приготовления клеев на основе синтетических каучуков исполь­
зуют обычно цолихлоропреновые, бутадиенстирольные и бутилкаучуки.
В нашей стране нашли широкое применение клей-мастика КН-2 и клей
СП-1, в состав которых, наряду с каучуками, входят некоторые синтети­
ческие полимеры и наполнители. Каучуковые клеи изготовляют только
на заводах со специальным оборудованием и доставляют на строитель­
ство в готовом виде. Каучуковые клеи по сравнению с обычными поли­
мерными имеют достаточно высокую начальную прочность.
Мастика представляет собой приклеивающий материал, состоящий
обычно из связующего полимера, наполнителя и некоторых добавок.
Мастики могут быть горячего и холодного отверждения.
Для крепления рулонных строительных материалов (линолеума,
мягкой кровли) используют мастики, получаемые на основе нефтяных
битумов и на основе природных и синтетических полимеров. Битумные
мастики представляют собой смесь вязкого нефтяного битума различных
марок (БН-ІІІ, Б Н -IV, Б Н -V) с наполнителем в виде асбеста 7-го сорта,
талька и др. Такую мастику применяют в горячем виде (150°С) для при­
клейки рулонных кровельных материалов или материалов для покрытия
пола.
Холодные битумные мастики изготавливают на основе различных
органических растворителей, вводимых в состав мастик для разжижения
нефтяного битума. Мастики для холодного применения сохраняют жид­
кую консистенцию продолжительное время, в результате чего получают
равномерный и более тонкий, чем у горячих мастик, приклеивающий
слой. Такие мастики твердеют весьма медленно (до 1,5 мес.), что явля­
ется их недостатком. Холодные мастики чаще всего применяют для
февесноволокнистых плит, асбестосмоляных
приклеивания паркета
плиток и т. п. материалов.
Наряду с битумными мастиками, для крепления и наклейки отделочных материалов типа поливинилхлоридных плиток, древесноволокни­
стых плит используют резинобитумную мастику изол. Д ля приготовления
последней применяют изношенную резину, битумы, некоторые полимеры
(индено-кумароновый полимер, полиизобутилен) и наполнитель —
— известняковую муку или асбест. Мастика может быть изготовлена для го­
рячего и холодного употребления. В последнем случае в состав мастики
вводят разжижитель, например бензин.
Для крепления, например, глифталевого и поливинилхлоридного ли­
нолеума обычно используют канифольную мастику, состав которой раз­
работан во ВНИИАсбестцементе. В состав такой мастики входят: кани­
фоль, денатурированный спирт, олифа-оксоль и молотый известняк. К а­
нифольная мастика весьма удобна в работе и обеспечивает достаточно
надежное приклеивание материала. В герметической упаковке такая
мастика не теряет своих клеящих свойств в течение 2 мес.
О
§ 5. Каучуки и резины
Синтетические каучуки представляют собой продукты полимериза­
ции углеводородов. Эти полимеры состоят в основном из гибких макро­
молекул и имеют менее упорядоченное строение, нежели природные кау­
чуки.
10
Сырой каучук липкий и при незначительном понижении температу­
ры становится хрупким. Д ля превращения каучука в более прочный,
атмосфероустойчивый и пригодный для производства изделий его вулка­
низируют. Процесс вулканизации состоит в обработке каучука серой при
повышенной температуре (140— 150°С) и давлении с добавлением неко­
торых веществ. В качестве таких добавок (ингредиентов) могут приме­
няться наполнители — сажа, мел и др., мягчители — жирные кислоты, па­
рафин и стабилизаторы (фенолы).
Вулканизированные каучуки — резины — обладают
повышенной
прочностью, эластичностью, теплостойкостью, а также меньшими набу­
ханием и растворимостью в органических растворителях.
Д ля получения синтетических каучуков наиболее широко применя­
ют мономеры: изопрен, изобутилен, дивинил и др. В зависимости от ис­
ходных мономеров получают многочисленные разновидности каучуков,
из которых наибольшее распространение в строительной технике имеют
изопреновые, бутадиеновые, бутадиенстирольные и хлоропреновые кау­
чуки.
Так, в группу изопреновых каучуков входит бутил-каучук (СКИ-3),
представляющий собой продукт совместной полимеризации изобутилена
и изопрена (1— 1,5%). Этот каучук является одним из важнейших видов
синтетических каучуков. Бутил-каучук выпускают в виде мягких раз­
вальцованных эластичных листов. К бутадиеновым каучукам относится
полидивиниловый каучук (СҚБ), получаемый путем полимеризации бу­
тадиена в присутствии металлического натрия; а также поливиниловый
каучук (С ҚД ), превосходящий первый по техническим свойствам.
Хлоропреновые каучуки получают полимеризацией хлорпроизводного углеводорода хлоропрена, обладающего высокой полимеризационной
способностью. В нашей стране хлоропреновые каучуки различных марок
выпускают под общим названием наирит. Они отличаются высокой клея­
щей способностью, стойкостью в агрессивных средах, к действию света,
кислорода воздуха, воздействию кислот и щелочей. Эти каучуки уступа­
ют натуральному каучуку по истираемости, эластичности и теплостой­
кости.
Синтетические каучуки применяют в строительной технике главным
образом для приготовления клеев и мастик с целью крепления полимер­
ных строительных материалов (линолеумов, плиток для пола и стен).
На основе синтетических каучуков изготовляют битумо-кумаронокаучуковые и кумароно-каучуковые мастики. Каучуки широко использу­
ют для приготовления герметиков, т. е. материалов, применяющихся при
герметизации стыков и швов между панелями в сборном домостроении.
Перспективным также является использование каучуков для приготов­
ления пластбетонов и пластрастворов.
Вулканизированные каучуки — резины — находят также применение
в строительстве. Так, отходы резины (дробленая резина — резиновая
крошка) входят в состав некоторых гидроизоляционных материалов
(изол) для приготовления материала для пола (релина), а такж е для
некоторых видов резино-битумных мастик.
§ 6. Краткий исторический очерк
развития производства полимерных
материалов
Началом развития производства и применения пластмасс является
вторая половина XIX века.
Первый период, до начала XX века, характеризуется использовани­
ем лишь природных смол или химически модифицированных высокомо­
лекулярных соединений: целлюлозы, каучука и белка. Важнейшим от­
крытием этого периода является получение резины (1839 г.) и эбонита
11
(1843 г.) путем вулканизации сырого природного каучука. В 1872 г.
пластификацией нитроцеллюлозы камфорой была получена пластмас­
с а -ц е л л у л о и д , а в 1897 г. модификацией казеина — галалит (разновид­
ность пластмассы в виде рога, применяющаяся для разных поделок).
Второй период, относящийся к началу XX века, характеризуется по­
лучением высокомолекулярных соединений путем синтеза их из простых
по химическому составу веществ (мономеров). Фенолоформальдегидные
синтетические полимеры нашли практическое применение в 1902—
1908 гг.
В 30-х годах XX века промышленное значение нашли мочевиноформальдегидные, полиэфирные и другие синтетические полимеры. Расши­
рилось производство пластмас на основе полистирола, поливинилацетата, поливинилхлорида, полиметилметакрилата и др. В 40-х годах нача­
лось производство полиэтилена путем полимеризации этилена под боль­
шим давлением до 200 МПа (до 2000 ат).'
Последующие годы характеризовались развитием производства полимеризационных и поликонденсационных полимеров новых видов.
В соответствии с решениями XXIV съезда КПСС производство син­
тетических полимеров и пластических масс на их основе будет резко
увеличено. Так, по пятилетнему плану развития народного хозяйства на
1 9 7 0 — 1975 гг- производство синтетических смол и пластмасс должно
возрасти к 1975 г. в два раза по сравнению с выпуском этих материалов
в 1970 г. При этом производство теплоизоляционных изделий должно
увеличиться в 4 раза, а погонажных изделий из пластмасс — примерно
в б раз.
Производство полимерных материалов и в том числе пластмасс бы­
ло теоретически подготовлено исследованиями ряда отечественных и з а ­
рубежных ученых, среди которых следует назвать А. М. Бутлерова —
создателя теории химического строения органических
соединений;
Г. Г. Густавсона, получившего впервые жидкие полимеры этилена;
С. В. Лебедева, разработавшего способ получения синтетического кау­
чука. Благодаря работам Л. Бэкеленда и Г. С. Петрова (1902— 1910 гг.)
было положено начало производства фенопластов — пластмасс, получен­
ных на основе фенолоальдегидных высокомолекулярных соединений.
При этом весьма большое значение для развития производства фено­
пластов имел синтез фенола, разработанный П. Г. Сергеевым на основе
пропилена и бензола (1948 г ) .
Огромное значение в развитии производства пластмасс имели рабо­
ты академика К- А. Андрианова, впервые синтезировавшего высокомоле­
кулярные кремнийорганические соединения.
Г л а в а II
ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПОЛИМЕРНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Полимерные строительные материалы, как и другие материалы, ис­
пользуемые в строительстве, подвергаются в процессе эксплуатации ме­
ханическим и агрессивным воздействиям.
На полимерные материалы и изделия могут действовать сжимаю­
щие, растягивающие и другие виды механических усилий, атмосферные
осадки, температура и, наконец, агрессивные жидкости и газы. Д ля дол­
говечной службы в строительных конструкциях полимерные материалы
должны обладать соответствующими техническими свойствами, т. е. хо­
рошо сопротивляться механическим усилиям, изменениям температуры,
быть достаточно морозостойкими и химически стойкими. В связи с этим
к свойствам полимерных материалов предъявляются определенные тех­
нические требования, регламентируемые ГОСТами или соответствующи­
ми техническими условиями (ТУ).
§ 1. Физические свойства
Объемная масса — это масса единицы объема материала, взятого в
естественном состоянии, т. е. с порами и включениями. Объемную массу
(кг/м 3) вычисляют по формуле
Тпб = rn.IV,
где т — масса материала, кг; V — объем материала, м 3.
Объемная масса изделий из пластмасс колеблется в широких преде­
лах от 10 до 2200 кг/м3 и более (для некоторых специальных видов изде­
лий), но большая группа пластмасс (поропласты) имеет объемную мас­
су до 400 кг/м 3.
Плотность — это масса единицы объема материала, взятого в плот­
ном состоянии, без пор. Плотность материала (кг/м3, г/см3) вычисляют
формуле
р = m/V а 1
где т — масса материала, кг, г; Va — объем материала в абсолютно
плотном состоянии, м3, см3.
Д л я некоторых видов полимерных материалов (полиэтилена) значе­
ния объемной массы и плотности почти совпадают.
Пористость характеризует наличие пор в материале и показывает,
какая его часть занята порами.
Пористость (% ) (истинная) вычисляют по формуле
Я = (l — J°L .) . 100%,
I
Р
где үоб — объемная масса материала, кг/м3; р — плотность материала,
кг/м8.
Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать
воду. Водопоглощение определяют по разности масс образца материала
в водонасыщенном и сухом состояниях и выражают в % от массы W
или объема W0e сухого образца
W=
• 100%;
r
_ma- m L
V
ю о %,
tti\
где Ш\ — масса образца материала в высушенном состоянии, кг, г; тпг —
масса образца материала в водонасыщенном состоянии, кг, г; 1/ — объем
образца, м3, см3.
13
Недостатком некоторых видов пластмасс является способность по­
глощ ать воду и набухать, что приводит к зам етном у увеличению объема
и снижению механической прочности.
Влагоотдача — способность м атериала отдавать воду при изменении
температуры и влажностных условии окружающей среды. Влагоотдача
характеризуется скоростью высыхания образца испытуемого материала,
т е количеством вод/ы, теряемым в сутки стандартным образцом при
относительной влажности воздуха 60% и температуре 20° С.
Водопроницаемость — способность м атери ала пропускать воду под
давлением. Величина водопроницаемости характеризуется количеством
воды, прошедшим за 1 ч через 1 см2 площ ади испытуемого м атери ала
при постоянном давлении.
_
Гигроскопичность — способность м атер и ал а увеличивать или уменьшать свою влаж ность (т. е. массовое содерж ание воды в м атериале) при
увеличении или уменьшении относительной влаж ности окруж аю щ ей
среды.
Воздухо-, газо- и паропроницаемость — способность м атери ала про­
пускать через свою толщ у воздух, газы или пар. Газопроницаемость
характеризуется коэффициентом газопроницаемости, т. е. количеством
газа в м3, проходящим в течение 1 ч через стенку испытуемого м атер и а­
л а толщиной в 1 м, площ адью в 1 м2, при разности давлений в 133,3
Н/м2 (1 мм. рт. ст.).
Большинство полимерных м атериалов
успешно
используется для
гидроизоляции и пароизоляции разного рода строительных конструкций
и сооружений. На основе ряда полимеров можно получить тонкие плен­
ки, обладающие практически водо- и газонепроницаемостью. Например,
пленки на основе полиэтилена, поливинилхлорида и т. п.
Теплопроводность — способность м атер и ал а передавать сквозь свою
толщу тепловой поток, образующийся вследствие разности температур
на поверхностях, ограничивающих этот материал. Теплопроводность ха­
рактеризуется коэффициентом теплопроводности, который равен количе­
ству тепла в Дж, проходящему через стенку толщиной в 1м и площадью
в 1 м2 за 1 ч (3600 с) при разности температур теплового тока 1°С:
X—----- 0— — Вт / (м •°С) (ккал/м •ч ■°С),
F(h-h)-z
где Q — количество тепла, проходящего через испытуемый материал,
д ж; а — толщина стены из испытуемого материала, м; F — площадь
стены, м2; z — время прохождения теплового потока, ч; t2— — р аз­
ность температур на противоположных сторонах стены, °С.
Характерной особенностью многих полимерных материалов служит
их низкая теплопроводность, что является положительной характеристикой пластмасс. Так, для пористых пластмасс (мипоры) ?t=0,03 Вт/м-°С,
а для большинства плотных пластиков Я,=0,23—0,69 Вт/м-°С.
Эти показатели теплопроводности пластмасс относятся к их воздушно­
сухому состоянию. Увлажнение полимерных материалов приводит к по­
вышению их теплопроводности.
Теплоемкость — способность полимерного материала поглощать
тепло при повышении температуры окружающей среды. Удельной теп­
лоемкостью называют количество тепла (Д ж ), необходимое для повы­
шения температуры материала массой в 1 кг на 1°С. Удельная теплоем­
кость пластмасс колеблется в пределах от 0,42 • 103 до 2,1 • 103 Дж/(кг*°С)
(0,12—0,5 ккал/кг-°С). По мере повышения температуры материала
теплоемкость возрастает.
Под теплостойкостью полимерных материалов понимают температу­
ру, при которой в нагреваемом материале начинается процесс деструк­
ции. При этом нижний предел теплостойкости находится в области точки
14
плавления материала, когда он обладает незначительной механической
прочностью.
Д ля пластмасс теплостойкость определяют по Мартенсу или Вику.
Основные термические характеристики некоторых полимерных м а­
териалов приведены в табл. 1.
Таблица
1
Основные термические характеристики полимерных материалов
Материал
Интервал температур
применения» °С
Поливинилхлорид ...............................
Полиэтилен
.......................................
Полистирол
.......................................
Полиметилметакрилат......................
Полиизобутилен
...............................
Фенопласты ........................................
А м инопласты .......................................
Эпоксидные п оли м еры ......................
0—60
(— 70)— (+ 8 5 )
0—70
(—40)—(+ 7 0 )
(—40)—(+ 9 0 )
(—20)—(+ 1 2 0 )
(—20)—(+ 100)
( - 2 0 ) —(+ 1 0 0 )
Начало
Интервал температур ?
разложения.
плавления. °С
°С
165— 180
130 140
165 175
165— 185
188—200
Не плавятся
То же
»
»
I
165
200
250
160
190
150
150
160
Низкий предел теплостойкости (200° С) является отрицательной ха­
рактеристикой полимерных материалов и пластмасс. Следует иметь в ви­
ду, что осуществляется промышленный синтез пластиков, теплостойкость
которых значительно превышает 200° С.
Тепловое расширение (линейный коэффициент теплового расшире­
ния) — способность материала увеличиваться в размерах при нагрева­
нии. Линейным тепловым (термическим) расширением называют вели­
чину, на которую образец материала изменяет свои размеры при нагре­
вании на Г С . Коэффициент теплового линейного расширения полимер­
ных материалов относительно велик (по сравнению с металлами). Так,
тепловое линейное расширение некоторых полимерных материалов со­
ставляет (в Ы 0 _6): для поливинилхлорида 80—90; полиэтилена 160—
230, фенопластов 10—30, для стеклопластиков 10—25. Высокий коэффи­
циент теплового расширения пластмасс является их существенным недо­
статком. Так, большой коэффициент теплового расширения в сочетании
с малой теплопроводностью полимерных материалов может вызвать
внутренние напряжения (при резких изменениях температуры), которые
послужат причиной появления трещин.
При чрезмерном нагревании полимерных материалов в процессе
переработки или эксплуатации в них происходят сложные физико-хими­
ческие явления деструкции. Реакция деструкции является нежелатель­
ным явлением, приводящим к резкому ухудшению физико-механических
свойств полимерных материалов. Термическая деструкция — наиболее
распространенный вид деструкции полимеров. Она приводит не только
к понижению степени полимеризации, изменению строения макромоле­
кул полимера, но и к деполимеризации, т. е. образованию начального
мономера. Так, при нагреве полиметилметакрилата выше 300° С проис­
ходит деполимеризация с выделением первоначального мономера. Тер­
мическая деструкция полиамидов, например, и связанное с ней умень­
шение молекулярного веса полимера сопровождается выделением моно­
меров: этана, метана, пропана и этилена.
Действие тепла на полимерные материалы часто сопровождается
влиянием кислорода воздуха, солнечного света, паров воды или химиче­
ских реагентов, что приводит к химической деструкции полимеров. Тер­
мическая и химическая деструкции полимерных материалов вызывают
снижение их эластичности, повышение хрупкости и ухудшение других
физико-механических свойств. Такое изменение технических свойств ма15
териала во времени часто называют старением полимерных материалов.
Огнестойкостью называют способность материала выдерживать без
разрушения при пожарах совместное действие высоких температур и во­
ды. По степени огнестойкости, т. е. сопротивляемости разрушению от
огня и воды при пожаре, обычные строительные материалы делят на
три категории: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Полимерные
материалы в большинстве случаев являются сгораемыми или, после со­
ответствующей обработки, трудносгораемыми материалами.
Долговечность — срок работоспособности полимерных материалов в
условиях эксплуатации без изменения технических свойств, установлен­
ных соответствующими нормативами. Понятия долговечность и старение
полимерных материалов находятся в неразрывной связи. Срок службы
пластмасс, применяемых в строительстве, не постоянны и зависят от
эксплуатационных условий. Если изделия из полимерных материалов
эксплуатируются на открытом воздухе, то они подвергаются солнечной
радиации и воздействию других атмосферных факторов. При этом лишь
немногие полимерные материалы достаточно устойчивы к действию
ультрафиолетовых лучей солнечного спектра. В связи с этим срок служ­
бы большинства полимерных материалов на открытом воздухе будет
значительно меньше, чем долговечность идентичных материалов, эксплу­
атируемых в закрытых помещениях.
Электрофизические свойства характеризуют в основном электроизо­
ляционную способность полимерных материалов. Поскольку в целом по­
лимеры и пластмассы хорошие электроизоляторы, их можно применять
для скрытых и открытых электропроводок. Однако электроизоляционные
свойства полимерных материалов связаны с образованием электростати­
ческого заряда (например, в материалах для полов), что вредно для
здоровья человека. Кроме этого, в помещениях, где образуются скопле­
ния паров легковоспламеняющихся жидкостей, может от заряда стати­
ческого электричества возникнуть пожар. В помещениях с относительной
влажностью воздуха 50—60% статическое электричество снижается до
норм, неощущаемых человеком. При относительной влажности воздуха
менее 50% полы из полимерных материалов необходимо натирать вос­
ковыми мастиками, снижающими электрический заряд. В этой связи для
внутренней отделки рекомендуется применять токопроводящие полимер­
ные материалы, которые могут быть приготовлены по специально разра­
ботанному составу с использованием, например, токопроводящих напол­
нителей.
§ 2. Механические свойства
Механические свойства полимерных материалов характеризуют их
способность сопротивляться различного рода механическим воздействи­
ям: сжатию, растяжению, истиранию, удару, изгибу, раскалыва­
нию и т. п.
Прочность — способность материала сопротивляться разрушению от
напряжений, возникающих в материале при действии внешних нагрузок
или других факторов.
Прочность при растяжении или сжатии характеризуется пределом
прочности (Н/м2 или Па)
®= ^макс '
где Р макс — разрушающая сила, Н; S — площадь испытуемого образца.
см2.
Предел прочности при статическом изгибе (Н/м2 или Па)
_
3 • Р м ак с I
2 ■Ь • Һ*
1&
▼
#
где Р макс — разрушающая сила, Н; I — расстояние между опорами, м;
b — ширина образца, м; Л — толщина образца, м.
Большинство пластмасс (особенно с листовыми наполнителями) об­
ладают весьма высокой механической прочностью. Они хорошо сопро­
тивляются сжимающим, растягивающим усилиям, истирающим и удар­
ным воздействиям. Так, предел прочности при растяжении стеклотексто­
лита достигает 274,6 МН/м2 (2800 кГ/см2), а СВАМа (стекловолокнистый
анизотропный материал) — 441,3 МН/м2 (4500 кГ/см2) и более.
Предел прочности большинства пластмасс с порошкообразными и
волокнистыми наполнителями
составляет
при
сжатии
117,7 —
156,9МН/м2 (1200— 1600 кГ/см2), а при изгибе — 39,2—58,8МН/м2
(400—600 кГ/см2) и более.
При оценке прочностных характеристик строительных материалов
большое значение имеет коэффициент конструктивного качества, зави­
сящий от прочностных свойств и объемной массы материала.
Упругость — способность материала упруго деформироваться под
действием нагрузки и быстро восстанавливать свою первоначальную
форму и размеры после снятия ее. Упругость линолеума составляет
45—50 %.
Эластичность — способность к значительным упругим деформациям
при воздействии сравнительно малых сил и сохраняющимся длительное
время после снятия нагрузки. Полимерные материалы с большими элас­
тическими деформациями (100% и более) относятся к высокоэластич­
ным материалам — эластикам. Модуль упругости эластиков составляет
менее 19,6 МН/м2 (2* 102 кГ/см2).
Пластичность и ползучесть. Пластичность — способность материала
изменять свою форму и размеры без образования трещин под действием
внешних нагрузок и сохранять ее после снятия нагрузки. Ползучесть —
способность материала необратимо деформироваться под длительным
воздействием малой силы (собственной массы), не способной сразу де­
формировать материал. Повышенная ползучесть полимерных материа­
лов является отрицательным свойством для строительных конструкций
и изделий тем более, что ползучесть их резко возрастает даж е при не­
значительном повышении температуры.
Твердость — способность материала сопротивляться вдавливанию
в него другого более твердого тела. Д ля твердых полимерных материа­
лов твердость определяют с помощью пресса Бринелля, для эластич­
ных — с помощью специальных твердомеров, например, ТШМ-2, ТМ-2
и др. Величину твердости (Н/м2) вычисляют по формуле
НВ = P I TzDh,
где Р — сила, Н; D — диаметр вдавливаемого шарика, м; Һ — глубина
отпечатка, м.
Отличительной особенностью полимерных материалов и пластмасс
является весьма малая поверхностная твердость. Наименьшую поверх­
ностную твердость (по Бринеллю) имеют целлюлозные пластики (этро­
лы) — около 49,6 МН/м2 (5 кГ/мм2). У наиболее твердых пластмасс (асботекстолиты) поверхностная твердость достигает всего лишь 490 МН/м2
(50 кГ/мм2), в то время как стали имеют твердость по Бринеллю около
4412 МН/м2 (450 кГ/мм2). М алая поверхностная твердость полимерных
материалов и пластмасс является существенным их недостатком, кото­
рый следует принимать во внимание при использовании этих материа­
лов в строительстве.
Сопротивление ударным воздействиям — способность материала
противостоять ударным нагрузкам без образования трещин. Это сопро­
тивление характеризуется пределом прочности при ударе, т. е. работой,
затраченной на разрушение стандартного образца.
1
БИБЛИОТЕК
/ * Ь ft <Р Павлодарсноп
ЩУСТРШЬКРГОШТЯ
Сопротивление истиранию — способность материала сопротивлять­
ся истирающим нагрузкам, вызывающим его разрушение с поверхности
путем постепенного отрыва мелких частичек. Истираемость характери­
зуется величиной потери Массы, отнесенной к 1 см2 площади истираемо­
го образца. Истираемость полимерных материалов определяют с по­
мощью приборов ВНИИКа, МИ-2 и др. Большинство полимерных мате­
риалов хорошо сопротивляются истирающим усилиям, что особенно цен­
но при изготовлении материалов для покрытия полов. Достаточно высо­
кие показатели истираемости имеют, например, глифталевый линолеум—
0,06 г/см2, плитки для пола на основе кумароновых полимеров —
0,08 г/см2. Эти показатели несколько ниже истираемости даже для кера­
мических плиток (около 0,1—0,12 г/см2).
§ 3. Химические и технологические
свойства
Химическая стойкость — способность материала сопротивляться
воздействию кислот, щелочей, растворов солей, газов, а в отдельных слу­
чаях и воздействию органических растворителей. Высокая химическая
стойкость многих видов полимерных материалов, применяемых для
строительных изделий и конструкций, является весьма положительным
их свойством. Химическая стойкость полимерных материалов предопре­
деляется высокой химической стойкостью полимеров, входящих в их
состав.
'
■ \
Химически стойкие полимерные материалы (табл. 2) широко
используют в строительстве предприятий химической промышленности.
Технологические свойства полимерных материалов характеризуют­
ся, с одной стороны, податливостью полимерных композиций к перера­
ботке в изделия и с другой — легкостью механической обработки изде­
лий на станках.
Т
а
б
л
и
ц
а
2
Химическая стойкость полимерных материалов
Материал
Полиэтилен
. . .
Поливинилхлорид
Полистирол
. . . .
Полиметилметакрилат
Политетрафторэтилен
Фенопласты
. . . .
Полиэфирный стеклопластик
Эпоксидные полимеры
. .
Кислота
С
с
н
с
У
С
н
У
С
У
С
Основание
С
с
с
н
с
н
н
У
С
Вода
С
с
с
с
с
с
с
с
Спирт
У
С
У
С
с
с
с
с
с
с
П р и м е ч а н и е . Условные обозначения: С - стойкий, УС — условно стойкий, Н — нестойкий.
Большинство полимерных композиций легко поддаются переработке
их путем литья, горячего прессования, выдавливания (экструзии),
шприцевания и т. п. Кроме этого, пластмассы легко поддаются механи­
ческой обработке: сверлению, распиливанию, обточке на станках, фрезе­
рованию, строганию. Легкость технологической обработки на станках
позволяет максимально автоматизировать процесс изготовления и зн а­
чительно снизить стоимость получаемых изделий. Большинство пласт­
масс хорошо гвоздится, склеивается с помощью полимерных клеев и
сваривается струей горячего воздуха.
Наряду с этим полимерные материалы обладают способностью рав­
номерно окрашиваться на всю толщу изделия с помощью минеральных
или органических пигментов и красителей. Поверхность изделий из
18
пластмасс, полученных путем литья или горячего прессования по выходе
из формы, не требует дополнительной обработки и, благодаря гладкой
равномерно окрашенной поверхности, имеет красивый внешний вид. З а ­
мечательные декоративные свойства пластмасс, весьма гладкая поверх­
ность, не требующая полировки, устойчивый четко выраженный колер
выгодно отличают их от ряда других отделочных материалов.
§ 4. Специальные свойства
Оптические свойства полимерных материалов характеризуются в ос­
новном светопроницаемостью (прозрачностью) и показателем прелом­
ления света. Большинство полимерных материалов (пластмасс), не со­
держащих наполнителей и других каких-либо составляющих, хорошо
пропускают свет, особенно в тонком слое. Многие из таких материалов
носят название органических стекол и могут быть использованы для ос­
текления специальных помещений (здравниц, оранжерей и т. п.). Отли­
чительной особенностью органических стекол является их высокая про­
зрачность. По сравнению с прозрачностью алмаза, принятой за 100%,
прозрачность органических стекол может достигать 83—94% (полиметилметакрилат). Окрашенные органические стекла пропускают свет в
широком диапазоне волн и в том числе ультрафиолетовую часть спектра,
превосходя во много раз обычные силикатные стекла. Особенно хорошо
эти стекла пропускают инфракрасные лучи. Показатели преломления
света полимерных материалов колеблются в широких пределах. Д ля
изделий, полученных на основе полиметилметакрилата, полистирола и
фенольных полимеров, коэффициент преломления приближается к коэф­
фициенту преломления обычного стекла (1,49— 1,6). Прозрачные свой­
ства пластиков позволяют создавать новые виды конструкций окон и
остекления.
Адгезия — сопротивление отрыву одной поверхности твердого тела
от другой, приведенных в контакт с помощью клея. Величина адгезии
может быть определена с помощью многочисленных методов. В общем
виде целесообразно характеризовать адгезию, как работу прилипания,
необходимую для разделения склеенных поверхностей.
Величина адгезии имеет большое значение для полимерных клеев и
мастик. Следует заметить, что большинство полимерных композиций,
полученных на осове фонолоформальдегидных, мочевиноформальдегидных и эпоксидных полимеров обладает весьма высокими клеящими
свойствами.
Биостойкость (биохимическая стойкость) — способность полимер­
ных материалов противостоять биологическим процессам, связанным с
заражением их грибками, порчей насекомыми и т. п. Некоторые виды
материалов из пластмасс (поливинилхлоридные трубы) в процессе эк­
сплуатации частично разрушаются насекомыми и грызунами.
Физиологические свойства. Рассматривая технические свойства поли­
мерных материалов, можно полагать, что все они гигиеничны и физиоло­
гически безвредны. Вместе с тем следует заметить, что отдельные изде­
лия (синтетические материалы для пола) могут выделять во внешнюю
среду вещества, вредно влияющие на здоровье человека и животных.
Эти явления происходят вследствие незавершенности процесса поли­
конденсации или полимеризации. Благодаря незавершенности этих реак­
ций, оставшиеся в свободном состоянии токсичные мономеры, а также
вредные летучие вещества (пластификаторы) могут выделяться в окру­
жающую среду. Токсичные свойства полимерных материалов необходи­
мо строго учитывать с санитарно-технической точки зрения.
Релаксацией напряжений называют процесс самопроизвольного
снижения напряжений, возникающих в полимерном материале от воз­
действия внешних сил, при постоянной деформации, зафиксированной
19
жесткими связями. Релаксация напряжений возможна за счет межмолекулярных перемещений и некоторой перестройки структуры материала.
При этом напряжения в деформируемом образце снижаются (уменьша­
ются) по закону степенной функции в течение значительного времени,
измеряемого сутками, а иногда месяцами.
Чем медленнее убывает напряжение, преодолевая внутреннее трение
в деформированном образце, тем больше время релаксации т, и наобо­
рот. Таким образом, т характеризует скорость достижения материалом
деформированного на постоянную величину равновесного состояния.
Оценивать вышеперечисленные технические свойства полимерных
материалов значительно сложнее, чем свойства обычных строитель­
ных материалов, поскольку на их свойства оказывают влияние в первую
очередь химическая структура высокомолекулярных веществ (полиди­
сперсность. стереорегулярность и др.), разновидность наполнителей и
т. п. Так, длина макромолекулярной цепи полимера оказывает сущест­
венное влияние на прочность полимерного материала, при этом механи­
ческие свойства полимеров зависят и от ориентированности цепей. По­
добно механическим и физическим свойствам, химические свойства
также зависят от строения полимера. Так, высокомолекулярные вещест­
ва, у которых макромолекулы образованы углеродной цепью (полиэти­
лен, полиизобутилен, полистирол) устойчивы против действия кислот,
щелочей, растворов солей; в то время как поливиниловый спирт, содер­
жащий гидроксильные группы, подвергается воздействию воды, кислот
и щелочей.
Г л а в а III
ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА
И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ
Низкомолекулярные соединения характеризуются, в основном, по­
стоянными, четко выраженными физическими свойствами: определенны­
ми температурой плавления и кипения, молекулярной массой и т. д. Н а­
против, высокомолекулярные соединения, как правило, представляют со­
бой смесь полимеров того или иного гомологического ряда, но различной
молекулярной массы: они плавятся и затвердевают в некотором интерва­
ле температур, с увеличением молекулярной массы полимеров повыша­
ется температура их плавления и кипения. В связи с этим нередко высо­
комолекулярные соединения неплавки и нелетучи. Точной границы меж­
ду низко- и высокомолекулярными соединениями провести трудно.
Однако к высокомолекулярным соединениям относятся обычно полимеры
с молекулярной массой выше 5000 (молекулярная масса натураль­
ного каучука — 200 000—400 000, полистирола — 100 000 — 300 000, по­
ливинилхлорида — 100 000—200 000 и т. д.). Полимеры с низкой молеку­
лярной массой называют олигомерами.
С увеличением молекулярной массы прочность полимеров до извест­
ного предела повышается, растворимость в органических растворителях
уменьшается. Молекулы полимеров в твердом состоянии располагаются
обычно беспорядочно, образуя аморфную структуру. Однако имеются
полимеры с кристаллическим или смешанным аморфно-кристаллическим
строением.
Многие свойства высокомолекулярных веществ тесно связаны с ве­
личиной межмолекулярных сил, которые так же, как и обычные валент­
ные связи, имеют электрическую природу. Эти межмолекулярные силы
слабее нежели обычные валентные связи примерно в сто раз. Энергия
притяжения межмолекулярных сил обратно пропорциональна межмолекулярному расстоянию и может снижаться по мере удаления молекул
друг от друга. Однако при увеличении молекулярной массы полимера
суммарный эффект межмолекулярных сил может стать весьма ощути­
мым, поскольку их источником становится каждый атом. В полимерах,
где размеры макромолекул и число атомов достаточно велики, действие
межмолекулярных сил может превзойти даже величину валентных свя­
зей. Поэтому именно резко возрастающая роль межмолекулярных сил
является важнейшей особенностью высокомолекулярных соединений, ка­
чественно отличающихся от низкомолекулярных веществ.
Большое влияние на свойства полимеров оказывают водородные
связи в полимерах, где водород связан непосредственно с кислородом
или азотом в виде групп ОН, NH 2 и т. д. Приобретая частично положи­
тельный заряд, атом водорода стремится образовать координационную
связь с кислородом или азотом соседних молекул, в результате чего
возникают так называемые водородные мостики
О—Н . . . О—н
|
мостик |
R
R
Водородная связь, будучи значительно слабее валентной, все же
прочнее межмолекулярных сил притяжения и легко обнаруживается
спектроскопическим анализом. Таким образом, водородная связь явля­
ется в сущности электростатической (ориентационной). Она представля­
ет собой как бы вторую валентность водорода по отношению к электро­
отрицательным атомам, если основная его валентность также связана с
сильно отрицательным атомом.
21
Высокомолекулярные соединения встречаются в материалах живот­
ного и растительного происхождения, а в строительстве наибольшее рас­
пространение получили синтетические полимеры.
§ 1. Классификация
и строение полимеров
В основу классификации высокомолекулярных веществ могут быть
положены состав, строение (структура) и методы получения полимеров.
По составу основной цепи макромолекул полимеры делят на три
группы:
1) карбоцепные полимеры, макромолекулярные цепи которых со­
держат лишь атомы углерода (полиэтилен, полиизобутилен и т. п.) в
виде
I I I I
—С—С—С—с —
1 ( 1 1
2) гетероцепные полимеры, в состав макромолекулярных цепей ко­
торых входят, кроме атомов углерода, атомы кислорода, серы, азота и
фосфора (полиэфиры, полиуретаны, эпоксидные полимеры и т. п.) типа
I
I
I
—С—о —С—О—С—
I
I
I
3) элементорганические полимеры, в основных макромолекуляр­
ных цепях которых содержатся атомы кремния, алюминия, титана и некоторых других элементов, не входящих в состав органических соедине­
ний (кремнийорганические соединения) типа
R
R
R
I
I
I
—Si—О— Si—О— Si—
I
I
В
R
R
R
В свою очередь макромолекулы полимеров могут иметь линейное,
разветвленное или пространственное (трехмерное) строение. Макромо­
лекулы линеиного строения вытянуты в виде длинных цепей, в которых
атомы мономера соединены между собой ковалентными связями. Р аз­
ветвленные макромолекулы характеризуются тем, что в основной цепи
макромолекулы появляются ответвления из повторяющихся мономерных
звеньев. Пространственные структуры характерны тем, что получаются
чаще либо «сшивкои» отдельных линейных цепей полимеров, либо поли­
конденсацией мономеров, содержащих более двух функциональных
групп.
Линейные полимеры с макромолекулами линейного или разветвлен­
ного строения растворяются в соответствующем органическом раствори­
теле, плавятся без изменения основных свойств при нагревании, а при
охлаждении вновь затвердевают. Такие полимеры носят название термо­
пластичных.
Полимеры с ^макромолекулами пространственного строения отлича­
ются повышенной устойчивостью к термическим и механическим воздей­
ствиям и в зависимости от связей, так называемых «сшивных мостиков»,
не растворяются в растворителях, а лишь набухают в той или иной сте­
пени при достижении определенной температуры растворения. Кроме то­
го, полимеры с пространственным строением макромолекул не могут об­
ратимо размягчаться при нагревании. Такие полимеры носят название
термореактивных.
В зависимости от способа получения синтетических высокомолеку22
■
лярных соединений они делятся на полимеры, получаемые на основе ре­
акции полимеризации, и полимеры, получаемые на основе реакции по­
ликонденсации.
Полимеризационные полимеры (полиэтилен, полиизобутилен, поли­
стирол, полиметилметакрилат и др.) получают в основном реакцией по­
лимеризации вследствие раскрытия кратных связей в ненасыщенных
низкомолекулярных углеводородах и соединения звеньев мономеров в
длинные цепи. Поскольку в процессе полимеризации не образуются по­
бочные продукты, химический состав полимера и мономера одинаков.
Поликонденсационные полимеры (фенолоальдегидные, мочевино­
альдегидные, полиэфирные, эпоксидные и др.) получают реакцией поли­
конденсации, при которой вместе с образованием основного полимера
выделяются побочные продукты (вода, спирты). В связи с этим состав
основного полимера отличается от химического состава исходных низко­
молекулярных веществ.
§ 2. Производство и свойства
полимеризационных полимеров
Полимеризационные полимеры — высокомолекулярные соединения,
получаемые путем реакции полимеризации.
Реакция полимеризации может быть вызвана с помощью: световых
лучей, токов высокой частоты или ядерных излучений, нагревом, с по­
мощью инициаторов, катализаторов.
В практике производства полимеров реакция полимеризации чаще
всего идет с помощью инициаторов и катализаторов.
Различают полимеризацию радикальную — инициированную и ион­
ную— каталитическую. Инициированная полимеризация, основанная
на образовании свободных радикалов, имеет наибольшее практическое
значение для получения полимеров и протекает, в основном, в три этапа:
инициирование цепи, рост цепи и обрыв цепи.
Д ля начала реакции полимеризации необходимо разорвать одну из
кратных связей мономера с тем, чтобы превратить молекулу мономера
в свободный радикал. Д ля этой цели в мономер вводят инициирующие
вещества. После роста цепи полимера на третьем заключительном этапе
реакции полимеризации происходит обрыв цепи в результате соединения
двух радикалов с образованием устойчивой молекулы полимера, не спо­
собной к дальнейшему увеличению цепи.
. Схему реакции полимеризации в общем виде можно выразить сле­
дующим образом:
пМ
(М)п,
где М — молекула исходного мономера; (М )п — макромолекула поли­
мера, состоящая из мономерных звеньев; п — степень полимеризации.
При полимеризации двух или более различных мономеров, напри­
мер, стирола и метилметакрилата, конечные продукты называют сополи­
мерами, а реакция носит название — сополимеризации.
В настоящее время практическое применение имеют следующие ви­
ды полимеризации: блочная полимеризация, полимеризация в растворе,
эмульсионный (суспензионный) и капельный методы полимеризации.
Блочная полимеризация характеризуется полимеризацией мономера в
чистом виде в присутствии катализаторов и инициаторов. Полимериза­
ция мономера в растворе характеризуется возможностью отвода тепла
реакции и регулирования степени полимеризации. Метод эмульсионной
полимеризации основан на измельчении мономера в жидкой среде (вод­
ной), в которой он не расстворим, и проведении полимеризации в присут­
ствии катализаторов и других добавок. При капельной полимеризации в
качестве инициаторов реакции выбирают вещества, не растворимые в
23
I
ш
воде, но растворимые в мономере, что обеспечивает процесс образования
полимера как бы в каждой отдельной «капле». При этом мож­
но легко регулировать степень полимеризации и очищать поли­
мер от примесей.
Кроме радикальной полимеризации, связанной с действием инициа­
торов реакции, высокомолекулярные соединения могут быть получены
ионной полимеризацией с применением специальных катализаторов
(хлористый алюминий и др.), действие которых основано на образова­
нии ионов. Получающиеся в результате реакции полимеризации конеч­
ные продукты (полимеры) обладают в основном термопластичными
свойствами.
Рис. 1. Технологическая схема производства полиэтилена непрерывным методом при высоком давлении:
Н ' / ' 16, t8 ~~ Фильтры; 2 — компрессор; 3 — водяной холодильник; 4, 8 —- смазкоделитель* 5 — 6vферная емкость; 7 - компрессор; / 0 - реактор; 11 — газоотделитель; /2
ш неі^вы й приемкик*^3 —
ванна для полиэтилена; 14 — фильтр ловушки; 15 — циклон; 17 — скруббео
Из полимеров, получаемых полимеризацией, наиболее широкое ис­
пользование имеют: полиэтилен, полистирол, поливинилацетат полиметилметакрилат, поливинилхлорид и др.
Полиэтилен ( СН2 — СН2 — ) п — продукт полимеризации этиленавыпускают в виде гранул размером 3—4 мм или белого порошка Исход­
ным мономером при полимеризации является газообразный этилен
(СН2 — СН2), получаемый чаще всего при термической обработке нефти. т- е- выделении его методом глубокого охлаждения из газовых сме­
сей, образующихся при крекинге и пиролизе нефти.
В настоящее время промышленность располагает тремя методами по­
лучения полиэтилена:
19П - 1™ ° м № Р п Ж еЙо%%леИ!‘<при
высоком
Избыточном
давлении
оч
а (1200 2500 ати) в присутствии кислорода:
2) полимеризацией этилена при атмосферном или очень малом изыточном давлении 0,2—0,3 М Па (2—3 ати) с использованием металлорганических катализаторов;
/зп 3v полимеРизаЧией этилена при избыточном давлении 3,0—7,0 М Па
/и ати) в углеводородных растворителях с окисно-металлическими
катализаторами.
Полимеризация этилена под большим давлением производится в
трубчатых реакторах или реакторах-автоклавах и может осуществляться
полимеризацией
массе— или X
с. j/u
растворителем.
*
гв
—------—
v m u jjr u tiiic m .
1ехнологическая
схема производства
полиэтилена (рис. II
1) ІіилJU
о
I-------*—V*
Mcполимеp зациеи в массе нашла большое распространение в промышленности
Исходный мономер — технический этилен (бесцветный газ) для очистки
фильтр
В
24
Ш
’шт
невый фильтрующий слой. Затем из баллона в этилен вводится инициа­
тор реакции — кислород в количестве, зависящем от условий реакции по­
лимеризации. При этом перемешивание кислорода с этиленом осуществ­
ляется в процессе фильтрации, транспортировки и сжатия газов. Сжатие
этилена до необходимого избыточного давления полимеризации произво­
дится в компрессорном цехе в две стадии. В первой стадии сжатие до
30,0—35,0 МПа (300—350 ати) производится в вертикальном компрес­
соре 2 с последующим охлаждением этилена в водяном холодильнике 3.
Предварительно сжатый этилен очищается от масла и, проходя смазкоотделитель 4 и фильтр 6, поступает вновь для сжатия в компрессор вы­
сокого давления 7. Д л я окончательного сжатия этилена до 150 МПа
(1500 ати) применяют одно- или многоступенчатые компрессоры.
Поскольку процесс сжатия сопровождается значительным повыше­
нием температуры, компрессор охлаждается в цилиндрах водяными хо­
лодильниками до 140— 160° С; при этом температура газа на всасываю­
щем трубопроводе не должна превышать 35° С. Сжатый этилен снова по­
ступает для отделения масла в смазкоотделитель 8 и, проходя через
фильтр 9, направляется в реактор 10. Реактор, в котором идет реакция
полимеризации, представляет собой змеевик, состоящий из наклонно рас­
положенных толстостенных труб разного внутреннего диаметра. В верх­
ней части реактора диаметр их составляет 10 мм, затем 16 мм и в нижней
части 24 мм. Разный диаметр труб обеспечивает равномерное движение
продукта полимеризации, поскольку в процессе полимеризации вязкость
его возрастает. Трубы реактора имеют специальные рубашки для цирку­
ляции горячей или холодной воды с целью нагрева этилена и охлаждения
продуктов полимеризации. Нагрев этилена в верхней части реактора про­
изводится до температуры 165— 185°С для возбуждения реакции полиме­
ризации, которая протекает в трубах диаметром 16 мм.
Во второй зоне реактора осуществляется отвод большого количест­
ва тепла, образующегося при реакции полимеризации этилена, с помо­
щью циркуляции воды с температурой 100— 125° С.
В нижней, третьей зоне реактора, в трубах диаметром 24 мм процесс
полимеризации заканчивается.
Полиэтилен вместе с непрореагировавшим этиленом перепускается
в газоотделитель 11, затем продукт полимеризации поступает в шнеко­
вый приемник 12, где избыточное давление снижается до 0,5 МПа (5 ати).
Из шнекового приемника готовый полиэтилен в виде жгута выдавлива­
ется в грануляционную ванну 13 для охлаждения. Непрореагировавший
этилен из газоотделителя и шнекового приемника отводится через ловуш­
ку 14, циклон 15 и фильтр 16 в скруббер 17.
Получение полиэтилена методом высокого давления может сопровож­
даться взрывом и пожаром. Поэтому должны быть приняты необходимые
меры безопасности.
Полиэтилен высокого давления — химически стойкий продукт. Од­
нако под воздействием азотной кислоты он окисляется в атмосфере воз­
духа (особенно при нагревании), изменяя свои физические и химические
свойства. Окисляемость полиэтилена резко снижается при добавлении к
нему некоторых антиокислителей (фенола, аммиака и др.). По данным
рентгеновского анализа большая часть молекул полиэтилена состоит из
кристаллических участков, а при температуре 25—50°С он имеет в ос­
новном кристаллическую структуру, исчезающую при нагревании. При
температуре 115°С, близкой к точке плавления, полиэтилен становится
аморфным.
Производство полиэтилена низкого давления осуществляется на эти­
лене, очищенном от влаги и кислорода. При этом реакция полимериза­
ции проходит в условиях, исключающих попадание воздуха в реакцион­
ные аппараты. Одним из условий нормального хода реакций является
своевременный отвод тепла с помощью холодильников. Отделение гото­
25
вого продукта от катализаторов производится путем центрифугирования
и промывки (водой, спиртом и др.)*
Высокая степень кристалличности полиэтилена низкого давления
придает ему большую плотность, несколько меньшую прозрачность, эла­
стичность.
Полиэтилен (высокомолекулярный) хорошо поддается механической
обработке, стоек против агрессивного действия воды, соляных растворов,
щелочей, кислот (кроме азотной). При нормальной температуре нераст­
ворим в органических растворителях и только при нагревании поддает­
ся растворению в ароматических углеводородах. Кроме того, при нагре­
вании до 110° С он размягчается, обладает высокими диэлектрическими
Свойствами, имеет достаточно высокую гибкость и прочность при растя­
жении. Малая плотность полиэтилена позволяет отнести его к числу лег­
ких материалов. Вследствие окисления полиэтилена на воздухе, приве­
денные ниже (табл. 3) качественные показатели несколько снижаются.
Та б л и ца 3
Свойства полиэтилена
Полиэтилен
Свойства
Молекулярная м а с с а ................................................
Плотность, г/см 3 .........................................................
Температура плавления, ° С ...................................
Сопротивление разрыву, МН/м2 (кГ/см2) . . .
Удлинение при разрыве, % ...................................
М о р о зо сто й к о сть .........................................................
щ
высокого давления
низкого давления
10000— 50000
80000—400000
0 ,9 2
0 ,9 5
110
125
17,8 (120)
2 4 , 5 (250)
450
1000
Д о (—610 ) _ ( _ 8 0 )
Полиэтилен широко используется при производстве волокон, пленок,
труб и других пластмассовых изделий.
Полиэтилен высокого давления выпускается нескольких марок в ви­
де гранул с насыпной объемной массой не менее 500 кг/м3. Д ля произ­
водства изделий и материалов, применяемых в строительстве, наиболь­
шее распространение получили марки: П-2-06-Т — высокопрочный поли­
этилен, перерабатываемый в профили, блоки; листы П-2010-В — прочная
пленка, получаемая путем раздува; П-2020-Т — различные технические
изделия.
г 4
■.>' ' '-'1
Полиэтилен низкого давления выпускается также нескольких марок
(по МРТУ 405890—65) в виде гранул с насыпной объемной массой
550 кг/м3 или белого порошка, имеющего объемную массу 110—
380 кг/м3.
Для изготовления строительных материалов и изделий применяют
следующие марки полиэтилена: П-4001-П — плиты, фитинги и другие
изделия; П-4009-Э — трубы, листы, различные профили; П-4017-В —
крупногабаритные выдувные изделия.
Порошкообразный полиэтилен (НД) в настоящее время успешно
применяют для создания защитных покрытий на металлических поверх­
ностях путем напыления или погружения в порошкообразный полиэти­
лен нагретых металлических деталей.
Полипропилен [—СНг—СНСНз—]п — продукт полимеризации про­
пилена в растворителе (бензин, пропан и др.).
Пропилен [СН2= С Н —СН3] — бесцветный газ (со слабым запахом),
выделяемый при крекинге нефти или нефтепродуктов.
В промышленных условиях полипропилен получают реакцией поли­
меризации пропилена при температуре 70° С и избыточном давлении до
4 МПа (40 ати).
Реакция идет обычно в присутствии каталитического комплекса
AlR3+ T iC l3 в атмосфере азота.
26
Молекулярная масса полипропилена составляет 35000— 150000. По­
липропилен обладает рядом ценных физико-механических свойств. Он
хорошо сопротивляется воздействию органических растворителей. Тем­
пература плавления этого полимера 160— 175° С. Полипропилен недоста­
точно атмосферостоек. При воздействии солнечных лучей подвергается
деструкции с ухудшением физико-механических свойств. К недостаткам
полипропилена следует отнести также его плохую склеиваемость. Одна­
ко сварка его струей горячего воздуха при температуре 220° С дает по­
ложительные результаты. В настоящее время этот полимер еще не на­
шел широкого применения в промышленности строительных материалов.
В силу ряда положительных технических свойств полипропилен являет­
ся перспективным материалом для производства труб, пленок и других
изделий для строительных работ.
| Этипен
|_
В холодильную '
установку [аг
СП
Рис. 2. Технологическая схема производства полиизобутилена непре­
рывным методом:
/ — теплообменник; 2 — сепаратор; 3 — мерник; 4 — мерник для катализатора;
5 — мерник для стабилизатора; 6 — ленточный полимеризатор; 7 — смеситель;
8 — транспортер; 9 — пресс; 10 — очистительная колонна
Полиизобутилен [—СНг—С (С Н з) 2—]п — продукт реакции полиме­
ризации изобутилена. Полиизобутилен с молекулярной массой 100 000—
500 000 представляет собой (при 20° С) каучукообразный материал прак­
тически без цвета и запаха. Полиизобутилен с молекулярной массой ме­
нее 50 000 — вязкая жидкость. В технике применяют этот полимер с мо­
лекулярной массой до 300 000, представляющий собой эластичный мате­
риал.
Сырьем для получения полимера служит изобутилен СН2= С { С Н з)2,
извлекаемый из побочных продуктов, образующихся при переработке
нефти.
Д ля получения высокомолекулярных разновидностей полиизобути­
лена реакция полимеризации должна протекать при пониженных темпе­
ратурах (около — 100°С). Необходимые условия полимеризации (отвод
тепла) осуществляют с помощью хладоагентов, разбавителей, добавляе­
мых в реакционную смесь.
Технологическая схема производства полиизобутилена непрерыв­
ным методом состоит в основном из следующих операций (рис. 2). Изо­
бутилен температурой —40° С поступает в мерник 3, где он охлаждается
до —95° С. Это осуществляют с помощью жидкого этилена температурой
—40° С, который сначала подается в теплообменник 1, где он охлаждает­
ся газообразным этиленом, поступающим из сепаратора 2, до темпера­
туры — 104° С. Из сепаратора этилен самотеком стекает в мерник 3 и
охлаждает изобутилен, проходящий по змеевику мерника, до температу­
ры полимеризации. Полимеризация изобутилена осуществляется в непре­
рывно действующем ленточном полимеризаторе 6. Последний представ27
ляет собой газонепроницаемый короб с движущейся внутри его беско­
нечной, натянутой на два барабана, стальной лентой. Ширина ленты
полимеризатора 450 мм, скорость движения ленты 60 м/мин; длина гори­
зонтального участка пути 9 м. В процессе полимеризации смесь изобути­
лена (поступающего из змеевика мерника) и этилена (из корпуса мер­
ника) в равных объемах подается на ленту полимеризатора. Обе жид­
кости смешиваются в трубопроводе.
Одновременно в полимеризатор из другого трубопровода поступает
этилен с растворенным катализатором — треххлористым бором. К ата­
лизатор в количестве 0,3% от массы изобутилена дозируют из мерника 4.
Процесс полимеризации изобутилена происходит после смешивания
всех жидкостей очень быстро, и на лёнте полимеризатора в течение не­
скольких секунд образуется слой полиизобутилена толщиной в 2—3 см.
При этом теплота полимеризации отводится благодаря испарению
этилена.
\
Газообразный этилен вместе с непрореагировавшим изобутиленом и
газообразным катализатором поступает в колонну 10, где с помощью негашеной извести очищается от остатков катализатора и вновь подается
на холодильный цикл. В полимеризаторе по пути движения ленты поли­
изобутилен дегазируется и направляется в смеситель 7, где нагревается
до 100°С паром под избыточным давлением 1,2 МПа (12 ати). Нагретый
полимер выходит из смесителя, режется на куски и подается с помощью
транспортера и стеллажей 8 на упаковку.
Во время транспортирования готовый продукт охлаждается путем
обдува воздухом и с помощью пресса 9 упаковывается в мешки. Поли­
изобутилен обладает рядом ценных технических свойств. Он достаточно
легок, водостоек и стоек к действию агрессивных сред. При нормальной
температуре на него не действуют кислоты, щелочи, спирты и т. п. Он
обладает высокой эластичностью и морозостойкостью. Технические свой­
ства полиизобутилена приведены в табл. 4.
О
Таблица
4
Технические свойства полиизобутилена
Наименование
Показатели
Плотность, г/см 3 .........................................................
Предел прочности при растяжении, М Н /м 2
(кГ/см2) ......................................................................
Водопоглощение, %
................................................
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С)
(ккал/м-ч-°С)
.........................................................
0 ,9 1 —0,9 3
5 ,9 —6 ,9 (60—70)
0,0 5
0 ,1 2 —0 ,1 3 (0,10—0,12)
В нашей промышленности полиизобутилен выпускают пяти марок
П-200, П-155, П-118, П-85 и П-20 с молекулярной массой 225 000— 15 000.
Полиизобутилен применяют для изготовления гидроизоляционных
герметизирующих материалов, для линолеумных клеев и т. п.
Поливинилхлорид (—СНг—СНС1—)„ — продукт полимеризации
хлористого винила (винилхлорида). Это высокомолекулярное соедине­
ние в виде порошка с размером зерен 0,01—0,1 мм. В результате цепной
полимеризации винилхлорида образуемая макромолекула полимера име­
ет линейное строение.
Поливинилхлорид получается в основном водноэмульсионным или
водносуспензионным методом. Сырьем для поливинилхлорида служит
хлористый винил (СНг=СНС1)
газ (при нормальном давлении) с приятным запахом. При полимеризации хлористого винила по одноэмульсионному методу инициатором реакции служит перекись водорода, а
эмульгатором — мыла, обеспечивающие образование сравнительно од­
нородной системы. Полученный в результате реакции порошкообразный
полимер промывают водой, а затем суіһат при температуре 50° С.
28
I
При получении поливинилхлорида водносуспензионным методом
в качестве инициатора обычно служит растворенная в мономере пере­
кись бензоила. Благодаря интенсивному перемешиванию исходных про­
дуктов в среде эмульгатора, хлорвинил постоянно находится в тонкодис­
персном состоянии в водной фазе и, полимеризуясь, получается в виде
мелкого порошка с частицами 0,01—0,3 мм.
Технологическая схема производства поливинилхлорида непрерыв­
ным методом полимеризации винилхлорида заключается в следующем
(рис. 3). Водная фаза, состоящая из раствора эмульгатора и раствора
инициатора реакции (перекись водорода), получаемая в смесителе 10,
Винилхлорид
Вода
ю
Раствор
катализатора
чк
G
7
Z
РастВор
эмульгатора
Лолипер
Полимер
Полимер
Рис. 3. Технологическая схема производства поливинилхлори­
да непрерывным эмульсионным методом:
1 , 2 — автоклавы; 3, 4 — приемники; 5 — распылитель-сушилка; 6 — вра­
щающиеся барабаны; 7 — коагулятор; 8 — центрифуга; 9 — полочная
вакуум-сушилка; 10 — смеситель
перекачивается в автоклав 1. Автоклавы 1 и 2 представляют собой верти­
кальные котлы из нержавеющей стали высотой 7—8 м. Автоклавы снаб­
жены лопастными мешалками и рубашками, обеспечивающими нагрев
или охлаждение автоклава. В автоклав 1 подается винилхлорид, а в ру­
башку автоклава — горячая вода для обеспечения начала реакции по­
лимеризации (35°С). После начала реакции выделяющееся тепло отво­
дится хладоагентом с температурой —20°С. Через несколько часов, когда
плотность эмульсии в автоклаве достигнет 1,02 г/см3, добавляют пор­
цию винилхлорида, а когда плотность составит 1,08 г/см3, начинается не­
прерывная подача винилхлорида и водной фазы в автоклав в определен­
ных соотношениях. При этом избыточное давление в автоклаве поддер­
живается около 1 М Па (10 ати), а температура — в пределах 38—50°С.
Когда плотность содержимого автоклава 1 достигнет 1,085 г/см3, эмуль­
сию перекачивают в автоклав 2 с меньшим давлением, где плотность
эмульсии на выходе составляет 1,12 г/см3. Из автоклава 2 эмульсия не­
прерывно поступает в приемник 3, а затем в приемник 4, где давление
атмосфер
приемниках, в эмульсии равномерно распределяется стабилизатор (сода).
Готовый поливинилхлорид выделяется из эмульсии сушкой или коагуля­
цией. Непосредственное испарение воды из образовавшегося латекса
производится во вращающихся барабанах 6 или сушилке 5. Поливинил­
хлорид сушится при температуре 160— 170° С. Сухой полимер выходит
из сушильной камеры и поступает в циклон, а затем в сепаратор, где
фракциям
ФУ
ге 8 и сушилке 9.
К важнейшим техническим свойствам поливинилхлорида следует от­
нести его относительно высокую прочность при разрыве — 58,8 МН/м2
(600 кГ/см2), сравнительно высокую ударную вязкость, устойчивость к
29
действию щелочных и кислых растворов, а также высокие диэлектриче­
ские свойства. Изделия на основе этого полимера (трубы, плитки) легко
свариваются в струе горячего воздуха при температуре 200° С.
Недостятком поливинилхлорида является сравнительно низкая тем­
пература размягчения (70°С). Кроме того, при нагревании полимера до
140— 150° С он начинает разлагаться с выделением хлористого водорода.
Для улучшения свойств поливинилхлорида (морозостойкости, тепло­
стойкости и пластичности) производят сополимеризацию его с другими
мономерами, например, с винилацетатом, метилметакрилатом и др.
Важнейшие технические свойства поливинилхлорида даны в табл. 5.
Таблица
5
Технические свойства поливинилхлорида
Наименование
Показатели
а>
О
■
О
Ьф
%
Плотность, г/см 3 ........................................................
1,30— 1,40
Коэффициент
теплопроводности,
Вт/(м-°С) .
( к к а л / м - ч * ° С ) ....................................... .... . . .
0 ,1 6 (0,14)
Водопоглощение за 24 ч, %
. ..........................
Предел прочности, М Н /м 2 (кГ/см2):
при сжатии
.........................................................
76,5- 78,4 (785 -800)
при и з г и б е ....................................... .....................
78,4 -117,6 (800—-1200)
при растяж ении....................................................
29,0- —36,8 ( 5 0 0 - -600)
Высокие технические свойства поливинилхлорида и его сополимеров,
а также неограниченная сырьевая база для его производства делают этот
полимер весьма перспективным для использования в строительстве.
На основе поливинилхлорида изготавливают синтетические линолеумы, плитки для пола, линкруст, трубы, не боящиеся агрессивных жид­
костей, газонаполненные пластмассы, обладающие высокими тепло- и
звукоизоляционными свойствами, и другие материалы. Пластифициро­
ванный поливинилхлорид широко используют для получения гидроизоля­
ционных и упаковочных пленок, а хлорированный полихлорвинил (пер­
хлорвинил) — для получения стойких лаков и красок.
Полистирол (—СНг—СНСбНб—)„ — твердый продукт полимериза­
ции стирола. Выпускают его в виде прозрачных листов, гранул (блоч­
ный полистирол) или белого порошка (эмульсионный полистирол).
Структура макромолекулы полистирола характеризуется значительной
разветвленностью и полидисперсностью.
Сырьем для производства полистирола служит стирол (СбНбСН =
СНг) — бесцветная воспламеняющаяся жидкость, содержащаяся в не­
которых фракциях каменноугольной смолы или вырабатываемая из бен­
зола. Стирол легко полимеризуется под действием солнечного света и
тепла. В производственных условиях стирол полимеризуется при 80° С
в присутствии перекисных соединений (перекиси водорода и перекиси
бензоила).
Получение полистирола осуществляют в основном водноэмульсион­
ной или блочной полимеризацией стирола. Процесс полимеризации сти­
рола (блочный метод) может осуществляться как периодическим, так и
непрерывным методами.
Технологическая схема блочной полимеризации стирола непрерыв­
ным методом, получившая наибольшее распространение, заключается в
следующем (рис. 4). Установка для полимеризации состоит из двух алю­
миниевых реакторов 1 и колонны 2 высотой 7 м. В реакторах произво­
дится предварительная полимеризация стирола до. содержания полиме­
ра около 35%. Каждый из реакторов емкостью по 2 м3 имеет лопастные
мешалки и снабжен рубашками и змеевиками,, по которым проходит
30
вода — горячая в начальный индукционным период и холодная после
начала полимеризации. В результате соответствующего режима в реак­
торах поддерживается постоянная темпера­
Азот
Строл
тура 75—85° С.
Образующаяся в реакторах смесь поли­
мера и мономера (стирола) находится там
около 60 ч при непрерывной подаче азота
для предотвращения окисления стирола и
полистирола. Полученный в реакторах форполимер поступает в колонну для оконча­
тельной полимеризации. Колонна состоит из
шести секций (царг) диаметром 0,65 м.
Верхняя секция имеет только обогреватель­
ную рубашку; остальные, кроме этого, име­
ют змеевики. Обогрев секций производится
циркуляцией высококипящих органических
теплоносителей. Температура теплового ре­
жима устанавливается так, чтобы процесс
полимеризации в колонне закончился в 25—
30 ч. При этом обычно в верхней секции тем­
пература устанавливается 100— 110° С, а в
>175-190
нижней — до 235° С.
Расплавленный полистирол при этой
температуре поступает из нижней секции в
конусообразную часть колонны, соединен­
>190-210
ную со шнеком 3. Шнек выдавливает гото­
вый продукт в холодильник 4, откуда поли­
мер поступает в дробилку. Блочный поли­
стирол выпускают, как правило, в виде гра­
нул (6— 10 мм) и упаковывают в мешки по
50 кг.
Блочный полистирол характеризуется
рядом положительных свойств: достаточной
водо- и химической стойкостью, прозрачно­
Рис. 4. Технологическая схема
стью, высокими диэлектрическими свойст­ блочной полимеризации стирола
вами, способностью поддаваться технологи­
непрерывным методом:
ческой обработке: полистирол и изделия на / — реакторы; 2 — башня-колонна;
3 — шнек; 4 — холодильник
его основе хорошо распиливаются, сверлят­
ся, обтачиваются, шлифуются, прессуются,
выдуваются под давлением, свариваются в струе горячего воздуха при
температуре 250° С, склеиваются и т. д. Полистирол и многие его сополимеры имеют и недостатки: низкую теплостойкость, малую прочность
при ударе, значительную растворимость в органических растворителях.
Однако, используя специальные катализаторы, можно получить поли­
стирол с кристаллической структурой, обладающей значительно лучши­
ми свойствами. Некоторые технические свойства блочного полистирола
приведены в табл. 6.
Таблица
6
Технические свойства полистирола блочного
Наименование
Показатели
Плотность, г /с м 3 ...........................................................
Температура плавления, °С . . . . . . . . .
Теплостойкость по Мартенсу, °С
......................
Предел прочности, не менее, М Н /м 2 (кГ/см 2):
при статическом изгибе ....................................
при растяжении
..................................................
1,04— 1,06
80—90
75—85
9 8 ,0 (1000)
3 4 ,3 —5 8 ,8 (3 5 0 -6 0 0 )
31
Блочный полистирол отличается высокой чистотой и имеет молеку­
лярную массу от 50 ООО до 300 ООО, а эмульсионный полистирол — от
70 ООО до 200 000.
Полистирол применяют для изготовления гидроизоляционных пле­
нок, облицовочных плиток, водопроводных труб, термоизоляционных ма­
териалов, различной тары, изделий для электропромышленности и т. п.
Перспективен полистирол в строительстве при изготовлении пеио- и поропластов. Некоторые сополимеры стирола найдут широкое использова­
ние в качестве лакокрасочных покрытий без растворителей и масел.
Полиметилметакрилат — продукт полимеризации метилового эфира
метакриловой кислоты, представляет собой совершенно прозрачный по­
лимер в виде листов, блоков, эмульсионных порошков.
Сырьем для получения полиметилметакрилата служит метилметакрилат, синтезируемый в свою очередь из ацетата путем его сложной хи­
мической переработки.
Полимеризация ведется блочным методом до получения полимера
с молекулярной массой более 200 000 и эмульсионным — до порошкооб­
разного продукта с молекулярной массой от 40 000 до 100 000Г
При блочной полимеризации тщательно перемешанную смесь моно­
мера, инициатора (перекись бензоила) и пластификатора (дибутилфталат) заливают в формы из силикатного полированного (зеркального)
стекла для полимеризации при определенном температурном режиме.
В зависимости от толщины слоя полимеризуемой композиции процесс
длится 18—40 ч при температуре от 40 до 130°С. По окончании полиме­
ризации из стеклянных форм вынимают готовые листы полиметилмета­
крилата.
К числу важнейших технических свойств органического стекла сле­
дует отнести его исключительную прозрачность, бесцветность и способ­
ность пропускать ультрафиолетовые лучи, светостойкость и атмосферостойкость. Так, если кварцевое стекло пропускает 100% ультрафиоле-;
товых лучей, обычное силикатное — только 1—3%, то органическое —
73,5%. При температуре выше 90°С полимер становится эластичным, а с
дальнейшим повышением температуры приобретает пластичные свойства
и хорошо формуется при умеренном давлении. Изделия из органического
стекла имеют относительно высокую прочность при сжатии— 156,9 М Н/м2
(1600 кГ/см2), растяжении и изгибе — 99,8 М Н/м2 (1000 кГ/см2) ’и значи­
тельную удельную ударную вязкость. Полиметилметакрилат легко под­
дается механической обработке (резанию, шлифовке и полировке) и поч­
ти не снижает своих свойств при пониженных температурах. Так, удель­
ная ударная вязкость органического стекла остается постоянной при
широком интервале температур —от + 6 0 до — 183° С. При соприкоснове­
нии с огнем полимер горит ярким пламенем, не стоек в агрессивных сре­
дах, легко растворяется в ряде органических растворителей (ацетон ук­
сусная кислота и др.).
Полиметилметакрилат (органическое стекло) применяют для остек­
ления зданий специального назначения, витрин магазинов, веранд, оран­
жерей, больниц, для изготовления светильников, фонарей производст­
венных цехов и т. п. Однако высокая стоимость этого полимера, а также
недостаточная абразивостойкость ограничивают его применение в строи­
тельстве.
v
В строительстве для различных целей могут быть использованы и
другие полимеры, получаемые методом полимеризации, в том числе:
политетрафторэтилен, поливинилацетат, индено-кумароновые полимеРы и ДР- Щ \
--.V
Политетрафторэтилен (—СҒ2—СҒ2—) я получают путем полимеризаиии тетрафторэтилена, который легко полимеризуется суспензионным
блочным методами или в растворителях. Политетрафторэтилен выпус­
кают в виде тонкодисперсного порошка марок А, Б и В. Политетрафтор­
32
этилен не растворим ни в одном из известных растворителей; обладает
наиболее высокой химической стойкостью и выдерживает высокие ра­
бочие температуры (до 200° С); этот полимер является также одним из
лучших диэлектриков; плотность е го — (2,14—2,25 г/см3), предел проч­
ности при разрыве — около 19,6 МН/м2 (200 кГ/см2). В строительстве по­
литетрафторэтилен применяют в качестве прокладок при устройстве
уплотняющих швов в особо коррозийных средах.
Поливинилацетат — продукт цепной полимеризации винилацетата:
сложного эфира уксусной кислоты и винилового спирта. Применяют его
в виде водных эмульсий для устройства бесшовных полов и изготовле­
ния лакокрасочных материалов.
Индено-кумароновый полимер — продукт полимеризации аромати­
ческих соединений: индено-кумарона и их гомологов, содержащихся в
сыром бензоле и фенольной фракции каменноугольной смолы. Этот по­
лимер используют для производства плиток для пола и изготовления
лаков и красок.
§ 3. Производство и свойства
поликонденсационных полимеров
Поликонденсационные полимеры получают при реакции поликонден­
сации, когда высокомолекулярное соединение образуется в результате
последовательного взаимодействия молекул, содержащих две или не­
сколько функциональных групп, способных вступить в реакцию. Реакция
поликонденсации обычно протекает при нагревании или под действием
катализаторов. При этом кроме полимера выделяются побочные низко­
молекулярные продукты (вода, спирт, хлористый водород и др.).
При синтезировании полимеров методом конденсации в исходных
продуктах содержатся обычно следующие функциональные группы:
Н2—ОН2; Cl—NH2; СООН и др.
Если реагирующие молекулы каждого из исходных продуктов име­
ют две группы, способные к реакции, то при конденсации получаются
полимеры линейной структуры. Если же в молекуле, хотя бы одного из
исходных продуктов, таких групп более двух, то образование макромо­
лекулы идет по всем направлениям, что приводит к пространственной
структуре полимера. Отсюда следует, что при реакции поликонденса­
ции могут быть образованы как линейные цепи, придающие полимеру
термопластические свойства, так и пространственные, обусловливаю­
щие термореактивные свойства.
Схему синтеза конденсационных полимеров (смол) можно предста­
вить на примере взаимодействия фенола и формальдегида, поскольку
большинство фенолов способно к реакции конденсации с альдегидами.
Простой фенол (СбН5ОН) при нагревании в водных растворах кислот
или щелочей вступает в реакцию с формальдегидом по схеме
С6Н5ОН + СН20 ->■ полимер + Н 20 .
Из полимеров, получаемых путем реакции поликонденсации, в стро­
ительстве чаще всего используют фенолоальдегидные, аминоформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, полиамидные и некоторые другие по­
лимеры (синтетические смолы).
Фенолоальдегидные полимеры — это продукты поликонденсации
фенолов, крезолов и т. п. с формальдегидом, фурфуролом, ацетальдегидом в присутствии катализаторов, создающих кислую или щелочную
среду.
Основным сырьем для производства полимеров этого вида служит
фенол — кристаллическое вещество, по химическому составу представ­
ляющее собой ароматическое соединение, в котором атом водорода бен­
зольного ядра замещен гидроксильной группой (карболовая кислота).
2— 558
33
Фенол токсичен, смешивается в любых количествах со спиртом и эфи­
ром, хорошо растворяется в водном растворе формальдегида и воде
(при 80°С). В производственных условиях фенол получают в процессе
переработки каменного угля или синтетическим путем. Промышленное
производство фенола основано на синтезе его из бензола.
Крезол (С 6Н 4СН 3ОН) — маслянистая токсичная жидкость прият­
ного запаха. Получают его из каменноугольного дегтя при переработке
каменного угля.
Фурфурол (С 5Н 4О2 ) — бесцветная жидкость с приятным запахом.
Получают его путем гидролиза отходов различных сельскохозяйствен­
ных продуктов (лузги подсолнухов, соломы, кукурузных отходов и т. п.).
Альдегиды — ароматические соединения, характеризующиеся нали­
чием карбонильной группы ( = С = 0 ) , в частности, формальдегид и ацетальдегид. Формальдегид — газ, применяющийся в виде водного раство­
ра, называемого формалином. Формалин является важнейшим компо­
нентом для получения ряда синтетических полимеров и начинает при­
обретать еще большее значение, как сырье для производства весьма
ценного полимера — стабильного полиформальдегида. В зависимости от
альдегида, взаимодействующего с фенолом, образующийся при поликон­
денсации полимер получает наименование фенолоформальдегидный,
фенолофурфурольный, фенололигниновый и т. п.
Фенолоформальдегидные полимеры получают путем поликонден­
сации фенола с формальдегидом. Технологический процесс производст­
ва фенолоформальдегидных полимеров состоит в основном из подготов­
ки сырья и загрузки его в варочный котел, варки полимера, сушки
(обезвоживания) и слива.
В зависимости от соотношения исходных продуктов поликонденса­
ции, а также от характера катализаторов реакции получаются различ-
Рис. 5. Технологическая схема производства новолачных фенолоформальдегидных поли­
меров периодическим методом:
/ — весовой мерник; 2 — распределитель; 3 — воронка распределителя; 4 — загрузочный бак- 5 — хо­
лодильник; 6 — емкость; 7 — варочный аппарат; 8 — сборник конденсата; 9 — вагоны-холодильники;
10 — центробежные насосы; / / — хранилища жидкого сырья
34
ные виды фенолоформальдегидных полимеров. Так, при избытке фенола
и конденсации в кислой среде образуются так называемые новолачные
(коволаки) полимеры с линейным строением молекул и термопластич­
ными свойствами. В то же время при избытке формальдегида и конден­
сации в щелочной среде образующиеся в начальный период фенолоспирты способны при дальнейшей по­
ликонденсации переходить в поли­
меры с трехмерным строением
молекул. Такие продукты поликонденсации называют термореактивными или резольными. Переход в неплавкое состояние резольных полимеров протекает в
три стадии А, В и С. В первой
стадии А полимер называют ре­
золом. Он растворяется в ацето­
не, спирте и других органических
растворителях. При нагревании
резолы с большей или меньшей
скоростью, в зависимости от тем­
пературы, переходят в неплавкое
и нерастворимое состояние (ста­
дию С). Резольный полимер в стаии В называют резитолом. В
этой промежуточной стадии поли­
мер утрачивает способность пла­
виться при нагревании и раство­
ряться в органических раствори­
телях. Однако в органических
растворителях резитол еще может набухать при нагревании.
В конечной стадии С полимер на­
зывают резитом, характеризую­
щимся неплавким и нераствори­
мым состоянием.
Рис. 6. Вертикальный реактор для про­
изводства фенолоформальдегидных по­
В зависимости от режима
лимеров:
сушки и соотношения исходных
/ — днище; 2 — сливное устройство; 3 — мекомпонентов резольные полимеры
ш алка; 4 - паровая рубашка; 5 — корпус реактора; 6 —крышка; 7 — люк для очистки
могут быть получены в твердом
котла; 8 — привод
или вязко-жидком состоянии.
Производство твердых поликонденсационных полимеров значительно более сложно, нежели вязкожидких продуктов вследствие способности последних легко переходить
в стадию С.
Технологическая схема производства новолачных фенолоформаль­
дегидных полимеров периодическим методом следующая (рис. 5). Ж ид­
кие сырьевые компоненты (фенол, формалин) из хранилища 11 насо­
сом подаются в весовой мерник 1. Заданное количество каждого ком­
понента через распределитель 2 поступает в загрузочный бак 4, а з а ­
тем — в варочный аппарат 7.
Варочный аппарат, представляющий собой вертикальный реактор
из нержавеющей стали (рис. 6), снабжен мешалкой и паровой рубаш­
кой. Кроме того, он имеет два смотровых окна для освещения и наблю­
дения за ходом процесса поликонденсации, штуцер для отвода пара в
холодильник, манометр, термометр, предохранительный клапан и воз­
душник. Паровая рубашка реактора соединена с паропроводом для
нагревания реакционной массы и линией холодной воды для охлажде­
ния ее. Варочный аппарат соединен с холодильником .5 (см. рис. 5).
2*
35
При этом конденсат из холодильника может быть снова направлен в
аппарат 7 или в емкость, из которой затем в сборник конденсата 8.
В перемешанное сырье, находящееся в реакторе, через специальный
штуцер вводят катализатор (соляную кислоту плотностью 1,19 г/см3 в
количестве, необходимом для создания pH 1,6—2,3).
Затем реакционную смесь нагревают до температуры 60—65° С в
течение 30—40 мин, после чего подачу тепла прекращают вследствие
дальнейшего повышения температуры смеси за счет тепла реакции по­
ликонденсации. После того как температура реакционной смеси в аппа­
рате достигнет 98^100° С, мешалку останавливают, и в рубашку реак­
тора 7 подают воду с таким расчетом, чтобы обеспечить слабое кипение
смеси. После 20 мин кипения вновь включают мешалку и вводят вто­
рую порцию катализатора. Через 25 мин в паровую рубашку аппарата 7
подают пар под избыточным давлением 0,15 МПа (1,5 ати) и кипение
смеси продолжается еще 50 мин, после чего отбирают пробу на плот­
ность полученной смеси. По достижении заданной плотности (каждая
марка полимера имеет свою плотность) процесс поликонденсации з а ­
канчивают. Прекращают подачу пара, а холодильник 5 переключают так,
чтобы обеспечить поступление конденсата в сборник 8.
Затем следует процесс сушки полимера, заключающийся в удалении
из него воды, формальдегида, летучих катализаторов и других побочных
продуктов реакции. Д ля этой цели температуру полимера повышают до
135— 140° С. После удаления летучих фракций производят выдержку
(термообработку) при указанной температуре в течение 8—9 ч, что со­
ответствует обычно температуре каплепадения (по Уббеллоде) 95—
105° С.
V;
Слив готового новолачного полимера производят в вагоны-холодильники 9 или специальные противни. При аппаратах большой емкос­
ти полимер целесообразно сливать на охлаждаемые барабаны или лен­
точный транспортер. Новолачный полимер после слива и затвердевания
поступает в дробильную установку для измельчения. Д алее его упаковы­
вают в мешки для отправки потребителю.
Д ля получения резольных полимеров применяют практически те же
сырьевые компоненты, что и при производстве новолачных. Однако в
этом случае катализаторами являются щелочи (едкий натр, гидроокись
бария и др.). Технология получения твердых резольных полимеров пе­
риодическим методом аналогична технологической схеме производства
новолачных полимеров.
Новолачные полимеры выпускают следующих марок: 15 при плот­
ности 1,17 г/см3, 17 при плотности 1,175; 18, 19 и 20 при плотности 1,19.
Резольные эмульсионные полимеры могут иметь марки: 21 — фенолоформальдегидный, 22 — крезолформальдегидный и др. Твердые ре­
зольные полимеры имеют марки: 211, 214, 220.
Фенолоформальдегидные полимеры в твердом состоянии представ­
ляют собой хрупкие стеклообразные массы и характеризуются высокой
поверхностной твердостью. Одним из достоинств фенолоформальдегидных полимеров является их способность хорошо совмещаться с напол­
нителями и давать материалы более прочные, теплостойкие и менее
хрупкие, чем сами полимеры. Эти полимеры отличаются весьма высо­
кой адгезией (прилипанием) к древесине, хлопчатобумажным тканям,
бумаге. Фенолоформальдегидные полимеры и материалы на их основе
обладают исключительно высокой химической стойкостью. Их исполь­
зуют для производства клеев, древесностружечных и древесноволокнис­
тых плит, древеснослоистых пластиков, бумажнослоистых пластиков,
водостойкой фанеры, сотопластов, минераловатных и стекловатных ма­
тов, спиртовых лаков, широко применяемых в строительстве.
Аминоформальдегидные полимеры — продукт реакции поликонден­
сации мочевины (карбамида) и меламина с формальдегидом. Сырьем
36
для получения этих полимеров, кроме формальдегида, являются моче­
вина и меламин.
Мочевина — карбамид [СО— (NH2b ] в чистом виде — представляет
собой длинные кристаллы без цвета и запаха, хорошо растворимые в
воде и хлороформе. Мочевину получают путем синтеза ее из аммиака и
углекислоты. Развитие производства мочевины является основным усло­
вием увеличения выпуска различных амино-полимеров.
Меламин представляет собой мелкие бесцветные кристаллы, хоро­
шо растворимые в глицерине и получаемые из дициандиамида или пу­
тем синтеза из мочевины.
Взаимодействие мочевины с формальдегидом в процессе поликон­
денсации дает термопластичные и термореактивные полимеры. Поли­
конденсация мочевины и формальдегида протекает в три стадии, ана­
логично процессам образования резольных фенолоформальдегидных по­
лимеров.
Мочевиноформальдегидные полимеры имеют весьма широкое при­
менение особенно для изготовления отделочных материалов. Изделия
на основе этих полимеров отличаются светлым тоном и хорошо окраши­
ваются в любой цвет. На основе мочевиноформальдегидных полимеров
с использованием в качестве наполнителей бумаги и тканей получают
слоистые пластики. Кроме того, эти полимеры широко применяют для
получения древесностружечных плит, пенопластов и др.
Меламиноформальдегидные полимеры — продукты поликонденса­
ции меламина и формальдегида. Процесс поликонденсации этих поли­
меров весьма сходен с поликонденсацией мочевины с формальдегидом.
Однако меламиноформальдегидные полимеры
вследствие большего
числа связей («сшивок») обладают несколько большей прочностью,
твердостью и теплостойкостью. Обычные продукты конденсации мелами­
на и формальдегида имеют ограниченное применение в строительстве.
В результате растворимости в воде используют их в виде водных рас­
творов.
Аминоформальдегидные полимеры выгодно отличаются от феноло­
формальдегидных бесцветностью, высокой светостойкостью и отсутст­
вием запаха. Во всех промежуточных стадиях производства (до от­
верждения) они хорошо растворяются в воде и прочно сцепляются с ма­
териалами, содержащими целлюлозу, при этом хорошая адгезия
сохраняется и после перехода смолы в стадию неплавкого и нераство­
римого состояния.
Полиуретаны — продукты взаимодействия диизоцианатов и много­
атомных спиртов, т. е. веществ, в молекулы которых входят две изо­
цианатные группы ( 0 = C = N) с соединениями, содержащими две или
более гидроксильные группы. Реакция получения протекает при нор­
мальной температуре (или малом подогреве) без катализаторов с боль­
шой скоростью и незначительным выделением тепла.
Полиуретаны чаще всего бывают линейными микрокристалличе­
скими высокополимерами. Однако в случае применения веществ с поли­
реактивностью более двух (трехатомных спиртов или триизоцианатов)
могут быть получены и термореактивные полимеры.
В промышленности полиуретан чаще всего синтезируется из гексаметилендиизоцианата, получаемого в свою очередь при взаимодействии
фосгена и гексаметилендиамина и бутандиола (продукты соединения
ацетилена и формальдегида).
Полиуретаны применяют для изготовления волокон, лакокрасоч­
ных покрытий и клеев. Большое значение приобретает этот полимер для
производства газонаполненных пластмасс весьма малой объемной массы
(до 30 кг/м3), обладающих прекрасными тепло- и звукоизоляционными
свойствами.
37
Полиэфиры — высокомолекулярные соединения, получаемые в ре­
зультате поликонденсации многоосновных кислот со спиртами. Широкое
применение получили главным образом глифталевые полимеры, синте­
зируемые путем взаимодействия глицерина с ангидридом фталевой кис­
лоты. Глицерин — простейший трехатомныи спирт СзНб(ОН)з и фталевый ангидрид С6Н4( С 0 ) 20 — в результате реакции поликонденсации об­
разуется глифталевый полимер с трехмерными сетчатыми молекулами.
В промышленности строительных материалов глифталевые полиме­
ры используют для изготовления лаков, эмалей и грунтовок для внут­
ренней отделки помещений и др.
Полиэфиры вследствие относительной дешевизны, а также разви­
той сырьевой базы для их получения имеют широкое применение в ка­
честве прочных и теплостойких лакокрасочных покрытий.
Кроме рассмотренных полимеров в строительстве получили значи­
тельное распространение также эпоксидные полимеры и полиамиды.
Эпоксидные полимеры (полиэпоксиды) — продукты поликонденса­
ции двух органических низкомолекулярных соединений, из которых одно
=с— с = .
должно содержать эпоксигруппу
4VY^
■I
3 д РУгое иметь подвиж-
(фенол
видностей этих полимеров является полиэпоксид, получаемый конден­
сацией эпихлоргидрина и диоксидифенолпропана. Эпоксидные полиме­
ры могут быть получены как в твердом, так и в жидком состоянии. Эти
разновидности полимеров широко применяются в различных отраслях
народного хозяйства, благодаря ряду ценных технических свойств.
В большинстве случаев эти полимеры представляют собой жидкос­
ти различной вязкости, растворяющиеся в спиртах или ацетоне. Введе­
ние в эпоксидные полимеры полиаминов приводит к отверждению поли­
мера и переходу его в стадию неплавкого и нерастворимого состояния
(С). При этом некоторые полимеры отверждаются при нагревании до
180—200° С, а другие — при комнатной температуре. В нашей стране вы­
пускают эпоксидные полимеры марок ЭД-5 и ЭД-6, имеющие жидкую
консистенцию; ЭД-13 и ЭД-15, Э-41 (твердые) с небольшой молекуляр­
ной массой 400—2000. Кроме этого, производят полимеры для изготов­
ления универсальных синтетических клеев, весьма устойчивых в различ­
ных средах, и для лакокрасочных покрытий.
Эпоксидные полимеры обладают исключительно высокой адгезией
почти ко всем материалам и в том числе к металлам, бетону, древеси­
не, стекловолокну, хлопчатобумажным тканям. Они хорошо совмеща­
ются со многими полимерами и после отверждения характеризуются вы­
сокой химической стойкостью. При добавлении к эпоксидным полиме­
рам некоторых наполнителей и пластификаторов получают хорошо
цементирующий материал для герметизации стыков и ремонта труб раз­
личных сетей.
Полиамидные полимеры — продукты реакции
поликонденсации
двухосновных кислот и диаминов. Полиамидные полимеры представля­
ют собой ^твердые высокоплавкие вещества с микрокристаллической
структурой и термореактивными свойствами. По своему строению и спо­
собу получения они весьма сходны с полиэфирами. В строительстве они
нашли применение для изготовления влагоизолирующих пленок, исполь­
зуемых при производстве бетонных работ.
;Ш
Кремнииорганические полимеры — высокомолекулярные соедине­
ния, в состав молекул которых наряду с другими элементами входят
обязательно углерод и кремний. По характеру строения молекул поли­
меры могут быть органические и минеральные. Отличительной особен­
ностью минеральных полимеров является наличие кремнийкислородной
(силоксановой) связи. Если органические полимеры неустойчивы уже
38
при температуре 100— 140° С, то минеральные полимеры, как правило,
не разрушаются при нагревании до 500° С. Высокая теплостойкость и
твердость минеральных полимеров объясняется большей энергией свя­
зи кремния с кислородом, по сравнению со связями углерода, кислоро­
да и азота в органических полимерах, обладающих пластическими и
эластическими свойствами. Таким образом, полимеры, в которых основ­
ная цепь содержит силоксановые, а боковые группы — углеродистые
связи (кремнийорганические полимеры), обладают техническими свой­
ствами, присущими как силикатным материалам (прочность, твердость,
теплостойкость), так и органическим полимерам (эластичность и др.).
В строительной технике наиболее широкое применение получили крем­
нийорганические полимеры типа
R
R
Si—О—Si
R
R
т. е. с силоксановой связью. Эти соединения содержат углерод в виде
различных радикалов в боковых цепях. Кремнийорганические полимеры
в зависимости от строения исходных мономеров могут иметь как линей­
ное, так и более сложное пространственное строение молекул. Эти по­
лимеры хорошо растворяются в бензоле и других органических раство­
рителях.
На основе кремнийорганических полимеров изготовляют много
разновидностей лаков и эмалей, применяющихся для защиты металлов
от коррозии. Такие эмали с добавкой, например металлической алюминиевои пудры, выдерживают высокие температуры до 500° С без изменения свойств. Составы, приготовленные на основе кремнийорганических полимеров, наносят тонким слоем на наружные стены, лепные укра­
шения, для предохранения их от разрушающего действия атмосферных
осадков. Некоторые специальные виды кремнийорганических полимеров,
будучи нанесены на поверхность строительных конструкций, проникают
в глубь материала на 3—6 мм и, затвердевая, образуют прочную гид­
рофобную пленку, предохраняющую изделие от воздействия влаги.
Основным недостатком кремнийорганических полимеров является их
сравнительно слабая адгезия к ряду материалов (металлу, древесине
и др.). Однако они хорошо сцепляются с асбестовым и стеклян­
ным волокном, позволяют получать на их основе ряд слоистых
пластиков.
Полимеры, получаемые путем химической модификации природных
высокомолекулярных веществ (целлюлозы и белков), практического
значения в строительстве не имеют вследствие невысоких строительных
качеств. К таким полимерам относятся этилцеллюлоза, метилцеллюлоза,
ацетилцеллюлоза, альбумин, галалит и др. Из ацетилцеллюлозы, напри­
мер, вырабатывают стекла для различных специальных целей, а также
лаки для древесины и металла, отличающиеся достаточной прочностью
и водонепроницаемостью. Галалит внешне походит на натуральный рог,
является хорошим поделочным материалом, легко поддающимся техно­
логической обработке. Применяют его лишь для предметов широкого
потребления (галантереи). Альбумин получают из боенской крови ж и­
вотных и часто используют в качестве клея для склеивания строитель­
ной фанеры.
39
§ 4. Составляющие компоненты
и структура полимерных материалов
На основе полимеров могут изготавливаться самые различные виды
пластмасс, резины, герметики, заливочные составы, мастики, лакокра­
сочные материалы и т. п.
Д ля получения этих материалов и изделий полимеры чаще всего
используют в виде композиций с другими веществами. В состав поли­
мерных материалов и изделий, кроме полимера, могут входить: напол­
нители, отвердители, пластификаторы, мягчители, смазки, красители,
стабилизаторы, растворители (для лакокрасочных композиций) и дру­
гие вещества.
В качестве наполнителей используют органические или минераль­
ные материалы. Наполнители полимерных композиций могут быть твер­
дые, жидкие и газообразные вещества. Наибольшее распространение
получили твердые наполнители и газы. Наполнители не только умень­
шают расход дорогостоящего связующего (полимера), но и оказывают
весьма существенное влияние на свойства материала, придавая им над­
лежащую прочность, тепло- и огнестойкость, электро- и теплопровод­
ность и т. д. Так, если наполнитель обладает электропроводностью, то
и полимерный материал будет в той или иной степени электропроводным,
и наоборот.
''іШ И
Наполнитель не только инертно заполняет большую часть объема
материала, снижает его стоимость и т. п., но и в зависимости от хими­
ческого состава и строения может активно вступать во взаимодействие
с полимером. Действительно, при объединении наполнителя с полимера­
ми на границе раздела фаз полимер — наполнитель развиваются по­
верхностные явления: адсорбции, смачивания, хемосорбции, адгезии
и т. п., оказывающие значительные влияния на физико-механические
свойства полимерного материала в целом.
Если наполнитель в такой же степени полярен, как и полимер, то он
активно взаимодействует с полимером и оказывает влияние на повыше­
ние прочностных свойств материала (при оптимальной степени напол­
нения). Однако это повышение прочности материала наблюдается до
определенного количества наполнителя. Дальнейшее введение его мо­
жет привести к потере механической прочности материала, так как по­
является много частиц наполнителя, не «смоченных» полимером.
Напротив, в случае неодинаковой полярности полимера и наполни­
теля (полимер не смачивает наполнитель), последний не проявляет над­
лежащей активности и может влиять на снижение прочностных харак­
теристик материала.
В результате поверхностных явлений, протекающих на границе р аз­
дела наполнителя и полимера, происходит упорядочение расположения
молекул, их ориентация, оказывающая существенное влияние на улучше­
ние свойств пластиков.
По отношению к органическим вьісокомолекулярным соединениям
к числу активных наполнителей следует отнести минеральные тонко­
дисперсные порошки, имеющие в своем составе положительные ионы
(известняковая мука, мел и др.). Чем выше дисперсность
порошка, тем он более активен. Наоборот, наполнитель, содержащий в
составе отрицательные ионы кислорода (кварцевые наполнители), будет
иметь меньшую активность.
Д ля производства пластических масс используют порошкообраз­
ные, волокнистые и листовые наполнители.
К порошкообразным наполнителям относят древесную, бакелитовую
кварцевую муку и др. Древесная мука представляет собой мелкоизмельченную древесину хвойных пород (сосна, ель, кедр, лиственница, пих­
та), не имеющую гнили. Бакелитовая мука — наполнитель, получае­
40
мый путем измельчения отходов производства изделий типа феноплас­
тов. Бакелитовую муку вводят при смешивании компонентов, а иногда
как добавку в пресс-порошки. Кварцевая мука — измельченный квар­
цевый песок. Кроме этого, в качестве порошкообразных наполнителей
применяют: измельченный мел, известняки, сульфат бария (барит),
тальк, каолин, графит и другие минеральные порошки. Кварцевая мука
и некоторые другие измельченные породы (известняк) при введении в
пластмассу увеличивают их теплостойкость и твердость. Сульфат бария
(белый порошок) придает изделиям высокую кислото-, теплостойкость
и твердость.
, К~ волокнистым наполнителям относятся древесное волокно, хлоп­
ковые очесы (линтер), синтетические волокна, асбестовое волокно, стек­
ловолокно и др. Особенно широкое применение получили древесное и
стеклянные волТжна, на основе которых изготавливают многие разно­
видности пластмасс, обладающие высокими механическими свойствами
(СВАМ и др.). Асбестовые наполнители используют для изготовления
особо термостойких и химически стойких пластиков (асбестотекстолит,
волокнит). В производстве пластмасс используют главным образом па­
раллельно волокнистый асбест и особенно хризотил-асбест.
К листовым наполнителям относятся бумага, хлопчатобумажные
ткайи, ткани из синтетических волокон- древесный шпон, стеклоткань,
стеклошпон, асбестовый картон и др.
Бумага — листовой наполнитель для изготовления слоистых плас­
тиков: декоративных, конструктивных и других видов слоистых мате­
риалов, обладающих повышенными электроизоляционными свойствами.
Ассортимент бумаг, применяемых для обработки их полимерами, весьма
широк. По своему назначению бумага делится на два вида, а именно:
пропиточная бумага для изготовления главным образом листовых мате­
риалов и намоточная — для намоточных изделий.
Весьма ценными бумагами для производства слоистых пластмасс
является сульфитная крафт-целлюлоза, т. е. бумага, имеющая высокую
прочность на разрыв. На основе бумаги разных сортов изготавливают
декоративный бумажнослоистый пластик (Д БС П ), обладающий высо­
кими декоративными и электроизоляционными свойствами.
Д ля производства слоистых пластиков могут быть использованы
хлопчатобумажные ткани трех видов переплетения нитей: гарнитурного,
саржевого и сатинового. Однако отдают предпочтение тканям — бязи,
миткали, парусине; применяются также технический бельн-корд и др.
Стеклянную ткань изготавливают из бесщелочного стеклянного во­
локна" с применением замасливателей. Щелочные составы стекла дают
ткани меньшей прочности и атмосферостойкости. Д ля изготовления
пластмасс применяют стеклоткани, у которых основа и уток из стекла,
основа — хлопчатобумажная, уток из стекловолокна и, наконец, основа
из стекла и уток хлопчатобумажный./
На основе хлопчатобумажных й стеклянных тканей изготавливают
слоистые пластики (текстолит и стеклотекстолит), обладающие высо­
кой механической прочностью и коэффициентом конструктивного ка­
чества.
За последнее время для изготовления слоистых пластиков начали
использовать синтетические ткани типа «капрон». Так, текстолит, полу­
ченный на основе этой ткани, имеет очень малые диэлектрические поте­
ри и малое водопоглощение.'
В зависимости от вида наполнителя полимерные композиции (пласт­
массы) могут иметь самую разнообразную структуру.
Полимерные материалы по своей структуре могут быть микроскопи­
чески однородными, т. е. состоящими из одного полимерного вещества,
и микроскопически неоднородными, состоящими не только из полимер­
ного вещества, но и из диспергированных или ориентированных в нем
41
инородных частиц или слоев наполнителя. Кроме того, строение самого
наполнителя предопределяет структуру полимерного материала в це­
лом. Так, волокнистые наполнители образуют материалы волокнистой
структуры (древесноволокнистые плиты, стекловолокнистые материалы
и т. п.). Листовые наполнители в свою очередь образуют слоистую струк­
туру пластиков (древеснослоистые пластики, бумажнослоистые пласти­
ки и т. п.).:И, наконец, введение газообразных наполнителей позволяет
получить пластмассы пористой структуры (пенополистирол, пенопо­
лиуретан, пенополивинилхлорид, мипора и т. д.).
Пластификаторы в большинстве случаев представляю т собой низко­
молекулярные, высококипящие жидкости, иногда тверды е вещ ества.
Полимеры при взаимодействии с пластификатором вн ачале поглощ аю т
его, увеличиваются в объеме и набухают. П ри набухании образуется
мономолекулярный слой растворителя вокруг цепи полимера, вследст­
вие чего ослабляю тся связи м еж ду звеньями и молекулами полимера.
П ластификации поддаются только полимеры линейного строения.
В полимерах пространственного строения жесткость связей т а к велика,
что молекулы пластиф икатора не могут внедриться в пространство, з а ­
нимаемое макромолекулами./!
\
В зависимости от свойств выпускаемого материала количество вво­
димого пластификатора составляет 5—40%. Процесс пластификации з а ­
ключается в смешении порошкообразного полимера с жидким или рас­
плавленным пластификатором в смесителях. Чаще всего в качестве
пластификатора применяют такие малолетучие вещества, которые молекулярно распределяются в полимере, снижают их хрупкость и позво­
ляют композиции хорошо формоваться в процессе производства изде­
лий. К числу таких пластификаторов можно отнести камфору, олеино­
вую кислоту, дибутилфталат, стеарат аммония и др.
Следует заметить, что при изготовлении пластмасс на основе тер­
мореактивных полимеров применение пластификаторов в большинстве
случаев излишне, а для большинства термопластичных полимеров при­
менение пластификаторов обязательно.
/Отвердитель — химическое вещество, вводимое в композицию для
перевода в процессе производства термопластичных полимеров в термо­
реактивные. К числу наиболее распространенных отвердителей относится
уротропин. В промышленности уротропин получают путем насыщения
формалина а м м и а к о в
Смазывающие вещества — химические добавки, вводимые в компо­
зицию для предупреждения прилипания изделий к стенкам формы в
процессе формования. В качестве смазывающих веществ применяют
обычно стеарин, олеиновую кислоту, соли жирных кислот и др. Стеарин
как смазывающее вещество является обязательным составлятбщим ком­
позиции пластмасс, так как улучшает таблетируемость пресс-порошков
и обеспечивает хорошее отделение изделий от формы. Олеиновая кис­
лота часто вводится не в состав композиции пластмассы, а непосредст­
венно в реактор при сушке полимера, что дает более равномерное ее
распределение в полимере.
Красители вводят в состав композиции для придания изделию из
пластмассы необходимого цвета. При этом красители должны быть све­
тостойки, выдерживать'высокие температуры (до 210° С) и давление.
Д ля этих целей используют минеральные (охру, мумию, сурик, умбру,
ультрамарин, окись хрома и др.) и органические (нигрозин, хризоидин)
пигменты и красители. Светлые тона пластмассам придают белые пиг­
менты: литопон, двуокись титана, окись цинка и др.
Порообразователи, вводимые в композицию при получении газона­
полненных пластмасс, представляют собой жидкие, твердые или газо­
образные вещества как минерального, так и органического происхож­
дения. К числу наиболее распространенных порообразователей следует
42
отнести твердые вспенивающие вещества — порофоры. Введенные в
композицию порофоры при нагревании разлагаются и выделяют газы,
вспенивающие пластмассу, находящуюся в размягченном состоянии^
К неорганическим порофорам относятся карбонат аммония, углекислый
аммоний (ЫН4) 2СОз и др. Эти порофоры вследствие доступности и деше­
визны нашли наиболее широкое применение в производстве пенопластов
на основе полистирола и полихлорвинила.
Распространены следующие органические газообразователи: порофор ЧХЗ-57 (азоизобутиронитрил) — кристаллический порошок белого
цвета, применяющийся при производстве газонаполненных пластмасс на
основе поливинилхлорида, фенольных и эпоксидных полимеров; порофор ЧХЗ-И (азодиакарболамид) — весьма активный газообразователь в
виде кристаллов лимонного цвета, обеспечивающий образование в изде­
лиях однородной мелкокристаллической структуры. Кроме указанных
порофоров существует и много других газообразователей как органиче­
ского, так и неорганического происхождения.
' Растворители — летучие органические жидкости,
применяемые
обычно при составлении лакокрасочных полимерных композиций. Р ас­
творители применяют для растворения полимеров, пластификаторов с
целью перевода их в жидкоё состояние, удобное для нанесения лакокра­
сочных материалов на окрашиваемую поверхность. После нанесения л а ­
кокрасочного состава растворители постепенно испаряются — улетучи­
ваются.1
Из многочисленных растворителей, используемых для лакокрасоч­
ных полимерных композиций, применяют бензины (уайт-спирит), бен­
зол, толуол каменноугольный, ксилол нефтяной, сольвент (каменно­
угольный и нефтяной), скипидар, ацетон технический. Так, уайт-спирит
и скипидар применяют в качестве активных растворителей для масля­
ных лаков и эмалей. Ароматические растворители — толуол, ксилол и
сольвент для растворения алкидных и эпоксидных полимеров, а также
в качестве разбавителей для эфирцеллюлозных, перхлорвиниловых и
других лаков.
На основе перечисленных полимеров, наполнителей и других ком­
понентов изготавливают пластические массы, уже получившие широкое
распространение в качестве строительных материалов.
При этом производство строительных материалов из пластмасс раз­
вивается в первую очередь в направлении изготовления материалов для
устройства полов жилых и промышленных зданий, материалов для сан­
технического оборудования, тепло- и звукоизоляционных материалов и,
наконец, различных отделочных материалов.
Г л а в а IV
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА
СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛАСТМАСС
Производство строительных материалов и изделий из полимерных
композиций состоит из следующих основных этапов: подготовки состав­
ляющих компонентов; приготовления полуфабрикатов — пресс-порош­
ков, таблеток и др.; переработки полуфабрикатов в изделия.
Подготовка составляющих компонентов и полуфабрикатов для пе­
реработки их в строительные материалы и изделия производится путем
различных технологических операций, в том числе дробления, помола,
сушки, перемешивания и перетирания компонентов, пропитки наполни­
телей полимерами и нанесения полимеров и паст на рулонные наполни­
тели и т. п.
Все эти технологические операции осуществляют с помощью самых
разнообразных машин и механического оборудования, применяемого
также и в других отраслях промышленности строительных материалов:
дробильных установок, помольных агрегатов, сушильных и смеситель­
ных установок и пропиточных устройств, наконец, транспортного обору­
дования для перемещения компонентов как в горизонтальном, так и
вертикальном направлениях.
§ 1. Измельчение составляющих
материалов
Дробление производится с помощью дробилок, которые по конст­
рукции и принципу действия могут быть: щековые со сложным и прос­
тым качанием подвижной щеки; конусные, в которых материал частич­
но истирается и раздавливается непрерывно между двумя конусами;
валковые, в которых дробимый материал раздавливается и истирается
между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу; молотко­
вые, где материал дробится с помощью молотков, насаженных свобод­
но на быстровращающийся ротор и бегуны, обеспечивающие очень мел­
кое дробление или грубый помол материала с помощью вращающихся
катков.
Помол осуществляется с помощью мельниц, которые делят по прин­
ципу действия на: барабанные (шаровые); ударные; пневматические;
вибрационные, применяемые для тонкого и сверхтонкого измельчения;
струйные, предназначенные для сверхтонкого измельчения материала за
счет соударения частиц, находящихся в турбулентном воздушном потоке.
Шаровые мельницы имеют широкое применение для измельчения
разнообразных наполнителей.
Ударные мельницы используют главным образом для материалов
невысокой механической прочности. Из ударных (молотковых) мель­
ниц следует выделить дезинтеграторы горизонтального или вертикаль­
ного типа. Дезинтеграторы горизонтального типа особенно распростра­
нены для тонкого измельчения красителей и различных химических до­
бавок. Дезинтеграторы вертикального типа находят широкое примене­
ние для измельчения химических продуктов с большим содержанием
влаги, а также при помоле термочувствительных составляющих пласт­
масс.
Вибрационные мельницы эффективны для сверхтонкого измельче­
ния. В таких мельницах материал в процессе измельчения подвергает­
ся многократному воздействию мелющих шаров, поскольку число со­
ударений в вибрационных мельницах во много раз больше, нежели в
обычных шаровых мельницах.
44
Одним из распространенных наполнителей для пластмасс является
древесина, измельчаемая в стружку или муку. Измельчение древесины
в стружку осуществляется с помощью молотковых дробилок и специ­
альных рубильных машин ударного действия. Машины ударного дей­
ствия вследствие ряда недостатков часто заменяют резанием, которое
обеспечивает получение древесного наполнителя постоянной и опреде­
ленной толщины. Д ля этой цели древесину измельчают на различных
стружечных станках.
При изготовлении древесного наполнителя для древесноволокнис­
тых плит размол древесины производят с помощью дисковых мельниц —
дефибраторов и рафинаторов. Дефибраторы применяют для предвари­
тельного размола и пропарки щепы. Рафинаторы предназначаются для
окончательного домола древесной массы и отличаются конструктивным
оформлением размольной камеры и тем, что не имеют камеры подо­
грева.
§ 2. Сортировка и сушка
составляющих материалов
Сортировка составляющих компонентов. Измельченные сырьевые
материалы и другие компоненты, применяемые при производстве пласт­
масс, часто необходимо разделять на фракции по крупности частиц.
В зависимости от свойств составляющих компонентов разделение на
фракции можно осуществлять с помощью механических грохотов, гид­
равлической классификации, воздушной и электромагнитной сепарации.
Грохочение (механическая сортировка) производят обычно на машинах,
в которых разделяемый по величине частиц материал проходит через
колосники, решета или сита. Гидравлическую классификацию применя­
ют для разделения тонкоизмельченных материалов при мокром помоле.
Способ гидравлического разделения частиц основан на различной ско­
рости осаждения крупных и мелких зерен в водной среде.
При разделении особо тонких фракций используют обычно воздуш­
ную сепарацию, с помощью которой частицы различной крупности раз­
деляются в воздушном потоке под действием силы тяжести, давления
струи потока воздуха и центробежных сил.
Электромагнитную сепарацию сырьевых материалов применяют
обычно лишь для отделения вредных ферромагнитных примесей, путем
пропускания материала через магнитное поле, создаваемое электромаг­
нитом. Ферромагнитные включения, притягиваясь к наружной поверх­
ности барабана — сепаратора, проходят вместе с ним до нижней грани­
цы магнитного поля. Пройдя границу притяжения, ферромагнитные
частицы отделяются от барабана под действием силы тяжести и отсор­
тировываются.
Сушка составляющих компонентов. При изготовлении полимерных
материалов подсушивание и сушка промежуточных сырьевых и конеч­
ных продуктов является одной из важнейших производственных опера­
ций. Удаление влаги из твердых и пастообразных составляющих полу­
фабрикатов для полимерных материалов позволяет придать им необ­
ходимые свойства. Уменьшить, например, слеживаемость, повысить
адгезию полимера с наполнителем, удешевить их транспортировку, сни­
зить коррозию аппаратуры при последующей переработке полуфабри­
катов и т. п. Влагу из просушиваемых материалов можно удалить пу­
тем отжима, фильтрования, центрифугирования, т. е. механическим пу­
тем. Однако более полное удаление влаги достигается путем испарения
ее с помощью тепловой сушки материалов.
Сушка по своей физической сущности является сложным диффузи­
онным процессом. Скорость сушки таким образом определяется скоро­
стью диффузии влаги в окружающую среду из глубины просушиваемо45
го материала. Сушка материалов может осуществляться в неподвижном
слое или при перемешивании материала. При сушке в неподвижном
слое испарение влаги происходит с поверхности материала. При пере­
мешивании процесс сушки протекает быстрее, так как увеличивается
поверхность испарения влаги и уменьшается сопротивление движению
образующихся паров.
В зависимости от способа подведения тепла к просушиваемому ма­
териалу различают следующие виды сушки:
конвективная сушка, при которой высушиваемый материал непо­
средственно соприкасается с нагретым воздухом или топочными газами
в смеси с воздухом;
контактная сушка, при которой тепло передается от теплоносителя
к высушиваемому материалу через разделительную стенку;
специальные виды сушки, т. е. сушка инфракрасными лучами, ра­
диационная, путем нагрева в поле токов высокой частоты (диэлектри­
ческая сушка) и сушка в замороженном состоянии в глубоком вакууме
(сублимационная сушка).
Для сушки сырьевых материалов и полуфабрикатов применяют су­
шилки самой разнообразной конструкции. Сушку порошкообразных на­
полнителей и пресс-композиции осуществляют в барабанных, гребковых,
ленточных, турбинных и других сушилках, работающих часто под ва­
куумом.
Прогрессивными аппаратами для сушки самых различных материа­
лов являются сушилки с «кипящим (псевдоожиженным) слоем». Их ус­
пешно используют для сушки не только сыпучих составляющих, но и
материалов, способных к комкованию, а также полистирола, нейлона,
поливинилхлорида, полиэтилена и некоторых других полимеров. Кроме
того, на этих сушилках возможна сушка и пастообразных материалов.
В производстве полимерных материалов наиболее распространены
однокамерные сушилки непрерывного действия.
Д ля просушивания термочувствительных полимерных материалов
может быть использована также двухстадийная пневматическая сушил­
ка; для высушивания полимерных материалов чувствительных к исти­
ранию — сушилка с вибротранспортером и т. п.
§ 3. Машины и аппараты
для перемешивания и пластификации
компонентов
Важнейшей технологической операцией при производстве полуфаб­
рикатов (пресс-материалов) для пластмасс является перемешивание
жидких, порошкообразных или пастообразных составляющих.
Перемешивание компонентов в жидких средах широко применяют
для приготовления эмульсий, суспензий и образования гомогенных сис­
тем (растворов), а также для интенсификации тепловых и диффузион­
ных процессов. Независимо от среды, перемешивающейся с жидкостью,
различают два способа перемешивания: механический, осуществляемый
с помощью мешалок, и пневматический, производимый сжатым воздухом
или инертными газами. Приготовление спиртовых растворов фенольных
и водных эмульсий карбамидных полимеров, широко используемых при
производстве полимерных материалов, может осуществляться в лопаст­
ных, пропеллерных и турбинных мешалках, а также путем пневматиче­
ского перемешивания.
Лопастные мешалки применяют для растворения и перемешивания
жидких материалов с небольшой вязкостью.
Пропеллерные мешалки служат для перемешивания жидкостей
малой вязкости, а также для приготовления суспензий и эмульсий. Ос­
новной частью пропеллерных мешалок является устройство с несколь46
форме
пеллера). В производстве полимерных материалов часто используют
трехлопастные пропеллеры. В таких мешалках вал может быть распо­
ложен вертикально, горизонтально или под углом; устанавливают один
или несколько пропеллеров.
Турбинные мешалки применяют для интенсивного перемешивания
и растворения жидких компонентов. Эти мешалки в форме колес водя­
ных турбин имеют обычно вертикальный вал с укрепленными на-нем
плоскими или криволинейными лопатками. Отличительной особенно­
стью турбинных мешалок является то, что они обеспечивают интенсив­
ное перемешивание во всем объеме аппа­
рата при значительной язкости среды.
Пневматическое перемешивание состоит в том, что через всю толщу пере­
мешиваемой жидкой среды пропускают
воздух, приводящий в движение и смеши­
вающий эту среду (барботация). Воздух
при определенном давлении подают че­
рез специальные отверстия в трубках
(барботеры), располагаемых в нижней
части смесительного апНарата.
Смешение твердых, сыпучих и пасто­
образных материалов является в сущнос­
ти механическим процессом, при котором
»*«1»!•»•••
два или более компонента перемешивают
в заданном соотношении для получения Рис. 7. Двухлопастной z-образный
однородной массы.
смеситель:
Смешение компонентов может проте­
1 — лопасти; 2 — корпус смесителя
кать периодически и непрерывно. При пе­
риодическом смешении все составляющие в заданных количествах загружают в рабочую емкость и перемешивают в течение определенного
времени, а затем выгружают в виде однородной смеси. При непрерыв­
ном процессе смешение и выпуск готовой смеси производят непрерыв­
но; при этом рабочий объем мешалки постоянно загружен составляю­
щими материалами.
Конструкция смесителей для сыпучих компонентов зависит в основном от метода смешения (пересыпки, перелопачи
Ф
механических и химических свойств компонентов, а также от требуемо
го качества смешения. Надлежащее смешение сыпучих компонентов
может быть получено в механических барабанных или лопастных смеси­
телях.
Д ля смешения компонентов,
том числе и волокнистых наполнителей (асбестовое и стеклянное волокно)
ФI ікаторами и поли­
мерами, а также приготовления вязких, тестообразных паст и прессмасс широко используют двухлопастные смесители с z-образными ло­
пастями.
Наиболее характерными смесителями непрерывного действия, при­
годными для перемешивания термопластичных композиций, являются
червячные прессы.
Смеситель двухлопастной (рис. 7) характеризуется двумя ротора­
ми с лопастями z-образной формы /, вращающимися в неподвижном
корпусе 2. Днище корпуса выполнено в виде полуцилиндров, в каждом
из которых вращается по одной лопасти. Смеситель имеет паровую ру­
башку для нагрева или охлаждения смешиваемых компонентов. Лопасти
приводятся во вращение или от трансмиссии или от самостоятельного
электродвигателя. При вращении лопасти 1 перемешиваемый материал
прижимается к корытообразному днищу корпуса 2, при этом часть ма­
териала подхватывается другой лопастью, благодаря чему осуществля------------
Л
j
~
------------------------- ---- -------------------------- у
« А
М
Ш
47
ется тщательное смешение вминанием и делением массы материала.
Для улучшения качества смешения один из роторов вращается быстрее
другого почти в два раза. Готовая однородная смесь выпускается из
смесителя через откидную стенку корпуса 2. Такие смесители могут
быть легкими, предназначае­
мыми для смешения порош­
кообразных или мягких тес­
тообразных материалов, и
тяжелыми, пригодными для
смешения густых тестообра­
зных масс.
Одночервячный смеситель (рис. 8) имеет сущест­
венное преимущество — от­
сутствие мертвых зон в пе­
ремешиваемых массах. Он
не только обеспечивает хо­
рошее качество перемеши­
вания, но и пригоден к сме­
шению легко разлагающих­
ся термопластичных компо­
зиций и чувствителен к пере­
греванию
термореактивных
Рис. 8. Одночервячный смеситель:
прессовочных
масс.
станина; 2 — разъемный цилиндр; 3 — трехзаходный
винт (червяк); 4 — электродвигатель с редуктором
Наряду с вышеприведен­
ными смесителями в промышленности
полимерных
строительных
материалов
широко используют также
вальцы
периодического и
непрерывного действия. В ал­
ковые машины периодиче­
ского действия обычно ис­
пользуют для интенсивного
перемешивания, гомогениза­
ции и пластикации предва­
рительно смешанных компо­
зиций.
Вальцы периодического
действия (рис. 9) состоят из
двух станин 1, укрепленных
Рис. 9. Вальцы периодического действия:
на фундаментной плите 2,
1 станина; 2 — фундаментная плита; 3 — приводной вал двух Полых валков 7, вра­
4 зубчатая передача; 5 — подшипники; 6 — траверсы
щающихся в подшипниках 5,
7 — валки
и привода. Чтобы корпуса
подшипников не перемеща­
лись вверх, к станинам прикреплены траверсы 6. Ведущий вал приво­
дится во вращение через систему зубчатых колес, а приводной вал 3 —
электродвигателем через редуктор. Ведомый валок вращается от веду­
щего через их зубчатую передачу 4. Д ля обогрева полых валков внутри
их имеются трубы, через которые подается теплоноситель. Валки укреп­
лены в подшипниках так, что расстояние между их поверхностями мо­
жет изменяться от нуля до нескольких сантиметров. Вследствие трения
материал затягивается в установленный зазор между валками и, дефор­
мируясь, продвигается в направлении вращения валков.
Измельченные твердые наполнители хорошо смешиваются с поли­
мером и пластификатором в клиновом зазоре за счет деформации сдви­
га. При одинаковых скоростях вращения валков на смешиваемый ма48
териал в зазоре будет действовать сдавливающее усилие. При разных
скоростях вращения валков добавятся еще сдвигающие усилия. Таким
образом, при действии этих усилий материал сжимается, сдавливается,
перетирается и перемешивается. При вальцевании смеси валки могут
быть подогреты, что способствует размягчению полимера, лучшей про­
питке ими наполнителя и получения однородной смеси. При установле­
нии соответствующей температуры валка материал может прилипать к
нему в виде тонкого листа.
При производстве пластмасс применяют также вальцы непрерыв­
ного действия с механической подрезкой образующейся ленты. Высоко­
производительные вальцы непрерывного действия для непрерывного
вальцевания материала снабжены шнековым питателем для дозировки
и подачи компонентов из бункера, устройством для подрезки массы во
время вальцевания и для снятия ленты провальцованного материала.
Д ля интенсификации процесса смешения и пластификации полимер­
ных материалов могут применяться также многовалковые смесители.
§ 4. Пропитка и сушка рулонных
и листовых наполнителей
При изготовлении многих слоистых пластиков важнейшими опера­
циями являются: пропитка и сушка наполнителя.
Сущность пропитки рулонных материалов (бумаги, текстильной
ткани, стеклоткани и др.) заключается в том, что лента материала, дви­
гаясь непрерывно от размоточного барабана к намоточному, с помощью
системы направляющих валиков погружается в ванну с жидким поли-
Рис. 10. Общий вид пропиточно-сушильной машины
мером. Скорость движения ленты материала в ванне должна обеспечить
достаточную пропитку полимером. Пропитка рулонных наполнителей по­
лимерами и сушка производится обычно на специальных пропиточно­
сушильных машинах (рис. 10).
Современные пропиточно-сушильные установки можно разделить
на три вида: 1) с горизонтальным расположением сушильной камеры,
механическим транспортированием материала и подачей воздуха в су­
шильную камеру против направления движения наполнителя; 2) с го­
ризонтальным расположением сушильной камеры, пневматическим
транспортированием наполнителя и подачей воздуха перпендикулярно
движению полотна; 3) с вертикальным расположением сушильной каме­
ры, свободно несущей подачу полотна бумаги и подачей воздуха сверху.
49
Вертикальные машины с воздушной
термообработкой бывают однопоточ­
ные и двухпоточные; применяют их
главным образом для пропитки ткане­
вых наполнителей. Д ля пропитки бумажнои основы вертикальные машины
используют реже, поскольку под дей­
ствием
собственного
веса
основы
без
«
с
со
|
поддержки ее на определенном отрезg'
ке
пути
возникает
возможность
об­
0S)
рыва.
Наиболее
совершенной
конструки
ё циеи машины для пропитки рулонного
к наполнителя (бумаги) является гори§, зонтальная установка с пневматиче* ской подачей бумаги («воздушная по10 душка»), позволяющая получать высоо кую производительность пропитки и
н
о
сушки (рис. 11). Основными узлами
g. таких машин являются: разматываю£ щее устройство, узел пропитки, сушиль| „
ная камера, другие механизмы, обесg я печивающие заправку ленты рулона и
g я протяжку ее, выравнивающее устрой,я о
ство, механизм намотки, резки ленты
О ‘
к ^ о на листы и др.
§ £
Разматывающее устройство может
Э |/§ быть различным в зависимости от прочО
О
2 S*
чных бумаг, например, когда скорость
Ц
Ц
Q
)
0н 5I I^ пропитки достигает 100 м/мин и более,
Ж
|g |
g* эз
«
g »5*
и
—' я
d g.
£ “
«
используют размоточное устройство,
позволяющее производить смену рулонов бумаги без остановки пропитки,
Пропиточный узел может также
иметь различную конструкцию в зависимости от вида пропиточного материала и типа машины. Схема совершенной
конструкции пропиточного узла для
машин, работающих на больших скоростях, приведена на рис. 12. Характерной особенностью такой конструкg' ции пропиточного узла является налиI
чие смачивающей и пропитывающей
Э
секции.
Лента
рулонного
материала
о
>* проходит сначала секцию а, где пред!
варительно смачивается раствором по2
лимера
с
помощью
смачивающего
ва(Ж
С
О
сз
м
лика 3, погруженного в ванну с полиА
«
мером.
Затем
смоченная
лента
мате­
S
С
П
риала
переходит
в
секцию
б,
где
окон­
се
CU
чательно пропитывается полимером с
помощью валика 3, также погруженно­
го в ванну с раствором полимера.
Смачивающие валики 3 обеих секции,
имея
свои
самостоятельный
электропривод, позволяют в сочетании
с регулировкой высоты погружения
5 *S
50
'
I------------- ----------------
регулирующими валиками 2 обеспечить необходимое количество поли­
мера в бумаге. При этом содержание полимера в бумаге составляет
■45—50%. При пропитке стеклоткани оптимальное содержание полимера
равно 25—40%. Пройдя смачивающую и пропиточную секции, насыщен­
ная полимером лента рулонного наполнителя подается в сушильную
камеру.
Сушильная камера имеет несколько секций, из которых каждая
снабжена верхним и нижним осевыми вентиляторами. Вентиляторы пода­
ют горячий воздух через специальные сопла на бумажную ленту пер­
пендикулярно ее поверхности. Благодаря создаваемой вентиляторами
разности давлений сверху и снизу от ленты, образуется «воздушная по­
душка», которая и поддерживает по­
лотно бумаги на всем протяжении
сушильной камеры. При этом горявоздух «воздушной подушки»
обеспечивает равномерную сушку
бумажного полотна. При сушке по­
лотна, пропитанного меламиновыми
полимерами, целесообразно прово­
дить сушку в интервале температур 110— 140° С. При пропитке ру6
)
а
)
лонов фенолоформальдегидными по­
лимерами сушка производится горя- Рис. 12. Узел пропитки фенольными почим воздухом при температуре 150—
лимерами:
а — смачивающая секция; б — пропитывающая
секция; / — ванны с полимерами; 2 — регули­
рующие валики; 3 — смачивающие валики
160° С.
После выхода из сушильной ка­
меры обработанный полимером ру­
лонный наполнитель поступает в охлаждающую секцию. Обдувка холод­
ным воздухом снижает температуру наполнителя, препятствует дальней­
шему процессу конденсации полимера и слипанию бумаги или ткани при
намотке рулона.
После пропитки и сушки благодаря выравнивающему устройству
полотно наматывается в рулоны с ровными краями (ровность краев до
± 0 ,8 мм).
Во многих случаях после сушильной камеры полотно поступает на
узел резки, где нарезается на листы заданного размера.
§ 5. Промазка тканевых
рулонных наполнителей
Промазка тканевых основ является важнейшей технологической
операцией при производстве синтетических линолеумов промазным спо- •
собом. В этом случае рулонный материал, обычно тканевую основу,
промазывают линолеумной массой с помощью специальных промазочных
машин.
Технология промазки тканевых основ заключается в следующем.
Компоненты полимерной массы — наполнитель, полимер, пластифика­
тор, краситель и другие отвешивают в заданных количествах и подают
в смеситель предварительного смешения, а затем в смесительную уста­
новку для окончательного тщательного перемешивания. Приготовлен­
ную таким образом полимерную пасту направляют в бункер промазочной
машины и с помощью питателя наносят на тканевую основу, которая
движется непрерывной лентой из рулона. Лента тканевого рулона с на­
несенной полимерной массой, сглаженная и прокалиброванная с по­
мощью раклей (калибрующего устройства), поступает далее в термо­
камеру для тепловой обработки и созревания полимерного слоя (желатинизации). Тепловая обработка полимерного слоя производится с
51
помощью электронагревательных приборов при температуре до 260 С в
течение 7— 13 мин. В камере желатинизации полимерная композиция
успевает отвердеть и прочно склеиться с тканевой основой.
§ 6. Пресс-материалы и подготовка
их к переработке
Пресс-материалы на основе полимеров выпускают в виде пресс-по­
рошков, волокнитов, кусковых и листовых пресс-масс, а также прессматериалов со слоистыми наполнителями.
Пресс-порошки термореактивные состоят из полимера, порошкооб­
разного наполнителя, смазывающего вещества и красителя. Окрашива­
ние пресс-порошков может производиться как в процессе их изготов­
ления, так и при переработке в изделие. Пресс-порошки-фенопласты изза темно-коричневого цвета полимера окрашиваются в процессе их
изготовления в коричневый или черный цвета. Фенолоформальдегидные
пресс-порошки получаются чаще всего суховальцовым или шнековым
способом. Сухие компоненты измельчают с помощью дробильно-помоль­
ных машин, смешивают, а затем пластифицируют на вальцах с подо­
гревом до плавления полимера и после охлаждения дробят. Пресс-порошки аминопластов и меламиновые пресс-материалы изготавливают
мокрым способом.
Пресс-порошки на основе этих полимеров выпускают в большом ас­
сортименте (более 150 марок). ГОСТом установлена типизация порош­
ков по потребительским признакам.
Пресс-крошка представляет собой измельченную хлопчатобумаж­
ную ткань или древесину, пропитанную термореактивным полимером.
Пропитку крошки полимерами производят водными эмульсиями или
спиртовыми растворами полимеров в лопастных смесителях с последую­
щей сушкой при температуре до 80° С и измельчением.
Волокниты изготавливают пропиткой волокнистых наполнителей вод­
ными эмульсиями или растворами термореактивных полимеров с по­
следующей сушкой. Эти пресс-материалы выпускают в виде кусков.
Пресс-массы — вязкие тестообразные массы изготовляют про­
питкой минеральных наполнителей (асбеста, рубленого стекловолокна
и др.) растворами термореактивных полимеров с последующей их
сушкой.
' ; ,'-v V
Пресс-материалы со слоистыми наполнителями изготавливают путем пропитки рулонных или листовых наполнителей термореактивными
полимерами. Во избежание слипания отдельных листов, их пересыпают
тальком или между ними прокладывают тонкую бумагу.
Д ля придания соответствующего колера изделию пресс-крошка,
пресс-масса и слоистые пресс-материалы окрашиваются в процессе их
изготовления. Окрашивающие вещества в этом случае вводят в компо­
зицию в виде хорошо измельченного и просушенного порошка или в
виде пасты с последующим тщательным перемешиванием.
Таблетирование. Под таблетированием понимают процесс изготов­
ления из рыхлых пресс-материалов (пресс-порошков, пресс-волокна
и т. д.) плотной таблетки определенной формы, размера и массы. Табле­
тирование пресс-материалов состоит в основном из загрузки пресс-мате­
риала в матрицу, сжатие его пуансоном формы и выталкивания таблетки
из матрицы. Порошкообразные пресс-материалы таблетируют обычно
на специальных таблеточных машинах, а волокнистые — в пресс-фор­
мах на прессах. Последующее прессование изделий из таблетированных
пресс-материалов позволяет в значительной степени повысить произво­
дительность труда, снизить процент брака изделий. В процессе таблетирования из рыхлого пресс-материала удаляется воздух, что способ­
ствует повышению теплопроводности материала, ускорению разогрева
52
материала в пресс-форме и снижению времени выдержки под давлени­
ем при прессовании.
К основным преимуществам использования таблетировйнных прессматериалов относятся: упрощение загрузки материала в пресс-форму,
поскольку таблетки имеют определенную массу: удобство в транспорти­
ровке и хранении таблеток до переработки их в изделие; уменьшение
объема загрузочных камер пресс-форм, поскольку плотность таблеток
примерно в 2 раза выше рыхлых пресс-материалов; применение табле­
ток позволяет снизить потери сырья и время прессования и, наконец,
таблетки могут быть легко нагреты до необходимой температуры тока­
ми высокой частоты.
'Глава
V
ТЕРМОМЕХЛНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ПЕРЕРАБОТКИ ТЕРМОПЛАСТОВ.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Термопластичные материалы могут быть переработаны в изделия
самыми разнообразными методами, наиболее распространенными из
которых являются: литье под давлением, экструзия, вакуум и пневмо­
формование, гибкая и горячая штамповка, каландрирование, напыление
полимерных композиций и др. Возможность полной механизации и ав­
томатизации этих процессов обусловливают быстрый рост производст­
ва и применения термопластичных материалов и изделий из них.
§ 1. Основные теоретические принципы
переработки термопластичных
материалов (композиций)
При изучении технологических условий переработки полимерных
материалов необходимо учитывать влияние температуры на их свойст­
ва, деформативные и прочностные характеристики.
Деформации полимерных материалов могут быть обратимыми и
необратимыми. К обратимым деформациям относятся упругие, т. е. спа­
дающие мгновенно после снятия нагрузки, и высоко эластичные — спа­
дающие длительное время. К необратимым относятся пластичные де­
формации и деформации ползучести, последние не только не исчезают
после снятия нагрузки, но и могут увеличиваться под действием посто­
янно действующей силы.
■
Большинство полимерных материалов при низких температурах ве­
дут себя как хрупкие вещества. Их деформации при разрушении край­
не малы. Однако при повышении температуры величины деформации
возрастают и можно проследить предел текучести.
Эластичные полимерные материалы (резины) также деформируют­
ся упруго, но соотношение между величинами прилагаемого усилия и
деформации у них носит другой характер (рис. 13). Так, незначитель­
ные растягивающие усилия резины приводят к большим удлинениям
образца.
Д ля полимеров с линеиным аморфным строением характерны в ос­
новном три состояния, соответствующие различным температурным ин­
тервалам: стеклообразное, высокоэластичное и пластичное (вязкотеку­
чее). Температуры, при которых высокомолекулярные соединения пере­
ходят из одного состояния в другое, называются соответственно
температурой стеклования tc и температурой текучести tT.
Влияние нагрева на физическое состояние полимера может быть
выражено некоторой зависимостью его деформации от температуры при
постоянном напряжении и длительности воздействия деформируемой
силы. Эта кривая в координатах — температура — деформация (рис. 14)
имеет перегибы, соответствующие температурам стеклования tc и теку­
чести полимера tT.
Поскольку полимерные композиции при нагревании переходят из
одного состояния в другое постепенно, температуры стеклования или те­
кучести соответствуют не одной определенной точке, а некоторому ин­
тервалу температур, достигающему 20—30° С, а при небольшой крис­
талличности полимера 2—3°С.
При нагревании полимера до температуры стеклования он находит­
ся в стеклообразном состоянии, когда деформации малы, обратимы и
возрастают пропорционально нагреванию. При нагревании выше тем­
54
пературы стеклования полимер переходит в высокоэластичное состоя­
ние, отличающееся резким увеличением деформаций; полимер, нагретый
выше температуры текучести, становится пластичным или вязкотекучим.
В интервале температур между tc и /т отмечаются обратимые высоко­
эластичные деформации.
Переработку полимерных композиций и полуфабрикатов в изделия
и строительные материалы производят обычно в состоянии за предела­
ми температуры текучести. При этом необходимо композицию довести
не только до температуры текучести, но и превысить ее с тем, чтобы
вязкость перерабатываемого термопласта не затрудняла формование
изделий.
Однако следует иметь в виду, что при достижении относительно
высокой температуры нагрева может начаться разложение (деструк-
Рис. 13. Кривые зависимости деформации
полимерных материалов от нагрузки:
Рис. 14. Термомеханическая кривая
для высокомолекулярных соединений
а — эластичные; б — упругие материалы
ция), поэтому температура формования полимера в изделие не должна
быть выше температуры разложения полимера.
Особенно удобны для переработки в изделия линейные полимеры
(термопласты), температура перехода которых в пластичное или вязко­
текучее состояние находится значительно ниже (не менее чем на 40—
60° С) начала термической деструкции. Такие полимеры можно много­
кратно подвергать формованию, не опасаясь изменения их первона­
чальных свойств. При этом целесообразно применять полимеры с низ­
кой температурой текучести, что позволит упростить механическое обо­
рудование и снизить энергетические затраты.
Текучесть полимеров находится в прямой зависимости от молеку­
лярной массы, которая может меняться от условий синтеза полимера и
не влияет на температуру стеклования. Эти особенности высокомолеку­
лярных веществ оказывают самое существенное влияние на выбор тем­
пературы и метода переработки.
Выбор способа и технологических режимов переработки термоплас­
тов зависит также и от их химического состава, степени разветвленности молекул, стереорегулярности, полярности и других факторов. Так, по­
лимеры со стереорегулярной структурой, при которой атомы макромо­
лекулы расположены в пространстве в определенном строгом порядке,
отличаются высокой степенью кристалличности. Наличие кристалличе­
ской фазы в полимерах оказывает существенное влияние на его свой­
ства. При переходе полимеров ' из аморфного состояния в кристал­
лическое резко возрастают их механические свойства и теплостойкость,
что существенно влияет на метод переработки. Под кристалличностью
полимерных соединений понимается в основном упорядоченное (парал­
лельное) расположение цепей. Степень кристалличности полимеров, т. е.
отношение кристаллической части к аморфной, изменяется в широких
пределах и доходит до 90% и более; при этом всегда остается некото­
рое количество неупорядоченных участков (аморфной фазы ).
55
У кристаллизующихся полимерных материалов кристаллиты обу­
словливают механическую прочность, тогда как аморфные промежу­
точные участки придают материалу высокую гибкость и растяжимость.
Следует отметить, что некоторые высококристаллические полимеры
(фторопласт-4) с повышенной механической прочностью даже при
сильном нагревании не удается довести до вязкотекучего состояния
вследствие наступающей деструкции полимера. Такие полимеры не мо­
гут быть переработаны вышеперечисленными методами и требуют спе­
циальных методов формования.
Однако для большинства термопластичных полимеров с той или
иной степенью кристалличности при повышении температуры кристал­
лическая фаза переходит в аморфную, благодаря чему создаются необ­
ходимые технологические условия для достаточно легкой переработки
его в изделие. Так, полиэтилен при отрицательных температурах
(—25° С) имеет в основном кристаллическое строение, при нагревании
постепенно переходит в аморфное, а вблизи точки плавления (112—
115°С) становится полностью аморфным. Полиэтилен легко пере­
рабатывают литьем под давлением и другими методами при тем­
пературе 150— 180°С с последующим охлаждением в воде при
70—80°С.
Полистирол при нормальной температуре тверд и стекловиден. При
нагревании до 80° С в нем начинают преобладать высокоэластичные и
пластичные деформации. Максимальная пластичность полистирола про­
является при 200—220° С; при нагревании до 260° С начинается деструк­
ция полимера. Так, полистирол легко поддается переработке (литье под
давлением) при температуре 185—230°С, удельном давлении 84—
147,0 МН/м2 (800— 1500 кГ/см2) и температуре охлаждения для фикса­
ции формы изделия 40—45°С.
При изготовлении термопластичных композиций и переработке их
в изделия одним из важных этапов производства является процесс плас­
тификации. Снижение температуры стеклования, повышение эластич­
ности полимера путем сочетания его с тем или иным пластификатором
часто называют внешней пластификацией в отличие от сходного по ре­
зультатам процесса внутренней пластификации. При внутренней плас­
тификации в макромолекулы пластифицируемого полимера химическим
путем вводят такие группы или звенья, которые делают макромолекулу
более эластичной или менее взаимодействующей с другими макромо­
лекулами. Внутренняя пластификация, т. е. ослабление связей между
цепочками полимера, производится часто путем сополимеризации. Так,
при сополимеризации стирола и дивинила значительно снижается тем­
пература стеклования от 80°С для чистого полистирола до 35—65°С
для сополимера в зависимости от соотношения стирола и дивинила.
' ' , л§Ш
^Существенной особенностью термопластов в процессе их механиче­
ской переработки в изделия является ориентирование макромолекулы
при нагревании полимера до температуры выше tc и некотором растя­
жении его с последующим охлаждением. В таком состоянии прочность
его резко возрастает (в 2 и более раза).
При вытягивании полимеров достигается развертывание макромо­
лекул вдоль оси растяжения. Они выпрямляются, сближаются, создавая
более уплотненную структуру полимера. В связи с этим весьма сущест­
венно изменяются свойства полимерных материалов в процессе их пе­
реработки путем продавливания через фильтры, матрицы, сопла, мунд­
штуки и т. п. Так, большинство погонажных изделий, получающихся
методом продавливания через профильные мундштуки, значительно
упрочняются за счет большей или меньшей степени ориентированной
структуры материалов.
С
56
1
§ 2. Методы переработки
термопластов
Литье под давлением является одним из наиболее распространен­
ных методов изготовления термопластичных строительных материалов.
Возможность механизации и автоматизации процесса литья обусловли­
вает широкое развитие этого способа переработки термопластов.
Сущность этого метода состоит в том, что полимерная композиция
разогревается до вязкотекучего состояния в цилиндре литьевой маши­
ны и инжектируется из него в литьевую форму. Изготовление изделий
способом литья под давлением производится на специальных литьевых
машинах. В мелкосерийном производстве имеют место некоторые разно­
видности этого способа — центробежное и автоклавное литье.
На литьевых машинах, в зависимости от конфигурации и площади
отливки, может изготавливаться одно или несколько изделий одновре-
Рис. 15. Схема процесса литья под давлением на червячно-литьевой машине:
/ — загрузочный бункер; 2 — червячный дозатор; 3 — нагревательный цилиндр; 4 — пор­
шень-плунжер; 5 — нагревательные элементы; 6 — сопло; 7 — полость формы; 8, 10 — по­
лу формы; 9 — каналы для охлаждения формы
менно. Литьевые машины различаются по мощности, типу привода и
конструктивному решению. Производственная мощность таких машин
определяется количеством впрыскиваемого материала на одну отлив­
ку и колеблется от 5 до 31 ООО см3. В настоящее время имеются литье­
вые машины, позволяющие изготавливать изделия массой от нескольких
граммов до 15 кг и с габаритами до 1X1,5 м.
Из различных конструкций литьевых машин наибольшее распро­
странение получили машины червячного типа с предварительной плас­
тификацией материала. В современных одно- или двухчервячно-литьевых машинах, в которых пластификация и инжекция совмещены в од­
ном узле, червяки используют как инжекционные плунжеры. Процесс
литья под давлением на червячно-литьевой машине сводится в основ­
ном к следующим технологическим операциям (рис. 15). Термопласт в
виде гранул из бункера 1 непрерывно захватывается червячным доза­
тором 2, вращающимся от электродвигателя, нагревается, пластифици­
руется и продвигается в переднюю часть обогревательного цилиндра 3.
В последнем материал окончательно пластифицируется за счет тепла
нагревателей 5 и переходит в вязкотекучее состояние. Д алее термопласт
под действием поршня гидроцилиндра 4 периодически проталкивается
через сопло 6, в полость формы 7. Таким образом, перемещением чер­
вяка-плунжера в сторону сопла осуществляется впрыск материала в
форму и заполнение ее. Затем некоторое время под давлением для обес­
печения надлежащей плотности производится выдержка изделия. Во вре57
мя выдержки в форме изделие остывает и отвердевает. Обычно формы
охлаждаются водой, движущейся по имеющимся в них каналам 9.
По окончании впрыска, выдержки и охлаждения изделия поршень
гидроцилиндра и плунжер-червяк отводятся обратно в правое крайнее
положение, а форма размыкается на две полуформы 8 и 10. Цикл литья
заканчивается выталкиванием готового изделия из полости полуформ
и подачи его в приемное устройство.
Д ля получения изделий высокого качества необходимо выдерживать
определенный температурный режим нагревательного цилиндра и форм
литьевой машины, давление в цилиндре и форме и, наконец, продолжи­
тельность цикла отливки.
Нагревательный (инжекционный) цилиндр должен обеспечивать
равномерный нагрев термопласта при высоком коэффициенте теплопере­
дачи от источника тепла к материалу. Изменение нагрева термопласта
от комнатной температуры в загрузочной части до температуры вязкоте­
кучего состояния у мундштука осуществляют в процессе перемещения
материала по обогревательному цилиндру машины.
После инжектирования термопласта в форму температура его сни­
жается до температуры формы (40—50°С). Перед впрыском темпера­
тура формы должна быть ниже температуры литья на 100— 150° С. При
этом следует учитывать, что чем выше температура затвердевания
перерабатываемого термопласта, тем выше должна быть и температу­
ра формы.
Давление на термопласт в нагревательном цилиндре, создаваемое
поршнем, обеспечивает прохождение материала через обогревательный
цилиндр, каналы формы и заполнение ее полости. Давление, которое
испытывает расплав в форме, всегда меньше давления, создаваемого
поршнем. Д ля создания максимального давления в форме необходимо
увеличивать давление поршня, температуру перерабатываемого термо­
пласта, снижение длины литниковых каналов при возможном увеличе­
нии их сечения и т. д. Обычно давление поршня литьевых машин при
переработке большинства термопластов составляет 78,4— 147,0 М Н/мг
(800— 1500 кГ/см2).
Продолжительность цикла литья складывается из времени, необхо­
димого для смыкания и раскрытия формы, времени впрыска и выдерж­
ки изделия под давлением. Время впрыска зависит от ряда факторов
(массы отливки, формы изделия и др.) и для различных термопластов
равно в пределах: 2—3 с для изделий из полистирола, 40—60 с для по­
лиамида на 1 мм толщины изделия.
В целях повышения производительности литьевых машин и улуч­
шения качества изготавливаемых изделий используются машины с раз­
дельной предварительной пластификацией и инжекцией термопласта.
Такие машины позволяют перерабатывать самые различные полимер­
ные композиции и в том числе из непластифицированного поливинил­
хлорида и др. Сущность работы таких машин состоит в разделении про­
цесса литья на два этапа: перевод материала в вязкотекучее состояние,
затем впрыск в форму. Технология литья с предварительным пластифи­
цированием не только повышает качество продукции, но позволяет уве­
личить массу и сложность конфигурации изделий. С помощью литьевых
машин для строительства изготавливают облицовочные полистирольные
плитки, вентиляционные решетки, дверные ручки, изделия для сантехни­
ческого оборудования и др.
Центробежное и автоклавное литье. В мелкосерийном производстве
для изготовления изделий, имеющих форму тел вращения, т. е. труб,
шкивов, втулок, шестерней и т. п., используют центробежное литье.
Этот способ литья наиболее эффективен для производства толстостен­
ных и крупногабаритных изделий, которые трудно изготавливать на
обычных литьевых машинах. Центробежное литье основано на дейст­
58
вии центробежной силы, прижимающей расплав термопласта к стенкам
формы во время ее вращения с достаточной скоростью.
Ориентировочная частота вращения (об/мин) оправки с горизон­
тальной осью вращения может быть определена по формуле
2000
п
VR — b
где R — радиус отливки, см; б — толщина стенки отливки, см.
Изготовление изделий при центробежном литье (рис. 16) произво­
дят во вращающихся формах, устанавливаемых на специально обору­
дованных или обычных токарных станках. Термопласт загружают в
форму из плавильного автоклава или другого аппарата заданными пор­
циями в зависимости от массы изделия. Пои воа-
133-102 Н/м2 (100 мм рт. ст.). Вакуумное центро­
бежное литье позволяет снизить центробежное
•т
. . .
_
_
—
■
—
—
—
—
—
—
—
■
— ~
и
—
—
. —
-------- —
—
---------------
•
-*
—
'
~
А в т о к л а в н о е Л И ТЬ е. К р О М е ПОрШНеВЫХ И Ч е р -
Рис. 16. Схема центш
ш
•
т
т
Ш
Ш
Н
І
Ш І<■§ ш я ш л һ в
ш
ка; 3—формуемая деталь
вячных литьевых машин для переработки, напри­
мер, полиамидов могут быть использованы автоклавные литьевые уста­
новки.
Однако автоклавное литье вследствие невысокой механической проч­
ности изделий, слабой механизации процесса и малой производительно­
сти не получило широкого распространения, особенно в производстве по­
лимерных строительных материалов.
Непрерывное выдавливание термопластов (экструзия). Экструзией
называют процесс придания материалу, находящемуся в вязкотекучем
состоянии, заданного профиля при непрерывном продавливании через
оформляющую головку экструдера. При экструзионном способе перера­
ботки термопластов обеспечивается непрерывность и стабильность про­
цесса изготовления, высокое качество изделий, экономичность и возмож­
ность высокой степени механизации и автоматизации производства. И з­
готовление изделий этим способом производится на машинах для непре­
рывного выдавливания (экструдерах).
Машины непрерывного выдавливания (экструдеры) или червячные
прессы могут быть одно- и многочервячные с различной формой червяка.
Производительность машин этого типа составляет 1,5—3000 кг вы­
давливаемой массы в час, при внутреннем диаметре цилиндра соответ­
ственно 9—400 мм.
Качество изделий, получаемых способом экструзии, в значительной
степени зависит от температуры червяка и материала в различных зонах.
Контроль и регулирование температуры при непрерывном выдавливании
осуществляют при помощи терморегуляторов и термопар.
Принципиальная схема работы одночервячного пресса состоит в сле­
дующем. Перерабатываемый материал из бункера через желоб и загру­
зочную воронку поступает в корпус, захватывается червяком и продви­
гается вперед к выпускному отверстию. Во время прохождения вдоль
корпуса экструдера материал нагревается и постепенно переходит в вяз­
копластичное состояние. Затем при непрерывном вращении червяка
59
вязкопластичный материал продавливается через оформляющую голов­
ку, из которой и выходит изделие заданного профиля.
В процессе прохождения материала по длине цилиндра и червяка
машины условно можно выделить три зоны (рис. 17): зону питания 1ц и
1„ в которой термопласт находится в твердом состоянии в виде гранул,
Рис. 17. Схема прохождения полимерного материала по длине ци­
линдра одночервячного пресса
порошка или непрерывной ленты, зону сжатия Пц и Пч, где материал на­
ходится в твердом и частично в расплавленном состоянии, зону нагнета­
ния Шц и Ш ч, в которой материал находится в вязкопластичном
состоянии.
'
1ш Ц
Технологический режим экструзии должен удовлетворять условию,
при котором перерабатываемый материал не следует подвергать дли­
тельному воздействию высокой температуры (выше tT). Поэтому матери­
ал прогревается постепенно, по мере продвижения его от первой зоны до
последней. Температура нагрева термопласта для каждого материала
должна быть различной в разных зонах в зависимости от природы поли­
мера, формы и размеров изделия, скорости вращения и параметров
червяка.
Высокое качество изделий при экструзии неразрывно связано с
охлаждением нижней части загрузочной воронки и отдельных участков
цилиндра. Нижняя часть загрузочной воронки охлаждается с помощью
хладоносящей и водяной рубашки, вмонтированной в воронку или кожух
цилиндра. Отдельные участки цилиндра охлаждаются периодически в
случае перегревания материала водой или воздухом. Точность и непре­
рывность регулирования температурного режима обеспечивает надеж­
ную работу экструдера и высокое качество изделия.
С помощью экструдеров перерабатывают большинство термопла­
стов для получения строительных материалов и изделий: погонажных
изделий — перильных поручней, плинтусов, лестничных накладок, полых
изделий; пленок и труб.
Погонажные и профильные изделия любой длины изготавливают
обычно на агрегатах, состоящих из экструдера, оформляющей головки,
тянущего, режущего или наматывающего устройств. Д ля изготовления
профильных изделий применяют в основном прямоточные оформляющие
головки.
|
Способом непрерывного вытягивания на экструдерах могут произво­
диться трубы диаметром 1—500 мм и более. Д ля этого используют глав­
ным образом полиэтилен высокого и поливинилхлорид низкого давле­
ний. При этом отличительной особенностью изготовления труб является
необходимость применения калибрующей насадки и приборов, контро­
лирующих толщину стенок трубы.
С помощью экструзионных агрегатов могут быть изготовлены такж е
и гранулы. Грануляция — один из важных вспомогательных процессов
60
переработки термопластов. Применение гранулированных полимерных
композиций при изготовлении изделий позволяет обеспечить непрерыв­
ное и равномерное питание литьевых и экструзионных машин и повы­
сить производительность основного перерабатывающего оборудования.
При этом следует иметь в виду, что процесс приготовления гранул с по­
мощью экструзии совмещается часто с
окрашиванием, стабилизацией и напол­
нением полимеров.
Грануляция на червячных шнеко­
вых машинах может осуществляться
по двум направлениям: 1) выдавливае­
мые прутки режутся неохлажденными,
а охлаждаются гранулы; 2) охлажда­
ются выдавливаемые прутки или лен­
ты, а после охлаждения разрезаются
на гранулы. Распространена первая
наиболее простая схема производства
Рис. 18. Схема производства гра­
гранул (рис. 18). Агрегат состоит из
нул методом резки горячих прут­
ков:
экструдера, оформляющей головки, ре­
1
—
решетка
головки
экструдера;
2
—
жущего приспособления, охлаждающе­
вращающийся нож; 3 — приспособление
для охлаждения гранул
го и транспортирующего устройств.
Форма гранул может быть кубической,
цилиндрической или сферической и др. Чаще всего производят гранулы
кубической и цилиндрической формы с размером в поперечнике 3—5 мм.
§ 3. Переработка полимерных композиций
формованием с предварительным нагревом
Д ля изготовления крупногабаритных и тонкостенных изделий, когда
способы литья и экструзии не приемлемы, применяют следующие виды
переработки термопластов с предварительным нагревом: вакуумное и
пневмотермоформование, термоштампование и т. п.
Выбор того или иного способа термоформования зависит от многих
факторов и в том числе от свойств формуемых материалов, формы изде­
лий, производительности и качества готовой продукции.
Вакуумное термоформование заключается в изготовлении изделий
из листов термопластичных материалов, нагретых до высоко эластичного
состояния и формуемых по заданной модели с помощью вакуумирования
на специальных вакуумформовочных машинах.
Процесс формования под вакуумом состоит в основном из следую­
щих технологических операций. Листовая заготовка термопласта укла­
дывается на вакуумкамеру и плотно прижимается по периферии контур­
ной рамкой. Затем с помощью нагревательных приборов (инфракрасных
лучей, электрообогрева) заготовка разогревается до высоко
эластичного
U
состояния, после чего откачивается воздух, находящийся между листом
термопласта и формой. В результате разряжения заготовка под действи­
ем атмосферного давления плотно прижимается к вогнутой форме, при­
нимая ее конфигурацию. Готовое изделие после некоторой выдержки под
вакуумом охлаждается и извлекается из формы.
В зависимости от того, в какой форме производится формование —
в негативной (матрица) или позитивной (пуансон)— различают соот­
ветственно негативное вакуумформование, при котором лист термопласта
как бы втягивается в углубление формы, и позитивное, при котором мате­
риал формуется на поверхности выпуклой стенки формы (рис. 19).
Широкое распространение получил способ вакуумного термоформо­
вания с предварительной вытяжкой горячего листа сжатым воздухом.
Этот способ формования позволяет получать изделия с отношением глу­
бины изделия к ширине заготовки более 1 :2 . В качестве материалов,
61
применяемых при способе вакуумного формования, используются листы
твердого винипласта как неокрашенные, так и окрашенные в разные цве­
та, поливинилхлорид в смеси с поливинилацетатом, полиметилметакрилат, полистирол, полиэтилен, полиамиды и др.
Пневмотермоформование — переработка листовых термопластов,
при которой нагретая до вязкопластичного состояния заготовка оформля­
ется в готовое изделие с помощью сжатого воздуха. Так же как и при Ba­
rf;
Рис. 19. Схемы вакуумного термоформования:
а — негативный способ вакуумформования: 1 — нагретый лист термопласта; 2 — при­
ж имная рама; 3 — форма; 4 — каналы для отсоса воздуха; б — позитивный спо­
соб вакуумформования с предварительной механической вытяжкой; / — лист тер­
мопласта; 2
пуансон; 3 — зажимное устройство; 4 — прокладки; 5 — каналы для
отсоса воздуха
куумированном формовании, \
термоформование.
Пневмотермоформование производят в закрытой фор
(рис. 20),
которая стационарно крепится на гидравлическом прессе или специаль­
ной установке. Обычно шаблонная часть формы 1 укрепляется на ниж­
нем столе пресса, а крышка 2 — на ползуне. В зависимости от вида издефор
укладывают на нижнюю половину формы и после смы­
кания пресса и обжима лис­
товой заготовки по кромкам
формы в нее через специаль­
ный штуцер подают сжатый
воздух. Под давлением сж а­
того воздуха горячая заго­
товка
обжимает
шаблон
формы и формуется в изде­
о)
лие. После охлаждения изде­
Рис. 20. Схема пневмотермоформования:
лие извлекают из формы.
а — негативное; б — позитивное; / — форма-шабВозможность
одновременно­
лон; 2
крышка; 3
штуцер для сжатого воздуха; 4 заготовка
го разогрева листового терiMk
62
iflfli
мопласта (в рядом стоящей электропечи) и формования изделия обу­
словливают высокую производительность этого способа переработки
полимерных композиций. Однако громоздкость и высокая стоимость
оборудования являются недостатком этого способа.
С помощью термоформования изготавливают тонкостенные и круп­
ногабаритные изделия: ванны, бачки, умывальники и другое сантехниче­
ское оборудование.
Термоштампование представляет собой способ изготовления изделия
из разогретых до вязкопластичного состояния листовых термопластов в
специальных формах-штампах. Отличительной особенностью термофор­
мования является двусторонний контакт перерабатываемого материала
с формой. С помощью термоштампования можно получить изделия лишь
неглубокого профиля, с одновременной обрубкой изделий по контуру.
Термоштампование изделий проводится обычно при давлении 0,04—
1
11 Ю 9
1 8 7
в
Рис. 21. Четырехвалковый каландр:
/ — станина, 2, 3, 7, 8, 9, 10 — приводы с редукторами для перемещения
валков; 4 — подшипники рабочих валков; 5 — подшипник неподвиж­
ный; 6 — электродвигатель с системой зубчатых колес; И — валки
1,0 МН/м2 (0,4— 10 кГ/см2) в формах-штампах с пуансонами из жестких
или эластичных материалов.
Каландрирование — процесс, при котором размягченный термопласт
пропускается в зазор между горизонтальными валками каландра, обра­
зуя ленту материала, толщину и ширину которой можно регулировать.
Каландр — специальный агрегат, состоящий из 3—4 полых валков,
изготовленных из кокильного чугуна высокой твердости или стали. По­
верхность валков отшлифована и отполирована для придания поверхно­
сти каландрируемого материала ровного и красивого внешнего вида.
Расположение валков в каландре может быть различным. В настоящее
время получил наибольшее распространение четырехвалковый каландр
с Г-образным расположением валков (рис. 21). Такой каландр состоит из
двух чугунных станин 1, укрепленных на фундаменте и связанных друг
с другом поперечниками. В боковых стойках станины имеются вырезы
для установки подшипников 4, рабочих валков 11. В данной конструкции
подшипники среднего валка 5 укреплены неподвижно. Подшипники же
верхнего, нижнего и бокового валков могут перемещаться по направляю­
щим, для обеспечения необходимых зазоров между валками. Величины
зазоров регулируют с помощью винтовых устройств, системы электро­
двигателей и червячных редукторов. При этом устройство валков позво­
ляет обогревать их паром. Привод валков каландра производят от элект­
родвигателя 6 через редуктор и систему зубчатых колес.
63
Технологическая схема переработки на каландрах состоит в следу­
ющем. Дозированные и предварительно смешанные сырьевые компонен­
ты, пройдя обычно двухвалковые вальцы, подаются в каландр. В каланд­
ре перерабатываемый материал проходит последовательно через зазоры
между валками. В зазорах происходит дополнительное смешение ком­
понентов и образование на валках пленки материала заданной толщины.
Образовавшаяся на поверхности валков пленка проходит затем через ох­
лаждающие, компенсирующие и резательные устройства и в виде готово­
го материала поступает на намоточно-упаковочный автомат. Плавный
переход образующейся пленки перерабатываемого материала с одного
валка на последующий сопровождается изменением разности темпера­
тур, окружных скоростей валков и качеством обработки их поверхностей.
После каландрирования материал поступает на охлаждающее уст­
ройство, где снимаются внутренние напряжения, образовавшиеся при
вальцевании и каландрировании.
Каландрирование широко применяют для производства различных
полимерных строительных материалов на основе поливинилхлорида, со­
полимеров винилхлорида, полиэтилена, целлюлозы и других полимеров.
Переработка термопластов на каландрах является одним из наиболее
рациональных способов производства пленочных, рулонных и листовых
материалов.
§ 4. Напыление термопластов
Термопласты широко применяют в качестве антикоррозийных, деко­
ративных и влагозащитных покрытий различных материалов. В технике
большое значение имеет покрытие полимерными композициями черных
металлов с целью защиты их от коррозии. Они дешевле гальванических
покрытий примерно в 2—3 раза, а при серийном производстве на специ­
ализированных установках дешевле и лакокрасочных покрытий в
1,2 раза.
Способ нанесения покрытия зависит от вида используемого термо­
пласта и конфигурации металлического изделия. Наибольшее распро­
странение получили напыление порошкообразного защитного покрытия
на металлические детали в «псевдокипящем слое» и электростатический
способ напыления.
Способ покрытия в «псевдокипящем слое» (вихревое напыление)
получил широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом
вследствие относительно простой технологии.
В качестве порошков для покрытий металлов вихревым способом
используют термопластичные материалы, полученные на основе поливи­
нилхлорида, полипропилена, полиэтилена, и термореактивные — эпоксид­
ные полимеры и полиэфиры.
Применяемые материалы при оплавлении должны хорошо расте­
каться на обрабатываемой поверхности, иметь достаточную термостой­
кость и адгезию к металлу. Порошки должны быть тонко диспергирова­
ны и иметь размер частиц не более 0,25 мм.
Сущность напыления вихревым способом состоит в том, что обраба­
тываемое изделие, нагретое выше температуры плавления полимера,
погружают в ванну с порошком, находящимся в псевдосжиженном со­
стоянии. Взвихренный в воздушном потоке полимерный порошок, как
жидкость, легко обтекает детали даже сложной конфигурации. Соприка­
саясь с нагретым металлическим изделием в течение 5— 10 с, полимер­
ный порошок сплавляется, образуя на его поверхности равномерный слой
термопласта толщиной 0,2—0,8 мм. По прошествии указанного времени
обрабатываемая деталь вынимается из ванны для отверждения покров­
ного слоя термопласта. Образование «кипящего» слоя полимерного по64
'
рошка производится потоком сжатого воздуха или инертного газа, про­
пускаемого в ванну под порошок через пористую перегородку. В качестве
таких перегородок используется пористая керамика, специально приго­
товленные пористый листовой поливинилхлорид и другие материалы.
В настоящее время для производства работ по напылению этим спо­
собом создаются автоматизированные поточные установки высокой про­
изводительности, на которых автоматизированы все операции по напы­
лению, за исключением навешивания и снятия деталей с конвейера. Про­
изводительность таких установок по обработке деталей размерами около
150Х 150Х 100 мм достигает до 3—5 тыс. шт. в смену.
Электростатический способ напыления получает за последнее время
наибольшее распространение особенно для изделий с тонкими попереч-;
ными разрезами.
Сущность способа состоит в том, что частицы полимерного порошка
заряжаются отрицательным зарядом постоянного тока, а обрабатывае­
мое изделие служит анодом. При создании в цепи постоянного тока около
150 кВт порошок (в случае его аэродинамической подвижности) притя­
гивается изделием и оседает на нем равномерным слоем.
При дальнейшей тепловой обработке изделия на стенках его обра­
зуется прочная пленка полимерного материала, которая не только пре­
дохраняет изделие от коррозии, но и придает ему красивый внешний вид
заданного колера.
Различают несколько способов электростатического напыления:
электростатический роторный, применяемый для наружных поверхно­
стей металлических труб; пневмоэлектростатический, в котором для со­
здания аэродинамической подвижности порошка используют такую же
ванну, как и для вихревого напыления; и электростатический струйный,
где для распыления порошка используют специальный пистолет. В по­
следнем случае порошок полимерной композиции подводится с помощью
сжатого воздуха к распылительному пистолету, который находится под
напряжением. Вылетающее облако заряженного отрицательным зарядом
порошка притягивается и осаждается на заземленной (анод) металличе­
ской детали, после чего отверждается в печи и покрывает изделие плот­
ным прочным слоем.
В настоящее время с помощью рассмотренных методов термомехани­
ческой переработки термопластов изготавливают самые разнообразные
строительные материалы и изделия: материалы для покрытия пола, тру­
бы и сантехническое оборудование, погонажные изделия и некоторые от­
делочные материалы.
§ 5. Синтетические материалы
для устройства полов
Полимерные материалы для полов нашли широкое применение, так
как способствуют индустриализации строительных работ и снижению
стоимости строительства.
В Советском Союзе для покрытия пола выпускаются поливинилхло­
ридные безосновные лииолеумы, на тканевой и теплоизоляционной осно­
вах, глифталевый линолеум, поливинилхлоридные и кумароновые плитки,
резиновый линолеум (релин), а также полимерные составы для устройст­
ва бесшовных покрытий пола. Среди синтетических материалов для по­
крытий пола большое значение имеют плиточные материалы, применение
которых дает возможность получать различный декоративный рисунок.
Плиточные материалы экономически выгоднее рулонных: меньше
расходуется полимера на 20—25%, более транспортабельны и удобнее в
производстве работ и эксплуатации.
Рулонные материалы. В составе композиции для изготовления ру­
лонных материалов используются синтетические полимеры, пластифика3—558
торы, наполнители и пигменты. Д ля ковровых покрытий применяют по­
лиамидные вискозные и другие синтетические волокна. Рулонные покры­
тия могут быть одноцветными (различного колера), многоцветными и с
рисунком; по фактуре лицевой поверхности — гладкими, рифлеными или
(для ковровых) ворсистыми.
Линолеумные покрытия, выпускаемые отечественными заводами,
достаточно гигиеничны, износоустойчивы и долговечны. Размеры руло­
нов в основном: по длине до 12 м, по ширине 1,4—3,0 м при толщине 1,5—
8,0 мм (ковровые покрытия).
г
Поливинилхлоридный линолеум — рулонный материал для пола,
основным компонентом которого является поливинилхлорид. Поливинил­
хлоридный линолеум выпускают на тканевой, теплозвукоизоляционной
основах, безосновный, одно- и многослойный (дублированный) линолеум.
Сырьем для изготовления линолеума, кроме связующего — поливи­
нилхлорида, служат пластификаторы (дибутилфталат и др.), разбавите­
ли (олифа натуральная, оксоль), а также минеральные масла (веретен­
ное, трансформаторное). Важной составляющей линолеума является на­
полнитель: тальк, барит, мел, древесная мука и др. В качестве красите­
лей применяют: мумию, сурик железный, литопон, ультрамарин, зелень
хромовую и др.
Все разновидности поливинилхлоридного линолеума изготавливают
в основном двумя способами: промазным и вальцово-каландровым. Промазным способом получают линолеум на тканевой основе; вальцово-ка­
ландровым — безосновный линолеум.
В настоящее время разработаны более прогрессивные методы произ­
водства: экструзионно-каландровый и экструзионный.
Основными технологическими операциями изготовления линолеума
промазным способом являются: нанесение линолеумной массы на ткань,
термообработка, уплотнение и охлаждение готовой линолеумной ленты.
Полимер и наполнитель с помощью автоматических дозаторов поступа­
ют в горизонтальную мешалку, где перемешиваются в течение 4—5 мин.
Пластификатор, разбавитель и мягчитель, отмеренные в определенных
количествах, перемешиваются в течение 3—5 мин. Из мешалок линолеум­
ная масса направляется в лопастные смесители, где компоненты объеди­
няются в течение 40—50 мин, после чего поступают в грунтовальную
машину. Основа — ткань, проходя через промазную головку, где на нее
наносится слой линолеумной массы толщиной 2—2,5 мм, направляется
в терможелировочную камеру. Из камеры после желирования массы
лента линолеума поступает на горячие вальцы для уплотнения и калиб­
ровки толщины. Далее лента движется через охладительные валки в
кромкорезательную машину и затем на разб£>аковочный стол для сорти­
ровки и упаковки.
Вальцово-каландровым способом производят однослойный или
многослойный линолеум. При изготовлении однослойного поливинилхло­
ридного линолеума все компоненты, отмеренные в заданных количествах,
поступают в роторный смеситель и тщательно перемешиваются в течение
10— 12 мин при повышенной температуре и давлении. В результате пере­
мешивания компонентов в роторном смесителе образуется частично пла­
стифицированная линолеумная масса. Выгруженная из смесителя лино­
леумная масса проходит две стадии вальцевания и превращается вслед­
ствие желатинизации в пластичную массу. Снятая с вальцов горячая
пластмасса подается на каландрирование, где уплотняется и формуется
в линолеумную ленту заданной толщины. Лента линолеума поступает
затем на охлаждаемые водой металлические барабаны для снятия внут­
ренних напряжений, возникающих в процессе желатинизации. Этот спо­
соб производства линолеума имеет ряд преимуществ по сравнению с
промазным, поскольку позволяет использовать различные виды поли­
мера, вводить значительно большее количество наполнителей.
66
При изготовлении многослойного линолеума лицевой слой делает­
ся различных цветов с однородной или мраморовидной окраской. Д ля
лучшей приклейки линолеума к основанию пола нижняя сторона его
имеет обычно рифленую поверхность.
Экструзионный метод изготовления безосновного линолеума позво­
ляет осуществить непрерывное формование линолеумной ленты с помо­
щью червячных машин со специальной формующей головкой. Исходные
материалы
поливинилхлорид и наполнитель (мел) из цилиндрических
силосов подаются в суточные бункера емкостью по 2 м3. Наряду с этим
подготовленная смесь необходимых добавок (пластификатор, стабилиза­
тор и др.) также поступает в суточный бункер для добавок и далее отве­
шенная в заданных количествах с помощью порционных весов подается
в комбинированный двухступенчатый смеситель (верхний и нижний).
Смеситель представляет собой металлическую емкость объемом 0,3 м3
с выпуклым днищем, рубашкой для подогрева перемешиваемой массы
и смесительным устройством.
Смесительное устройство, состоящее из ножа с подкосом и центро­
бежной тарелки, обеспечивает эффективное перемешивание и достаточ­
ную однородность смеси. Такие смесительные установки производитель­
ностью 750 кг/ч могут работать как на автоматическом, так и ручном
режиме.
После загрузки компонентов в верхний смеситель производится пе­
ремешивание сухих составляющих в течение 2—2,5 мин с частотой вра­
щения вала смесителя 3000 об/мин. Затем в смеситель подается пласти­
фикатор с добавками; линолеумная масса подогревается до 120°С и пе­
ремешивается еще 4—4,5 мин. По прошествии указанного времени час­
тота вращения вала снижается до 1500 об/мин и смесь перепускается в
нижний смеситель, где дополнительно перемешивается и охлаждается до
температуры 40—45° С в течение 7 мин. По окончании всего цикла пере­
мешивания 18— 19 мин, включая время загрузки и выгрузки, готовая
смесь подается в напорную емкость, а затем с помощью пневмотранспор­
т а — в емкость, расположенную над экструдером. На выходе этой емко­
сти имеется запорное устройство, загрузочная воронка и дозировочная
шайба, позволяющие осуществлять подачу линолеумной массы в экст­
рудер.
Подготовленная таким боразом линолеумная масса через загрузоч­
ную воронку поступает в зону загрузки экструдера и с помощью червяч­
ных шнеков — в канал щелевой головки. Как только из щелевой головки
экструдера пойдет равномерная по ширине лента линолеума, она вво­
дится в зазор между валками гладильного устройства. Далее лента по­
ступает на транспортирующий конвейер, обогреваемый с помощью
стержневых нагревателей, а затем направляется в камеру для снятия
внутренних напряжений. В камере происходит циркуляция нагретого и
холодного воздуха, что обеспечивает искусственную усадку линолеума
при температуре 130°С. Затем с помощью продольно-режущего устрой­
ства производится срезка кромок для получения заданных размеров ли­
нолеума по ширине полотна. После поперечной резки линолеумной ленты
готовый рулонный материал принимается двухрулонным наматывающим
устройством, а затем подается на упаковку и далее на склад готовой
продукции.
Полученный тем или иным методом безосновный поливинилхлорид­
ный линолеум отличается высокой гигиеничностью, что делает его при­
годным не только для жилищного строительства, но и для покрытия пола
в медицинских учреждениях, лабораториях, где требуется абсолютная
чистота.
Разновидностью поливинилхлоридного линолеума является тепло­
звукоизоляционный, представляющий собой двухслойный материал: вер­
хний лицевой поливинилхлоридный слой, нижний — из нетканно-волок3*
67
нистой основы. Такой линолеум, уложенный на междуэтажное перекры­
тие, исключает необходимость устройства звукоизоляционной прокладки
и теплоизоляционного слоя, т. е. одновременно является теплым полом
и выполняет функции звукоизоляционного материала. Поливинилхлорид­
ный линолеум на теплозвукоизоляционной основе обладает высоким со­
противлением истиранию, хорошей гигиеничностью и звукоизолирующей
способностью. Теплозвукоизоляционный линолеум выпускается в виде ру­
лонов шириной 1,8 м и длиной 12 м, а также в виде «сварных ковров» на
комнату, которые используют особенно широко в гражданском строительстве.
;
Физико-механические свойства поливинилхлоридных линолеумов при­
ведены в табл. 7.
Таблица
7
Физико-механические свойства поливинилхлоридных линолеумов
Потеря в массе
Водопоглоще
при истира­
Толщина,
нии, не более, ние за 24 ч,
мм
не более, %
г/см*
Ширина.
м
Т вердость
ТШ Р-Р,
не более, мм
Вид линолеума
Длина,
не менее, м
Одно-и многослой­
ный без основы
На тканевой осно-
12
1 ,4 - - 1,6
1 ,5 —2 ,5
0 ,0 5
4
0 ,3
12
1 , 4 - - 1,6
2—2 ,5
0 ,0 6
5
0 ,7
12
1 ,4 - - 1,6
4—6
0 ,0 3
4
В0
« • • • • • •
На теплозвукоизо­
лирующей основе • • • • • • •
щ
•
Ш
При укладке поливинилхлоридного линолеума особое внимание дол­
жно быть уделено качеству основания и приклеивающих мастик.
Поливинилхлоридный линолеум необходимо хранить в вертикальном
положении при температуре не ниже +10° С. При более низкой темпера­
туре материал теряет эластичность, а при 0°С приобретает хрупкость.
Транспортируют линолеум в рулонах. При этом каждый рулон оберты­
вают плотной бумагой и упаковывают в деревянную обрешетку.
Коллоксилиновый (нитроцеллюлозный) линолеум представляет со­
бой безосновный однослойный материал, в состав которого входят связу­
ющее, наполнитель, пластификатор, краситель и антипирен. Связующим
компонентом такого линолеума является коллоксилин (нитроцеллюло­
за). В качестве наполнителя используют дешевые минеральные матери­
алы: гипс, глину или пиритные огарки. Коллоксилиновый (нитролино­
леум) линолеум выпускают в основном красноватых и коричневых тонов
в рулонах длиной 12 м, шириной 1— 1,5 м и толщиной 2—4 мм. Коллокси­
линовый линолеум имеет ограниченное применение. Этот вид рулонных
покрытий не рекомендуется применять в помещениях, где ведутся работы
с агрессивными веществами, а также в театрально-зрелищных помеще­
ниях и детских учреждениях. Линолеум настилают на хорошо подготов­
ленное твердое основание и, как правило, приклеивают кумароно-каучуковой или коллоксилиновой мастикой.
Глифталевый линолеум — рулонный материал для пола, состоящий
из модифицированного глифталевого полимера, наполнителей и красите­
лей, нанесенных на джутовую основу. Линолеум выпускают в рулонах
длиной 20 м, шириной 1,8—2,0 м при толщине 2,5—3,0 мм.
Технология изготовления линолеума состоит в основном из следую­
щих операций: окисления и полимеризации растительных масел под дей­
ствием кислорода воздуха и тепла (60—90° С ) ; приготовления связующе­
го путем модификации глифталевого полимера; приготовления линоле­
умной массы путем смешения связующего с наполнителями (пробковая
или древесная мука) и красителями; формования линолеума на каланд68
V
pax путем нанесения линолеумнои массы на джутовую основу и полиров­
ки на второй паре вальцов; грунтовки основы и вызревания, для че­
го линолеумная лента направляется для грунтовки основания масляной
краской или эмульсией, а затем в сушильные камеры для окончательного
приобретения при температуре 65—80° С заданных свойств: стойкости на
истирание, упругости и эластичности, а также сортировки, обрезки кро­
мок, разрезки на куски и упаковки.
При изготовлении печатного линолеума (с рисунком) вводят допол­
нительные операции по приготовлению печатных красок, нанесение ри­
сунка на поверхность линолеумной ленты и вторичную сушку линолеу­
ма. Глифталевый линолеум выпускают с одноцветным или многоцветным
печатным рисунком или окрашенным по всей толщине.
Печатный линолеум может иметь весьма разнообразные и красивые
рисунки ковра, имитации паркета и т. п. Однако с течением времени тон­
кий слой краски рисунка стирается, и линолеум теряет первоначальный
вид. Поэтому печатный линолеум вытесняется одноцветным или много­
цветным линолеумом, окрашенным по всей толщине материала. Такой
линолеум, несмотря на изнашиваемость вследствие истирающих усилий
при эксплуатации, сохраняет хороший вид и надлежащую окраску до кон­
ца службы в покрытии пола.
Глифталевый линолеум при толщине более 3 мм обеспечивает малую
теплопроводность пола без устройства теплоизоляционных прослоек. При
этом важнейшими показателями физико-механических свойств линолеума
являются: потеря в массе при истирании 0,06 г/см2, водопоглошение за
24 ч не более 6%, твердость по шариковому твердомеру ТШР-2 (глубина
вдавливания шарика диаметром 5 мм под напряжением 0,098 МН/м2
(1 кГ/см2) не более 0,7 мм и упругость не менее 50%.
Глифталевый линолеум имеет широкое применение при устройстве
полов промышленных и гражданских зданий. Укладывают его на холод­
ную битумную, канифольную или казеино-цементную мастику.
Резиновый линолеум (релин ) — двухслойный материал для покры­
тия пола. Верхний лицевой износостойкий слой изготавливают из синте­
тических каучуков, наполнителей и красителей (с добавкой серы и других
компонентов). В качестве наполнителей применяют: белую сажу — сили­
кагель, каолин, древесную муку. Нижний подкладочный слой чаще всего
делают из бывшей в употреблении дробленой резины и нефтяного битувулканизации- резины (сера), парафин и некоторые другие компоненты.
Процесс производства релина включает следующие основные опера­
ции: дробление старой, бывшей в употреблении, резины и изготовление
битумно-резиновой композиции для нижнего слоя: каландрирование го^
товой битумно-резиновой смеси в полотно; изготовление цветной резино­
вой смеси для верхнего слоя и каландрирование ее в полотно; соедине­
ние обоих слоев (дублирование) с одновременной вулканизацией рези­
ны; охлаждение ленты релина, вылеживание и раскрой ленты, сортиров­
ка и упаковка.
Релин выпускают одноцветным и многоцветным в виде рулонов дли­
ной 12 м, шириной 1,4— 1,6 м и толщиной 3—5 мм. Материал должен
иметь истираемость не более 0,05 г/см2, водопоглощение за 24 часа не
более 2%; твердость по шариковому твердомеру ТШР-2 не более 1,5 мм;
упругость не менее 50%. При этом релин обладает весьма высокой цветостойкостью. После пребывания его в воде в течение 30 мин при 50° С
цвет его практически не изменяется. Релин обладает повышенной водо­
стойкостью и износостойкостью, высокими диэлектрическими свойства­
ми, а также малой звукопроницаемостью и повышенной химической стой­
костью.
Релин предназначается для покрытия пола в промышленных, реже
жилых и общественных зданиях. Рекомендуется применение релина для
69
полов в помещениях с повышенным влажностным режимом (банях, пра­
чечных и т. п.).
Укладку релина производят на подготовленное основание пола с при­
клейкой мастиками или насухо. В последнем случае рекомендуется закле­
ивать лишь стыки между полотнищами релина с укреплением его плин­
тусами. В случае укладки релина с приклеиванием желательно приме­
нять резино-битумную и другие битумные и кумароно-каучуковые ма­
стики.
Релиновые полы отличаются эластичностью и хорошим внешним
видом.
Плиточные материалы для пола. Кроме рулонных материалов, для
покрытия пола широкое применение получили плиточные материалы, из­
готавливаемые на основе полимеров с наполнителями, пластификатора­
ми и красящими веществами.
Размеры плиток для пола обычно бывают от 150X150 мм до 300Х
Х300 мм при толщине 2—5 мм; наиболее распространенный размер
300x300. Расцветка выпускаемых плиток крайне разнообразна.
Плиточные материалы для покрытия пола используют в жилых, об­
щественных и промышленных зданиях.
Поливинилхлоридные плитки. Изготовление плиток состоит из под­
готовки сырья, тщательного перемешивания составляющих материалов,
вальцевания смеси и каландрирования, вырубки плиток заданного разме­
ра на прессе, сортировки и упаковки готовых плиток. Плитки могут быть
одноцветными, многоцветными и рисунчатыми.
Поливинилхлоридные плитки часто выпускают не только в той же
цветовой палитре, что и рулонные материалы, но и с вкраплениями дру­
гого, отличного от основного, цвета. Одноцветные плитки могут иметь
белый (молочный), желтый, желто-лимонный, красный, светло-серый, би­
рюзовый, коричневый, черный и другие цвета.
Д ля приклейки к основанию пола применяют мастики, используемые
для рулонных материалов. Однако ведутся работы по изготовлению пли­
ток с заранее нанесенным клеем на тыльную сторону. Д ля приклейки
таких плиток их погружают в горячую воду на 10 с, после чего воду,
оставшуюся на плитке, стряхивают и плитку кладут на основание
пола.
Кумароно-поливинилхлоридные и кумароновые плитки производят
на основе поливинилхлоридного и кумаронового полимеров. По свойст­
вам и применению они мало чем отличаются от обычных поливинилхло­
ридных^ плиток. Полы, покрытые кумароновыми плитками, обладают
высокой износостойкостью, гигиеничностью, хорошо моются, вследствие
чего рекомендуются для общественных зданий, рассчитанных на посе­
щение большого количества людей. Однако вследствие малой теплостой­
кости кумароновые (асбестосмоляные) плитки не следует применять в
помещениях с повышенной температурой эксплуатации пола (банях, про­
изводственных помещениях с повышенной температурой).
Монолитные покрытия— поливинилацетатные мастики, полимерцементные составы и пластобетоны позволяют получить бесшовные, весьма
гигиеничные и удобные в эксплуатации полы. По сравнению с покрытия­
ми из рулонных или плиточных материалов такие полы отличаются бо­
лее высоким сопротивлением истиранию и пониженной стоимостью. При
устройстве монолитных полов мастика или паста наносится на подготов­
ленное основание слоем заданной толщины, после чего затвердевает и
образует эластичную пленку в виде бесшовного покрытия пола. По спо­
собу производства работ монолитные полы могут быть пластичные, на­
носимые специальными укладочными механизмами, и наливные, образу­
емые путем розлива или распыления жидкой пасты или эмульсии.
Монолитные покрытия пола имеют широкое применение в общественных
и промышленных зданиях.
70
§ 6. Термопластичные трубы и материалы
для санитарно-технического
оборудования
Из термопластичных материалов, применяемых для санитарно-тех­
нического оборудования, особое место занимают трубы. Вследствие ряда
положительных свойств трубы из термопластов получили широкое ис­
пользование в строительстве (при сооружении водопроводных и канали­
зационных сетей, ирригации и т. п.). Наибольшее распространение полу­
чили полиэтиленовые, поливинилхлоридные, а также трубы из органиче­
ских стекол. Они дешевле и долговечнее металлических, не подвержены
коррозии, влагостойки, что позволяет применять их при любой степе­
ни влажности грунта. Благодаря высокой эластичности трубы из термо­
пластов не разрушаются при ударах и расширении транспортируемой
жидкости, при замерзании. Возможность изготовления длинноразмерных
труб позволяет сократить число стыков, упростить соединения и удеше­
вить монтаж трубопроводов. Полиэтиленовые трубы небольших диа­
метров могут прокладываться путем разматывания с катушек подобно
электрокгбелю.
Полиэтиленовые трубы изготавливают из полиэтилена высокого и
низкого давления, обычно методом экструзии.
Процесс производства полиэтиленовых труб состоит из следующих
технологических операций: обработки полимерной массы на червячном
прессе, экструзии через формующую головку, калибровки в калибро­
вочной насадке, охлаждении в холодной ванне, разрезки на отдельные
трубы или сматывании трубы в бухту.
В нагревательном цилиндре червячного пресса предварительно гра­
нулированный полиэтилен постепенно нагревается и при температуре
140 С переходит в пластичное состояние. Выдавливаемая через формую­
щую головку масса поступает в металлическую калибровочную насад­
ку с водяным охлаждением, где труба постепенно охлаждается, отверде­
вает и принимает наружные размеры, равные диаметру калибровочного
отверстия. Длина насадки для калибровки составляет обычно 10-кратный
размер диаметра изготавливаемой трубы. При прохождении трубы в
теле насадки сжатый воздух, поступающий через канал дорна формую­
щей головки, плотно прижимает трубу к стенке насадки, обеспечивая
точные ее размеры и форму. Выходящая из калибровочного отверстия
труба имеет еще высокую температуру, весьма пластична и легко де­
формируется, поэтому охлаждение ее производят интенсивно в ванне с
циркуляцией холодной воды. После охлаждения труба приобретает до­
статочную жесткость и полную усадку (до 15% от первоначального объ­
ема при температуре 120°С). По выходе из охлаждающей ванны труба
пропускается^ через кольцо, обтянутое фетром, и далее поступает на тя­
нущее устройство, обеспечивающее плавный отвод готового изделия.
В настоящее время прогрессивным методом съема готовых полиэти­
леновых труб является намотка их на бухты. Во избежание появления
необратимых деформаций в трубах при длительном хранении минималь­
ный диаметр намоточных бухт должен быть не менее 60-кратного разме­
ра внутреннего диаметра трубы.
Полиэтиленовые трубы обладают незначительным влагопоглощением, высокой стойкостью к кислым и щелочным средам, а также к дей­
ствию масел и большого числа растворителей, что позволяет использо­
вать их для транспортировки различных агрессивных жидкостей. Отли­
чительной особенностью полиэтиленовых труб является их высокая мо­
розостойкость. Эксплуатировать их можно в интервале температур от
—80 до +60°С.
Пластичные свойства полиэтилена высокого давления дают воз­
можность изготавливать трубы большой длины (до 300 м) и наматывать
71
их на специальные барабаны для транспортировки и укладки. Полиэти­
леновые трубы выпускают различных диаметров от 13 до 150 мм и рас­
считывают на рабочее давление до 1,2 МН/м2 (12 атм).
Трубы и детали из полиэтилена легко поддаются механической обра­
ботке. При монтаже трубопроводов для соединения труб часто приме­
няют металлические некорродирующие фитинги и другие детали. По­
лиэтиленовые трубы легко сваривают струей горячего воздуха.
Поливинилхлоридные трубы изготавливают из твердого поливинил­
хлорида (винипласта и стабилизатора) сворачиванием листовых загото­
вок с последующей сваркой или склейкой кромок и пластической пере­
работкой поливинилхлорида путем термомеханического воздействия на
порошкообразный или гранулированный полимер — непрерывная шнеко­
вая экструзия. В настоящее время наиболее прогрессивным методом
производства поливинилхлоридных (винипластовых) труб является ме­
тод непрерывной экструзии.
V<
Свойства винипластовых труб в значительной степени предопреде­
ляются свойствами исходного полимерного материала — винипласта. Ви­
нипласт— термически пластифицированный поливинилхлорид, обычно
коричневой окраски с объемной массой 1400 кг/м3 и высокими антикор­
розийными и диэлектрическими свойствами. Поскольку удельная удар­
ная вязкость винипласта резко уменьшается с понижением температуры,
эксплуатационные качества винипластовых труб при отрицательных
температурах сильно снижаются.
Значительный коэффициент линейного расширения винипласта тре­
бует устройства специальных компенсаторов при монтаже трубопрово­
дов из поливинилхлоридных труб так же, как и из полиэтиленовых.
Не следует применять винипластовые трубы в агрессивных средах, со­
держащих в значительной концентрации азотную кислоту, ароматические
углеводороды и галоидопроизводные углеводородов жирового, аромати­
ческого и других рядов.
Соединение винипластовых труб в трубопроводы можно легко осу­
ществлять с помощью фланцев и накидных гаек, а также путем сварки
в струе горячего воздуха. Однако наиболее надежные соединения произ­
водят путем склейки труб между собой. В отличие от полиэтиленовых
(практически не склеиваемых) винипластовые трубы прочно склеивают
различными клеями, из которых наиболее распространенным яв­
ляется 15—20%-ный раствор перхлорвинила в ацетоне или метиленхлориде.
Винипластовые трубы изготавливают длиной до 3 м с внутренним
диаметром от 6— 150 мм, толщиной стенок от 2—3 мм и рабочим давле­
нием 0,6 МН/м2 (6 атм).
Винипластовые трубы широко используют для транспортировки аг­
рессивных жидкостей и газов, а также при монтаже водопроводных и
канализационных сетей (рис. 22).
Облицовочные плитки прямоугольной формы получают обычно из
полистирола. В целях экономии полимера и придания плиткам заданного
колера в состав полимерной композиции вводят наполнитель (тальк,
каолин) и красители. Полистирольные облицовочные плитки изготавли­
вают способом литья под давлением на литьевых машинах. Процесс
изготовления полистирольных плиток полностью автоматизирован и
Длится примерно один цикл отливки — 20—25 с. Наиболее ходовой раз­
мер выпускаемых полистирольных плиток— 100X100 и 150X150 мм при
толщине 1,25 и 1,35 мм. Цвет плиток может быть самый различный от
пастельных до насыщенных тонов. Лицевая сторона — обычно глянце­
вая, гладкая; тыльная — имеет бортик толщиной 6—8 мм и рифленую
поверхность для лучшего сцепления с облицуемой поверхностью.
Из листового материала СНП (сополимер стирола с нитрилом) из­
готавливают групповую облицовочную плитку способом механопневмо72
технологии. Полный цикл формования групповой плитки при габаритах
изделия 500X500X 3 м м —-3,5 мин (рис. 23).
Плитки обладают высокой водо- и паронепроницаемостью, высокой
химической стойкостью и достаточной механической прочностью. Полистирольные плитки применяют для внутренней облицовки помещений
жилых и общественных зданий (душевые кабины, санузлы и т. п.).
Основным недостатком полистирольных плиток является их горю­
честь, что исключает применение их для облицовки помещений с нагре­
вательными приборами.
Рис. 22. Канализационный узел
поливинилхлоридных труб
из
Рис. 23. Групповая облицовочная
плитка из СНП
Оборудование санузлов и другие изделия. Полимерные композиции
являются наиболее ценным сырьем для изготовления оборудования сан­
узлов: ванн, умывальников, раковин, смывных бачков, вентиляционных
и радиаторных решеток и разнообразных мелких деталей для моечных
помещений, кухонь и т. п.
Эти изделия имеют достаточную механическую прочность, коррози­
онную стойкость и не нуждаются в систематической окраске. Способы
изготовления их разнообразны и зависят от вида, свойств полимерной
композиции и размеров изделия. Так, при производстве мелких деталей
из полистирола и полиметилметакрилата широко используют способ
литья под давлением, а крупноразмерных изделий (ванн, раковин и т. п.)
из листов термопластичных композиций — способ вакуумного термоформования. В последнем случае для изготовления изделий часто при­
меняют винипласт, поливинилхлорид в смеси с поливинилацетатом, полиметилметакрилат, высокопрочный полистирол, полиэтилен и другие
полимеры.
Полимерные композиции и сантехнические изделия, получаемые на
их основе, удовлетворяют требованиям в отношении надлежащего внеш­
него вида, водостойкости, щелочестойкости и долговечности.
§ 7. Отделочные материалы и изделия
из термопластов
Применение полимерных отделочных материалов благодаря их эко­
номической эффективности позволит снизить стоимость строительства
при одновременном улучшении технических и художественных качеств
здания.
Номенклатура полимерных отделочных материалов весьма обшир­
на и может быть разделена на следующие основные группы: материалы
для отделки и облицовки стен, потолков и встроенной мебели, погонаж­
ные архитектурно-строительные изделия и вспомогательные материалы
(клеи, мастики и т. п.).
Полимерные материалы для облицовки стен. Линкруст — отделоч­
ный материал, получаемый путем нанесения на одну сторону плотной
бумажной основы тонкого слоя пасты, состоящей из полимера, наполни­
теля, пластификатора и красителя. В качестве полимера для производ­
ства линкруста обычно используют поливинилхлорид, наполнителем
служит пробковая или древесная мука. Линкруст, неокрашенный или
окрашенный по всей массе, гладкий или тисненый с лицевой стороны
(рифленый рисунок), выпускают толщиной 0.6— 1,2 мм и шириной 0,5;
0,6 и 0,75 м при длине рулона 12 м. Водопоглощение линкруста за 24 ч —
около 2%. Он достаточно водо- и гнилостоек, не коробится при хранении
и не выцветает на солнце. Линкруст широко применяют для отделки
стен и перегородок в помещениях жилых и общественных зданий.
Пленочные материалы могут быть разделены на основные и безосновные. Основой для изготовления пленочных полимерных материалов
служит бумага, картон или хлопчатобумажная ткань. В качестве поли­
мера часто используют поливинилхлорид. Пленки могут быть окрашены
в любой цвет с печатным рисунком или без него, гладкие или риф­
леные.
"
Пленки без основы — это тонкие поливинилхлоридные пленки проз­
рачные, полупрозрачные или окрашенные по всей толщине. Выпускают
их часто с клеевым слоем. Последние изготавливают путем нанесения на
внутреннюю сторону клеевого состава, который прикрывают затем легкоснимающейся бумагой. Перед использованием пленки бумагу, защищаю­
щую клеевой слой, снимают и пленку приклеивают к отделываемой по­
верхности. Поливинилхлоридные пленки с клеевым слоем изготавливают
рулонами по 12 м в каждом, шириной 0,5; 0,6 и 0,75 м при толщине
0,1 и 0,2 мм.
'ЭД
Пленки на основе представляют собой отделочные материалы, в ко­
торых цветные поливинилхлоридные пленки наклеены на бумажную, тка­
невую или звукоизолирующую тканевую основу. Пленки на бумажной
основе выпускают шириной 0,5—0,75 м при толщине 0,1—0,8 мм, на тка­
невой основе — 0,5— 1,0 м при толщине 0,2—0,4 мм. Длина рулонов этих
пленок обычно составляет 40 м. Пленки на эластичной звукоизолирую­
щей основе выпускают шириной 0,75 м, толщиной 3—4 мм при длине
рулона 12 м. Водопоглощение за 24 ч пленок на бумажной и тканевой
основах должно быть не более 2%; предел прочности при растяжении —
14,7— 19,6 МН/м2 (150—200 кГ/см2).
Пленки с клеевым слоем применяют для отделки дверей, встроенной
мебели, стен, потолков в помещениях с повышенными гигиеническими
требованиями. Пленки на бумажной основе используют преимуществен­
но для оклейки стен жилых и общественных зданий. Пленки на тканевой
основе применяют главным образом для отделки стен общественных зда­
ний и устройства передвижных, перегородок. Пленки с эластичной зву­
коизолирующей основой широко используют для отделки дверей, пере­
городок и стен помещений с повышенными акустическими требова­
ниями (в телестудии, радиостудии, машинном бюро, кинотеатрах и т. п.).
Пленки, выпускаемые без основы, используют чаще всего для устройст­
ва занавесей и отделки помещений 'с повышенным влажностным режи­
мом эксплуатации.
Влагостойкие (моющиеся) обои представляют собой отделочный
материал с лицевой поверхностью, стойкой по отношению к действию
воды. Такие обои выпускают с матовой поверхностью, с рифленой пе­
чатью или фактурной поверхностью. Ширина моющихся обоев 500, 600
74
и 750 мм при длине рулона 12 м, а иногда (по требованию заказчика)
50 м.
Отечественная промышленность производит также моющиеся обои
с клеевым слоем и ворсовые обои. Ворсовые обои изготавливают путем
нанесения в электростатическом поле на тыльную сторону бумаги с кле­
евым слоем синтетического ворса. Такие обои наряду с высокими деко­
ративными качествами обладают повышенной звукопоглощающей спо­
собностью. Они могут быть гладкие или тисненые, одноцветные или мно­
гоцветные и рисунчатые. Эти
обои применяют в помещениях
со специальным акустическим
режимом.
Погонажные архитектур­
но-строительные изделия пред­
ставляют собой длинномерные
элементы разнообразных про­
филей, окраски и назначения.
Это плинтусы, рейки, поручни
для лестничных перил, балко­
нов и других ограждений, з а ­
щитные и декоративные на­
кладки на проступи лестничных маршей, раскладки для
крепления листовых материа­
лов, нащельники и др.
Погонажные изделия име­
ют особенно большое значение
для отделки здании крупно­
сборного строительства, усо­
вершенствованных типов окон
и дверей, отделки стен и ог­
раждений и т. п. В архитек­
турном отношении эти изделия
дают
возможность получать
наиболее приемлемые формы
и окраски отделываемой по­
Рис. 24. Щит из поливинилхлоридной рей­
верхности. В Советском Сою­
ки
зе широкое применение нахо­
дят погонажные изделия, по­
лучаемые методом экструзии на основе поливинилхлорида.
Плинтусы — элементы архитектурного оформления помещения, пред­
назначенные для перекрытия стыковых щелей между полом и стенами.
Лицевая сторона плинтуса должна быть без царапин, раковин и види­
мых включений наполнителя. Плинтусы характеризуются незначитель­
ным водопоглощением — не более 0,5%, усадкой — не более 0,5%, упру­
гостью— не более 60%.
На основе поливинилхлорида выпускают чаще всего плинтусы с
прямой стенкой и плинтусы, позволяющие устраивать скрытую слаботоч­
ную электропроводку. Плинтусы из поливинилхлорида не требуют по­
краски, более гигиеничны, чем деревянные; крепят их к полу и стене спе­
циальными клеями или мастиками.
Р ейку поливинилхлоридную применяют как отделочный материал
для стен и перегородок в общественных и производственных помещениях.
Выпускают ее разнообразной окраски и красивого внешнего вида. Рейка
имеет с одной стороны паз, а с другой — гребень, позволяющие собирать
ее в щиты (рис. 24).
Поручни на основе поливинилхлорида изготавливают методом экстроф
нутрен75
ние размеры поручня должны соответствовать стандартным размерам
сечения металлической полосы ограждения — 4 0 x 4 , 4 0 x 6 или 50X 6 мм.
При выходе из экструдера поручни длиной 12 м сворачивают в бухты
(рис. 25). Физико-механические свойства поручней такие же, как свой­
ства плинтусов, поскольку композиции их близки по составу. Поливи­
нилхлоридные поручни широко применяют для оформления лестничных
перил жилых и промышленных зданий.
Крепление поручней из пластмасс весьма просто. Перед натяжени­
ем поручня на стальную ленту лестничных перил бухту поручня разма­
тывают и прогревают при температуре 60—
80° С. Поручень размягчается и легко мо­
жет быть надет на полосу перил. После
охлаждения до температуры окружающего
воздуха поручень прочно закрепляется,
плотно обжимая перильную ленту.
Накладки поливинилхлоридные для
лестничных ступеней предназначены для
Рис. 25. Поручень в виде
защиты
от
истирания
и
других
механиче­
бухты
ских повреждений граней бетонных ступе­
ней. При этом угловые накладки из пласт­
масс применяют также в сочетании с пластмассовым покрытием просту­
пей лестниц.
В нашей стране выпускают накладки трех видов: полосовые, угол­
ковые и накладки для покрытия углов и проступей. Накладки первого
вида выпускают длиной 12 м в виде бухт; накладки второго и третьего
Рис. 26. Проступь
в виде бухты
Рис. 27. Фонари верхнего света из органического
стекла
видов — в виде длинномерных изделий длиной 1— 1,7 м (рис. 26). Окрас­
ка накладок может быть различной. Защитные уголки и проступи крепят
с помощью клея № 88, кумароно-каучуковой мастики, а также резино­
битумной мастики. Накладки хорошо амортизируют удары, предохраня­
ют лестничные ступени от истирания и широко применяются в жилых и
промышленных зданиях массового строительства.
Изделия из листового органического стекла (полиметилметакрилата) в виде шифера разных конструкций и фонарей верхнего света при­
меняют как архитектурно-строительный материал. Шифер изготавли­
вают из листов толщиной 3 мм на полуавтоматической установке
УМПФ-250 и используют для покрытия крыш летних павильонов, кафе,
столовых и т. п. Фонари верхнего света изготавливают из листового
материала при толщине листа 8 мм пневматическим методом на беспрессовой установке. Достоинства таких плафонов верхнего света—высокая
светоактивность и возможность свободного размещения их на кровле
(рис. 27).
'
Тепло- и звукоизоляционные материалы, получаемые на основе по­
лимеров, отличаются значительной легкостью, малой теплопроводно­
стью, малой гигроскопичностью и достаточной механической прочно­
76
стью. Такие материалы по структуре могут быть разделены в основном
на три группы: пенопласты — имеющие изолированные, не сообщающие­
ся между собой ячейки, наполненные газом или смесью газов; поропласты — с системой сообщающихся между собой ячеек или полостей,
наполненных газом (такое деление условно, поскольку ячеистые пластин­
ки обычно имеют смешанное строение), и сотопласты, характеризую­
щиеся регулярно повторяющимися полостями правильной геометриче­
ской формы (см. гл. V I).
Наибольшее распространение в строительстве имеют материалы на
основе полистирола (пенополистирол). Значительное развитие получа­
ют материалы на основе полиуретана (пенополиуретаны) и композиции
из поливинилхлорида. В настоящее время большой интерес представля­
ют «заливочные» поропласты на основе пенополиуретанов.
Образование теплоизолирующей прослойки в виде пены из этих ком­
позиций непосредственно при изготовлении стеновых панелей намного
упрощает и удешевляет производство работ. Образование ячеистой
структуры изоляционных пластических масс основано на введении в
композицию специальных веществ (порообразователей), разлагающих­
ся при нагревании с выделением газов, вспучивающих размягченный
полимер.
В качестве твердых порообразователей, имеющих практическое зна­
чение, применяют карбонаты и бикарбонаты натрия и аммония, выде­
ляющие при разложении СО 2, N H 3 и другие вещества. К жидким видам
порообразователей относятся изопентан, некоторые спирты и т. п. В ка­
честве газообразных вспенивающих веществ могут быть использованы
воздух, азот, углекислый газ.
Тепло- и звукоизоляционные свойства различных пластиков с оди­
наковой объемной массой отличаются сравнительно мало. Ячеистые
пластмассы с замкнутыми порами, как правило, обладают невысокой
звукопоглощающей способностью, но практически звуконепроницаемы,
поэтому их часто используют как звукоизоляционные материалы при
устройстве специальных акустических потолков. Пористые пластики
жесткой или эластичной структуры обладают значительной звукопогло­
щающей способностью вследствие наличия открытой системы пор.
В связи с этим большинство поропластов используют также в качестве
звукоизолирующих прослоек.
Пенополистирол — очень легкий пластик, характеризующийся по­
ристой структурой с замкнутыми ячейками, заполненными воздухом или
газом (азот и др.). В настоящее время пенополистирол выпускают трех
марок: ПС-1, ПС-4 и ПС-б. Сырьем для изготовления пенополистирола
в основном служит порошкообразный эмульсионный полистирол. Пено­
полистирол может быть получен прессовым и беспрессовым методами.
Разработан и непрерывный метод получения пенополистирола непосред­
ственно из стирола.
Технологическая схема производства пенополистирола по прессово­
му методу состоит из трех стадий: смешения полистирола с газообразователем, прессования композиции и вспенивания заготовки.
Порошкообразный полистирол, порофор и другие составляющие
смешиваются в шаровой мельнице в течение 12— 24 ч до получения одно­
родной мелкодисперсной смеси. Последнюю закладывают в пресс-формы
и подвергают прессованию при температуре 120— 145°С. В процессе горя­
чего прессования частицы полистирола сплавляют в однородную массу,
а выделяющиеся газы от разложения порофора, равномерно распределя­
ясь в массе полимера, образуют пористую структуру материала.
Беспрессовый метод производства пенополистирола состоит из двух
стадий: получения гранул полистирола, насыщенных легколетучими компоненетами, и вспенивания гранул с одновременным сплавлением в алю­
миниевых, стальных, деревянных и других формах.
77
Пенополистирол выпускают в виде плит или фасонных изделий
(скорлуп, сегментов).
Основными показателями свойств пенополистирола являются его
малая объемная масса и низкая теплопроводность. Так, для пенополи­
стирола марки ПС-1 объемная масса составляет 60—200 кг/м3, предел
прочности при изгибе — 0,04—0,24 МН/м2 (0,4—2,4 кГ/см2); водопоглощение за 24 ч — не более 0,3%, коэффициент теплопроводности —
0,034 Вт/м*°С (0,030 ккал/м*ч-°С); рабочая температура— до 60—65°С.
Пенополистирол не горюч, не подвержен гниению. Легко гвоздится и
склеивается со многими строительными материалами.
Пенополистирол широко применяют как тепло- и звукоизоляцион­
ный материал в конструкциях совмещенных кровель, при строительстве
холодильников и т. п. Изготовленный в виде скорлуп и сегментов этот
материал используют для изоляции трубопроводов, работающих
при 65°С.
Пенополивинилхлорид — пластмасса с равномерно распределенны­
ми замкнутыми порами, жесткой, эластичной или полуэластичной струк­
туры. Производство пенополивинилхлорида аналогично пенополистиролу. При этом жесткие разновидности пенополивинилхлорида часто полу­
чают прессовым методом, эластичные виды пластика — непрерывным ме­
тодом.
• > ,.
Пенополивинилхлорид выпускают в основном следующих марок:
ПХВ-1— жесткий и ПХВЭ — эластичный пенопласт. Плиточный жест­
кий пенопласт ПХВ-1— легкая газонаполненная пластмасса равномер­
ного, замкнутопористого строения. Длина и ширина плит обычно не
менее 500 мм при толщине не менее 45 мм. Эти плиты устойчивы к дей­
ствию кислот, щелочей, воды и могут быть использованы в интервале
температур от —60 до +60°С.
Основные физико-механические показатели свойств пенополивинил­
хлорида марки ПХВ-1: объемная масса — 70— 130 кг/м3; предел проч­
ности при сжатии (перпендикулярно плоскости плиты) — 0,39—
0,68 МН/м2 (4—7 кГ/см2); водопоглощение за 24 ч — не более 0,3%; ко­
эффициент теплопроводности — Я= 0,04 Вт/м-°С (0,036 ккал/м-ч-°С).
Пенополивинилхлорид широко применяют для термоизоляции холо­
дильников, рефрижераторов, а также для звукоизоляционных целей на­
равне с пенополистиролом.
«
Гидроизоляционные материалы могут быть изготовлены с примене­
нием различных полимеров. Д ля этих целей чаще всего применяют поли­
этиленовые пленки, реже — пленки на основе поливинилхлорида. На ос­
нове полиизобутилена изготавливают гидроизоляционные материалы в
виде пленки, мастик и рулонного безосновного материала (ГМП).
Гидроизоляционную, герметизирующую пленку УП-50 изготавлива­
ют из высокомолекулярного полиизобутилена (19—20% ), полиэтилена
высокого давления (5—6 % ), парафина (5—6%) и наполнителей: сажи
(10 12%) и измельченного каменного угля. Пленку для герметизации
и уплотнения стыков получают путем смешения компонентов на вальцах
при температуре (100— 110°С) и прокатывания затем на каландрах до
толщины 0,5 мм. Во избежание брака при транспортировке пленку дуб­
лируют на том же каландре, получая двухслойный материал толщиной
в 1 мм. Готовое изделие посыпают тальком и сворачивают в рулоны.
Физико-механические свойства готового материала следующие:
объемная м асса— 1300 кг/м3, предел прочности при разрыве —
0,98 МН/м2 (10 кГ/см2); температура применения — до 100°С. Основное
назначение пленки — герметизация вертикальных стыков, подвергаю­
щихся постоянным деформациям.
Мастики УМ-40 и УМС-50 получают путем смешения высокомоле­
кулярного полиизобутилена, раствора резины и наполнителя. Такие
мастики являются нетвердеющими герметиками, обладающими высокой
78
пластичностью и адгезиеи к различным строительным материалам. Мас­
тики УМ-40 и УМС-50 применяют для герметизации горизонтальных и
вертикальных стыков крупнопанельных зданий и могут эксплуатиро­
ваться в широком интервале температур от + 8 0 до —60°С.
Для приготовления рулонного гидроизоляционного материала
(ГМП) применяют полиизобутилен и нефтяной битум. ГМП выпускают
в виде полотнищ, свернутых в рулоны. Масса 1 м2 материала составляет
3 кг. Площадь полотна в одном рулоне ГМП — 5 м, ширина полотна
600 800 мм и толщина материала 2 мм. Производство ГМП основано
на смешении и вальцевании компонентов на горячих вальцах при темпе­
ратуре 150°С и последующей обработке с помощью каландров до тол­
щины 2 мм. ГМП применяют для устройства гидроизоляции плоских
кровель промышленных и гражданских зданий, гидроизоляции подзем­
ных сооружений в условиях повышенных или пониженных температур.
Г л а в а VI
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ПЕРЕРАБОТКИ РЕАКТОПЛАСТОВ И МАТЕРИАЛЫ,
ПОЛУЧАЕМЫЕ НА ИХ ОСНОВЕ
Термореактивные полимерные композиции перерабатывают в изде*
лия главным образом методом прессования. При этом осуществляется
необратимая реакция сшивки между макромолекулами полимера, про­
исходящая благодаря особенностям структуры макромолекул или влия­
нию специальных добавок. Процесс сжатия полимера в замкнутом объ­
еме пресс-формы сопровождается его течением, уплотнением и нагрева­
нием.
Термореактивные композиции нельзя подвергать воздействию повы­
шенных температур более нескольких минут, поэтому материалы, на­
гретые до пластичного состояния, должны быть немедленно отформова­
ны, после чего выдерживаются в форме до отверждения.
Для прессования термореактивных пластиков обычно применяют
гидравлические прессы верхнего и нижнего давления с автоматическим
управлением.
'
§ 1. Технологические приемы переработки
термореактивных полуфабрикатов
В настоящее время наибольшее распространение в промышленности
строительных материалов получили: компрессионное (прямое) прессова­
ние в горячих пресс-формах, трансферное прессование (пресс-литье) и
прессование на многоэтажных прессах. Термореактивные пресс-порошки,
волокниты и другие пресс-массы перерабатывают главным образом ком­
прессионным и трансферным прессованием. На многоэтажных прессах
изготавливают материалы со слоистыми наполнителями.
Компрессионное (прямое) прессование в горячих формах заключа­
ется в способности прессовочных масс при нагревании под давлением
переходить в пластичное состояние, заполнять полости формы и отверж­
даться в изделие.
Производство изделий методом прямого прессования слагается из
следующих этапов: подготовки полуфабриката к прессованию, собствен­
но прессования и отделки готовых изделий. Основной этап — горячее
прессование состоит из: дозировки пресс-материала, загрузки материа­
ла в форму, выдержки изделия в горячей пресс-форме под давлением,
разъема пресс-формы и извлечения изделий из нее. Схема прямого прес­
сования в горячей форме представлена на рис. 28.
Прессовочный материал в виде таблеток, гранул или шариков в
заданном количестве загружают в нагретую пресс-форму, после чего она
постепенно замыкается. В форме материал разогревается и становится
пластичным, а по мере замыкания пресс-формы заполняет ее полости.
При этом наибольшее давление, обеспечивающее заполнение всех поло­
стей формы, достигается в момент окончательного ее замыкания и изде­
лие выдерживается в таких условиях до отверждения полимера. Д ля
того чтобы из формы могли удалиться образующиеся при прессовании
газы, делается подпрессовка, т. е. производится поднятие пуансона на
некоторую высоту не позднее чем через 10—30 с после смыкания формы.
В результате сокращается время выдержки изделия в форме и повыша­
ется качество продукции.
После подпрессовок изделие в замкнутой форме выдерживается при
заданном давлении. Примерная диаграмма ходов плит пресса при «подпрессовке с паузой» представлена на рис. 29. Важнейшими параметрами
процесса прессования являются температура, давление и продолжитель8 О
ность выдержки изделия в форме под давлением. Температура прессо­
вания оказывает влияние на величину давления и продолжительность
выдержки изделия в форме под давлением. С повышением температуры
прессования до определенного предела, зависящего от температуры от­
верждения полимера, выдержка изделия в форме сокращается, а физи­
ко-механические свойства изделия улучшаются. Понижение температу­
ры прессования ведет к необходимости повышения выдержки изделий
в форме и медленному отвержде­
нию. Поверхность изделий в этом
случае получается тусклой. В
связи с этим прессование следу­
ет вести для каждого вида мате­
риалов при оптимальной темпера­
туре. Опрессовки высокого качества получаются: для фенопластов
в интервале температур 140
200° С; аминопластов — 135
п
165° С.
1
1
> 7
Выдержка пресс-материала в
форме
время, необходимое для
В
)
5)
отверждения материала в нагре­
той пресс-форме под давлением.
Рис. 28. Схема горячего прессования:
Различают минимальную выдерж­ а — загрузка материала в форму; б — процесс
в — выталкивание готового изделия;
ку, обеспечивающую получение прессования;
1 — обогреваемая матрица пресс-формы; 2 — элек­
изделий, годных лишь по внешне­ трообогреватель; 3 — пресс-материал; 4 — обогре­
ваемый пуансон; 5 — электрообогрев пуансона;
му виду, и оптимальную выдерж­
6 — ползун; 7 — выталкиватель
ку, обеспечивающую высокое ка­
чество изделия по всем техниче­
ским показателям.
Время
оптии
мальнои выдержки пресс-материала в форме определяют опытным
путем. Наиболее характерным по­
казателем режима прессования
УроВень
лресс-Формы
является удельная выдержка, т. е.
время выдержки, приходящееся
на 1 мм максимальной толщины
Время
изделия. С увеличением высоты Рис. 29. Диаграмма ходов плиты пресса
изделия (при постоянной толщи­
при «подпрессовке с паузой»:
не стенок изделия) удельная вы­ / — ход при низком давлении; 2 — ход при высо­
ком
давлении;
3
—
пауза
перед
подпрессовкой;
держка увеличивается. Время вы- 4 — под прессовка; 5 — выдержка под давлением;
6 — разъем пресса; 7 — высота подпрессовки
держки и отверждения [ля различных видов пресс-материалов
различно. Быстрее других материалов отверждаются новолачные пресспорошки
примерно за 10 20 с на 1 мм толщины изделия; для фенопластов ремя выдержки на 1 мм толщины изделия составляет 1 —
1,5 мин.
Давление, передаваемое пуансоном прессуемому материалу, служит
для обеспечения заполнения полостей формы и уплотнения материала.
При изготовлении изделий простой, обтекаемой конфигурации тре­
буются меньшие давления, нежели для прессования деталей со сложной,
трудно обтекаемой формой. При этом для получения качественного прес­
сования чем больше высота, тем требуется большее давление. Обычно
оптимальное давление прессования подбирается пробным прессованием
путем изменения давления на прессе.
При прессовании изделий из фенопластов давление изменяется в
зависимости от формы изделия и вида наполнителя и составляет 9,8—
29,4 МН/м2 (100—300 кГ/см2)
при наполнителе — древесная мука,
19,6— 39,2 МН/м2 (200—400 кГ/см2) — при волокнистых наполнителях и,
•
81
наконец, 29,4—58,8 МН/м2 (300—600 кГ/см2) — для изделий из листовых наполнителей.
Трансферное прессование основано на применении загрузочной ка­
меры, отделенной от оформляющей части одним или несколькими летниковыми каналами. Давление прессования
передается только на материал в загру­
зочной камере. В этом случае пресс-маязтериал после разогрева и перехода
котекучее состояние поступает под дав­
лением в оформляющие полости прессформы
чеоез
летниковые
каналы
ш
через
(рис. 30).
Трансферное прессование является
прогрессивным методом и заключается в
применении одного или нескольких плун­
жеров
для
нагнетания
материала
в
прессРис. 30. Схема
производства
форму. Поскольку прессуемый материал
изделий пресс-литьем:
нагнетается через относительно узкий
/ — загрузочная камера; 2 — пуан­
сон; 3 — пресс-материалы; 4 — лет­
летниковый канал, он дополнительно на­
никовый канал; 5 — формуемая по­
лость пресс-формы
гревается за счет трения о стенки канала,
что способствует ускорению процесса
отверждения.
Изделия изготавливают обычно из термореактивных материалов с
порошковым наполнителем на литьевых гидравлических прессах.
Пластичность (текучесть) прессуемого материала и конструктивные
особенности изделия оказывают существенное влияние на давление и
температуру прессования. Повышенное давление и температура необхо­
димы при материалах с пониженной текуче­
стью (волокнитов, текстолнтов), а такж е при
фи
При литьевом прессовании давление в за­
грузочной камере достигает 150,0—200,0 Мн/м2
(1600—2000 кГ/см2), что значительно выше,
чем при прямом прессовании.
4
Однако при предварительном подогреве
прессуемого материала в виде таблеток можпрессования
до
давления
снизить
но
58,8 МН/м2 (600 кГ/см2). Скорость хода плун­
жера в этом случае должна быть такой, чтобы
предотвратить отверждение материала еще в
загрузочной камере.
Прессование на многоэтажных прессах
применяют обычно для изготовления материа­
лов с листовыми наполнителями: текстолитов,
стеклотекстолитов, декоративно-слоистых
и
древеснослоистых пластиков и т. п. Многоэтаж­
ные прессы (рис. 31) имеют обогреваемые пли­
ты, расположенные одна над другой. В процес­
се прессования плиты синхронно сближаются и
разводятся для загрузки и разгрузки готовых
изделий. Такое устройство прессов позволяет
одновременно прессовать несколько пакетов из
Рис. 31. Схема многоэтаж­ листовых наполнителей, что значительно по­
ного пресса:
вышает производительность прессов.
/ — цилиндр пресса; 2 — глав­
При изготовлении слоистых пластиков со­
ный плунжер; 3 — уступы сту­
пенчатых реек; 4 — архитрав;
бранные
пакеты
укладываются
между
металли­
5 — колонна; б — плита пресса;
7 — подъемный стол; 8 — вспо­
ческими листами, имеющими отполированную
могательный цилиндр; 9 — плун­
поверхность, и помещаются на горячие плиты
жер вспомогательного цилиндра
Ү
Т
1
82
І
V
Г
Т
Г
7
7
7
7
7
Т
7
—
---------------------------------------------- ^i
V
/W
/A
'W
7
Л
пресса. При этом на каждый этаж пресса может быть уложено один
или несколько пакетов в зависимости от толщины их и расстояния меж­
ду плитами. После укладки пакетов плиты пресса сближаются, и ма­
териал прессуется с одновременным нагревом до заданной темпера­
туры.
§ 2. Формование методом
напыления (пульверизации)
Этим методом путем напыления рубленого стекловолокна и поли­
эфирного полимера с помощью пистолета-напылителя изготовляют обыч­
но крупногабаритные изделия. Методом напыления можно наносить так­
же антикоррозийные слои на бетонные сооружения, напылять на потол­
ки и стены материалы, обеспечивающие улучшение теплоизоляционных
и акустических свойств промышленных и гражданских зданий.
Формование осуществляют следующим образом. Стеклонить с к а ­
тушки, ^установленной на размоточной оси, подается валками на реза­
тельный механизм и нарезается на частицы заданной длины. Затем час­
тицы стекловолокна потоком воздуха, создаваемого вентилятором, по
трубе и резиновым шлангам подаются к пистолету-напылителю. Поли­
эфирный полимер из двух баков (с катализатором и активатором) под
давлением воздуха, поступаемого от компрессора через ресивер, также
подается к пистолету-напылителю. Воздух, выходя из сопел пистолета,
разбивает струи полимера, распыляя его; при этом одновременно с поли­
мером по самостоятельной трубе поступает рубленое стекловолокно.
Компоненты, вылетая, смешиваются и с силой наносятся на форму изде­
лия. Далее производится уплотнение нанесенного слоя и отверждение
полимера.
§ 3. Строительные материалы и изделия,
получаемые на основе термореактивных
полимеров
Из термореактивных материалов, получивших широкое применение
в строительстве, следует отметить декоративный бумажно-слоистый плас­
тик, текстолиты и стеклотекстолиты, стеклопластиковые трубы, древес­
новолокнистые и древесностружечные плиты и другие материалы.
^ Декоративный бумажно-слоистый пластик — листовой облицовоч­
ный материал, получаемый путем горячего прессования нескольких сло­
ев специальных видов бумаги, предварительно пропитанной растворами
термореактивных полимеров. Д ля нижнего и среднего слоев применяют
обычно крафт-бумагу; для лицевого слоя — одноцветную или многоцвет­
ную бумагу или бумагу с отпечатанным рисунком.
Изготовление декоративного бумажно-слоистого пластика (ДБСП)
состоит из пропитки листового наполнителя (бумаги) на пропиточных
машинах (см. гл. IV), сушки и резки бумаги на листы заданного форма­
та, набора пакетов и закладки их в многоэтажный пресс, прессования
изделия и извлечения его из пресса, обрезки кромок и отправки готового
изделия на склад готовой продукции.
Листы декоративной бумаги пропитывают меламиномочевиноформальдегидным, а внутренние листы (крафт-бумага) — фенолоформальдегидным полимерами. Твердая и блестящая поверхность лицевого слоя
бумажно-слоистого пластика (бумопласта) может быть однотонной, а
чаще всего представляет собой имитацию ценных пород дерева (ореха,
дуба и др.) или камня (малахита, мрамора и др.).
Бумажно-слоистые пластики имеют следующие основные физико­
механические свойства: объемная масса 1400 кг/см3, предел прочности
при изгибе 98,0 МН/м2 (1000 кГ/см2), водопоглощение за 24 ч не более
83
4%. Декоративный слоистый пластик гигиеничен, достаточно светон водостоек, стоек к воздействию бензина, растительных масел
и т. п.
Листы пропитанной бумаги собираются в пакеты по счету для по­
лучения слоистого пластика заданной толщины: при этом берется 10—
12 листов бумаги на 1 мм толщины отпрессованного изделия. Каждый
пакет состоит из трех основных слоев: лицевого (декоративного), наби­
раемого из 2—3 листов кроющей бумаги, получаемой из беленой суль­
фитной целлюлозы; внутреннего (основного) слоя — из нескольких лис­
тов небеленой сульфитной целлюлозы (крафт-бумаги) и компенсирую­
щего слоя, состоящего также из нескольких листов бумаги — небеленой
сульфитной целлюлозы, пропитанной карбамидными полимерами.
Набор пакетов производится следующим образом: на специально
отшлифованный металлический прокладочный лист кладут 2—3 листа
нелицевой бумаги (компенсирующий слой). Затем кладут бумагу основ­
ного, внутреннего слоя и, наконец, вновь — 2—3 листа кроющей бумаги,
образующей декоративный слой пластика. После этого пакет накрыва­
ют прокладочным металлическим листом для сборки следующего пакета.
Таким образом, прокладочные металлические листы позволяют отпрес­
совать одновременно несколько пакетов Д Б С П на одном этаже гидрав­
лического многоэтажного пресса. Нагревание прессуемого материала и
охлаждение его после отверждения производят соответственно перегре­
той и холодной водой, проходящей по специальным каналам, находя­
щимся внутри плит пресса. Прессование пакетов ведут периодически
в три этапа: медленный подъем температуры и давления в течение 20—
25 мин; выдержка при максимальном давлении 9,8 МН/м2 (100 кГ/см2)
и температуре 150— 160° С (продолжительность выдержки определяет­
ся из расчета 3—7 мин на 1 мм толщины Д Б С П на одном этаже прес­
са); медленное охлаждение изделия до температуры 20—30° С с после­
дующей разгрузкой пресса. По окончании прессования производят вы­
грузку пластика с помощью специально оборудованных самоходных в а­
гонеток и обрезки кромок дисковыми пилами на специальных обрезных
станках. После обрезки кромок готовые листы Д Б С П направляют на
склад готовой продукции.
Изготовление декоративного бумажно-слоистого пластика возмож­
но также и непрерывным способом без применения многоэтажных прес­
сов и прокладочных металлических листов. В этом случае предвари­
тельно пропитанную термореактивными полимерами бумагу для внут­
реннего и декоративного слоев высушивают в сушильной камере и фор­
муют в ленту-пакет. 'Подготовленная к прессованию лента-пакет направ­
ляется в ленточно-барабанный пресс, где и спрессовывается в декоратив­
ный бумажно-слоистый пластик.
Ленточно-барабанный пресс состоит в основном из одного ведуще­
го и трех ведомых барабанов, в том числе одного натяжного, которые
огибаются стальной бесконечной лентой, движущейся при вращении
барабанов. При этом средний верхний барабан имеет полированную,
хромированную поверхность и может быть нагрет вместе со стальной
лентой до температуры отверждения полимеров, т. е. до 140— 160° С.
При производстве Д Б С П набранная лента-пакет вводится в зазор
между натянутой стальной лентой и полированной поверхностью бара­
бана и непрерывно движется вместе со стальной лентой, огибая сред­
ний барабан. Проходя по дуге поверхности полированного барабана, на­
гретого до температуры отверждения полимеров, лента-пакет прогрева­
ется и спрессовывается в монолитный материал заданной толщины. Пос­
ле выхода из ленточно-барабанного пресса непрерывная лента декора­
тивного бумажно-слоистого пластика с помощью поперечного режущего
устройства нарезается на листы заданного размера, которые поступают
на склад готовой продукции.
84
Д БС П благодаря ряду ценных свойств широко применяют в строи­
тельстве в качестве декоративного облицовочного материала для отдел­
ки поверхности внутри помещений столовых, зрительных залов, фойе,
кинотеатров и т. п., а также для наружной облицовки стен зданий.
Іекстолит представляет собой слоистый пластик, получаемый горя­
чим прессованием пропитанных синтетическими полимерами полотнищ
ткани, уложенных в пакеты. Изготовление текстолита состоит из сле­
дующих основных операций, осуществляемых и при производстве
ДЫЛ1. пропитки ткани на пропиточных машинах с последующей сушкой
и резкой на листы заданного размера, сборки пакетов и загрузки их в
многоэтажный пресс, прессования и разгрузки пресса с последующей
обрезкой кромок изделия, дополнительной тепловой обработкой плит.
Ж СС^ Ва™ 0 шкетов текстолита ведут при давлении 5,8—6,8 МН/м2
(60 70 кГ/см ) и температуре 150— 160° С. Продолжительность прессо­
вания и выдержки изделия в прессе определяют теми же соображения­
ми, что и при производстве ДБСП. Однако после прессования листы или
плиты текстолита подвергают дополнительной тепловой обработке при
температуре 90 100° С в течение 24—48 ч до окончательного отвержде­
ния полимера.
Стеклопластиками называют материалы, состоящие из стеклово­
локнистого наполнителя, сцепленного синтетическими полимерами. Р а з­
личают три группы стеклопластиков: 1) стеклопластики — наполнитель
рубленое стекловолокно, расположенное в материале хаотично, беспо­
рядочно, 2) стеклотекстолиты с расположением стекловолокна во вза­
имно перпендикулярном направлении (стеклоткань); 3) стекловолокнис­
тые анизотропные материалы (СВAM) с расположением стекловолокна
в любых заранее заданных направлениях.
В качестве связующих компонентов для производства стеклоплас­
тиков применяют обычно ненасыщенные полиэфиры, эпоксидные, кремнийорганические и фенолоформальдегидные полимеры. Эти полимеры
обладают высокой адгезией к стекловолокну, смачивающей способно­
стью и достаточно быстро отверждаются без выделения летучих про­
дуктов.
Стеклопластики первой группы (кровельный стеклопластик) с бес­
порядочным расположением стекловолокна изготавливают путем напы­
ления или прессования, а также методом непрерывного формования. Вы­
пускают листы стеклопластика длиной 1000— 1600 мм, шириной до
1500 мм при толщине 1—2,5 мм. Предел прочности стеклопластика, по­
лученного на основе полиэфира, при сжатии 88,2 МН/м2 (900 кГ/см2)
при
растяжении 58,8 МН/м2
(600 кГ/см2) и при изгибе до
130 МН/м2 (1300 кГ/см2); объемная масса 1400 кг/см3, а светопрозрачность до 85%. Д ля кровельных покрытий выпускают листы обычно вол­
нистого профиля длиной до 5 м, шириной до 0,8 м и толщиной до 1,6 мм.
Масса 1 м2 такого листа составляет 1,8—2,5 кг.
Стеклопластики второй группы — стеклотекстолиты — изготавлива­
ют из стеклотканей различного переплетения. Стеклоткань смачивают
полимером, затем высушивают и разрезают на полотнища заданных размеров. Из полотнищ собирают пакеты, которые обертывают целлофано­
вой пленкой и прессуют в многоэтажном прессе при температуре отверж­
дения полимера. Стеклотекстолиты выпускают различных марок в з а ­
висимости от толщины листов, количества и вида полимера, а также ха­
рактера переплетения стеклоткани. Размер листов может быть 1400_
2000 мм и 650— 1000 мм при толщине листов 0,5—8,0 мм.
Стеклопластики третьей группы — слоистый пластик СВАМ — полу­
чают путем горячего прессования пакета из листов стеклошпона. Харак­
терной особенностью СВАМа является его высокая механическая проч­
ность, зависящая от вида и количества связующего, толщины волокон,
их расположения. Наибольшей прочностью обладает СВАМ, изготов­
85
ленный из волокон, уложенных в одном направлении. При таком рас­
положении волокон предел прочности СВАМа при растяжении дости­
гает 950,0 МН/м2 (9600 кГ/см2).
Все стеклопластики характеризуются высокой механической проч­
ностью при относительно малой объемной массе, высокой теплостойко­
стью, которая в первую очередь предопределяется видом используемого
полимера. Например, на фенолоформальдегидной связке теплостойкость
стеклопластиков составляет 200° С, а на кремнийорганических полиме-
Рис. 32. Покрытие склада волнистым стекло­
пластиком
рах — до 300 С. Эти материалы обладают, кроме того, незначительным
водопоглощением, высокой химической стойкостью. Стеклопластики мо­
гут быть прозрачными, полупрозрачными и непрозрачными. Кроме то­
го, могут быть получены также окрашенные стеклопластики путем вве­
дения в связующее в процессе производства красящих веществ.
Стеклопластики находят в. строительстве широкое применение.
Прозрачные и полупрозрачные стеклопластики в виде плоских и волнис­
тых листов используют для ограждений лестниц, балконов, прозрачных
перегородок, устройства навесов и оформления малых архитектурных
форм (рис. 32). Значительное место в строительстве занимают также
стеклопластиковые трубы.
§ 4. Производство кровельного стеклопластика
При изготовлении кровельного стеклопластика (стеклошифера) при­
меняют стеклянное волокно, ненасыщенный полиэфирный полимер и
краситель. Использование в качестве связующего ненасыщенных поли­
эфирных полимеров объясняется легкостью их отверждения, что позво­
ляет производить формование листов стеклопластика при относительно
малых давлениях и температурах.
Волнистые стеклопластики часто используют как декоративный ма­
териал для оформления сооружений малых форм, поэтому в качестве
красителей употребляют анилиновые красители, обладающие разнооб­
разием и чистотой колера.
В настоящее время наиболее прогрессивным методом изготовления
листовых стеклопластиков является метод непрерывного формования.
Непрерывное формование плоских или волнистых листов осуществляет­
ся на конвейерных установках. Универсальная установка (рис. 33) с
86
v а. х
2 * 0 .
кC
Rп Эо°
х со
X Xс cl
3
*
о
.
Я
оО
о 2S 1
X
X
со>*£гЙX
я *й) ео. •• а
*С5О S , К 2х
О
X
X О. Н ч
X
X с°° О
о с
в,
*X° I со О
В
о.Я
сЯ
••
•S
О
X
с;
о
и
*5J
2^2 5-ЮX
£
о
3
3
о
I »=;
ч cd
я
^ 2QJ х о S
он>
н
X 3
о й) х о„
оCJ >>5 0.0
С
П
3
н
О
gaS I
О
cd
GU
1> ч I ..
3 <
****
X
е? cSd X 'С
ч
см X
О « О
)
Q
J
со
S3 оо
о I X X о.
G. <о X X
С
XS XЕвО
о ал 5 XX
Л
--О
з*
г
СО «<UsX®о <о.“*
X cd н о " «
3 X
о X
н
<u оS -Ө -О 40
CJ 2 Ч С 01
сз
X к
е; *Х I в °* s 5
с 2х О s £ *о
о 3* Я
Cd 2
«=: о О X
cd ч
X о
cd
^
а> н
о н
X
I
=
■&
н
C
J
2 о
и ч оS
I
I
О
С
5
к >0 О •-Vo22
St
*
са
а
CQ
О D.
а>
SСМС*
X
-f
••
3cd х
!_Г5CQ
соSS±У
cd К л
S cd
cd uЕ О* о° - Яс
*
5 о
S
- 5ёCd
DО
в
•Ө* I
ч «о
О
К ^ кcd I с 5
ч • ф х VO — ч
. *
-
о
х
X
и
х
х X
■
о
в о
о Ч
х О
а.
хS н
ю
_
г а
з EJв сох
2
3 0 «я*
X
ч
о 5 ЧV
OЬ
а>
х I
>> х
г 01
СО о
со
S со
С.н
<у ЧЭ о
И « Ч
х о
U
.
.
9
*сх Я
-
“
х < *
t=t CJ X
о О. X
х с о
О
S
х я
‘4
а. о.
5
«о
I1SC
4
а. х £
со
со
I к^
«*5
Я
X
I
X
я5«а х
1
о
X
а .
S
п
X
X
X
5
(Q 4
X
41 2
S Б
5
о: X
sc ч
3 5
Осч V
ч
х ..о
X
л
5X ж
х
—
S
c t со
§ «
■а
О.
Н
О.
К о
41 2
5
(Т\
о
в
Ei
I
Si
X
"
О
4)
33
I
к!
v*5
сч B2Q u І
** U h I x
«8
X 04 «ч
g j
<J
s *>
s
0 JQ о
ЧӘ n
о
JH I
.«
,, <e
S Q.
Я
1 Sw Ч
«9Л
CVHa M
производительнотью более 700 ООО м/год стеклопластика с продольной
волной состоит из связанных единым технологическим процессом четы­
рех отделений: I — отделения формования стеклохолста, II — отделения
приготовления связующего, III — линии формования стеклопластика и
IV — отделения электрооборудования контрольно-измерительной аппа­
ратуры. Отделение формования стеклохолста состоит в свою очередь из
камеры напыления связующего и механизма рубки стекложгута 2, кон­
вейера для приема рубленых стеклянных нитей и формирования хол­
ста 5, камеры отсоса 6, механизма нанесения предварительной связки на
стеклохолст 7.
Отделение подготовки связующего представляет собой металличе­
ские емкости, соединенные трубопроводами с тремя смесителями 13 и
расходным баком 15. Из емкостей отдельные компоненты (полиэфирный
полимер, инициатор и ускоритель реакции) по трубопроводам поступа­
ют в смесители, из которых связующее автоматически подается в рас­
ходный бак.
Линия формования предназначена для непрерывного получения
волнистого (или плоского) стеклопластика из стеклохолста и полиэфир­
ного связующего. Основными узлами линии формования, смонтирован­
ными на общей станине, являются: главный привод, узлы подвески цел­
лофана и нанесения связующего, камера полимеризации 20 и узел фор­
мующих барабанов 21, тянущее приспособление 24, механизмы про­
дольной 25 и поперечной резки материала 26 и др.
Отделение электрооборудования обеспечивает нормальную работу
всех механизмов установки и снабжено распределительно-силовым щи­
том, пультом управления, контрольно-измерительными приборами и сис­
темой асинхронных двигателей.
Технологический процесс производства стеклопластика на такой
установке заключается в следующем. Стеклянный жгут, разматываясь с
бобин /, поступает на механизм рубки 2 , установленный над распреде­
лительной камерой, где жгут рубится ножами на отдельные отрезки
длиной до 50 мм. Нарубленные отрезки стекловолокна падают на по­
верхность диска с частотой вращения до 3000 об/мин и отбрасываются
центробежной силой к стенкам камеры. Далее отрезки встречным по­
током воздуха, подаваемого в камеру, распушиваются на отдельные ни­
ти и распределяются по всему объему камеры. Под действием силы тя­
жести они оседают равномерным слоем на ленту транспортера 5, движу­
щегося в нижней части камеры.
Д ля лучшего осаждения волокон и некоторого уплотнения их на
транспортере из камеры эксгаустером отсасывается воздух. При движе­
нии ленты конвейера на слой стекловолокна непрерывно наносится пу­
тем разбрызгивания механизмом 7 жидкая связка. После чего стекло­
волокно на конвейере поступает в зону, где с помощью ламп инфракрас­
ного излучения подсушивается, нагревается и образуется химически свя­
занный стеклохолст. Полученный стеклохолст с ленты конвейера
накладывается на целлофановую ленту 9, на которую предварительно
наносится слой связующего из раздатчика 11.
Связующее приготовляют путем непрерывного смешения полиэфир­
ного полимера, инициатора и ускорителя реакции. Компоненты связую­
щего сжатым воздухом подаются в промежуточную емкость 12, а оттуда
самотеком поступают в смеситель 13. Готовая смесь перепускается з а ­
тем в расходный бачок 15, а оттуда в раздатчик и к трем насадкам
механизма нанесения связующего. После укладки холста на целлофа­
новую ленту он пропитывается связующим и сверху покрывается второй
целлофановой лентой, поступающей с бобины 16.
Готовый пакет проходит калибровочную щель для получения ров­
ной толщины слоя по всей ширине, которая регламентируется валка­
ми 17. Затем лента материала проходит валки 18, обеспечивающие
88
удаление пузырьков воздуха и излишка связующего, ширительные вал­
ки 19, разравнивающие ленты целлофана в поперечном направлении, и
поступает в устройство для формования и камеру желатинизации.
Формование осуществляется с помощью формующих барабанов 21.
При изготовлении плоских листов пакет пропускается между верх­
ними и нижними цилиндрическими валиками формующих барабанов.
При производстве волнистых листов пакет проходит через систему
волнистых валков, обеспечивающих получение материала с различной
толщиной — 1,5; 2, 3 и 4 мм. В этом случае во избежание образования
складок и трещин формование ведут последовательно. Первая пара
валков формует среднюю волну, вторая — две соседних, третья — после­
дующие крайние волны и т. д. Таким образом, пройдя пять пар валков,
изделие получает полностью законченный профиль.
В камере тепловой обработки 22 происходит окончательное отверж­
дение полимера и образование волнистого стеклопластика. Пройдя ка­
меру тепловой обработки, отвердевший стеклопластик поступает в душирующую камеру, где на поверхность ленты подается вода, охлаж­
дающая изделие. При этом после прохождения ленты материала через
водяной душ целлофановая пленка легко отделяется. Непрерывное про­
тягивание ленты стеклопластика обеспечивается сдвоенными резиновы­
ми транспортерами 24, которые подают материал вначале на стол про­
дольной обрезки кромок, а затем — на стол механизма поперечной рез­
ки. Продольная обрезка кромок осуществляется с помощью дисковых
ножей 25, а поперечная — механизмом 26. Обрезанные по заданному
формату листы стеклопластика отводятся ускоряющими роликами 27 и
упаковываются в плотную бумагу.
Готовые листы плоского или волнистого стеклопластика хранят
на складе готовой продукции плашмя, во избежание появления оста­
точных деформаций.
§ 5. Производство стеклопластиковых
труб
Стеклопластиковые трубы изготавливают из полиэфирного полиме­
ра и стекловолокна. Такие трубы обладают высокой прочностью и спо­
собностью выдерживать температуру до 150° С.
Стеклопластиковые трубы имеют предел прочности при сжатии
(вдоль оси) до 300 МН/м2 (3000 кГ/см2), а при изгибе до 60 МН/м2
(600 кГ/см2), при толщине стенки
трубы 4 мм и диаметре 43 мм.
Стеклянное волокно применяют
диаметром от 7— 13 мкм в виде ни­
тей, жгутов или тканей. Связующее
должно ооладать хорошей смачива­
ющей способностью, высокой адгези­
ей к стеклянному волокну и доста­
точной долговечностью. Таким тре­
бованиям удовлетворяют ненасы­
щенные полиэфирные, эпоксидные и
фенолоформальдегидные полимеры.
Стеклопластиковые трубы изго­
тавливают различными методами:
Рис. 34. Схемы производства стек­
лопластиковых труб:
1) намоткой на вращающуюся оп­
а — намотка стеклоленты на вращ аю ­
равку стеклянной тканевой ленты,
щуюся оправку; / — патрон токарного
пропитанной полимером; после на­
станка;
2 — стеклолента;
3 — подача
полимера; 4 — оправка; 5 — центр баб­
мотки стеклоленты производят в спе­
ки станка; 6 — суппорт с бобиной;
б — центробежный способ формования;
циальных цилиндрических камерах
/ — форма; 2 — стекломасса с полиме­
отверждение полимера и съем готором 3
О
89
вой продукции; 2) центробежным способом, при котором стекломатериал и полимер загружают в цилиндрическую форму, обогреваемую с
помощью электронагревателя или пара; при вращении формы центро­
бежные силы прижимают полимерную .стекломассу к стенкам формы и
обеспечивают получение плотной трубы с ровными стенками и гладкой
поверхностью (рис. 34); 3) более прогрессивным методом — непрерыв­
ной протяжкой стекловолокна в виде жгутов, покрытых полимером,
сквозь формующее устройство и отверждением материала трубы при оп­
ределенном температурном режиме. В этом случае не требуется допол­
нительной обработки поверхности трубы; трубы имеют одинаковые проч­
ностные свойства по всем участкам. Метод непрерывной протяжки име­
ет высокую производительность и может быть полностью автомати­
зирован.
§ 6. Производство материалов
с применением древесины
Древеснослоистые пластики — листовой или плиточный материал,
изготавливаемый путем горячего прессования древесного шпона, про­
питанного полимерами.
Древесный шпон в виде листов толщиной 0,3— 1,5 мм получают лу­
щением предварительно распаренных кряжей березы, бука, ольхи. В ка­
честве связующего для производства древеснослоистых пластиков
(ДСП) используют обычно фенолоформальдегидные или карбамидные
полимеры. Изготовление ДСП состоит в основном из подготовки шпона,
пропитки его полимером, сушки и укладки листов шпона в пакеты и го­
рячего прессования при температуре 150— 160° С. В зависимости от
числа листов шпона в пакетах выпускают тонколистовой (при толщине
до 15 мм) и толстолистовой (при толщине более 15 мм) древеснослоис­
тые пластики.
Листы ДСП обычно выпускают длиной 700—3600 мм и шириной
900—1200 мм. Древеснослоистые пластики имеют гладкую поверхность
коричневатого цвета с достаточно ярко выраженной текстурой древесины.
Физико-механические свойства ДСП обусловливаются главным об­
разом качеством древесного шпона, составом и количеством полимера,
способом пропитки и укладки шпона в пакеты. Объемная масса ДСП
в среднем 1300— 1450 кг/м3, предел прочности при растяжении 107,0—
137,2 МН/м2 (1100— 1400 кГ/см2), а при изгибе 147,0—274,0 МН/м2
(1500—2800 кГ/см2), водопоглощение за 24 ч не более 5— 10%. Древес­
нослоистый пластик обладает достаточно высокой теплостойкостью и
малой теплопроводностью — 0,17—0,28 Вт/(м*°С) (0,15—0,25 ккал/мХ
Хч*°С), легко поддается механической обработке. Древеснослоистые
пластики имеют высокий коэффициент конструктивного качества — 2,5,
что позволяет использовать его в ответственных конструкциях.
Древеснослоистый пластик в строительстве применяют в качестве
отделочного и конструктивноотделочного материала, в жилых и общест­
венных зданиях используют для облицовки стен и перегородок, под­
шивки потолков и изготовления трехслойных стеновых панелей.
Древесноволокнистые и древесностружечные плиты рассмотрены
в ч. II гл. 9, 10.
§ 7. Газонаполненные материалы
на основе формальдегидных
полимеров
К газонаполненным материалам на основе формальдегидных поли­
меров относятся пенистые (пенопласты) и сотовые (сотопласты) плас­
тики.
90
Пенопласты — пенистые фенолоформальдегидные пластмассы, полу­
чаемые из водных растворов продуктов первичной конденсации фенола
и формальдегида. При этом вспененный продукт переводится в неплав­
кое и нерастворимое состояние путем применения кислых катализаторов
или повышения температуры. Пенопласты производят обычно по беспрессовому способу, состоящему в основном из двух стадий: приготовления
композиции из составляющих материалов и загрузки смеси в формы для
последующего вспенивания и отверждения.
На основе новолачного фенолоформальдегидного полимера выпу­
скают пенопласт марки ФФ, а при сочетании полимера с акрилнитрильным каучуком — пенопласт ФК и др. В зависимости от состава компо­
зиции пенопласты ФФ и ФК могут быть получены с объемной массой
100—500 кг/м2. Наиболее распространен пенопласт ФФ, выпускаемый в
виде плит, листов и шнуров.
Предел прочности при сжатии пенопласта ФФ (при 20°С) —
3,9 МН/м2 (40 кГ/см2), водопоглощение — 0,3%; коэффициент теплопро­
водности — 0,058 Вт/м-°С (0,052 ккал/м -ч-°С ).
Пенопласт марки ФК имеет высокие теплоизоляционные и некото­
рые физико-механические свойства, что позволяет пенопласт ФК (ФК-20,
ФК-40) широко использовать для теплоизоляции различных объектов.
Введение в композицию пенопластов на основе фенолоформальде­
гидных полимеров алюминиевой пудры ПАК-4 или ПАК-3 значительно
повышает теплостойкость материала. Так, пенопласт ФК-20-А20 сохра­
няет прочностные свойства при нагревании до 400° С и применяется в
случае кратковременной теплоизоляции при температуре до 300° С.
При объединении фенолоформальдегидного новолачного полимера
со стекловолокном получается пенопласт марки ФС-7, выпускаемый в
виде плит размерами 1500x1000 мм при толщине 20—60 мм. Пенопласт
марки ФС-7 отличается малой теплопроводностью — 0,046 Вт/м-°С
(0,04 ккал/м-ч-°С) и способностью к самозатуханию при выносе
из огня. Этот пенопласт также широко используют для теплоизо­
ляции.
Мипора — весьма легкий тепло- и звукоизоляционный материал в
виде затвердевшей пены чисто-белого цвета. Сырьем для получения мипоры служит мочевиноформальдегидный полимер, 10%-ный раствор
сульфонафтеновых кислот и некоторые добавки.
Технологическая схема производства мипоры состоит из следующих
этапов: приготовления раствора мочевиноформальдегидного полимера,
получения пенообразующего раствора, образования пены, ее отвержде­
ния и сушки. Мипору выпускают в виде блоков толщиной 10 и 20 см, а
также плиток и крошки. Физико-механические свойства мипоры следую­
щие: объемная масса — 10—20 кг/м3, коэффициент теплопроводности —
0,031 Вт/(м-°С) (0,026—0,028 к к ал /м -ч -°С ).
Пенополиуретаны — газонаполненные пенопласты, получающиеся в
результате взаимодействия полиэфиров, диизоцианатов, некоторого ко­
личества воды, газообразователей и других компонентов. Приготовление
пенопластов на основе полиуретана может осуществляться путем смеше­
ния многоатомных спиртов с полиизоцианатами и небольшим количест­
вом воды или смешением простых и сложных полиэфиров с полиизоциа­
натами и водой.
Технологический процесс производства пенополиуретанов включает
следующие стадии: получение полиэфира, смешения его с диизоциана­
тами, катализатором и водой и, наконец, розлив полученной компози­
ции в формы для вспенивания и отверждения. Отверждение пенопласта,
характеризующееся большим выделением тепла, происходит в течение
нескольких часов.
Выпускают пенополиуретаны жесткие и эластичные. Наибольшее
применение в строительстве находят жесткие пенопласты.
91
На основе полиэфиров и диизоцианатов разработаны две марки
жестких пенопластов: ПУ-101 и ПУ-101А, которые имеют равномерно
распределенную замкнутую пористость и выпускаются обычно в виде
плит размерами 500X500X50 мм. Такие пенопласты могут быть использованы в интервале температур от —60 до +170° С (ПУ-101А). Пенопо­
лиуретаны этих марок имеют объемную массу 100—200 кг/м3; предел
прочности при сжатии (при +20°С) — 0,53—2,1 МН/м2 (5,5 —
22 кГ/см2),
коэффициент
теплопроводности
0,056 Вт/(м- С)
(0,049 ккал/м-ч-°С).
(
"
Жесткие пенополиуретаны можно обрабатывать на токарных стан­
ках, пилить, штамповать, гвоздить. Они устойчивы к действию дизель­
ных масел, бензина, кероси­
на, растворов солей, не раз­
рушаются ацетоном, крезо­
лом, растворами соляной и
серной кислот. Жесткие пе­
нополиуретаны используют
в качестве тепло- и звуко­
изоляционного материала.
Сотопласт — теплои
звукоизоляционный
матери*и
ал, получаемый путем горя­
чего формования гофриро­
ванных
листов
бумаги,
ткани
Рис. 35. Общий вид сотопласта
или древесного шпона, пред­
варительно пропитанных фенолоформальдегидным резольным полимером (рис. 35). Гофрированные
листы при небольшом давлении собирают в пакеты, после чего их в по­
перечном направлении разрезают для получения сотопласта заданной
толщины. Физико-механические свойства сотопластов зависят в основ­
ном от формы и размеров сот и от природы материала, образующего
стенки полостей. Наиболее широкое применение в строительстве получи­
ли сотопласты с наполнителем из хлопчатобумажных тканей и бумаги.
Панели, изготовленные с применением сотопластов, имеют обычно
малую объемную массу и теплопроводность порядка 0,046
0,057 Вт/(М’°С) (0,04—0,05 ккал/м-ч*°С). Д ля улучшения теплотехниче­
ских показателей ячейки сотопласта обычно заполняют измельченным
пенопластом или стекловатой. Сотопласты применяют чаще всего при
изготовлении трехслойных высокопрочных панелей, обладающих малой
теплопроводностью. Д ля строительных целей чаще всего изготавливают
сотопласты на основе гофрированной крафт-бумаги, пропитанной фенолоформальдегидным полимером. Такие сотопласты имеют размеры сот
11—25 мм.
м и м
§ 8. Клеи и мастики
Клеи и мастики для приклеивания материалов для пола, погонаж­
ных изделий и материалов для отделки стен и потолков представляют
собой клейкие пастообразные композиции, состоящие из клеящей осно­
вы, пластификаторов, растворителей, наполнителей и некоторых других
компонентов.
В зависимости от связующего (клеящей основы) клеи и мастики
разделяют на битумные, смоляные, каучуковые, нитроцеллюлозные, к а ­
зеиновые. Основным требованием для всех видов клеев и мастик явля­
ется их высокая адгезионная способность одновременно к отделочным
материалам и материалам оснований. Кроме того, они должны быть
биостойкими, стойкими к воздействиям температуры (50—60°С), не ток­
сичными, легко распределяться тонкими слоями на отделываемой по­
92
верхности (0,3—0,5 мм) и, как правило, не требовать пригрузки для
приклеиваемых материалов.
Строительные синтетические клеи и растворы высокомолекулярных
органических веществ применяют для соединения конструктивных эле­
ментов из древесины, бетона, стали, стекла и других материалов. Эти
клеи должны иметь: высокую адгезию к склеиваемым материалам,
прочность клеевых соединений не ниже прочности склеиваемых мате­
риалов, долговечность в условиях эксплуатации конструкции, необхо­
димую вязкость, быстрое отверждение и малую стоимость.
В зависимости от высокомолекулярного органического вещества
различают клеи на основе конденсационных полимеров — эпоксидных,
фенолоформальдегидных, полиэфирных и на основе полимеров, получен­
ных реакцией полимеризации, — поливинилацетата, полиакрилатов и др.
Клеи бывают горячего отверждения (при температуре 100— 160° С),
теплого (40—90°С) и холодного отверждения (16—30°С). Наибольшее
применение в строительстве имеют клеи холодного отверждения, позво­
ляющие склеивать при комнатной температуре элементы конструкций
из различных материалов без применения сложного оборудования. Фе­
нольные клеи холодного и горячего отверждения широко применяют
для склеивания стеклопластиков, пенопластов и древесины. Фенольные
модифицированные клеи горячего отверждения обладают весьма высо­
кой адгезией и прочностью шва, и используют их для склеивания алю­
миния и его сплавов.
Конструкционные клеи на эпоксидной основе получили широкое
применение для соединения металлических конструкций из стали и лег­
ких сплавов. В последние годы разработаны клеи на эпоксидной основе
для соединения железобетонных элементов и конструкций. При этом
прочность шва соединения значительно превосходит прочность мате­
риала.
Д ля крепления полимерных материалов при отделке стен, потол­
ков и встроенной мебели применяют клеи МФ-17 и ФР-12 и полиизобутиленовый клей. Клей МФ-17, состоящий из мочевиноформальдегидного полимера, наполнителя (древесной муки) и отвердителя (щавеле­
вой кислоты) и клей ФР-12 — из фенолоформальдегидного резольного
полимера и бензосульфокислоты, используют для крепления декоратив­
ного бумажно-слоистого пластика, а также древесноволокнистых и дре­
весностружечных плит к дереву.
Д ля крепления облицовочных полимерных материалов и материалов
для пола широко применяют также канифольную, казеиноцементную,
кумароновую и дифенольную мастики. Канифольная мастика, в состав
которой входят спирт, олифа «оксоль» и известняковая мука, получила
распространение для приклеивания древесностружечных плит и древес­
новолокнистых плит, полистирольных плиток и линкруста к дереву, бе­
тону и штукатурке.
Д ля приклеивания рулонных и плиточных материалов к основанию
пола применяют битумные, битумнокаучуковые и резинобитумные мас­
тики, состоящие из битума, бензина, каолина, резинового клея и др.
Крепление отделочных полимерных материалов для пола осуществля­
ется также на дифенольной, фенолоформальдегидной, коллоксилиновой
и казеиноцементной мастиках.
Глава
VI
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
И СВАРКА ПЛАСТМАСС
§ 1. Механическая обработка
пластмасс
Механическую обработку пластмасс осуществляют в основном для
зачистки заусениц от литников деталей и изделий, изготовления загото­
вок и деталей, а также доводки их до требуемых размеров всеми вида­
ми резания.
.
у5||
Зачистку готовых пластмассовых изделий в зависимости от вида и
свойств их производят на обычных токарных, сверлильных или фрезер­
ных станках с применением специального режущего инструмента, абра­
зивных кругов и лент.
При массовом или крупносерийном производстве целесообразно ис­
пользовать универсальные станки-автоматы; в мелкосерийном произ­
водстве находит применение и ручная зачистка деталей с помощью на­
пильников плоского или полукруглого сечения.
Обработка пластмасс различными видами резания имеет некото­
рые особенности по сравнению с резанием металлов. Несмотря на то что
почти все виды пластмасс удовлетворительно обрабатываются резани­
ем, специфические свойства этих материалов оказывают существенное
влияние на выбор режущего инструмента и режимы резания. В силу
малой теплостойкости пластмасс резание их на больших скоростях не­
приемлемо, вследствие разогревания режущего инструмента и оплавле­
ния материала. Д ля обработки пластмасс могут быть использованы
обычные металлорежущие или деревообрабатывающие станки. Однако
режущий инструмент должен иметь несколько другие углы заточки.
Так, задний угол заточки принимают несколько большим 12—20°, не­
жели для обработки металла, в то же время передний угол принимает­
ся значительно большим (15—20°). Канавки для отвода стружки де­
лают более глубокими.
Токарную обработку деталей из пластмасс производят специально
заточенными резцами из инструментальной или быстрорежущей стали.
При обработке термореактивных пластмасс используют стальные рез­
цы с пластинками из твердых сплавов. При обработке на токарных
станках термопластов применяют жидкостное охлаждение мыльной
эмульсией или водой. При обтачивании изделий из термореактивных
пластмасс (волокнитов, текстолитов, бумопластов и др.) охлаждение
осуществляют с помощью сжатого воздуха.
Сверление и развертку пластмасс производят на обычных сверлиль­
ных станках сверлами, имеющими более глубокие канавки (чем сверла
для металла), обеспечивающие лучшее удаление стружки. Иначе будет
наблюдаться заедание сверла. Сверла для пластмасс должны иметь
угол наклона канавки 15— 17°; угол при вершине — до 70°, а задний
угол — 4—8°. Д ля качественного сверления необходимо обеспечить
большое число оборотов сверла, малую его подачу и частые подъемы из
отверстия в материале. При сверлении отверстий с точными размерами
производят развертку их конусными развертками с плавающими патро­
нами и быструю подачу развертки.
Строгание пластмассовых заготовок и деталей осуществляют на
обычных строгальных станках. Строгание листовых термопластов про­
изводят при глубине резания до 5 мм. Древеснослоистые пластики стро­
гаются на деревообделочных, фуговальных или рейсмусных станках, не­
которые виды термопластов (оргстекла и др.) — резцами, применяемыми
94
для строгания цветных металлов, а винипласты — с помощью ручных
рубанков.
Нарезание резьбы и фрезерование. Нарезание резьбы в изделиях из
пластмасс небольшого диаметра производят с помощью обычных плашек
и метчиков при малой скорости резания и смазке маслом или мыльным
раствором.
Размеры метчиков при нарезании резьбы в наполненных терморе­
активных пластмассах вследствие их усадки принимают несколько боль­
шими, нежели заданный размер резьбы: для порошкообразных наполни­
телей
на 0,04, для волокнистых — 0,05—0,1 и для слоистых пластиков
на 0,05 0,15 мм. При этом в слоистых пластиках нарезание
резьбы параллельно слоям не рекомендуется во избежание растрески­
вания изделия. В изделиях из полиэтилена и других эластичных поли­
мерных материалов резьбу целесообразно нарезать с помощью
резцов.
Фрезерование изделий из пластмасс ведут на различных быстроход­
ных фрезерных металлообрабатывающих станках. Однако при обработ­
ке прессовочных и литьевых деталей массового производства фрезеро­
вание осуществляют на специальных операционных фрезерных станках.
Термопласты фрезеруют с помощью фрез, выполненных из быстрорежу­
щей стали, а при обработке реактопластов фрезы должны быть осна­
щены пластинками из твердых сплавов. В процессе фрезерования необ­
ходимо, чтобы обрабатываемая деталь плотно закреплялась и прилегала
к опорной поверхности; места резания фрезой должны охлаждаться
струей сжатого воздуха.
Наряду с податливостью ко всем видам резания многие пластмас­
сы хорошо гвоздятся, склеиваются и свариваются.
§ 2. Сварка пластмасс
Сварка термопластов — это процесс получения прочного и неразъ­
емного соединения из двух или более деталей (заготовок) при нагрева­
нии и плотном контакте свариваемых материалов в течение определен­
ного времени.
Сварные соединения в большинстве случаев превосходят по проч­
ности и быстроте выполнения клеевые швы; при этом прочность свар­
ного соединения составляет не менее 10% от прочности термопластов.
Д ля соединения отдельных деталей необходимо нагреть их до вяз­
котекучего состояния и обеспечить достаточно плотный контакт свари­
ваемых материалов. При этом температура и давление зависят от свойств
полимерного материала, состояния соединяемых поверхностей и физиче­
ской природы нагрева, применяемого при сварке. Чрезмерное повыше­
ние температуры нагрева приводит к вытеканию материала; повышение
давления — к его деформациям. Температура нагрева и давление взаи­
мосвязаны. При этом удельное давление прижима деталей при сварке
составляет 0,5— 1,0 МН/м2 (5— 10 кГ/см2) и определяется текучестью
материала и температурой сварки. Температура сварки для полистиро­
ла — 120— 160° С, полиэтилена — 140— 180° С и полиамидов — 235—
240° С.
'
Сварку применяют для изготовления изделий сложной конфигурации
из отдельных листовых и профильных деталей крупных размеров (раз­
личные емкости, трубопроводы и т. п.), а также для футеровки метал­
лических железобетонных емкостей и аппаратов.
В настоящее время существует много методов сварки термопластов,
которые можно разделить на две основные группы: 1) сварка, основан­
ная на передаче тепла свариваемому материалу от внешнего источни­
к у — сварка нагретым газом (воздух, инертный газ), нагретым ннстру95
ментом (полозом, роликом, пластиной и др.), индукционным током;
2) сварка, основанная на преобразовании в тепло других видов энергии]
вводимых в свариваемые материалы,— сварка трением, токами высокой
частоты, ультразвуком, инфракрасным излучением и др.
Сварка нагретым газом заключается в том, что поверхность свари­
ваемого термопласта и присадочный пруток нагреваются горячим га­
зом, размягчаются и при некотором давлении прочно соединяются. Н а­
грев газа производится с помощью электрических, газовых, а также
газопламенных сварочных горелок. В электрической горелке теплоно­
ситель нагревается, проходя через нагретые электротоком спирали элект­
рообогрева. Газовый нагрев теплоносителя происходит при прохожде­
нии его по змеевику, нагреваемому от горящего светильного газа. В га­
зопламенной горелке газовыи теплоноситель непосред­
ственно нагревается продук­
тами сгорания ацетиленокислороднои смеси, подавае­
мой в горелку от ком­
прессора
под
давлением
до 0,24 МН/м2 (2,5 кГ/см2).
В качестве теплоносите­
ля обычно используют воз­
дух. Д ля сварки изделий из
полиэтилена, полиамидов и
других термопластов, дестРис. 36. Сварка с присадочным прутком
руктирующихся при нагре­
вании на воздухе, использу­
ют инертные газы (азот, аргон). При сварке таких термопластов инерт­
ные газы подаются в горелку непосредственно из баллона. Сварку горя­
чими газами производят с присадочным прутком или без него (рис. 36).
Перед сваркой на кромках соединяемых деталей делают фаски под уг­
лом 30—60° в зависимости от толщины деталей. Наиболее прочный шов
стыковой V-образного или Х-образного профилей. Шов внахлестку меО
нее прочен и применяют его лишь для листовых деталей толщинои до
10 мм. М алая ударная вязкость сварного шва (около 10% от прочности
свариваемого материала) и малая производительность являются недос­
татками этого метода сварки.
Сварка трением заключается в разогревании поверхностей свари­
ваемых деталей при трении их одной о другую. Обычно одна из сва­
риваемых деталей вращается, а другая, прилегаемая к ней, остается
неподвижной — заторможенной. В связи с этим обе или одна из деталей
(вращаемая) должна иметь форму круга. При достаточной силе, при­
жимающей вращаемую деталь к неподвижной, возникает трение, нагре­
вающее контактируемые поверхности. После достижения температуры
размягчения свариваемых поверхностей тормоз, удерживающий непод­
вижную деталь, отпускается и обе свариваемые детали вращаются вмес­
те, остывают и прочно соединяются
свариваются.
Таким методом осуществляют сварку массивных изделий из полиметилметакрилата, полистирола, полиамидов и других термопластов.
Сварка токами высокой частоты основана на разогреве полярных
термопластов за счет внутреннего трения полярных частиц, колеблющих­
ся в электрическом поле высокой частоты. Токами высокой частоты
хорошо свариваются лишь полярные термопласты (поливинилхлорид,
полиметилметакрилат, полиамиды), имеющие большую величину тан­
генса угла диэлектрических потерь при толщине изделий 0,3—4 мм. Н а ­
против, полиэтилен, полипропилен и ФТ-4 плохо нагреваются и не сва­
риваются токами высокой частоты.
Этот метод сварки обеспечивает равномерный разогрев материала
О
и
96
по всей толщине изделия. При сварке токами высокой частоты изделие
соединяется в переменном электрическом поле, создающемся между
двумя металлическими электродами.
Установка для сварки токами высокой частоты состоит из высокочастотного генератора, верхнего и нижнего электродов и прессовой части,
обеспечивающей прижим сварки деталей; при этом нижний элект­
род имеет обычно форму стола, а верхний делается съемным по форме
сварного шва. Имеются установки, у которых оба электрода выполня­
ются в виде роликов, вращающихся в разные стороны от привода электродвигателя (рис. 37). Такие устано 1
сварки рулонных термопластич­
ных материалов.
Сварку токами высокой час­
тоты производят в короткое время — 0,5 или 1,0 с: технологическии режим сварки устанавлива­
ют экспериментально в зависи­
мости от многих факторов (тол­
щины свариваемых деталей, выход ной мощности генератора и
др.).
Сварка ультразвуком основана на том, что места соединения
термопластов подвергаются зву­
ковым колебаниям высокой часто­
ты и давлению. Под действием
ультразвуковых колебаний и дав­
ления свариваемые детали разо­
греваются до вязкопластичного
состояния и свариваются.
Ультразвуковую сварку про­
изводят на установке (рис. 38),
основными частями которой явля­
Рис. 37. Сварочная установка с элект­
ются вибратор 5, концентраторродами в виде роликов:
/ — нижний и 2 — верхний электроды; 3 — сва­
волновод 3 и кожух 4, по которо­
риваемая пленка
му проходит вода для охлаждения. Вибратор СОСТОИТ ИЗ ТОНКИХ
(до 0,1 мм) листов специального материала (никеля и др.), собранных в
пакет (1 2 5 x 6 5 x 6 5 мм), и обмотки, по которой пропускается ток ультра­
звуковой частоты. Последний преобразуется в вибраторе в механические
ультразвуковые колебания, передающиеся на концентратор, который
О
ш
ш т
Рис. 38. Схема установ­
ки для сварки пластмасс
ультразвуком:
1 — отражатель:
2 — изде­
лие;
3 — концентратор-вол­
новод; 4 — кожух;
Ь — ви­
братор
4—558
97
усиливает продольные колебания и вводит их в свариваемый термопласт.
В процессе сварки свариваемые детали термопласта зажимаются
между концом концентратора и торцом (настроенного) отражателя 1.
Отражателем служит стальной стержень, имеющий длину, равную
lU длины волны колебаний вибратора.
Д ля получения необходимого акустического контакта между сва­
риваемыми поверхностями сварку производят при значительном давле­
нии порядка 9,8— 14,7 МН/м2 (100— 150 кГ/см2). В этом случае образу­
ется цепь: вибратор (волновод, концентратор), термопласт — отража­
тель, способствующий разогреву материала и прочному соединению. Д ав ­
ление на свариваемые материалы создается или со стороны отражателя
или концентратора. Д ля получения высокого качества сварки конец
концентратора должен быть закруглен с радиусом закругления 1 мм.
Этим методом сварки хорошо сваривают почти все термопласты (за ис­
ключением фторопласта-4, практически несвариваемого).
Метод ультразвуковой сварки вследствие высокой стоимости и
сложности оборудования экономически целесообразно использовать
лишь в тех случаях, когда другие методы не могут быть применены.
§ 3. Охрана труда на предприятиях
полимерных материалов
При производстве полимерных материалов безопасность и нормаль­
ные санитарно-гигиенические условия труда являются неотъемлемой
частью современной научной организации труда.
Поскольку в ряде цехов по изготовлению полимерных материалов
применяют компоненты, подверженные легкому возгоранию, взрыво­
опасные, токсичные и т. п., мероприятия по охране труда должны быть
направлены в первую очередь на предупреждение вредного воздействия
токсичных веществ, а также возникновения взрывов и пожаров.
Особую взрыво-пожарную опасность представляют растворители
бензол, толуол, бензин, ацетон и др., а также целлулоид и нитроцеллюлозный этрол; сгорание большого количества этрола может сопровож­
даться взрывом. Хорошо горит полиэтилен, полиакрилат, полистирол и
его сополимеры. При горении пенополиуретана, например, выделяются
ядовитые пары синильной кислоты и других токсичных вешеств в коли­
чествах, опасных и в сотни раз превышающих допустимые концентрации.
В целях1предотвращения случаев отравления, ожогов и других ви­
дов производственного травматизма рабочие должны проходить специ­
альный инструктаж по технике безопасности и противопожарной тех­
нике и допускаться к работе на сложном оборудовании только после
обучения и сдачи экзамена.
Во избежание непосредственного контакта рабочих с вредными ве­
ществами должна быть обеспечена надежная герметизация аппаратов
и трубопроводов, транспортирующих эти компоненты. В цехах следует
обеспечить необходимую чистоту воздуха устройством надежной при­
точно-вытяжной вентиляции.
Рабочим должны быть выданы индивидуальные средства защиты:
противогазы, аспираторы, защитные очки, рукавицы, смазка для рук
(«биологические перчатки»), спецодежда и т. п. Особенно тщательно
следует защищать глаза, так как попадание в них токсичных паров мо­
жет привести к сильным ожогам и потере зрения. Вблизи рабочих мест
в цехах должны быть установлены водяные фонтанчики для немедлен­
ной промывки глаз в случае надобности.
Все операции по работе с формалином, фенолом, спиртами и поли­
мерами следует проводить обязательно в очках и рукавицах.
98
Мероприятия по предупреждению производственного травматизма
и электробезопасности аналогичны мероприятиям на других производ­
ственных предприятиях. Разнообразные способы производства полимер­
ных материалов могут потребовать дополнительных мероприятий по
охране труда. Так, при работе пропиточных машин и многоэтажных
прессов необходимо в отделении подготовки фенольных и карбамидных
полимеров, где возможно выделение паров формальдегида, фенола, спир­
тов, а также пылеватых частиц меламина, мочевины, уротропина, не­
обходимо предусмотреть принудительную приточно-вытяжную вентиля­
цию с местными отсосами. Такая же вентиляция должна быть установ­
лена и в отделении пропитки листовых наполнителей, в отделе­
нии прессования. При разгрузке пресса съем готовой продукции следует
производить в рукавицах во избежание пореза рук острыми краями
бумопласта и попадания в кровь полимера.
При работе на литьевых машинах должен быть обеспечен комплекс
мероприятий, предусмотренный в «Указаниях по проектированию отопле­
ния и вентиляции цехов производства литья под давлением заводов
пластических масс» СН 179—61 Госкомитета Совета Министров СССР
по делам строительства. Рабочий-литейщик перед началом работы обя­
зан проверить исправность машины, наличие заземления и исправность
автоблокировки защитного щитка. При неисправной блокировке щитка
или его отсутствии работа на такой литьевой машине не допускается.
При изготовлении изделий способом горячего прессования необхо­
димо обязательно и ежесуточно убирать помещения цеха от пыли про­
мышленными пылесосами; перед началом работы рабочий-прессовщик
должен убедиться в исправности пресса и заземлении насосно-аккуму­
ляторной станции; ни в коей мере не следует производить очистку прессформ во время движения плунжера.
В цехах по изготовлению листовых стеклопластиков необходимо
стены покрывать непористыми материалами, на которых бы не задержи­
валась пыль, образующаяся от резки стекложгута и стеклопластика.
Помещение следует тщательно убирать и обеспечить надежное удалений
паров стирола и других токсичных веществ. Рабочие должны иметь по
два сменных комплекса спецодежды из плотной ткани, которые ежеднев­
но следует стирать и очищать от стеклопыли. При непосредственной ра­
боте с полимером для пропитки необходимо пользоваться резиновыми
перчатками или применять «биологические перчатки» (паста специаль­
ного состава наносится тонким слоем на сухие руки).
Мерники емкости, сменные детали и другое подсобное оборудова­
ние следует мыть горячей водой с мылом в помещении, снабженном
вентиляцией.
В связи с возможным отравлением при производстве полимерных
материалов, получением ожогов и травм от работников требуется особое
внимание к вопросам охраны труда и выполнения противопожарных
мероприятий.
4»
Часть вторая
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
Глава I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И СВОЙСТВА
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ИЗДЕЛИЙ
§ 1. Общие сведения
Теплоизоляционные материалы и изделия благодаря высокой порис­
тости и низкой объемной массе имеют малый коэффициент теплопровод­
ности, а следовательно, могут применяться для значительного сокраще­
ния потерь тепла в помещении (жилые дома, промышленные и сельско­
хозяйственные здания, объекты культурно-бытового назначения) или про­
изводственном агрегате (котлы, промышленные печи, тепловые турби­
ны, трубопроводы и т. п.). Некоторые из теплоизоляционных материалов
применяют и для уменьшения потерь холода в холодильниках, а также
при создании условий для успешного прохождения некоторых техноло­
гических процессов в химической промышленности. Теплоизоляционные
и акустические материалы и изделия (СНиП I-B. 26—62) должны иметь
в сухом состоянии объемную массу не более 700 кг/м3, не выделять веще­
ства, снижающие прочность соприкасающихся элементов конструкции и
качество отделки помещений, вредные для здоровья и вызывающие пор­
чу пищевых продуктов. Материалы и изделия с объемной массой 500—
700 кг/м3 могут применяться только в качестве конструктивно-теплоизоляционных, используя их теплоизоляционные свойства и несущую спо­
собность одновременно.
ГОСТ 16381—70 установлена классификация по следующим призна­
кам: форме, объемной массе, сжимаемости (относительной деформации
сжатия), теплопроводности, виду основного сырья и структуре.
По форме различают штучные (плиты, блоки, кирпич, цилиндры,
полуцилиндры, сегменты), рулонные (маты, полосы, матрацы), шнуро­
вые (шнуры, жгуты) и сыпучие материалы.
По объемной массе материалы делят на три группы: особо легкие
(OJI), имеющие марку по объемной массе 15, 25, 35, 50, 75 и 100, легкие
(Л) — 125, 150, 175, 200. 225, 250, 300 и 350 и тяжелые (Т) — 400, 450,
500 и 600. Причем материалы, имеющие промежуточную величину, отно­
сятся к ближайшей большей марке.
В зависимости от величины сжимаемости (относительной деформа­
ции сжатия) под удельной нагрузкой (0,02 кГ/см2) теплоизоляционные
материалы делят на три вида: мягкие (М), имеющие сжимаемость свы­
ше 30%, полужесткие (П Ж ) — 6—30% и жесткие (Ж ) — до 6%.
По теплопроводности различают три класса материалов: А, Б и В
(см. табл. 8).
і
Выбор материалов, предназначенных для изоляции поверхностей с
отрицательной температурой или положительной до 100° С, производят
100
Таблица 8
Коэффициенты теплопроводности теплоизоляционных материалов по
ГОСТ 16381—70
Обозначение классов материалов
1
Наименование
А
Наименование классов мате­
риалов ...................................
Коэффициент
теплопровод­
ности, не более Вт/м-°С
(ккал/м -ч-сС ) , при сред­
ней температуре:
25°С
...............................
125°С
...............................
300°С
...............................
Б
%
в
Малотеплопровод­
ные
Среднетеплопро­
водные
Повышенной теп­
лопроводности
0,057 (0,05)
0,082 (0,07)
0,116 ( 0 , 11)
0,116 ( 0 , 10)
0,140 (0,12)
0,186 (0,16)
0,175 (0,15)
0,210 (0,18)
0,268 (0,23)
по величине теплопроводности при 25° С; для поверхностей с темпера­
турой 100—600° С — по величине теплопроводности при 125° С и свыше
600° С — по величине теплопроводности при 300° С.
По виду исходного сырья теплоизоляционные материалы делят на
неорганические и органические. К неорганическим материалам и издели­
ям относятся минеральная и стеклянная вата и изделия из них, ячеистое
стекло (пеностекло), вспученный перлит и вермикулит, а также изделия
из них, ячеистые бетоны, керамические теплоизоляционные изделия, ас­
бестосодержащие теплоизоляционные материалы, алюминиевая фольга
и др. К органическим теплоизоляционным материалам и изделиям при­
надлежат древесноволокнистые и древесностружечные плиты, торфяные
теплоизоляционные изделия, камышит, теплоизоляционные пластмассы,
а также арболит.
Под структурой понимают особенность внутреннего строения мате­
риала, обусловленную степенью кристалличности, размерами и формой
кристаллов, размерами и расположением пор. Структура теплоизоляци­
онных материалов различна и зависит от вида этих материалов, способа
их изготовления и применяемых сырьевых компонентов. Теплоизоляци­
онные материалы имеют различного вида пористое строение: волокнис­
тое, зернистое, пластинчатое, смешанное, а также микропористое и мак­
ропористое. По структуре теплоизоляционные материалы (ГОСТ 16381—
70) делят на: пористо-волокнистые, к которым относится минеральная
и стеклянная вата, материалы с применением асбеста, древесноволок­
нистые; пористо-зернистые — перлитовые, вермикулитовые, совелитовые,1
известково-кремнеземистые; ячеистые — ячеистый бетон, пеностекло, пенопласты.
Теплоизоляционные материалы и изделия состоят из твердой и газо­
образной фаз, а в некоторых случаях в них присутствует и жидкая фаза
(например, вода в свободном состоянии).
Твердая фаза может представлять собой: 1) волокна минеральной
или стеклянной ваты без каких-либо склеивающих веществ, либо скле­
енные между собой органическими (синтетическими полимерами, биту­
мами и т. п.) или неорганическими веществами (продуктами гидрата­
ции и карбонизации вяжущих, продуктами гидротермального синтеза,
бетонитовыми и другими глинами и т. п.); 2) продукты гидролиза и гид­
ратации минеральных вяжущих или продукты гидротермального синте­
за (в ячеистых бетонах, легких бетонах с вспученными перлитами и вер­
микулитами и т. п.); 3) спекшиеся тонкодисперсные порошки стекла
(ячеистое стекло); 4) частицы вспученного перлита, обсидиана, вермику­
лита, соединенные в ряде случаев различной связкой; 5) продукты комп­
лексного процесса декарбонизации, карбонизации и последующей пере-
кристаллизации карбонатов магния (ньювель, совелит); 6) аэрогели,
получаемые обезвоживанием, например, кремневых гелей, путем замены
воды жидкостью, химически инертной к гелю (например, этиловым спир­
том) последующим нагревом геля до температуры и давления, при кото­
рых испаряется данная жидкость; 7) обожженные пористые огнеупорные
и керамические массы; 8) продукты полимеризации, поликонденсации и
химических превращений — теплоизоляционные полимеры, У) органи­
ческие волокна, склеенные инкрустирующими веществами, выделивши­
мися из волокон (древесных, торфяных).
Д ля создания высокопористого строения теплоизоляционных мате­
риалов и изделий применяют следующие способы: 1 ) образование волок­
нистого каркаса, в том числе и для поризации формованных масс;
2) вспучивание масс в процессе формования, а также в момент термиче­
ской или тепловлажностной обработки масс; 3) вспенивание масс в про­
цессе формования из них изделий, а в том числе и поризации масс путем
смешения их с пеной; 4) введение пористых заполнителей; 5) баротер­
мальный; 6) вспучивание вулканических стекол, вермикулитов и гидро­
слюд термической обработкой; 7) введение выгорающих добавок; 8) вы­
сокое водозатворение в сочетании с другими способами; 9) фракционный
подбор состава масс.
§ 2. Свойства теплоизоляционных
материалов и изделий
Характерными свойствами теплоизоляционных материалов являют­
ся теплопроводность, объемная масса, пористость, прочность, упругость,
температуростойкость, стойкость к термической деструкции, влагопоглощение, водостойкость и влагопроницаемость, а также эксплуатационная
стойкость — долговечность.
Теплопроводность — способность теплоизоляционных материалов
пропускать тепло через свою толщину в ограниченном количестве. Величина коэффициента теплопроводности X (Вт/м-°С, ккал/м-ч-°С) пред­
ставляет собой количество тепла, проходящее через 1 м 2 поверхности материала при его толщине в 1 м в течение 1 ч при разности температур на
противоположных поверхностях материала 1° С.
dx
X= — Q —
dt
.
л
a
л
^ ^
Q = — л —— ,
dx
где q — количество тепла, проходящего через 1 м 2 бесконечно
тонкого
слоя толщиной dx, в котором температура изменяется на вели­
чину dt;— ----- градиент температуры, °С/м; знак минус в праdx
вой части уравнения поставлен потому, что движение тепла про­
исходит в направлении понижения температуры.
На практике применяют формулу
х= - ^ - ,
Һ -- Һ
'
. t '■vfi
где 5 _ толщина образца, м; U и t2 — температуры горячей и холодной
поверхности , 0 С.
При расчете толщины теплоизоляционных ограждений коэффициент
теплопроводности материала принимают с учетом эксплуатационной
влажности.
С возрастанием влажности и температуры коэффициенты теплопро­
водности большинства теплоизоляционных материалов увеличиваются.
102
Наилучшими из теплоизоляционных материалов являются те, в которых
имеются микроскопические равномерно распределенные в объеме мате, П0РЬІ’ заполненные воздухом или другим каким-нибудь газом.
Коэффициент теплопроводности воздуха при 0°С в порах размером
0,1-0,027 мм равен 0,024-0,031 В т/м .°С (0,021-0,027 ккал/м-ч-0 С), а
воды
0,58 Вт/м- С (0,5 ккал/м-ч-°С). Лед же объемной массой
900 кг/м3 имеет
ффициент теплопроводности
2,33
Вт/м -° С
(2 ккал/м -ч-°С ).
Скорость распространения температуры в материале характеризуют
ШШ*
Г
J
коэффициентом
1ГП Т>ТТТ W
D U T A l f
л
- ______________ __
d
.
/
л
й
%
1
с1об
где X — коэффициент теплопроводности; с—удельная теплоемкость, для
пЬо^7 оСТпа минеральных теплоизоляционных материалов с =0,2093—
о 0,8372 кДж/кг - С (0,05—0,2 ккал/кг-°С), для воды с =4,186 кДж/кг• и ( 1 ккал/кг- L ); ү0б — объемная масса, кг/м3.
Перенос тепла теплопроводностью понимается как передача энергии
термоупругими волнами, которые возникают при тепловом колебании
атомов и ионов. Вместо названия «термоупругие волны» в квантовой
теории твердого тела введено понятие «фононы» — квазичастицы, имею­
щие определенное количество энергии и распространяющиеся в твердом
теле со скоростью звука.
Перенос же тепла излучением происходит фотонами — световыми
квантами.
Теплопередачу~ внутри
стекла и слоя
• 'а ™
^ расплава iuu/i\nu
можно рассматривать двумя способами: теплопроводностью и излучением. Наружный
слои стекла, а также его расплава (в вязкопластичном и твердом состоя­
ниях) извне поглощает лучистую энергию и при этом нагревается, а пос­
ле этого в свою очередь излучает тепловую энергию последующим менее
нагретым слоем. Излучаемое наружным слоем тепло проникает в глубь
слоев уже с некоторого расстояния от поверхности и проходит несколько
глубже, чем внешнее излучение. Так возникает теплопередача, завися­
щая у поверхности от интенсивности и спектрального состава нешнего
излучения,
а во внутренних слоях
от суммарной
\£ ^
J
Г **
теплопроводности
(суммы передачи тепла теплопроводностью и излучением) 1____________ I
Прочность теплоизоляционных материалов и изделий, т. е. способ­
ность сопротивляться всем видам внешних силовых воздействий, различ­
на и зависит от их физического состояния и структуры. Рыхлые тепло­
изоляционные материалы (минеральная и стеклянная вата, вспученный
перлит и вермикулит, диатомиты, трепелы, пемза, вулканические ш ла­
ки и дробленые туфы, вулканический пепел) могут сопротивляться лишь
сжимающим нагрузкам, причем первые четыре из указанных выше после
снятия сжимающей нагрузки проявляют значительные упругие деформа­
ции. Прочность мягких и полужестких теплоизоляционных изделий (ма­
ты, войлок и плиты полужесткие из минеральной и стеклянной ваты на
синтетической и битумной связке) характеризуется пределом прочности
на растяжение вдоль волокон, величина которой составляет 0 04__
0,15-10 Н/м (0,04—0,15 кГ/см2) при объемной массе 75—250 кг/м3
мягкие (гибкие)теплоизоляционные материалы имеют другие значения
пределов прочности на растяжение. Так, фол
алюминиевая
3-107 Н/м2 (300 кГ/см2), картон асбестовый — 6* 10s Н/м2 (6 кГ/см2)
жгут с т е к л о в а т н ы й - 2- 10б Н/м2 (2 кГ/см2). Прочность прошивных ма­
тов из минеральной и стеклянной ваты, асбестовой бумаги и шнура
пухшнура, матрацев асбестовых н стеклотканевых СНиП I-B. 26__62 не
регламентирует.
Пределы прочности при изгибе и сжатии жестких теплоизоляцион
ных изделий даны в табл. 9 и 10.
T
I
О
Г
Т
І
F T Y
/ Ч
Т
Т
t
f
* - »
Л
А
.
.
.
______________ _______________________________
— -
*
I V lA i
103
Таблица 9
Предел прочности на изгиб и объемные массы некоторых жестких
теплоизоляционных изделий
Наименование изделий
Из минераловаты на синтетическом связующем . .
Минераловатные на битумном связующем
. . . .
М и н е р а л о в а тн о а с б е с то в ы е ..................................................
Перлитовые на минеральном вяжущем, синтетичес
ком связующем, гипсе и битуме
...........................
Асбестоцементные изоляционные
...............................
Асбестомагнезиальные
.....................................................
Совелитовые ............................................................................
е р м и к у л и т о в ы е .....................................................
Вулканитовые
.........................................................
Известковокремнеземистые . . . . . . . . . .
Древесноволокнистые изоляционные . . . .
То ж е, изоляционно-отделочные
..................
Камышит
..................................................................
Торфоизоляционные
............................................
Ц ементнофибролитовы е........................................
Пробковые (в том числе экспанзит) . . . .
Полистирольные (суспензионный полистирол)
Полистирольные (эмульсионный полистирол)
Поливинилхлоридные
........................................
Фенольные
..............................................................
Таблица
Предел прочности
при изгибе не менее,
10» Н/м* (кГ/см2)
Объемная
масса, кг/м
1,5
1 , 1- 1 ,4
200—250
250—400
400
W
w
2
2 ,5 -3
3
1,5
1,7—2
1,5—3
3—3 ,5
2 ,5 —5
4— 12
ш
12—20
1 ,8 —5
2 ,5
4 12
1 ,5 —2 ,5
1 2
10—75
10—40
3—6
250—500
400
350
350—400
250—400
350 400
200 300
150—250
250—350
175—250
150—250
300—500
150 350
25—35
50—200
75—200
150 200
10
Предел прочности при сжатии некоторых теплоизоляционных изделий
Наименование изделий
Из ячеистого автоклавного бетона . . . .
Из
»
неавтоклавного »
. . . .
Из пеногипса и пазогипса . . .......................
Перлитокерамика.................................................
Ячеистое стекло ( п е н о с т е к л о ) .......................
Автоклавный диатомит
...................................
Автоклавный пенодиатомит
...........................
Ячеистая к е р а м и к а .............................................
Из крупнопористого керамзитопластобетона
И з керамзитобетона
.........................................
Предел прочности
при изгибе,
10* Н/м2
(кГ/см*)
4— 12
5—8
4
6—10
5— 10
6—10
6—10
12
3—8
5—8
Объемная масса,
кг/м*
300— 500
400—500
500
300—400
200—300
600—700
350—450
400
300—400
400—500
Упругость — свойство материала восстанавливать после снятия на*
грузки свою первоначальную форму. Теплоизоляционные материалы (из
минеральной и стеклянной ваты, поризованные пластмассы) под дейст­
вием сжимающих сия деформируются, но после прекращения действия
этих сил снова приобретают частично или полностью свой первоначаль­
ный объем. Некоторые из них под действием сжимающих сил уплотняют­
ся и их разрушение с полной потерей прочности при сжатии наступает
не сразу, а после определенного сплющивания. ГОСТ 17177—71 преду­
сматривает определение сжимаемости (остаточной деформации сжатия)
под нагрузкой 0,02-Ю5 Н/м2 (0,02 кГ/см2).
Условный модуль упругости при сжатии таких материалов опреде­
ляют по формуле
Е = Р/е,
где 1 — величина деформации (см/см) под нагрузкой Р ( Н /м 2).
Ч
104
'
*
*
*
I
Т а б л и ц а 11
Максимальная температура применения
теплоизоляционных материалов
Наименование теплоизоляционных материалов и изделий
Максимальная темпера
тура применения, °С
Корундовый п е н о л е г к о в е с ......................................................................
Реопорит— 1300 (В е н г р и я )................................................
Керамическое волокно или минеральная вата из кремнезема и
глинозема ( 1 : 1) , шамотные и полукислые, каолиновые и ди­
насовые легковесные огнеупоры
..........................
Кварцевое волокно, в том числе ультратонкое
Вата каолинового состава (по МРТУ 6-11-102—69)
Вибровермикулитокерамика............................................
Глиноземистоизвестковая минеральная вата . . .
Вспученный перлит (ГОСТ 10832—64), вермикулит (ГОСТ 12865—
67), перлитокерамические изделия, ячеистая керамика, асбозурит, крошка диатомитовая (трепельная) обожженная,
пенодиатомитовые, диатомитовые и трепельные обжиговые
(ГОСТ 2 6 9 4 -6 7 )
...................................................................................
Глиноземистоизвестковая минеральная вата, шамотно-извест­
ковая вата, минеральная вата «фламузер», пеноперлитокера­
мические изделия ....................................................................................
Асботермосиликат (диатомоизвестковоасбестовая композиция с
добавлением 0,5% едкого натрия)
............................................ .
Жароупорный пенобетон, жароупорный перлитобетон . . . .
Перлитогелевые
........................................................................................
Обычная минеральная вата (ГОСТ 4640—66), перлитовые изде­
лия ка цементной связке (МРТУ 21-4—64), известковокрем­
неземистые (МРТУ 34-4601—68), асбестовермикулитовые,
асбодиатомозые-вулканитовые (ГОСТ 10179—62), маты мине­
раловатные прошивные (МРТУ 7-19—68)
..................................
Минераловатоасбестовые изделия, газобетон, порошок совелита, изделия совелитовые (ГОСТ 6788—62)
Жгут стеклянный марок ЖСТ-15 и ЖСТ-30, стеклянная вата
из непрерывного волокна (ГОСТ 5174—49), вата из супертонкого стекловолокна, магы и полосы из стеклянного вол окна (ГОСТ 2245—4 3 ) .......................................................................
Плиты теплоизоляционные из ячеистого бетона (ГОСТ 5742—
61), плиты из минеральной ваты на крахмальном связую­
щем, асбестовый шнур (ГОСТ 1779—72), асбопухшнур
(ГОСТ 1779—72), асбомагнезиальный шнур (ГОСТ 1779—72),
автоклавный и неавтоклавный ячеистый бетоны; ячеистое
стекло (п е н о с т е к л о )................................................................................
Ньвель, порошок асбестомагнезиальный
........................................
Плиты из минеральной ваты на синтетическом связующем
(ГОСТ 9573— 72), цилиндры, полуцилиндры и сегменты (из
минеральной ваты на
синтетическом связующем, ГОСТ
14356— 69 и ГОСТ 14357—6 9 ), фольга алюминиевая, маты
из минеральной ваты, рулонированные на синтетическом свя­
зующем, пухшнур из минеральной в а т ы ....................................
1400— 1600
1300
Плиты полужесткие и маты из стеклянного штапельного во­
локна (ГОСТ 10499—67), рулонный материал из штапель­
ного стеклянного волокна, изделия из стеклянного волокна Ц Ф Д
Блоки из пенопласта для строительства (РТУ БССР 1555—67),
плиты торфяные теплоизоляционные (ГОСТ 4861—65), поропласт полиуретановый, плиты теплоизоляционные марки
Ф С - 7 - 2 ..........................................................................................................
Плиты из минеральной ваты (на битумном
связующем,
ГОСТ 10140—71 и ГОСТ 12394—66), пробковая теплоизоля­
ция натуральная, мипора, плиты теплоизоляционные из пе­
нопласта полистирольного (ГОСТ
15588—70), пенопласт
плиточный П В Х , экспанзит, плиты фибролитовые на порт­
ландцементе
(ГОСТ
8928 — 70),
плиты
камышитовые
(ГОСТ 7483— 58), изделия теплоизоляционные из вспученно­
го перлита на битумном связующем (ГОСТ 16136—70) . . .
1200— 1250
1150
1100
1000
900
800—850
750
700
650
600
500
450
300 (внутри помете
ния) и 400 (вне по
мещения)
180
100
6 0 -7 0
105
Д ля оценки упругих свойств применяют также показатель упругого
сжатия — коэффициент возвратимости к первоначальному объему
ky — Коб 1^ 7об 2 =
Һ1»
где үобі и hi — первоначальная объемная масса и толщина образца под
нагрузкой 0,5-107 Н/м2 (0,005 кГ/см2); ү0бг и f o — объемная масса и тол­
щина образца после 15-минутного воздействия сжимающей нагрузки
в 0,1 - 105 Н/м2 (0,1 кГ/см2) и'через 15 мин после ее удаления.
Температуростойкость и стойкость к термической деструкции харак­
теризует способность материала выдерживать длительный нагрев при
определенной температуре без существенных изменений физико-химиче­
ского состояния. Они определяют наивысшую температуру возможного
применения теплоизоляционного материала.
Материалы, относящиеся к неорганическим, могут применяться при
более высоких температурах, чем органические. Однако неорганические
материалы в зависимости от химического и фазового состава могут при­
меняться при различных температурах (табл. 11).
Неорганические теплоизоляционные материалы должны выдержи­
вать резкие колебания температур без существенного нарушения струк­
туры, т. е. быть термостойкими.
Влагопоглощение или водопоглощение — это способность материа­
лов впитывать капельную жидкость в результате контакта с нею. Неко­
торые теплоизоляционные материалы, например, из минеральной и
стеклянной ваты, характеризуются не влагопоглощением, а водоудер­
живающей способностью, которая значительно меньше по величине
влагопоглощения.
Гигроскопичность (сорбционная влажность) — способность материа­
ла увлажняться в результате конденсирования паров воды из воздуха.
Обычно определяется абсолютная влажность, равная массе влаги на
массу материала в абсолютно сухом состоянии. С увеличением содержа­
ния влаги в материале возрастает коэффициент теплопроводности А,, а
поэтому одним из основных условий является изготовление теплоизоля­
ционных материалов и изделий с влажностью, не превышающей гигро­
скопическую, которую имеет материал при длительном хранении в окру­
жении воздуха с 60%-ной относительной влажностью.
Относительная влажность воздуха ф (%) равна отношению действи­
тельной упругости водяного пара е к максимальной упругости его Е, со­
ответствующей данной температуре
Е
Количество влаги в г, содержащееся в 1 м3 воздуха, выражает его
абсолютную влажность. Д ля расчетов, связанных с конденсацией влаги,
пользуются величиной парциального давления водяного пара, обычно
называемой упругостью водяного пара и измеряемой в мм рт. ст. Макси­
мальная упругость водяного пара Е соответствует максимально возмож­
ному насыщению воздуха водяным паром.
Водостойкость материала — это способность не изменять своего фи­
зического и химического состояния при длительном воздействии воды.
Поскольку теплоизоляционные материалы и изделия не должны приме­
няться во влажных условиях, требования к водостойкости предъявляются
в тех случаях, когда возможно периодическое воздействие влаги при
конденсировании ее из воздуха в ограждающих конструкциях (в отопи­
тельный период или в холодильниках, при транспортировании и во время
хранения и т. п.).
Большое накопление влаги возникает обычно в теплоизоляционном
материале, имеющем высокое водопоглощение или водоудерживающую
106
способность. В результате воздействия воды и особенно при многократ­
ном увлажнении может наступить разрушение теплоизоляционного ма­
териала. Д ля предохранения от увлажнения теплоизоляции трубопрово­
дов на ней устраивают защитные покрытия из алюминиевого листа, оцин­
кованной стали, стеклопластиков, стеклоткани, алюминиевой фольги и
полимерных пленок.
Влагопроницаемость — это свойство материала пропускать через
себя воду при воздействии на его поверхность некоторого столба жидко­
сти. Большинство теплоизоляционных материалов влагопроницаемы.
Исключение составляют полужесткие и жесткие изделия из минеральной
ваты или перлита на битумной связке, которые благодаря своим гидро­
фобным свойствам и применяются при теплоизоляции кровельных по­
крытий и для холодильников.
А. ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА
МИНЕРАЛЬНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
Г л а в а II
ИСКУССТВЕННОЕ МИНЕРАЛЬНОЕ ВОЛОКНО.
МИНЕРАЛЬНАЯ И СТЕКЛЯННАЯ ВАТА
В Советском Союзе одним из основных теплоизоляционных материа­
лов является минеральная вата и изделия на ее основе. Большая заслуга
в разработке и во внедрении технологии этих материалов принадлежит
Е. К. Гаврилову, А. И. Жилину, В. А. Китайцеву, Н. Н. Кальянову,
Д. А. Чернову,
К. Н. Дубенецкому,
Ю. П. Горлову, А. А. Устенко,
Р. Ф. Вагаповой, А. Ю. Каминскасу, Г. Ф. Кузнецову, А. И. Кукушкину,
К- К. Эйдюкавичесу и др.
§ 1. Физико-химические процессы,
происходящие при производстве
силикатного расплава
Минеральная и стеклянная вата (под стеклянной ватой здесь будет
рассматриваться стеклянное штапельное волокно) состоит из волокон,
находящихся в стекловидном состоянии, неволокнистых включений в
виде капель затвердевшего силикатного расплава и микроскопических
обломков волокон.
Минеральную и стеклянную вату получают из расплава. В шихте в
процессе получения расплава, в зависимости от составляющих шихту
сырьевых компонентов, при нагреве происходят следующие процессы:
1) сушка с испарением адсорбционной влаги (физический процесс);
2) дегидратация с потерей кристаллизационной и конституционной влаги
(химическая реакция в сочетании с физическими изменениями — испаре­
нием); 3) аморфизация глинистых пород (физико-химический процесс);
4) разложение молекул доломита и диссоциация карбонатов кальция и
магния (химический процесс); 5) разложение сульфатов (химический
процесс); 6) восстановление и окисление железистых, марганцовистых и
других окислов в зависимости от характера атмосферы в печи (физико­
химический процесс); 7) образование новых по сравнению с первичны­
ми соединений в результате реакций в твердой фазе или воздействия
жидкой фазы на твердую (химический процесс), а такж е полиморфного
перехода из одной модификации в другую (физический процесс);
8) плавление в случае применения однокомпонентной шихты (физиче­
ский процесс) или плавление легкоплавких кусков с растворением в по­
лученном расплаве тугоплавких кусков (физико-химический процесс);
9) гомогенизация полученного расплава с частичным осветлением (фи­
зический процесс).
Все химико-технологические процессы при производстве минераль­
ной и стеклянной ваты и других теплоизоляционных материалов можно
разделить на пять основных групп: 1) гидродинамические; 2) тепловые;
3) диффузионные или массообменные; 4) механические и 5) химические.
Последние связаны с изменением химического состава и свойств веществ,
скорость протекания которых определяется законами химической ки­
нетики.
' ■.
;/"■'
vV 'J -у ^
При расплавлении минерального сырья осуществляются: тепловые
процессы с изменением агрегатного состояния (испарение, плавление);
массообменные процессы (теплообменные процессы — зонная плавка,
сушка, растворение); механические процессы (разделение твердых тел
путем сортирования, грохочения, магнитной сепарации, измельчение пу­
108
тем дробления, а иногда и размола); дозирование и химические процессы
(изменение химического состава и свойств плавимых сырьевых мате­
риалов).
При производстве минеральной и стеклянной ваты необходимо в пер­
вую очередь знание вязкости, способности и скорости стеклообразования
и кристаллизации, а также поверхностного натяжения расплавов.
Вязкость
это свойство жидкостей оказывать сопротивление одного
движущегося слоя относительно другого. Ньютон высказал постулат
но которому сила Р , необходимая для поддержания постоянной
разности
скоростей
между
движущимися
параллельно
слоями
жидкости,
опттп
равна
V'
Р
Р
"чҒ — (дин).
*■ %
ах
Из этого уравнения динамиче­
ская вязкость жидкости (значение
коэффициента внутреннего трения)
равна
F
Рис. 39. Схема к формуле динамиче­
ской ВЯЗКОСТИ Т1
Р
(пз),
dv
F
dx
где F
площадь соприкосновения слоев жидкости, м2; х
расстояние
(рис. 39) между серединными точками рассматриваемых слоев жидкости,
v i — р2 — разность скоростей движения двух слоев жидкосги, м; v =
—vi
_
,
dv
ти, м/с; —-----градиент
скорости
течі
—
градиент
скорости
течения
или
изменение
скорости
дефорах
^
—
.
X
—
----------------------------- 9 —
* -----------
7
7
^
w
г
'
' w
т
- V
/
д
ш
л
w
мации на единицу расстояния, с-1.
том случае, когда F = l , dv/dx 1, и, следовательно, сила Р равна
значению коэффициента внутреннего
_______
________
кости 1/т), называется текучестью.
Константой, определяющей характер потока, является значение ки­
нематической вязкости vp, равное отношению динамической вязкости ті
к плотности расплава рр:
М. П. Воларович показал, что минеральные расплавы и другие жид*
кости * не всегда подчиняются уравнению Ньютона, по которому ско­
рость течения жидкостей пропорциональна давлению. В этих случаях
вязкость при различных градиентах скорости имеет различные значения.
Течение таких расплавов начинается лишь после приложения силы т,
характеризующей наибольшее из всех статических напряжений, возмож­
ных в таком расплаве. Обычно величина т (Н/м2, дин/см2), носящая
название предельного напряжения сдвигу, определяет то минимальное
давление, которое может вызвать движение пластичновязкой массы.
Шведов, Бингам и Воларович предложили реологическое уравне­
ние ** пластичного тела.
dv
dx
Эта формула применима также и при течении расплава по жело­
бам, лотку и в других аналогичных случаях.
Исходя из уравнения скорости течения вязкой жидкости, к которой
можно отнести минеральные расплавы,
динамическая вязкость
;ет определяться по формуле
• Выводы и уравнения относятся также к газобетонным массам.
•* Реология — учение о деформациях, одним из видов которых является течение.
109
g s i n Ad?n p • 0,33
v
где g = 981 см/с2, A — уклон, по которому течет вязкая жидкость
dp -— толщина слоя вязкой жидкости, см; р — плот­
(sin Л = 0,707—
и ,/и /— 1);
i j ; av
ность вязкой жидкости, v — скорость течения, см/с; Q0б — объемный де­
бет, см3/с.
Это уравнение справедливо для случая неполного заполнения рас­
плавами пор, например, при течении расплава в холостой колоше
вагранки.
Определение кинематической вязкости (см2/с) расплава, судя по ра­
ботам ВНИИстеклопластиков и стеклянного волокна, может быть произ­
ведено по формуле Пуазейля — Гагена
kH D 4
Qo6 L
где k
ффициент
фильеры
фор
вязкость (Н -с/м2 или пз)
ЯР4
2 4 ,0 7 Я Р 4
128
Qоб L
Qo6
диа— гидростатическии напор см; D
фильеры, см.
по которой динамическая
Kg
TzpR*x
8 LV
ж
где р — разность давлений, Н/м2 (дин/см2); R — радиус отверстия (ка­
нала), м (см); т — продолжительность истечения расплава, с; L — длина
канала, м (см).
Силикатные расплавы, не содержащие кристаллических взвешенных
частиц, ведут себя нормально, как жидкости. При температурах ж е ниже
возможной кристаллизации хотя бы небольшой части расплава они пред­
ставляют собой неоднородные структурированные жидкие системы,
имеющие структурную (дополнительную) вязкость.
На рис. 40 приведен график изменения динамической вязкости
минераловатного расплава при его нагреве и охлаждении. Кривая Д А С
получена при изменении вязкости в процессе нагрева, кривая Д А В — при
охлаждении. Точка А является точкой перехода из вязкопластичного в
истинно жидкое состояние. Она соответствует верхнему пределу кри­
сталлизации: расплав, имеющий температуру выше А', представляет
ньютоновскую жидкость, а имеющий ниже А ' — подчиняется уравнению
Шведова — Бингама — Воларовича. На процессы стеклообразования в
кристаллизации огромное влияние оказывают условия охлаждения рас­
плавов: чем больше способность расплава
к самопроизвольной кристаллизации, тем
больше должна быть скорость охлажде­
ния для перевода расплавов в стекловид­
ное состояние.
В производстве минеральной и стек­
лянной ваты весь процесс волокнообразования осуществляется в течение не бо­
лее 0,007—0,009 долей секунды. За это
время вязкость повышается
с 0,2—
1,5 Н -с/м 2 (2— 15 пз) до 1012 Н -с/м 2
(1013 пз). Следовательно, за короткое
время расплав переохлаждается, вяз­
кость его повышается и характеризует­
ся значениями, укладывающимися, напри­
мер, на кривой А В '. При температуре Д '
Рис. 40. Изменение динамической
расплав имеет вязкость Д " и является
вязкости минераловатного распла­
жидкотекучим.
ва при его нагревании и охлаж ­
Температуру, при которой расплав
дении
по
начинает течь, принято называть температурой жидкоплавкого состоя­
ния fjK-c. Температурой плавления следует считать температуру, при кото­
рой кристаллическая фаза переходит в стекло, хотя последнее еще не
имеет способности течь.
Определение динамической вязкости расплава можно производить
методом вращающегося цилиндра, способом ОРГРЭС, на установки
НИИстеклопластиков и стеклянного волокна и др.
Состояние расплава характеризуется следующими температурами:
температурой полного перехода в жидкоплавкое состояние / ж .с ‘»
температурой верхнего предела кристаллизации ts — начала кристаллизации при охлаждении ts — ta.K, близкой к температуре полного
перехода расплава в истинно жидкое состояние;
ликвидус (liquidus — жидкий, лат.)
температурой начала застывания расплава; на диаграмме состояния характеризуется линией,
изображающей зависимость температуры начала равновесной кристал­
лизации tf от состава расплава;
температурой максимальной склонности к кристаллизации —
ах==^/
Значение Д71 для минеральной ваты составляет около
250° С и более, для содоизвестковых стекол — около 400° С;
солидус (solidus
тверды й)— линия на диаграмме состояний, от­
вечающая температуре tg (нижнего предела кристаллизации при охлаждении tg= T K'K) и tc.g (начала кристаллизации стекла при нагреве).
Определенным температурам нагрева стекловидного вещества соот­
ветствуют следующие примерные значения динамической вязкости
(Н-с/м2 или Па*с):
t шах
ж. с
tg
Ч
3— 10
10—10»
10®
109
1011.5 1012
Образование волокон происходит в интервале от 102 до 1012 Н -с/м 2,
а неволокнистых включений (корольков, стеклосфер)
интервале
от 0,01 до 103Н -с/м2.
Стеклообразование и кристаллизация расплавов. Большинство
сырьевых материалов, подвергаемых плавлению при производстве мине­
ральной и стеклянной ваты, являются кристаллическими твердыми тела­
ми, состоящими из нескольких различного вида минералов. В связи с
этим они не имеют единой температуры плавления — у них есть темпера­
тура начала и окончания плавления или, соответственно. температура
начала /я и окончания tg кристаллизации.
В отличие
---------------■■ от существующих
обозначений принято, что /*>//, потому что температура ликвидуса tf со­
ответствует вязкости 108Н -с/м2 (109пз), а, по данным Г. В. Куколева,
при отсутствии быстрого охлаждения в расплаве появляется в некоторых
случаях кристаллическая фаза
даж е при вязкости 10— 102 Н*с/м8
j
(ГО2— 103пз).
В технологии минеральной и стеклянной ваты большое значение
имеет температура верхнего предела кристаллизации t, , так как вблизи
этой температуры лежит точка температуры перехода расплава в истин­
но жидкое состояние, ниже которой расплав при переработке его на вату
не должен поступать под струю пара или сжатого воздуха, а также на
фильер
в
расплаве могут иметься кристаллы.
Значения температуры /8 можно определить: на приборе Курнакова
по экзотермии расстекловывания; по кривым зависимости вязкости
от температуры, измеренной как при нагревании, так и при охлаждении;
приближенно по диаграммам состояний системы CaO- Al20 3- S i0 2, приняв
условно по массе: % С а О = % (CaO +M gO + КлО -J-NaaO + FeO + М п О ) .
В последнем случае по полученным данным фигуративная точка наносит­
ся на диаграмму состояния (рис. 41) при определении t, и на диаграмму
вязкости расплавов системы СаО—А120 з —S i 0 2 при различных темпе*
ill
ратурах (рис. 42) — определении значений динамической вязкости rj.
Д ля перевода кристаллического вещества в стекловидное его рас­
плавляют, а затем полученный расплав переохлаждают. Однако в стек­
ловидном состоянии отвердевают лишь те переохлажденные жидкости,
вязкость которых быстро и непрерывно растет. Одной из основных при­
чин, предопределяющих склонность расплавов к переходу в стекловидное
CaOSiO»
то'
ЙИ
ІМ в
ocCa-SiO
3Ca02Si0?
2CaOSiO
2130
3CaOSiO
Ы5
\
■*\ mo \ «
X V®
V4 2caO-4^SiOK\^w
5Al20 3*2SiQ
*SGk lb J 3^ ® \ 7TV
1 д 4j^ ^ ^ jo d C v
<CaAl2C
ЧЛУ^Й 83S*W£JW^ J''
5
ЗСаОАІрОз
12СаО 7А12Оз
IШ '
Са0 А120 3 СаО2А1203 Са06АШ5 2050
1600'
то
Рис. 41. Диаграмма состояний СаО
состояние, является высокая вязкость расплавов в интервале температур
кристаллизации.
Типичными кристаллизующимися веществами (Na, Fe, А120 3) явля­
ются те, вязкость расплавов которых при температурах плавления чрез­
вычайно низка. Типичными ж е стеклующимися расплавленными вещест­
вами являются те ( S i0 2), вязкость которых при температурах плавле­
ния высока.
Поскольку при производстве минеральной и стеклянной ваты при­
ходится иметь дело с расплавами, содержащими более трех различных
окислов, то известный интерес представляют температура кристаллиза­
ции и характер кристаллических фаз таких расплавов.
Установлено по дифракционным пикам на рентгенограммах, что
в расплавах, полученных из доменных шлаков как без добавления, так
и с добавлением гранита, песчаника, боя красного кирпича и др., а также
в расплавах из смеси доломита с гравием, даж е после короткого 10-ми112
путного выдерживания при 1300, 1260, 1230, 1200, 1100, 1000 и 900 С вы­
кристаллизовывается мелилит и лишь в некоторых случаях а-волластонит, волластонит, диопсид и ранкинит. Вата из диабаза после часового
нагревания при 850°С и выше содержит диапсид и анартит, а при
1000°С — еще и кварц. Каолиновая вата после нагревания при 1000—
1300°С содержит муллит и кристобалит.
60’/. Sio,
msio..
WSiO,
e
m
Ca02,
20
40 50 60
%m/7Рис. 42. Диаграммы вязкости расплавов системы СаО—AI2O3—S i 0 2 при различных
температурах:
а — 1400“ С; б — 1500° С; в — 1600° С; г — 2000° С
Далее приводятся характеристики минералов, наблюдаемых при
кристаллизации ваты.
Анортит C a 0 -A l20 3-2 S i0 2 содержит (масс. %): 29,6 СаО, 14,9 А120 3
и 55,5 S i0 2, плавится при 1553°С.
Муллит 3Al20 3-2 S i0 2 содержит (масс. %) : 44,5 А120 3 и 55,5 S i 0 2,
плавится при 1870°С.
Кристобалит p = S i0 2 содержит 100% S i 0 2; плавится при 1713°С;
температура превращения из а- в р-модификацию — 274,6—219,7°С, а из
р- в а-модификацию— 198,1—240,5°С.
Кварц a -S i0 2 содержит 100% S i0 2; образуется при 575—870° С, тем­
пература плавления— 1470°С.
Мелилит представляет собой твердый раствор геленита и окерманита,
химическая
формула
мелилита: n 2 C a0 -A l20 3- S i0 2+ m 2 C a0 *
•Mg0-2Si02.
113
Геленит 2 C a0 -A l20 3- S i0 2 содержит (масс. %): 39,7СаО, 39,1 А120 3
и 21,2 S i0 2; плавится при 1590°С.
Окерманит 2 C a 0 - M g 0 - 2 S i0 2 содержит (масс. %): 41,2 СаО;
14,8 MgO и 44 S i0 2; плавится при 1454°С.
а-волластонит C a 0 - S i 0 2 содержит (масс. %): 49,4 СаО и 51,6 S i 0 2;
плавится при 1544°С.
(масс. %): 26 СаО, 18,7 MgO и
55,3 S i 0 2; плавится при 1390°С.
Ранкинит 3 C a 0 - 2 S i0 2; плавится при 1454°С.
Наличие в указанных минеральных ватах и их расплавах кристалли­
ческих образований, в которых содержатся кремнезем, глинозем, окись
кальция и окись магния, указывает на необходимость пользования че­
тырехкомпонентной системой СаО — MgO — А120 3 — S i0 2 при определе­
нии ts, tf и tg, подборе состава шихты и определении температуры при­
менения ваты.
Поверхностное натяжение минерального расплава. Поверхностным
натяжением а (Н/м, дин/см) называют работу, которую необходимо з а ­
тратить на образование единицы новой поверхности в плоскости раздела
двух фаз при постоянной температуре. Оно характеризует интенсивность
поверхностных межмолекулярных, межатомных, межионных сил в рас­
плаве и численно равно удельной свободной поверхностной энергии
(Д ж /м2, эрг/см2) .
v
Одним из показателей способности вытягивания из минерального
расплава волокна является значение отношения величины вязкости
(Н-с/м , пз) к силам свободной энергии его поверхности, т. е. к поверх­
ностному натяжению (Н/м). С действием поверхностного натяжения при
производстве минеральной и стеклянной ваты связано явление образо­
вания как цилиндрической формы поверхности волокна, так и «ко­
рольков».
Известно, что если имеется поверхность раздела между жидкостью
и воздухом, то поверхностные слои оказывают на нее внутреннее давле­
ние (Н/м2, дин/см2) (формула Лапласа)
•£>пов==о (1/г 1 + ІД 2 ) ;
при цилиндрической форме волокна Люв = сг/г2,
где Г\ и /г — радиусы кривизны поверхности раздела в двух взаим­
но перпендикулярных плоскостях, м (см); а — поверхностное натяжение.
Полное давление Р, испытываемое внутренними слоями волокна,
равно сумме атмосферного давления и давления, вызываемого поверх­
ностным натяжением.
Истечение расплава из фильер возможно при условии
и - 4о
Pgh
D
где pgh= p2 — гидростатическое давление; 4o/D = P nOB — давление, обус­
ловленное поверхностными силами; р — плотность расплава, г/см3; g
ускорение силы тяжести; £ = 981 см/с2; Һ — уровень жидкости, см; о
поверхностное натяжение, Н-с/м (дин/см); D — диаметр фильеры, см.
Если гидростатическое давление незначительно превосходит давле­
ние, обусловленное поверхностными силами, а вязкость расплава велика,
то расплав вытекает каплями. При воздействии пара или воздуха про­
исходит непрерывное вытягивание волокна. При свободном же истечении
и раздуве расплава имеет место образование пульсирующей, а затем не­
прерывной струи. На образование капель и пульсирующих пережимов в
струе влияют поверхностные силы.
Величину поверхностного натяжения расплавов обычно определяют
методами веса капель, втягивания в расплав полого цилиндра, сидя­
щей капли, максимального давления в газовых пузырях и методом сокра­
щения стеклянной нити.
114
Коэффициент поверхностного натяжения стекломассы может быть
рассчитан по следующим аддитивным формулам, исходя из парциальных
свойств каждого компонента (10-5 Н-с/м, дин/см):
для стекольных расплавов (по А. А. Аппену) по среднестатистиче­
ским значениям при 1300°С
2 9 0 aSiO, + 5 8 0 aAl,O, + 510дСаО + 52QaMgo + 470дВаО + 3 90д МпО + 4 9 0 а ҒеО +
a S to j + а А120 3 + a CaO + a MgO + a BaO + a MnO + a FeO +
+ 4 90 д 0 5 Ғв2о 3 + 2 9 5 аМЗг0 + 2 5 0 a TiOt
|
+ a 0,5 Fe2Os + a Na20 + flTiO, +
для шлаков (с поправками С. И. Попеля)
a SiO, + a AI2Oj + °СаО + a MgO + a MnO + a FeO + a 0,5 ҒегО, +
+ 295flNa,o
+ e N a,0
где asio,, аді.о, и т. д . — содержание в расплаве кремнезема, глинозема
и других окислов, выраженных в мол. %.
Д ля перевода масс. % в мол. % служит уравнение:
масс. % • 100
мол. % --------------------- .
мол. масса
§ 2. Методы производства силикатного
расплава и его переработка
на вату
Качество
(табл. 12).
Таблица
минеральной
ваты
регламентируется
ГОСТ
4640—66
12
Модуль
75
100
125
150
0,0 4 2
0,0 4 4
0,0 4 6
0 ,0 4 9
(0,036)
(0,038)
(0,040)
(0,042)
100°С
300еС
0 ,0 5 8 (0 ,0 5 )
0 ,0 5 8 (0 ,0 5 )
0,0 6 0 (0,052)
0,0 6 3 (0,054)
0,096 (0,082)
0,1 0 3 (0,088)
0,1 0 5 (0,090)
0 ,1 1 1 (0 ,0 9 4 )
Содержание ко­
рольков разме­
ром до 0,25 мм,
не более, %
75
100
125
150
25±5°С
Влажность, %,
не более, по мас­
се
Марка
минераль­
ной ваты
Объемная
масса под
нагрузкой
0,017* Ю4 Н/м(0,017 кГ/см ),
не более,
кг/см*
Коэффициеніг теплопроводна сти. Вт/м-°С
(ккал/м-ч*°( }), не более при температуре
Средний диаметр
волокон, не бо­
лее, мкм
Свойства минеральной ваты по ГОСТ 4640—6 а
в
8
8
8
2
2
2
12
20
2
25
35
КИСЛОТНОСТИ
м
_
к
м а с с . % ( S i 0 2 + А1аО»)
масс. % (СаО + MgO)
должен быть не менее 1,2. Методы определения свойств минеральной ва­
ты приведены в упомянутом выше государственном стандарте, а также
в учебном пособии [33].
В зависимости от вида сырья минеральную вату называют каменной,
шлаковой, базальтовой, волластонитовой и др.
Основные технологические процессы при изготовлении минеральной
и стеклянной ваты: 1) получение расплава, 2) переработка его на
вату, 3) введение в вату связующих веществ (синтетических полимеров,
битумов и т. п.) или путем их распыления при осуществлении второго
процесса, или последующего пропитывания получившегося слоя, или
разрыхления ваты и смешения ее с водной эмульсией и суспензией свя­
зующего вещества; далее формирование изделия, последующий вакуумотсос излишней жидкости и тепловая обработка.
В качестве плавильных агрегатов для получения расплавов при из­
готовлении минеральной ваты применяют главным образом вагранки.
В ванных печах шихту плавят при производстве стеклянной ваты, но
иногда и для минеральной ваты (Воскресенск, Южуралникель, Вильнюс
и др.). Шахтно-ванные печи применяют при производстве базальтовой
ваты, а дуговые электрические печи — при производстве каолиновой
ваты, хотя и те и другие опробованы при производстве минеральной ваты
из различного сырья.
Выбирают химический состав минерального расплава исходя из:
1) технологических особенностей процесса плавления шихты, 2) возмож­
ности переработки расплава в высококачественную вату и 3) необходи­
мости получения ваты нужных свойств.
Технологические особенности процесса плавления шихты заключа­
ются в том, что при плавлении в вагранке шихтовой столб, включая
сырьевые и коксовые колоши, имеет достаточную газопроницаемость;
этого достигают, загружая шихту с размером кусков до 40—60 мм или
до 60—80 мм, позволяющим быстрый нагрев; с минимальным 20—40 мм,
исключающим вынос мелких частиц из шахты вагранки. Если шихта со­
стоит из кусков нескольких компонентов, из которых один является ту­
гоплавким (с температурой плавления выше 1570°С), содержание по­
следнего для создания нормального растворения его в образующемся
из легкоплавких компонентов расплава ограничивают. В этом случае
отношение объема расплава, полученного от плавления тугоплавких ком­
понентов, к объему расплава легкоплавких компонентов не должно быть
более 0,38.
: г .■
Получающийся в вагранке расплав должен иметь способность течь
как в холостой колоше, так и из летки печи. При определении свойств
расплава пользуются значениями его вязкости, являющейся обратной
величиной текучести. Обычно расплавы, вытекающие из летки вагран­
ки, имеют рабочую вязкость 0,2— 1,5 Н -с/м 2 (2— 15 пз). При подборе
состава шихты можно исходить из рабочей вязкости расплава 1 Н -с/м 2
(10 пз) при 1400° С.
З а последние годы в целях улучшения качества изготавливают ми­
неральную вату с модулем кислотности 1,3— 1,5. Это повлекло за собой
увеличение количества % (S i0 2 + A l20 3) до 56,5 — 60 при содержании
двуокиси кремния 35—47%.
При плавлении в ванной печи не требуется достаточная газопрони­
цаемость шихты. В ней плавят как порошкообразную (Воскресенский
комбинат), так и брикетированную шихту. Ванную печь (Азовсталь, Д о ­
нецк и др.) можно использовать как печь-запасник для первично рас­
плавленных (огненно-жидких) шлаков с обогащением кремнеземом и
глиноземом.
В отличие от вагранок, из ванных печей расплав вытекает при рабо­
чих вязкостях 4 — 10 Н -с/м 2 (40— 100 пз), а иногда и при 2,5 Н -с/м 2 ,
(25 пз). При вязкости свыше 10 Н -с/м 2 (100 пз) расплав из фильер те­
чет несплошной струей, что недопустимо.
В шахтно-ванной печи плавят кусковую шихту, например, базальт,
содержащий 57% ( S i0 2+ А120 3) и около 5% (Na20 + K20 ) при темпера­
туре плавления 1350— 1380° С.
В дуговых электрических печах получают расплавы, имеющие вы­
сокую температуру верхнего предела кристаллизации (выше 1750° С),
в частности, идущие на изготовление высокотемпературной каолиновой
и керамической ваты, содержащей 95—98% ( S i0 2-fA l20 3), причем со­
отношение между S i 0 2 и А120 3 равно 1 : 1 , температура применения
11-6
е е — 1100— 1200° С, а температура верхнего предела кристаллизации —
свыше 1680° С.
При получении каолиновой ваты температура тугоплавкого алюмосиликатного расплава после подогрева в форкамере при начале формо­
вания составляет 1930—2000° С, а температура затвердевания в стек­
л о — 1830° С.
Переработка расплава в высококачественную вату. На процесс по­
лучения ваты, кроме химического состава расплава, определяющего вяз­
кость и поверхностное натяжение при температурах переработки его в
вату и склонность к кристаллизации, важную роль играет способ пере­
работки. Последний значительно влияет на длину и диаметр волокон и
на содержание неволокнистых включений в вате.
Переработку расплава осуществляют способами: раздува, центро­
бежным, комбинированным, вытягивания. За последние годы в производ­
стве минеральной ваты получили распространение: комбинированный
центробежно-дутьевой (ЦД) способ волокнообразования, которым выра­
батывается более 89% минеральной ваты объемной массой около
100 кг/м3, средним диаметром волокон 8—9 мкм, при количестве отхо­
дов во время волокнообразования 25—30% и содержании корольков раз­
мером свыше 0,25 мм в среднем 19%; центробежно-валковый (ЦВ) спо­
соб, которым выработано около 8% минеральной ваты средней объем­
ной массой 90 кг/м3, со средним диаметром волокон 7 мкм, количеством
отходов при волокнообразовании 30—50% и содержанием корольков
размером свыше 0,25 мм в среднем 13,4%; вертикально-фильерно-дутьевой (ВФД), которым выпущено около 1% ваты объемной массой
75 кг/м3, при среднем диаметре волокна 8 мкм и содержании король­
ков размером свыше 0,5 мм — 2— 4%, отходов при волокнообразовании
не имеется; устаревшим горизонтально-паро-дутьевым способом выпу­
щено около 2% минеральной ваты средней объемной массой 142 кг/м3
со средним диаметром волокон 7— 8 мкм и 28% корольков размером
выше 0,25 мм.
Стеклянную вату в СССР получают вертикально-фильерно-дутьевым
(ВФД) и комбинированным центробежно-фильерно-дутьевым (ЦФД)
способами. При переработке способом ЦФД состав стекла (масс. %)•
62,5 S i0 2; 7,5 (А120з + Ғе20з); 5 В20з; 9,5 (C aO + M gO ) и 16 (Na20 +
1-К20 ) . Вязкость стекломассы этого состава при температуре выработ­
ки 1020— 1050°С составляет 220—320 Н -с/м2 (2200—3200 пз), а темпера­
тура верхнего предела кристаллизации при этом равна 1010— 1020° С.
Этот способ осуществляется в две стадии: после прохождения чере о
фильеры диаметром 0,8— 1 мм центрофугальной чаши сначала происхо­
дит формование относительно толстых струек диаметром 600—800 мкм,
а затем после нагрева их газовым потоком до 1270° С и снижения вяз­
кости до 10— 15 Н -с/м 2 (100— 150 пз) — дальнейшее вытягивание струек
до волокон диаметром 5—7 мкм. Газовый поток имеет скорость 150
200 м/с и температуру 1350— 1450° С.
Характерным является то, что в случае снижения температуры вы­
работки ниже температуры верхнего
предела
кристаллизации
фильеры
0L
'
4 5 it
затягиваются закристаллизованной стекломассой.
Высокотемпературную минеральную вату (например, керамическую
или каолиновую) получают путем раздува дутьевыми головками специ­
альной конструкции, принцип работы которых основан на засасывании
струи расплава в отверстие головки за счет образующегося разряжения,
последующего расчленения струи расплава на волокна и вытягивания
их потоком энергоносителя. Этот способ основан на использовании эжекционных сил кольцевого потока энергоносителя, движущегося с высокой
скоростью параллельно продольной оси не пересекаясь. В основу этого
способа формования, разработанного ВНИИСПВ, положено уравнение
Д. Бернулли, по которому с увеличением скорости течения жидкости ста*
■
v.-
117
тическое давление в струе будет ниже атмосферного и струя приобре­
тает инжектирующие свойства. Весь расплав практически перерабаты­
вается в вату с волокном диаметром не более 2 мкм, объемная масса
ваты при нагрузке 200 Н/м2 (20 г/см2) составляет 60—70 кг/м3.
Супертонкое (диаметром 1—3 мкм), ультратонкое (0,5— 1 мкм) и
микротонкое (менее 0,5 мкм) стеклянное волокно получают по способу
раздува первичных волокон, когда стекломасса из печи поступает в
фильеры и по выходе из них двумя вращающимися валиками вытяги­
вается в толстые волокна, затем вторично вытягивающимися раскален­
ными газами образует вату объемной массой 8— 12 кг/м3 и с коэффи­
циентом теплопроводности 0,03 Вт/м-°С (0,026 ккал/м • ч • °С) .
Одноступенчатый центробежный способ с применением горизонталь­
ных дисков применяют при переработке расплава на базальтовое во­
локно, а также при получении стеклянной ваты.
Получение необходимых свойств ваты достигают при назначении хи­
мического состава расплава. Вата в зависимости от ее назначения долж­
на быть светлая, стойкая к воздействию воды, щелочей, кислот, про­
дуктов гидратации цемента, высоких температур и т. п. или же гидрав­
лически активная.
Существуют различные методы определения химической стойкости
волокон минеральной ваты. Например, стойкость к воздействию воды
и насыщенного водного раствора извести К. Э. Горяйнов рекомендует
определять по степени гидролиза и гидратации волокон ваты после дли­
тельного нахождения в соответствующей среде, а затем термовесового
анализа образцов ваты, не подвергавшихся воздействию агрессивных
сред и подвергавшихся (см. [30]).
Химическую стойкость минеральной ваты в разбавленной соляной
кислоте ВНИИТеплоизоляция (Л. Б. Асаявичюс, И. И. Бирмантас,
К. К. Эдукявичус) определяют по показателям pH: вата, имеющая pH
меньше 5, считается достаточно стойкой. При определении 15 г мине­
ральной ваты обжигают для отделения связующих и замасливателей в
течение 15 мин при 600° С, измельчают вручную до порошкообразной
массы и 10 мин растирают при помощи электромеханической ступки.
0,5 г пробы минеральной ваты (растертой) смачивают несколькими кап­
лями спирта, заливают 100 мл или 0,01 н. раствором НС1 и значение pH
определяют через 10 мин. Растворение производят при постоянном пере­
мешивании.
§ 3. Сырьевые материалы
и шихта
Одним из значительных преимуществ производства минеральной
ваты является возможность получения ее из различного вида минераль­
ного сырья. Об этом свидетельствует опыт работы многочисленных заво­
дов как в Советском Союзе, так и за рубежом.
При плавлении в вагранках основным сырьем служат доменные
шлаки (табл. 13) без каких-либо корректирующих добавок или с раз­
личными повышающими модуль кислотности и содержание суммы
масс. % (ЭіОг+АЬОз) добавками: бой красного или силикатного кир­
пича и керамических отходов (около 10% к массе ш лака), бой силикат­
ного кирпича (10%), глинистого песчаника (11% ), гранита (14% ), пор­
фирита (5% ), диабаза (50%), базальта (20%), сланцевого коксика
(30%) и др. Ваграночный шлак с боем красного кирпича также являет­
ся хорошей шихтой. В районах переработки горючих сланцев в качест­
ве основного сырьевого компонента шихты применяют сланцевый кокс
с добавлением боя красного кирпича (45%) или доломитового мергеля,
а также горелую породу в смеси с 30% доломитизированного известняка.
Известно применение диабаза и габбро-диабаза с известняком, доло­
митизированного известняка и боя красного кирпича (в соотношении
118
Таблица
13
Химический состав металлургических доменных шлаков,
применяемых в производстве минеральной ваты
Содержание химических компонентов, % по массе
SiO,
ғ зОа
А 1,0 3
СаО
MgO
МпО
SO,
прочих
(S i0 ,+ A l 20 3)
0,3
59,1
56,1
53,75
52,7
52,2
51,4
50,9
50,0
49,38
49,0
48,1
48,05
47,5
47,1
43,4
39,6
Кусковые шлаки
35,9
38,6
40,1
39,0
41,3
34,9
38,3
42,0
37,2
36,7
32,9
•^7,19
37,6
38,8
41,1
38,8
23,4
17,5
13,65
13,7
10,9
16,5
12,6
8,0
12,2
12,7
15,2
10,86
10,2
8,3
2,3
10,8
1,4
0,4
2,65
0,5
1,3
5,4
0,91
—
—
1,2
1,6
1,47
0,8
1,49
0,7
1,5
38,0
38,5
33,0
42,0
42,0
38,5
28,1
42,0
0,7
45,2
72,1
37,2
42,3
46,3
42,0
40,5
0,7
3,3
7,83
3,4
2,3
7,1
14,4
3,0
43,1
3,6
9,7
12,0
4 ,7
3,6
2,7
7,4
1,4
1
-
—
—
1
—
■
■-
■
■■■■
0,41
0,55
1.0
—
—
3,8
■-
—
.
і■
1
1,3
0,5
2,4
w
■■
w
■
. ■
7,7
w
0,67
0,5
1,3
3,12
1,35
Щ 0,6
0,4
■
-
w
-
■■
3,9
Огненно-жидкие шлаки
43,0
6,7 20,4
37,0 11,08 0,67
38,28 9,55 1,6
37,6
7,8
0,44
34,0 11,0
0,22
Т абл ица
15,0
44,22
45,4
46,9
44,0
9 ,7
2,84
1,53
5,6
5,4
49.7
48.08
47,83
45,4
45,0
■ . ...
1,55
■ ■ -
тшттшт
1,52
2,15
т т т вщ
1,0
14
Химический состав некоторых горных пород, применяемых в
производстве минеральной ваты
Содержание химических компонентов, % по массе
Чр
+
Наименование пород
с
с
%
S
R*0
•
с
Изверженные
Гранит (щебень)
Диабаз . . . .
Порфириты . .
Базальт
. . .
Габбро
. . .
Эффузивы . .
74,32
52,68
51,89
51,36
48,60
44,5
12,54 3,76 0,95
15,67 10,78 6,23
28,32 7,38 7,38
12,87 0,17 10,12
19,2
7,9 12,9
14,19 7,12 8,12
1,49
3,26
2,42
5,18
9,3
4,60
ш
вт
т
ш
т
т
ш
т
т
вш
ят
5,25
W
0 ,5 -0 ,9
«М
М
М
»
1,65
9w
__
_
1.6
3,5
2 ,7
1,14
5Л 1
4,3
Метаморфические
1
Сланцы (темно-зеленые) . .
Сланцы (светло-зеленые)
50,49 14,16
47,33 17,51
—
11,3 4,0
11,35 8,35
—
—
2,3
3,0
——
8,5
14,2
33,71
43,6
Осадочные
Д и а то м и т.................
Алевролит . . . .
Глинистый песчаник
Известняк . . . .
Д о л о м и т .................
65,41 16,01
51,86 21,8
50,84 8,60
10,0
0,23
5,49 3,56
5 ,0
9,8
4,7
0,6
1,23
3,15 4,42
2,07 3,76
13,7
5,67
53,82 0,81
28,69 17,64
Щ
тшят
0,85
RHBDj
—-
119
Таблица
15
Расход сырья на тонну готовой продукции стеклянной ваты
Наименование сырья
Песок ( S i0 2) .....................................................
Мел (известняк) (СаС03) ...........................
Доломит (CaC0 3-M gC03) ...........................
Сода кальцинированная (Na2C0 3)
. . .
Сульфат натрия (Na 2S 0 4) ...........................
Глинозем АІ 203
............................................
Борная кислота В (ОН )3 (56,45% В20 3 и
43,55% в о д ы ) * ............................................
Деталитовый концентрат
...........................
Гидрат окиси а л ю м и н и я ...............................
Дамбурит концентрата
...............................
П ег м а т и т ..............................................................
Антрацит
..........................................................
Нефелин N a A lS i0 4 ........................................
Выход продукции из снятой стекломас­
сы, % .
......................................................
Данные для разных заводов
0,655
0,243
0,348
0,200
0,058
0,247**
0,206
0,023
0,435
f ' * •— •
0,522
0,109
0,099
—-
—
—
■■
—
0,077
0,331
0,376
—
Ж
96
—0,008
0,198
96,5
0,625 0,714
0,185
0,261 0,402
0,205 0,200
0,020 0,006
0,016 0,020
0,014
0,239
—
—
—
—
94,2
0,039
■■—
—
—
91,73
• Применяют также буру Na 2B40 7 и техническую буру Na 2B 40 7 -10H20 .
** В этой графе данные для центробежно-фильерно-дутьевого способа.
1 :0,33) (масс, ч.), порфирита с известняком (1 :0,72), доломита или
известняка с боем красного кирпича (1 : 1), известково-гравийного щебня
с доломитом (1 :0,2), эффузивов с известняком (1:0,52), норильского
алеврита с известняком (1 : 1,1). Порфириты — изверженные горные по­
роды, относящиеся к полевым шпатам, известково-натриевым полиоклазам, излившимся аналогам диоритов. Эффузивы — излившиеся извер­
женные горные породы. Химические составы горных пород, применяв­
шихся при производстве минеральной ваты, приведены в табл. 14.
В качестве составляющей шихты можно применять также бой крас­
ного и силикатного кирпича, шлаки фосфорного, никелевого и медепла­
вильного производств, мартеновские шлаки и золы теплоэлектростанций.
Химический состав (% по массе):
ваграночных шлаков: 40 и 49% S i0 2, 17% и 19% А120 3, 4% и 4,3%
Ғе20 3, 32% и 19% СаО, 3,6% и 4% MgO, 0,|9% и 0,24% S;
сланцевой горелой породы Поволжья: 38,5% и 49,4% S i0 2, 11,2% и
14,9% А120 3, 3% и 4,5% Ғе20 3, 24% и 18% СаО, 5,5% и 3,2% MgO и око­
ло 5% S 0 3;
сланцевого коксика Прибалтики: 14,5% и 22% S i0 3, 11% и 6% А120 3,
5,1% и 6,8% Ғе20 3, 55% и 58% СаО, 4% и 2,9% MgO, 1,9% и 1,2% S 0 3;
керамического боя красного кирпича: 58—67—80,5% S i0 2, 13—23—
12% А120 3, 4,5—4,3—3,3% Ғе20 3, 15,2— 1,1—0,82% СаО, 3,3—2,2— 1%
MgO, 0—0,5—0% S 0 3, 3,6—0—0 % Р 20 , 2,5—0,6—0,1% п. п. п.;
боя силикатного кирпича: 59—83% S i0 2, 14,6— 1,3% А120 3, 4,4—0,3%
Ғе20 3, 9,8—9,2% СаО, 3,6—0,4% MgO и 0,2—0,03% Р 20 .
При получении расплавов в ванных печах в качестве сырья применя­
лись:
при производстве минеральной ваты—мергель с известняком, домен­
ный шлак с горным песком (в соотношении 1 :0,33 или 1 :0,18 масс, ч.),
мергель с доломитом (фирма «Силлан», Ф РГ), модуль кислотности
расплавов— 1,3— 1,86;
при производстве стеклянной ваты — материалы, указанные |
табл. 15. В стеклянной вате, полученной по способу ВРП, содержится:
49,6—64,1% S i0 2, 55,9—64,3% (S i0 2+ A l20 3), 6— 17,4% Na20 , а иногда
0,8—3,5% В20 3.
120
§ 4. Расчет состава шихты
Подбор состава шихты при плавлении ее в вагранке. По ГОСТ
4640—66 химический состав минеральной ваты должен удовлетворять
требованию
S
1
O
2
A
.I
2
O
3
1
О
AL = — — — — был не менее 1,2.
■
.
g *
к
СаО + MgO
В этой формуле S i0 2, AI2O 3, СаО и MgO — содержание соответст­
вующих окислов в % по массе.
Опыт работы заводов СССР показывает, что этому требованию
удовлетворяет минеральная вата, когда в ней содержится (БЮг+АІгОз)
при плавлении шихт, состоящих из:
доменных металлургических шлаков, в том числе с кислыми до­
бавками— боем красного и силикатного кирпича, базальта, диабаза, гра­
нита, диатомита, золы теплоэлектростанций и др.— от 51 до 56% по
массе:
Таблица
16
Зависимость плотности от модуля кислотности
В%
Модуль кислотности
Модуль кислотности
Плотность расплава
Плотность расплава
я
0,01
0,02
0,2
0 ,4
0,6
0,8
1
2
1
4 ,3
4,1
3 ,9
3 ,7
3 ,5
3 ,3
3 ,2
3 ,1
4
2 ,9
6
2,8
8
2 ,7
10
20
2,6
40
60 и более
2 ,5
2 ,4
2 ,3
сланцевого коксика или горелой сланцевой породы с боем кирпича
от 54 до 56% по массе;
горных пород осадочного происхождения с отходами керамического
производства — от 50 до 57% по массе;
мартеновского шлака с габбро — около 46% по массе;
изверженных горных пород — от 53 до 57%, а при содержании в
шихте 3 и более % (Na 20 + K20 ) — до 61% по массе;
ваграночных и никелевых шлаков — около 58% по массе.
Глинозема (АІ2О3) при этом может содержаться от 3,5 до 19% по
массе, а в волластонитовой вате его может совсем не быть. (Волластонит — C a 0 - S i 0 2, назван в честь химика В. Волластона (1766— 1828),
48,3% СаО и 51,7% SЮ2, иногда до 9% ҒеО, при 1540°С содержится
а *СаО •S i0 2+ жидкость).
Однако в некоторых случаях, в целях улучшения качества минераль­
ной ваты увеличивают содержание кремнезема и глинозема до 56,5—
60%. В этом случае модуль кислотности Мк — 1,3— 1,5.
Зная основные исходные требования, а также химический состав
каждого из предполагаемых составляющих шихты, производят расчет
состава шихты. Для этого:
1. Составляют таблицу химического состава сырьевых компонентов
в непрокаленном сухом состоянии и производят пересчет на прокаленное
вещество.
2. По диаграмме состояний (см. рис. 41, 43) определяют температуру
верхнего предела кристаллизации tS) когда весь сырьевой компонент пе­
реходит в расплавленное состояние и кристаллы полностью растворяют­
ся в расплаве.
121
3.
По диаграммам вязкости расплавов C a0 -A l20 3-S i0 2 (см. рис. 42)
определяют примерную вязкость при 1400°С для тех сырьевых компонен­
тов, которые имеют температуру плавления ниже 1550°С; это допускает­
ся в вагранках, работающих на холодном дутье при плавлении одноком­
понентной шихты, и ниже температуры начала кристаллизации 1620°С —
при плавлении шихт, содержащих кроме легкоплавкого (плавящегося в
вагранке) еще и тугоплавкий компонент.
Известно, что значения вязкости вытекающего из вагранки расплава
должны быть:
При 1350°С — 0 ,4 — 1 ,7 Н -с /м 2 (4— 17 пз)
При 1400°С — 0 ,3 — 1 ,2 Н • с/м 2 (3— 12 пз)
причем со снижением вязкости повышается производительность вагран­
ки, но только в том случае, когда достаточно велика интенсивность обра­
зования расплава.
1713*
Si02
1698' ^
1695е
1695е
1543
1557
/3Ca0-Si02
ТВ. растворы
Ca0Si02
im°
2MgOSiO?
3CaO-2SiO.
1890
1850°
2CaO-2SiC>2
2130л
3CaOSiO
Рис. 43. Диаграмма состояний системы СаО—M gO — SiO:
4.
Определяют для двухкомпонентной шихты необходимое количе­
ство (в долях) каждого компонента. Например, при плавлении порфири­
та и известняка исходят из содержания (% по массе) в расплаве
Л —(Si02- f А120 3) = 5 3 и і40= 57, а в известняке Аизв = 1,01 и
порфирите Лпорф = 73,3 по формуле:
__
ПОрФ
122
^изв
Л орф -Л и зв
__
53 — 1,01
~~ 7 3 , 3 - 1 , 0 1
__
51,99
_0 715*
~
7 2 ,2 9
~
’
’
дп
порф
5 7 — 1,01
55,99
7 3 , 3 — 1,01
72,29
0,774 = 0,226.
1
Blизв
0,774;
5. Если прокаленный известняк в шихте, состоящей из порфирита и
известняка, содержит (БЮ г+АІгОз+ҒегОз+ҒеО) =8,405% (по массе),
т. е. менее 25% (по массе) при размере кусков тугоплавкого сырья 4—
7 см (позволяющих ограничиться данными расчета, приведенного в п. 4),
то производят проверку правильности выбранного соотношения между
порфиритом и известняком
іП
Ө
изв Рпорф
- — отношение объема расплава, полученного из ту­
^порф Ризв
гоплавкого компонента — известняка, к объему рас­
плава-растворителя — порфирита.
Так как модуль кислотности порфирита Л4к.Порф= 73,3/(7,97+3,25) =
= 6,52 и известняка Мк.иэв= 1,01/98,8 = 0 ,0 10 2 , то плотности их расплавов
будут около Рпорф=2,75 и рИзв=4,3 (табл. 16).
0,285 • 2 ,7 5
Тогда Өпдрф
0,7 1 5 • 4 ,3
Өпорф
0,225 и
0,2 2 6 • 2 ,7 5
0,187
0,774 • 4 ,3
Значения Ө<0,38, поэтому количество известняка выбрано пра­
вильно.
Д ля шихт, состоящих из нескольких легкоплавких компонентов, та ­
кую проверку не производят.
6. Определяют долевое соотношение в шихте сырьевых компонентов
в сухом состоянии. Так, для шихты, состоящей из порфирита и известня­
ка, находят необходимое количество сухих компонентов на 1 масс. ч.
расплава:
порфирита
известняка
1
1 — 0,402
1
1 — 0,4392
Затем определяют (в долях)
массе):
порфирита
Впорф.
1,04 масс, ч.;
1,78 масс, ч
в сухом состоянии количество (по
0,715- 1,04
сух
0,715- 1,04 + 0,285- 1,78
0,774 • 1,04
0,774 • 1,04 + 0,226 • 1,78
0,593 и
0 ,666;
известняка
В изв.
0,285 • 1,78
сух
0,715- 1,04 + 0,285 • 1,78
0,226 ■ 1,78
0,715- 1,04 + 0 ,2 2 6 - 1,78
0,407
и
0,334
При назначении веса рабочей сырьевой колоши учитывают влаж ­
ность сырьевых компонентов.
123
7.
По выбранным в п. 4 и 5 соотношениям между компонентами оп­
ределяют химический состав расплава шихты. Например, для шихты,
состоящей из порфирита и известняка
при A q
57 масс. % (Si02 р А120 3)
Si0 2
51,4 - 0,774 + 0,82 - 0,226
40.0,
А12о 3
21,6 • 0,774 + 0,14 • 0,226
17.0,
І І І І I 11,2 ■0,774 1 0,22 • 0,226
8,7,
СаО
7,9 • 0,774 1 87,0 • 0,226
25,7,
MgO
3,22 • 0,774 + 10,6 • 0,226
4,9,
NaaO = 4,06 • 0,774 + 0 • 0 226 = 3,15,
Прочих = 0,62 • 0,774 + 1,2 • 0,226
М.
4 0 + 17
2 5 ,7 + 4 ,9
0,77,
1, 86 .
Вязкость по рис. 42 при 1400°С — около 1,5 Н -с/м2 (15 пз), а с уче­
том снижающего действия MgO и Na20 — менее 0,8 Н -с/м 2 (8 пз).
8.
Прежде чем рекомендовать рассчитанную шихту для производст­
венных целей, определяют производительность вагранки и необходимый
расход литейного кокса и другого топлива, рассчитывают рабочие сырь­
евые и коксовые колоши и осуществляют опытную плавку в вагранке,
в процессе которой корректируют состав шихты и уточняют производи­
тельность вагранки, удельный расход кокса и технологические режимы.
Подбор состава стекольной шихты при плавлении ее в ванных и
электрических печах. При изготовлении стеклянной ваты в отличие от
минеральной ваты применяют шихту, состоящую из пяти, шести и даже
восьми сырьевых компонентов (см. табл. 15). При получении стеклянной
ваты (штапельного волокна) методом раздува паром или воздухом необ­
ходимо, чтобы стекломасса имела при рабочих температурах 1350—
1400°С рабочую вязкость 3—5 Н -с/м 2 (30—50 пз).
При применении центробежно-фильерно-дутьевого способа рабочая
температура стекломассы (исходя из приемлемого срока службы чаши)
не должна превышать 1000— 1050°С. Стекломасса должна иметь верхний
предел кристаллизации не более 1020°С и рабочую вязкость — 220—
320 Н -с/м 2 (2200—3200 пз). Стекломасса, перерабатываемая на стек­
лянную вату комбинированным центробежно-дутьевым, так же как и
центробежно-валковым способами, должна иметь рабочую вязкость ана­
логично принимаемой при производстве минеральной ваты. Химический
состав стекломассы при выработке стеклянной ваты методом раздува
следующий (% по массе): 53—60 S i 0 2; 9— 12 R20 ; 3,5 Ва20 3; 4,5—
10 А120 3; 0,2—2,5 Ғе20 3; до 5 Мп30 4; 4—8 MgO и 15—20 СаО.
Химический состав стекловолокна, получаемого методом ЦФД, при­
веден на стр. 117. Зная содержание химических компонентов в стеклян­
ной вате, рассчитывают состав шихты. При этом допускают образование
стекла только из окислов. Ангидриды же кислот и вода полностью улету­
чиваются в результате термической диссоциации. В процессе варки мо­
жет улетучиться (% по массе): В20 3— 15, Na20 — 3,2 и F — 30. Д алее
приведен один из примеров расчета шихты для получения стекловолокна
следующего состава (% по массе): 58,5 S i0 2; 4,5 А120 3; 1,5 R20 3; 18 СаО;
6 MgO и 11,5 Na20 .
Так как в 100 масс. ч. стекломассы должно содержаться 58,5 масс. ч.
S i 0 2, то уравнение материального баланса примет следующий вид:
58,5 = 0,9895л: + 0,0147^ + 0,032t/ + 0,004z + 0,001/.
124
Таблица
17
Химический состав сырьевых компонентов
Содержание» % :по массе
Условное
обозначе­
ние
Сырьевые компоненты
Кварцевый песок
Сода углекислая
Мел
Доломит
Технический глинозем
Техническая бура
Na 2B40 7.10H 20
Аналогично
окислов:
X
t
qw
Na20
Si 02
98,95
—
Z
1
0,1
предыдущему
для А120 3
MgO
0,58
— <
—
5 7 ,2
1,47
3 ,2
0 ,4
у
СаО
——
53,8
27,06
0,35
А120з
0,64
0,13
—
—
0,6
19,62
2,57
— Я 97,9
16,15
составляют
ҒегОа
В 2О3
П. п.п.
_
0,11
— щ 42,8
——
43,9
—
47,77
—
1,29
0,53
0,05
9Я 3 6 ,6
уравнения и для
47,2
других
4,5 = 0,0064* + 0,257у + 0,979;
для В20 3
1,5 = 0,366/;
для СаО
18* = 0,0058л: + 0,538# + 0,2706# + 0,0035z;
для MgO
6 = 0,1962t/; у = —-— = 30,55;
для Na20
11,5 = 0,572/ И 0,1615/;
*
/ = 1,5/0,366 = 4,1;
а
0,1962
11,5 = 0,572/ +
0,1615 • 4,1;
t
11,5 — о , 1615 • 4,1 _
0,5 7 2
19
~
В результате решения уравнений находят х = 59; /= 1 9 ; <7=17,49;
t/ = 30,55; 2=4,17; / = 4,1. С учетом потерь соды требуется 19-1,032 =
= 19,61.
На 100 масс. ч. стекломассы приходится (в масс, ч.): * = 58; у —
=30,55; /=19,61; о = 17,49; z=4,17 и /=4,1.
§ 5. Плавление минерального
сырья в вагранках
Характеристика вагранок. В качестве основных плавильных агрега­
тов в нашей стране применяют вагранки с водяным, а в некоторых слу­
ч ая х — с испарительным охлаждением.
Водяное охлаждение позволяет обходиться без футерования зоны
плавления огнеупорами, как правило, разъедающимися агрессивным си­
ликатным расплавом. Испарительную систему охлаждения устраивают,
когда вода в рубашке кипит и пароводяная эмульсия скапливается в ба­
ке-сепараторе, откуда получившийся пар расходуется на различные нуж­
ды. Вагранка с внутренним диаметром 1250 мм и водяной рубашкой име­
ет основной ряд фурм диаметром 146 и 120 мм в количестве соответст­
венно 11 или 15 шт. и дополнительные два ряда фурм диаметром 107 и
94 мм в количестве 12 шт. или диаметром 120 мм в количестве 16 шт.
Высота от пода до центра основного ряда фурм составляет 600—900 мм,
расстояние между основными и дополнительными рядами фурм — 250—
300 мм, расстояние от пода до центра леточного отверстия: главного
200—250 мм, резервного 305—360 мм.
В водяную рубашку подается 8—20 м3 воды в час (первая цифра от­
носится к случаю охлаждения жесткой водой при температуре отходя-
щей воды 50°С, вторая — к случаю охлаждения мягкой водой при темпе­
ратуре отходящей воды 85—90°С).
Вагранка представляет собой шахтную печь, в различных зонах ко­
торой возникают различные температуры, в связи с чем отдельные час­
ти, где отсутствует водяная рубашка, футеруются по-разному: низ гор­
на — шамотным кирпичом класса А, горн — набивкой по приваренным
штырям к арматуре углеродистой смесью при толщине слоя в 25—50 мм;
конусная часть зоны подогрева — шамотно-углеродистой смесью, а ци­
линдрическая часть — специальными шамотно-углеродистыми блоками
или шамотным кирпичом класса А. Шахта и труба (опорная и верхняя
секции и часть искрогасителя) футеруются теплоизоляционными жаро­
стойкими материалами, а в местах, подверженных интенсивному истира­
нию шихтой,— жаростойкими чугунными плитами, с заполнением поло­
сти огнеупорной массой. Во всех случаях устраивается компенсационная
засыпка.
Процесс плавления минерального сырья в такой вагранке осуществ­
ляется следующим образом: при открытых фурмах начинается розжиг,
для чего на лещадь закладываются в количестве 0,70 м3 дрова. После то­
го как дрова разгорятся, примерно через 10—20 мин, фурменные отвер­
стия закрывают, включают воздуходувку, после чего холостую колошу
загружают первой порцией кокса в количестве около Вк =500 кг, кото­
рая занимает объем шахты вагранки примерно на высоту, определяемую
по уравнению:
ft = | f c ---- ----------- — = -----------5°°---------- = 0,77 м,
1
(1 + «ум) Тоб. н. к
(1 + 0 , 1 ) - 4 8 0 - 1,23
а с учетом дров 0,77+0,7/1,23 = 1,34 м, где а у м = 0,1— коэффициент
уминки кокса; үОбнк=480 кг/м3 — объемная насыпная масса кокса;
Ғп=1,23 м2 — площадь пода вагранки.
После того как кокс равномерно разгорится и прогорят все дрова
(через 30—40 мин), засыпают еще около 250 кг кокса с тем, чтобы уро­
вень холостой коксовой колоши был выше уровня оси фурм на 500—
700 мм. Это проверяют опусканием штанги через люк.
В этом случае
Л
1
/500 + 2504
А, = 0,77 • ---- ——
1
\
500
/
, ,к
= 1,15 м.
Через 20—30 мин после засыпки последней порции кокса загружает­
ся первая сырьевая рабочая колоша и по истечении 20—30 мин из летки
начинает поступать расплав.
После вывода вагранки в рабочее состояние в ней образуется ряд
зон: горновая — от оси нижнего ряда фурм до лещади; кислородная —
в пространстве у устья фурм; редукционная — выше кислородной зоны
до верхнего уровня холостой коксовой колоши, а также между факелами
горения и подогрева — выше уровня холостой коксовой колоши.
Вагранку останавливают выключением воздуходувки, перекрывани­
ем воздуховода шибером и иногда открыванием глазков фурм. Воздухо­
дувка в современных вагранках (например, ТВ-150-1,12М, В10/1250) име­
ет производительность — 8— 10 тыс. нм3 воздуха в час с давлением до
0,0125—0,014 МПа (1250— 1400 мм вод. ст.).
В связи с целесообразностью применения в качестве топлива при­
родного газа разработан вариант вагранки с внутренним диаметром
1250 мм, в которой имеется один ряд фурм в количестве 12 шт. диаметРис. 44. Вагранка диаметром 1250 мм для коксогазовой плавки минерального сырья:
I — фурма
диаметром 90 мм; 2 — заслонка; 3 — фурменное кольцо; 4 — камера предварительного
сгорания газа; б — инжекцнонная горелка среднего давления; 6 — коллектор подвода воды; 7 — кол­
лектор подачи воздуха; Я — коллектор отвода воды; 9 — манометр; /0 — коллектор подвода газа;
I I — охлаждаемый полуконус; 12 — полуконус; 13 — выгрузочное отверстие; 14 — труба; 15 — верх­
ний колокол; 16 — серьга; 17 — нижний колокол; /Я —■монтажный проем; 19 — крышка; 20 — летка;
21 — лоток; 22 —подина
127
ром 90— 120 мм и четыре
камеры для сжигания при­
родного газа (рис. 44).
Минимальная производи­
тельность вагранок диа­
метром 1250 мм при кок­
совой плавке и плавлении
шихты с карбонатными
добавками — 1600 кг рас­
плава в час, а при плавле­
нии доменных шлаков с
кислыми
добавками —
2500 кг расплава в час,
при расходе кокса на 1 т
расплава в первом слу­
чае — не более 324 кг и
во втором случае—293 кг.
щ При замене 50% кокса
природным газом, т. е.
при коксогазовой плавке,
расход кокса составит 162
и 146 кг и природного га. за 128 и 116 нм3, а если
учесть, что химическая не­
полнота сгорания природ­
ного газа будет прибли­
жаться к нулю против
39,5% и 33,7% при коксо­
вой плавке, то фактически
потребное количество при­
родного газа
составит
77,5 и 70 нм3 на 1 т рас­
плава и плавление в в а ­
гранке по затратам де­
нежных средств на топли­
во будет конкурентоспо­
собнее, чем плавление в
ванных печах.
Институтом «Гипростроммашина» (г. Киев)
запроектирована автома­
тизированная
вагранка
(рис. 45) производитель­
ностью Б р= 3 ,2 —4 т/ч с
расходом горячего (450—
Рис.
45.
Автоматизированная
вагранка:
/ — горн; 2 — трубопровод для по­
дачи воды в водяную рубашку; 3—
фурмы; 4 — фурменный пояс: 5 —
водяная рубаш ка;
6 — огнеупор;
7 — конусный
затвор;
8 — меха­
низм для открывания
конусного
затвора; 0 —-бункер д ля сырья н
кокса; 10 — трубопровод д ля отво­
д а ваграночных газов; 11 — копил ьник; 12 — лоток
500 С) воздуха в количестве Кв=8000—9000 м3/ч и давлением его до
0,014 МПа (1400 мм вод. ст.). Диаметр водяной рубашки в зоне фурм—
1400 мм и в верхней части — 1100 мм, при высоте водяной рубашки —
4000 мм и высоте горна —275—425 мм. Площадь шахты вагранки в зоне
плавления Ғп=1,54 м2. Расход воды для охлаждения составляет 3 м3/ч,
давление воды в водяной рубашке — 0,5 МПа (5 кГ/см2). Число рядов
фурм — 2, а количество фурм в каждом ряду — 18. Диаметр нижнего
ряда фурм — 50—80 мм и верхнего — 100 мм с расстоянием между их
рядами — 220 мм. Верхний уровень шихты находится от днища на рас­
стоянии 6700 мм, а полная высота вагранки составляет 13 700 мм. Вес
ее — 17 т. При проектировании этой вагранки были заложены следую­
щие основные технологические параметры:
съем с 1 м2 площади шахты вагранки в зоне плавления Ғп
S — Вр / Ғ п = 3200/1,54 = 2080
и 4000/1,54 = 2600 кг расплава в час;
интенсивность горения кокса на 1 м2 площади шахты в зоне плав­
ления
Р = BKS — -— = 216* 2600 — -— = 560 кг/м2•ч,
1000
1000
где Вк = 216 кг кокса на 1 кг расплава.
Количество воздуха, подаваемого в фурмы на 1 м2 площади шахты
в зоне плавления,
GB=
60
— = 97,5 нм3/м2-мин;
6 0 -1 ,5 4
расход воздуха на 1 кг сгоревшего кокса
VB
9000
Вк Вр
2 1 6 -4
1Л .
,,
п = — -— = -----------= ~ 10,4 нм3/кг.
Ваграночный комплекс (рис. 46) состоит из вагранки 1, по воздухо­
воду 12 которой поступает нагретый до 450—500°С воздух, проходя через
радиационный щелевой рекуператор 9, нагнетаемый воздуходувкой
ТВ-150-1,12М (производительностью 8000—9000 нм3/ч) при максималь­
ном напоре 14 кПа (1400 мм вод. ст.). Отходящие из вагранки газы по
газоходу 13 эжектируются в камеру 11 дожигания окиси углерода, содер­
жащейся в ваграночных газах. Камера 11 оборудована многосопловой
инжекционной горелкой 10 (производительностью 40 нм3/ч), работающей
на природном газе, поступающем по трубопроводу из газораспредели­
тельного пункта через клапан СВН. Из рекуператора охлажденные ваг­
раночные газы и продукты дополнительного сжигания природного газа
проходят через камеру осаждения взвешенных частиц, разбавляются хо­
лодным воздухом, нагнетаемым в газовод 8 вентилятором (ЦУ-70 № 10
производительностью 12 000 нм3/ч с электродвигателем А02-22-4 мощно­
стью 2,2 кВт при п — 1420 об/мин) и поступают в группу очистительных
аппаратов, состоящую из 8 циклонов (ЦН 15 НИИГаза диаметром
800 мм), из которых очищенные от пыли газы засасываются по трубе ды­
мососом (Д-12 производительностью 33000 м3/ч с электродвигателем
АО-82-8 мощностью 20 кВт при Һ = 735 об/мин) в пенный газоочиститель
(ПГС-ЛТИ-40), оборудованный отстойником, насосами (2К-ба с элект­
родвигателем А41-2 мощностью 2,8 кВт) и установкой для подпитки из
водопроводной сети.
Аварийный сброс газов производится через трубу 7.
Дополнительное тепло (кДж/ч, ккал/'ч), поступающее с нагретым
воздухом в вагранку, может быть определено по формуле
Q . 1. В “
5—558
^В ‘
(Лі.В
^х.в)-
129
В рекуператор поступает тепло:
с ваграночными газами Q e a r p .r = 1>05ув£г(^г
жигания СО в СО
/г)» в результате
ФдожигСО ~~ Р ' F * Q h . k ^ '
в результате дополнительного сжигания природного газа
Сеж. г — QS.г Яг-
77777777777?
Л И 7777777777777777Т7
Рис. 46. Ваграночный комплекс
130
Коэффициент полезного использования тепла в рекуператоре
k п.и.т
Qn. в
^вагр. г “f" ^дожиг CO“Ь ^сж. г
В этих форму
теплотворная способность кокса, кДж/кг
Q
(ккал/кг); Q нрг то же, природного газа, кДж/нм3 (ккал/нм3) ; р — химическая неполнота сгорания кокса для вагранок диаметром 1250—
1400 мм, р = 0,2—0,4 от полной затраты тепла на получение расплава
^п.и.т в рекуператоре при р = 0,2 равен 0,79, а при р = 0,4
^ П -И .Т = 0,4.
На рис. 46 слева от вагранки показано оборудование, устанавливае­
мое при испарительной системе охлаждения: бак-сепаратор 2 с паропро­
водами для отбора пара 5 и выпуска его в атмосферу 6, бак для воды 3
и химической очистки, водопровод 4, насос (ВК4-24 с электродвигателем
А02-42-4 мощностью 5,5 кВт при п = 1420 об/мин).
На действующих заводах для подготовки шихтовых компонентов
необходимой крупности установлены щековые дробилки (СМ-116,
11 Б, СМ-182Б, ТЦС-4, СМ-741 и др.), иногда і
ки Д М Р), грохоты (ГЖ-1, ГЖ-2, ГТТ-13. цилш
барабанный с ячейками 20 мм), виброгрохоты (СМ-13, СМ-570, С-96,
С-96-А, СМ-113, В-800 мм). Для отвешивания компонентов — дозаторы
типа АД И-425, АВДИ-425, ДИ-425, АВДИ-600, 2ДПЛ-400-И.
Тепловая работа вагранок и процессы, протекающие при плавлении
сырья. Горение топлива холостой колоши при коксовой плавке, а также
горение горючих газов при газококсовой плавке * определяет все тепло­
вые и физико-химические процессы в вагранке. Горение кокса происхо­
дит
ФУР
нии воздуха в слои горящего кускового кокса в условиях высокой темпе­
ратуры происходит взаимодействие молекул кислорода с молекулами
углерода
С + Ү гО г^С О -Ь 123000 кДж/моль (29 420 кал/моль),
что равно 10 400 кДж/кг-°С (2497 ккал/кг-°С),
но образовавшаяся окись углерода вновь присоединяет кислород по
экзотермической реакции:
С 0 + 7202* * С 0 2+287 0.00 кДж/моль (68 220 кал/моль),
что равно 34 000 кДж/кг*°С (8137 ккал/кг-°С).
По другой (редукционной) теории при горении кокса идет экзотер­
мическая реакция
С + 0 2ч=*С 02 + 34 000 кДж/кг •°С (8137 ккал/кг • °С),
но при прохождении продуктов горения через слой раскаленного
кокса двуокись углерода соединяется с поглощением тепла с углеродом
С 0 2+ С = 2СО— 13500 кД ж /кг•°С (3220 ккал/кг.°С).
В результате чего в газе имеется одновременно СО и GOj.
Существуют еще комплексная и биреакционная теории горения угле­
рода. Схема прохождения реакций по комплексной теории — кислород
химически связан с углеродом с образованием твердого окисла
*С +
у О
2
Q*0y
Подробно см. К. Э. Горяйнова и др. «Технология минеральных теплоизоляцион­
ных материалов и легких бетонов». Стройиздат, 1966.
5*
131
затем идет разложение
С* Оу = т С 0 2 + пСО
с выделением газообразного вещества.
По биреакционной теории при температуре менее 800°С или же при
малой концентрации кислорода и при температуре более 800°С,
4С + 3 0 2 = 2С02 4- 2СО,
а в случае высоких температур и скоростей потоков
2С + 0 2 = 2С02
с догоранием СО в углекислоту по реакции
2СО + 0 2 = 2С02.
Горение кокса в кислородной зоне холостой колоши вагранки цели­
ком протекает в диффузионной области гетерогенного процесса, в этом
случае скорость реакции у поверхности топлива намного превышает ско­
рость диффузии реагирующих газообразных веществ. Вокруг куска кокса
из продуктов реакции образуется газовая оболочка, изолирующая по­
верхность куска от потока воздуха, который должен проникать в реак­
ционную зону путем диффузии через эту газовую оболочку. При больших
скоростях дутья газовая оболочка тоньше, чем при малых.
Так как расширение области реакции восстановления С 0 2 в СО
крайне нежелательно, то ваграночное топливо должно иметь реакцион­
ную способность
Я = ----- — ----- - 1 0 0 не более 15 — 25%.
СО 4 - 2СОа
^
Литейный кокс имеет такую реакционную способность, доменный же и
газовый кокс — 35—45%, а торфяной — 90—95%. Реакционная способ­
ность по Матюшенко должна быть не более 60 кг/м2*ч. В СССР в основ­
ном применяют доменный кокс КД-1, КД-2, КД-3, КД-4 и литейный КЛ
с Q £ = 2,72-104 — 3 - 104 кДж/кг (6500—7200 ккал/кг).
Кроме указанного, высота рабочей коксовой колоши не должна пре­
вышать расчетную высоту редукционной зоны в холостой колоше (около
20 см), при этом размер кусков кокса для сокращения расхода его дол­
жен быть не менее 100— 150 мм,
а пористость — не более 35%.
Чем больше диаметр вагранки,
тем крупней должен быть кокс,
так как кислородная зона про­
никает к центру вагранки толь­
ко при достаточно больших кус­
ках кокса. По Колодцеву, глу­
бина (или высота) кислородной
зоны равна трем или четырем
щ ™l
I
диаметрам куска кокса.
|§
|
Д ля снижения расхода кок!?• 100_
j
са стремятся уменьшить содерп\ I I I_. i l l _! ■ I I ' ■ I
жание СО в газах путем назна5 10 15 20 25 зо 35 40 4550 55 во65 70 75
чения количества (интенсивносИнтенсионость дитя Я . нм*/мгт
ч
™
а
а
ти) дутья не меньше 60—
Рис. 47. Графическое определение интенсив­
120 нм3/м2-мин (большее значе­
ности дутья от давления (упругости) Р 7 в
ние относится к плавлению
вагранке диаметром 1250 мм с шлюзовым
шихты
с
карбонатной
породой).
затвором при плавлении доменного шлака с
Чем больше (до определенного
добавлением и без добавления кирпичного
боя
предела) интенсивность дутья,
Ш
>
тем выше интенсивность горения кокса. Например, для вагранки
ВНИПИТеплопроекта диаметром 1250 мм, имеющей шлюзовой затвор,
при высоте шихтового столба 2500 мм значения интенсивности дутья
и горения кокса, давления воздуха, подаваемого в фурмы (упругости
дутья), и съем с 1 м2 пода наблюдались следующие (рис. 47 и 48).
В интервале значений
GB= 4 0 —59 нм3/м2-мин упру­ ъ*
ем
гость дутья
подчиняется .5:
уравнению t/= 4 2 5 0 + (G B—
—40)-420 Па, т. е. увеличи­
с
вается с возрастанием ин- >
З
Г
С
з
тенсивности дутья. Когда &■
же GB= 71 нм3/м2-мин, то уп­ «§
ругость дутья подчиняется ІСО
С
*
уравнению «/=4250+ (GB — -с
—40) -260 Па, что указыва­ s
б
ет на имевшийся вынос мел­ <■§
ких частиц шихты и увели­
§
чение ее воздухопроницае­ «а»
мости. Максимальная произ­
водительность
получилась
при затрате 19,6% кокса к
массе шихтовых материалов
10 20 30 404250 ВО 70 80 90 100
и при GB= 71 нм3/м2-мин.
Интенсивность дутья % , нп3/п гмин
Однако наименьшая затрата
Рис. 48. Графическое определение съема S
кокса на тонну расплава со­
с 1 м2 пода вагранки диаметром 1250 мм с
ставила при затрате кокса
шлюзовым затвором при плавлении шихт
в размере 16%, хотя в этом
из доменного шлака и боя красного кирпи­
ча в зависимости от интенсивности дутья
случае съем расплава с 1 м2
GB
и расхода кокса (масс. %) при высоте
пода
уменьшился
до
шихтового столба 2,5 м.
2,255 т/м2-ч (56% от значе­
Расход кокса: линия / — 19,5%; 2 — 21%; 3 — 22,5%;
4 — 16—17,4% и 5 — 20.5%; линии / соответствует
ния съема в первом случае).
2400
Определение съема расs,= 22оо+(св—и,2)70—41.2 2200+(О В-41.2) 83.5;
1500
плава с 1 м2 пода вагранки
2200+ (GBлинии 2—S i —2200+ (G B— 41,2)
jg-g
в час производят по форму­
600
—41,2)
•
52.2;
линии
3 —5 3-2 2 0 0 + (G B —41,
лам (при расходе к массе
= 2200 + (GB—41,2) - 20.8
шихты):
2200
+
(GB
—41,2)
-83,5;
вывод:
S
i
=
2
2
0
0
+
s
1
при 19,5% кокса
+ (GB
41,2)
при 21% кокса — S2
4600 — 2200
70 — 4 1 ,2
2200+ (GB— 41,2) • 52,2,
при 22,5% кокса — S 3 = 2 2 0 0 + (GB—41,2)-20,8,
при 16— 17,4% кокса
S
1000+ (G„ — 22,5) 1 57,
при 20,5% кокса — S6 = 1000 + (G„ — 37,5) • 69.
Некоторое противоречие между значениями S 2 и S$ (при GB =
60 нм3/м2-мин, 5 2 = 3 18 0 кг/м2-ч, a S s =256(3 кг/м2-ч) можно объяснить неоднородностью применяемых материалов и техникой замеров.
Для построения линий 1, 2 и 3 принимались данные при непрерывном
измерении температуры расплава, а стабилизация расхода воздуха про­
изводилась с использованием автоматического регулирования (И. К» Энно и С. Н. Вострикова. Автоматизация управления вагранкой в производстве минеральной ваты. «Строительные материалы», № 9, 1970).
Характерно, что с уменьшением затрат кокса с 22,5 до 19,5% производи­
тельность увеличивается (линии / , 2 и 3).
133
Значения интенсивности горения кокса определены как частное от
деления его часового расхода на площадь пода и обычно включают в се­
бя большую химическую неполноту сжигания кокса, определяемую по
следующему уравнению:
г
Q
рН.Кв"к - У (Q) + Q" +
ир -
Р
теплотворная способность кокса, кДж/кг (ккал/кг кокса);
где Q Hf.
Вк расход кокса, т/т расплава; 2 (Q ) — тепло, затрачиваемое на удале­
ние из шихты влаги, нагревание, восстановление железа и плавление, за
вычетом выделяющегося тепла при силикатообразовании и тепла, посту­
пающего с шихтой, кДж/кг расплава (ккал/кг); Q" — потери тепла на
разложение водяных паров дутья с уходящими газами, водяными парами
и пылью, за вычетом теплосодержания дутья, кДж/кг расплава
(ккал/кг); Q' — потери тепла с охлаждающей водой во внешнее прост­
ранство, кДж/ч (ккал/ч); В р = SFn — производительность вагранки по
расплаву, кг/ч.
Значения 2 (Q), Q" и Q' даны в табл. 18.
Эффективная интенсивность сгорания кокса (кг/м2-ч) определяется
по формуле
Р эф
Р . ( 1 Р).
В свою очередь
Р
в к - с£о, • 8137 — Срсо • 2497
ШЖ
где С&о,— количество углерода, сгорающего в СОг; С с о — количество
углерода, сгорающего в СО.
Приравнивая уравнения
р, находят содержание
колошниковых газах СО и
С 0 2. По рис. 49 определяют
воздуха,
количество
(%)
нужное на горение от теоретически необходимого, а так­
же температуру горения уг­
лерода.
Д ля снижения уровня
химической неполноты горе­
ния кокса в ряде случаев
сечение вагранки принима­
ют эллипсовое. Так, вместо
вагранки с площадью Fa=
= 1,53 м2, что соответствует
диаметру в фурменном сече­
нии
1400
мм,
можно
рекомен­
1 ПО 160 190
довать
вагранку
2100Х
Теоретические деличины подачи
Х800 мм с расширяющими­
Воздуха, %
ширинои
ся
ФУР
Рис. 49. Зависимость температуры горения кок­
высотой
мм
и
200/310
са от полноты сгорания углерода:
100/150 мм, расположенными
1 — температура горения углерода; 2 — масса углеро­
д а и воздуха; 3 — масса воздуха
через 1500 мм. Имеется поло­
жительный опыт применения
эллипсовых агранок Запорожским и -Харьковским заводами, диаметр
большой окружности которых равен 1600 мм, а малой 1000— 1100 мм
Большое значение имеет дальнейшее совершенствование тепловой
134
работы вагранки. На сжигание кокса теоретически необходимо подавать
в вагранку воздух в количестве, определяемом по формуле
п=
/ 0 ,8 9
„
I, 1000
н
—1— QE+
\ / 2 7 3 + / \ 760
1 , 6 5 | | ------- — - ----)\
273
) Рв
„
Л
„
нм3/кг кокса,
где Q S — теплотворность кокса, кДж/кг (ккал/кг); / — температура воз­
духа, °С и Р в — барометрическое давление воздуха, Па (мм рт. ст.).
Однако для достижения такого требования недостаточно только уве­
личивать количество и давление подаваемого в фурмы воздуха, но нужно
также загружать в вагранку сырье и кокс требуемой гранулометрии,
устанавливаемой на каждом заводе опытными плавками в зависимости
от применяемого сырья и типа вагранки.
Химическая неполнота горения кокса обычно характеризуется хими­
ческим теплом колошниковых газов, определяющимся процентом СО в
них. Однако определение неполноты по содержанию СО и СОг по пери­
одически отбираемым пробам не позволяет получить достоверных данных
из-за неточного определения в колошниковых газах среднего процента со­
держания СО, С 0 2 и 0 2, трудности суммирования состава газов в целом
по сечению, изменении состава газа при загрузке сырьевых колош и т. п.
Поэтому более достоверные данные могут быть получены из уравнения
для определения р при точном непрерывном определении подаваемого в
фурмы количества воздуха и использовании данных табл. 18 или спе­
циально составляемого теплового баланса.
Давление Ру (упругость) дутья зависит от высоты участвующего в
теплообмене столба шихты hm (м), интенсивности дутья — количества
подаваемого в фурмы воздуха GB, объема пустот шихтовых материалов
(их гранулометрического состава), характеризуемого коэффициентом А,
и потерями давления в воздуховоде и фурмах Рф, т. е.
Р у = Я* йшЛ-1 + Р ф.
Значение коэффициента А принимают исходя из величины объема
пустот шихты, определяемого экспериментально с учетом уминки, раз­
дробления и оплавления кусков шихты при ее опускании в вагранке. При­
мерные значения коэффициента А от объема пустот Vu:
А
22
29
38
47
60
82
90
107
124
v„, %
30
35
40
45
50
55
60
65
70
На рис. 50 приведена зависимость производительности вагранки ди­
аметром 1250 мм по расплаву от температуры вытекающего из летки
расплава и интенсивности дутья в случае затрат 17,5% и 21% кокса к
массе доменного шлака и кирпичного боя. Максимальную температуру
1395°С расплав имел при затрате 17,5% кокса к массе шихты, GB=
= 4 8 нм3/м2<мин и S I = 43-60/1,22=2100 кг/м2-ч. При 21% кокса,
GB = 60 нм3/м2'мин и
= 68*60/1,22 = 3350 кг/м2-ч температура рас­
плава снизилась до 1350°С, т. е. с увеличением выше определенного
значения интенсивности дутья наступает некоторое охлаждение в горне
и в зоне плавления стекающего расплава.
Съем с 10 м2 пода вагранки D1250 мм приближенно можно опреде­
лить также по эмпирическим формулам при плавлении: доменных шлаков
S > 6 - 103+ (2,4-7-4,5) Р у; доменных шлаков с карбонатными добавками
S > 4 - 103-Ы ,6Ру; доменных шлаков с кислыми добавками S = 4*103+
+ 2 Р У [при Ру= (4—7,6) • 103Па] или S = 4 - 10а+ (2,6—2,8) Р у [при Р у=
= (9— 13) -10а Па]; при плавлении боя красного кирпича и доломита
5 = 4-403+ 1 ,9 Р у [при Р у = (9— 13) • 103 Па].
В вагранке газы, образующиеся в зоне горения, а при плавлении гор­
ных пород и в результате дегидратации и декарбонизации, поднимаются
135
вверх, отдают свое тепло шихте. По мнению проф. Б. И. Китаева, количе­
ство тепла, которое газ должен отдать материалам для повышения их
температуры на 1°С, в различных горизонтах печи неодинаково. Это ко­
личество тепла принято называть водяным числом или водяным эквива-
Интенсивность дутья \ , нм3!пг мин
Рис. 50. Температура вытекающего из летки расплава
при различной интенсивности дутья и расходе кокса
к массе шихты
кокса: / — 17,5%; 2 — 21%
лентом. Оно равно произведению количества газов или шихты, поступаю­
щих в зону подогрева вагранки за час или приходящихся на 1 т распла­
ва, на теплоемкость единицы количества шихты или газа (кДж/т-°С,
ккал/т-°С).
:
По мере опускания шихты в шахте вагранки происходит: потеря
адсорбционной, кристаллизационной и конституционной влаги (гигроскоТ а б л'и'ц а 18
Значения E(Q). Q" и Q' при плавлении в вагранке различного минерального сырья
Доменный шлак и бой
красного кирпича (1:0,15)
Доменный шлак и бой
красного кирпича ( 1:0, 1)
Доменный шлак
1300
1400
1355
91 2 ,2 4844
2155
2168
1235
295
1780
426
1510
361
1142
273
1820
435*
1860
445*
1660
397
1652
395
930
1120
221
914
218
222
265
1345
321
1465
350
3530
842
2060
491
7200
172
4360
1760
1040 . 421
4290
1023
(*:0,48)
шлак
Бой красного кирпича
и глинистого доломита
влаж ­
Доменный
ный
1250
Доменный шлак и бой
красного кирпича ( 1:0, 6)
800
Доменный шлак
Наименование
ф
Доломитоглинистый мер­
гель
Состав шихты
|
1250 !
1250
1100
1520
2720
651
1140
273
1365
326
925
.
1110
.
266
Внутренний диаметр, мм . . .
Производительность по распла­
ву, к г / ч ...................................
S(Q):
к Д ж /к г расплава . . . .
ккал/кг расплава . . . .
Q":
к Д ж /к
расплава . . . .
* г Л
ккал/кг расплава . . . .
750
750
415
Q':
10“3 к^ Д
®ж
W / ч .................. ' .
10~ 3 к к а л / ч .................. ....
• Без исключения количества теплоты силикатообразования и с добавлением теплоты испарения
влаги из сырья, топлива и воздуха. Правильнее при расчетах принимать 1143—1235 к Д ж /к г или 273—
295 ккал/кг.
136
пической и гидратной), разложение молекулы доломита (C aC 03*MgC03)
и диссоциация карбонатов кальция (С аС 03) и магния (M gC03), разложе­
ние сульфатов, восстановление железистых и других окислов (Ғег03
—*’Ғе30 4—”ҒеО—*Ғе) окисью углерода, твердым углеродом и водородом,
образование новых соединений в результате реакции в твердой фазе или
при воздействии жидкой фазы на твердую, а также в результате поли­
морфного перехода из одной модификации в другую и, в заключение,
плавление при однокомпонентной шихте или плавление — растворение
при многокомпонентной шихте и содержании кусков различного химиче­
ского и минералогического состава, в том числе и плавящихся при тем­
пературе выше 1600°С.
Материальный и тепловой балансы. Для суждения о правильности
проведения процесса плавления минерального сырья в вагранке состав­
ляют материальные и тепловые балансы.
Далее приводится пример составления таких тепловых балансов для
плавки шихты, указанной в табл. 19.
Таблица
19
Химический состав сырьевых компонентов шихты и расплава
Содержание, % по массе
Сырьевые компоненты
SiO
Доменный шлак . . . . 38.8
Бой красного кирпича . 69,88
Шихта (без учета золы
к о к с а ) ............................... 41.9
А120 3 +
+ ТЮ .
СаО
MgO
Fe 2Ofi ҒеО
r 2o
SO:
10,34
12,7
0,57 1,04 1,57
44,69 3.48
2,37 0,91
5,61 3 ,6 2 4 ,9 2
10,58
40,78 3.49 0,49 0,51
1,18
1,51
M
S iO *+
+A U O ,
1,1
52,48
Рабочие параметры плавления шихты в вагранке диаметром 1250 мм и площадью
пода 1,22 м2:
Производительность по расплаву, к г / ч ................................................ В р = 4844
Температура (средняя), °С:
• 13.
загруженного с ы р ь я ................................................................................................
13
дутья
.................................................................................................................................
370
колошниковых г а з о в ................................................................................................
1334
расплава при вытекании из л е т к и ................................................................ .
Давление воздуха, создаваемое воздуходувкой «Станколит», 10/1250 произ
водительностью 10 000 нм3/ч, Па (мм вод. с т . ) ......................................12,3 103 (1230)
Расход воздуха, нм3/ч (кг/т р а с п л а в а ) ..................................... 5200 (1,28-5200 : 4 ,8 4 « 1375)
Высота столба шихты, м:
выше уровня п о д и н ы ........................................................................................................... 3,8
участвующего в т е п л о о б м е н е ........................................................................................... 2,5
Высота (примерная) холостой коксовой колоши выше уровня пода, м . . . . 1 , 3
Материальный баланс приведен в табл. 20.
Скорость опускания шихты в вагранке можно определить приближенно по формуле
о)ш
VmS ( l - ау)
1,1 • 3 ,9 6 • 0 ,8
60ҒП
60 • 1,22
0,0475 м/мин,
где
Vш
1,013
0,188
1,11 м3/т —объем шихты и
1,4
0 ,4 8
кокса, заваливаемых в вагранку, м3 на 1 т расплава, а у = 0,2—коэффициент уминки.
Продолжительность пребывания шихты в вагранке
т = 2 ,5 /0 ,0 4 7 5 ^ 5 3 мин.
Содержание углерода в коксе равно
0,153
кг/т
расплава.
0
.1
8
8
I
0,8148
Р1
В колошниковых газах содержится (в объем. %): СО*— 10, СО— 15,2 (исходя
71,0.
из данных, приведенных на стр. 134), Ог—3,0 и На—0,8 и N 2 (по разности)
В 1 м8 колошникового газа имеется углерода
М НЁМ
0 ,1 3 7 кг.
( 0 , 1 0 + 0 , 1 5 2 ) . -----2 2 ,4
На 1 кг расплава приходится газа
п./рс = 0 ,1 5 3 /0 ,1 3 7 *= 1,11 м*.
137
В этом объеме газа заключается
СО
1,11 • 0,1 = 0,111 м3 или 0,220 кг.
СО-= 1,11 -0,152=0,169 м3 или 0,2211 кг,
Н2= 1,11*0,008=0,0089 м3 или 0,007 кг,
0 2=1,11*0,03=0,0333 м3 или 0,048 кг,
N 2= 1,11 •0,71 = 0,79 м3 или 0,990 кг.
Объем и масса сухого газа — 1,1122 м3 или 1,476 кг.
Влаги в газе — 0,0338 м3 или 0,027 кг (5,074-10,93+11) •10~3.
Объем и масса влажного пара — 1,146 м3 или 1,503 кг.
Плотность (удельный вес) газов в нормальных условиях, к г/м 8: C O f » 1,977; СО
= 1,25; Н2= 0,0899; N2= 1,2505; 0 2= 1,429 и Н 20 = 0 ,8 0 4 .
Количество углерода, сгорающего в вагранке,
12
СО
0,0605 кг/кг расплава и
2 2 ,4
12
СО — С£0 = 0,1 6 9 - — т— = 0,092 кг/кг расплава.
2 2 ,4
Таблица
20
Развернутый материальный баланс
Содержание компонентов
Компоненты
по анализу» %
в пересчете
на 100%
41,9
41.6
10,6
10.6
4 0 ,8
3 ,5
40,3
3 ,5
§ нь
“ =я
2
д ей
ОО Ч
gО Н
д уС
£(XsS а«
Перешло (кг)
в рас­
плав
в газы
в ме­
талл
в пыль
Из шихты:
S i0 2
AI 2O 3 -f- ТІО2
СаО
MgO
Ғе 20 8 и FeO
r 2o
so,
C 02
н 2°гидр.
Н а°гигр.
И того:
421,41 421,41
107,38 107,38
408,24 408,24
35,50 35,50
5 ,0 5 1 ,3 2 0 2 3,05е 0 , 6830 4
10,1
4 ,7 2 20,58
2 5 ,3
1,0
1,20
1,0
1,1
1,50
1,4
0
0
0
0
0
0
0 ,5
0 ,5
5 ,0 7
101,0
100
1013
Ч%
5 ,0 7
98 2 ,3
0,68
26,97 3 ,0 5
Из кокса :
с = ср
На
о.сч
О
II
е
м
о
Na
Ар = S i 0 2+ A l 20 s+
81 ,4 8
0,51
0,51
0,935
9 ,4 3
81,48
0,51
0,51
0 ,9 3
9 ,4 3
1,44
5 ,7
1,44
5 ,7 0
1
153
153
0 ,9 6
0 ,9 6 Г
0 ,9 6
0 ,9 6 1 “ ~
— Щ
1,75
1,75
—*
17,7
17,7
—
—
—
—
—
1
——
—
—
——
—
-J-CaO+MgO
S
®Р(Н 2°гигр.)
И того
100
(по объему)
100
2 ,7
10,93
—
188
17,7
23
7 6 ,2
316
1048
—---
0,8
11
2 ,7
10,93
170,30
_
(по массе)
Из дутья:
02
n2
(Н 20 ) = В вл дутья
Итого
Всего
138
\2 0 , 7 6 x 1 ,4 2 9 = 2 9 , 6
7 8 ,1 2 x 1 ,2 5 0 = 9 8 ,0
1 ,1 2 X 0 ,0 8 9 9 = 1
128,6
100
316
1048
|
—
---
11
1375
---
2576
1000
1375
I “
1572,27 3 ,0 5
0,68
®ce^° Jia * кг расплава сгорает углерода 0,1525 (по материальному балансу
и, 1э<з кг). При расходе 0,188 кг кокса на получение 1 кг расплава, азота в этом коли­
честве кокса содержится N2= 0,935-0,188 0,01 =0,00175 кг или 0,00175 • 1,25=0,0014 м3.
количество дутья, относимое (по азоту) на 1 кг расплава, (0,79—0,0014) : 0,7812 * 1,05 м3.
составу воэдухэ находят количество его составных частей в дутье:
0 2 — 1,05-0,2076=0,218 м3 или 0,312 кг:
N 2 — 1,05-0,7812=0,820 м3 или 1,02 кгводы — 1,05-0,0112=0,0118 м3 или 0,0095 кг:
сухого дутья — 1,038 м3 или 1,332 кг;
дутья с влагой — 1,0498 м3 или 1,3415 кг.
Влажное дутье на 1 кг кокса составляет
1,0498
«■= 5 ,9 5 м8,
0,188 — 0,1093
против требуемого
_
, ° .8 9
г- . - . , „ Л /2 7 3 - И З \
" tiooo •6715+1 -а ) (—
760
J •-ш - 8 и",/кг-
Тепловой баланс (кД ж /кг):
Приход тепла в результате:
горения углерода в С 0 2 QrOPco 2= 3 4 - 103-0,0605=2057горения углерода в СО <?гор со = 16,45-103-0,0 9 2 = 1413 4теплосодержания дутья <Эт.д = 1,038-1,3-13= 17,55;
теплосодержания влаги в дутье <?т.вл.д = 0 ,0118-1,5-13=2,3:
образование силикатов <?Об .с = 0 ,5 9 -11,3(40,3 + 3,5) =292,01.
По формуле Рамма для шлаков, приняв степень остеклованности 0,59 и содержа
ние C aU + jvig(j= 40,3 и 3,5 /о по массе, теплосодержание шихты составит
1
~Тооо"(188‘ 1 ,0 9 + 1013' 0,84) - 3 = 13.79*
Потери тепла в результате химической неполноты сгорания кокса 28-103-0,188—
—2057— 1413,4=1793,6 (здесь теплотворность кокса 28-103 кДж/кг)
Всего приход: 5589,65
Расход тепла:
на испарение гигроскопической влаги при /Pf a 100°C
л
(Зисп.1 =
/ 5 , 0 7 + Ю,93\
I------- ---- ------ І (2540 + 1,28 • 100) = 426,88;
на разложение карбонатов (на 1 кг окисла)
QMgo= 2,7-103 и Q ceo -3 ,2 -1 0 3;
на испарение гидратной влаги при /2'=50Э°С
на разложение водяных паров дутья
QHcn-2= 0
<?р. в. „ = 1 3 4 4 8 - 0,011 = 147,93;
на нагрев шихты в твердом состоянии до температуры плавления
1 /1013 + 9 8 2 , 3\
|«агр = — I ------ | g | ------ (1334 -
13) • 0 ,9 8 5 = 1296,61;
на плавление шихты Опл = 125,6;
на восстановление Fe из ҒезОз
на унос через колошник сухими газами
Q y . с.
Г
1545 27
= — Д
" » 1,38 • 370 « 789;
на унос через колошник водяными парами
62 . 3 7 0 - - ^ - - 1 5 . ! ;
139
на унос тепла через колошник пылью
Qун.
0,8
п
1000
0 ,6 8 - 710 = 0,41;
Итого расход тепла: 2824,35.
Q
на потери с охлаждающей водой —
В
П
— и во внешнее пространстве — - —
(по разно-
сти):
5589,65 — 1793,6 — 2824,35 = 967,7;
на потери из-за химической неполноты сгорания кокса
Qхим.
непол
1793,6;
Всего расход тепла; 5589,65.
Как уже указывалось, имеется возможность переоборудовать совре­
менные вагранки на коксогазовое топливо. Д ля этого выше фурменного
ряда устраивают камеры сжигания газа, к которым подводится двухпро­
водной инжекдионный смеситель, например, производительностью
58 нм3/ч, имеющий диаметр газового сопла £>i=9,5 мм и диаметр выход­
ного отверстия (кратера) £)3=134 мм. В этом случае диаметр (в свету)
камеры сжигания газа Dr = 2 ,5 D 3, а длина /т=2,4/}т + 3 0 мм (D r = 334 мм,
/т = 865 м м ) . Объем камеры сжигания газа принимают исходя из теплонапряжения ее объема до 41*106 кДж/ма-ч (40- 106ккал/м3-ч). Газ подают в смеситель с избыточным давлением 29 -103—-49-103 Па (0,3—
0,5 кГ/см2), а воздух — с давлением большим, чем в
ФУР
но не менее 4,9-10* Па (0,5• 103 мм вод. ст.). Теплотворность газа
Щ|Р г = 35700 к Д ж /н м 3 (8500 ккал/нм3) .
На 1 нм3 газа подают 1,05-9,6=10,1 нм3 воздуха.
Камеры футеруют хромомагнезитовым огнеупором, работающим
при 1800°С, и делают водяную рубашку как по бокам, так и с торца.
Обязательно устраивают автоматическую блокировку газа с воздухом,
а в фурменном коллекторе монтируют взрывной клапан.
§ 6. Ванные и электрические печи
Ванная пламенная печь состоит из рабочей камеры, каналов и горе­
лок, тяговых и дутьевых приспособлений, а также из устройств для пита­
ния печи сырьевыми материалами, использования тепла отходящих газов
и охлаждения бассейна.
Расплав в ней непрерывно движется: верхние потоки расплавленной
массы переносят тепло в нижнюю часть, так как температура уменьша­
ется сверху вниз. Чем прозрачнее расплавленная масса для тепловых
лучей, тем медленнее уменьшается температура. Расплавы для произ­
водства минеральной ваты в большинстве своем малопрозрачны, и в них
температура падает резко. Это вызывает необходимость ограничивать
глубину слоя расплава, например, от 600 до 150 мм, в противном случае
в придонных слоях его возможна кристаллизация. Шихта — плохой про­
водник тепла, поэтому поверхностный ее слой в течение нескольких се­
кунд нагревается до 800—900° С и в нем интенсивно происходит разло­
жение содержащихся в шихте окислов, удаление летучих веществ, силикатообразование, стеклообразование и другие процессы. Это является
причиной того, что шихта всегда покрыта тонким слоем расплава, под
которым находится спекшийся слой. Расплав непрерывно стекает с по­
верхности, на которой в большинстве случаев образуются пены, а спек­
шийся слой превращается в расплав.
Ванные печи с поперечным направлением пламени работают на хо­
лодном дутье (Румыния).
В ванную печь с рекуператором и подковообразным пламенем
(г. Воскресенск) сырье (мергель, известняк или доломит) подается ков140
шовым конвейером на дисковую мельницу производительностью 5—6 т/ч,
проходя предварительно магнитный диск. Затем оно поступает в смеси­
тель Эриха и подается по транспортным устройствам в бункера плун­
жерных питателей печи. Печь оборудована двумя горелками, рекупера­
тором и двумя пневмозагрузчиками. Расходуется газа около 150 м3/ч на
ванну и около 35 м3/ч на фидер, сжатого воздуха — 1200 м3/ч на ванну
и 350 м3/ч на фидер. Производительность каждой печи (а их установле­
но д в е ) — около 500 кг расплава в час. Температура: в печи— 1380—
400 500 600 700 800 ООО 1000 1100 1200\
Удельный съем расплода с отаплидоемой
■площади, кг/м 2 суш
Удельный съем расплода\ кг/мг сут.
Рис. 51. Влияние удельной производитель­
ности ванных печей на удельный расход теп­
ла:
Рис. 52. Влияние удельной производи­
тельности ванных печей на удельный
расход тепла:
1 — ванные печи без применения огненно-жидких
шлаков; 2 и 3 — ванные печи с поперечным на­
правлением пламени, работающих без нагрева
воздуха (СРР); 4—отечественные стекловаренные
печи, 5 — то же, зарубежные
1 — ванные печи в производстве минеральной
ваты без применения огненно-жидких шлаков;
2,3 — то же, с применением огненно-жидких
шлаков; 4, 5 — стекловаренные печи
1400°С, в передаточном фидере — 1450— 1470°С, газов, уходящих из пе­
чи,— 1300— 1320° С, воздуха, подаваемого в печь, — 700—730° С, воздуха,
поступающего на раздув, — 300—340° С. Давление в печи — 40—50 Па
(4—5 мм вод. ст.).
Для использования первичных (огненно-жидких) доменных и других
металлургических шлаков также применяют ванные печи.
Данные о работе ванных печей приведены в табл. 21.
Чем больше удельный съем расплава, тем меньше расход топлива
(рис. 51). При плавлении минераловатной шихты в ванной печи удель­
ный расход топлива меньше, чем стекольный (линии 1 и 4, 5). При от­
сутствии нагрева воздуха в прямоточных печах удельный расход топли­
ва значительно больше, чем при применении горячего воздуха. При ис­
пользовании огненно-жидких шлаков съем с 1 м2 зеркала печи
значительно выше (до 4760—5320 кг/м2*сут), чем при плавлении твер­
дой шихты (рис. 52).
В электрических дуговых печах можно получать расплав с высокой
температурой начала кристаллизации. Получение однородного по хими­
ческому составу расплава достигается с помощью предварительной обра­
ботки шихты. Если она состоит из нескольких компонентов, то перед
подачей в печь шихта усредняется. Последнее возможно за счет нагрева
расплава на 100—200° С выше температуры начала кристаллизации, так
как при значительном перегреве возникает опасность улетучивания крем­
ния и алюминия при достижении температуры кипения, которая равна
для Si — 2060° С и для А1 — 2360° С.
141
Т а б л и ц а 21
Данные о работе
Химический состав. % по массе
А1«0.
1 I Мергель
Известняк
34,66
4 ,1 0
Минеральная вата
. .
44,73
MgO
SO,
4.67 19,14
0 ,9 5 47,27
6,09
8 ,1 5
—
5 .6 7 25,61
8,01
—
15,00
9 ,7
—
FetO,
9 ,9
1,02
12,7
СаО
Огненно-жидкий
шлак
43,00
6 ,7 0 20,40
3
Доменный шлак
. . .
45,10
7 ,8 0
0 ,4 4 41,20
3 ,0
1 ,5
4
Огненно-жидкий шлак
37 ,0 0
11,08
0 ,6 7 44,22
2 ,8 4
1,55
5
Огненно-жидкий шлак
38 ,2 8
9 ,5 5
1,6
4 5 ,4
1,53
—
Горная порода
. . .
Минеральная вата . .
58,00 2 6 ,3
38,90 9 ,6
0,8
2 ,9
42 ,4 8
5 ,0
5 ,2 5
Огненно-жидкий
36,51
0 ,7 7 44,33
5 ,4 9
шлак
12,38
П .п .п
]
7
2
6
RaO
22,67
41,95
-
-
-
-
-
1,2
шштятт
—
щ
7
Кварцевый песок, д о ­
ломит, карбонат нат­
рия и др........................
5 6 ,0
0,2
5 ,0
22,0
5 ,8
N a 20
— 11
:
8 I 91% леса, 9% известня­
ка
Углерод, вносимый в шихту электрической дугой печи при сгорании
угольных электродов, восстанавливает до 2% окиси железа, небольшую
часть SiCb до элементарного кремния, соединяющегося с железом с обра­
зованием небольшого количества ферросилиция. При этом происходят
следующие восстановительные реакции:
S i0 2 - f 2C -> S i + 2СО
основная 4С
Ғе20 3 + ЗС
2Ғе, + ЗСО
30
торичная С 02 -f С
2СО
при избыточной влажности шихты С + НгО ~ ”СО + Нг
Возгонка углерода идет при 2200—3500° С.
После перехода шихты из твердого в жидкое состояние через рас­
плав проходит электрический ток, плавка происходит спокойно и почти
беззвучно, без выкипания и выбросов расплава. Плавка же на дуге ин­
тенсифицирует восстановление окислов железа и кремния и сопровожда­
ется вскипанием.
142
ванных печей
Температура, °С
2
о.
03
Н
5зО с|
ЁЗ
18
Вид и кало­
рийность топ­
лива, кД ж /кг
(ккал/кг)
или кДж/нм®,
(ккал/нм3)
Расход
газа,
нм3/ч
210
( 8 , 2 - 103)
Мазут
4-10“
( 9 ,5 - 103)
17,5
Коксовый
газ
Нет
данных
300—310
2 0 .5 -103
(4,9-10*)
25
Коксовый
газ
600
2 0 .5 -103
(4,9-10*)
42,75 Природный
300
газ
385—429
21,4—23,8
4000
222
2500—3500
143— 199
2500
100
2500—4000
58,5—93,5
3 5 .6 -103
( 8 ,5 - 103)
12,8
Удельный расход
тепла, кДж/кг
(ккал/кг) расплава
истека-
заливае­
мого
шлака
емого
шлака
Ставрополь
ский газ
3 4 ,3 -103
18
Производи­
тельность пе­
чи по распла­
ву—в числи­
теле кг/ч;
съем с 1 м-'/ч—
в знаменателе
Природный
газ
180
835—875
65—69
1 6 ,7 -103
(4 103)
Нет данных
1250
1380
(2,55— 1 ,8 )-103
(610—435)
1150— 1260
1310— 1350
4 ,9 5 -10s
(1 ,1 8 -103)
1300
1350
1100—1200
1340— 1360
(4,26—2 ,6 8 )-103
(1020—640)
(1,02—0 ,6 4 )-103
7 ,3 3 -103
(1 ,7 5 1 0 s)
3 5 ,6 -103
( 8 ,5 - Ю3)
23,8
Природный
газ
272
24,4
3 5 .6 -103
( 8 ,5 - 103)
48
Природный
газ
581
383
1670
35
16,75-103
(4-103)
Максимальная в печи
1470
8 ,1 6 -103
(1 ,9 5 -103)
35.6-10®
( 8 ,5 - 103)
В электродуговой печи ДС-0,5, оборудованной тремя графитовыми
электродами диаметром 100 мм, при напряжении 190/100 В и силе тока
на каждом электроде 1200 А плавится шихта, состоящая из смеси 0,6 до­
ли отсева доменного шлака, 0,3 доли торфяной золы и 0,1 доли король­
ков при затрате электроэнергии 0,5—0,667 кВт-ч на 1 кг расплава. Тем­
пература в печи 1800—2000° С, а вытекающего расплава 1400— 1500° С.
В ней же получается расплав, а потом и минеральная вата из торфяной
золы ТЭЦ при содержании (в % ): 29—51 SiOj; 11,4—23 А120 3; 2,8—
2,1 Ғе20 3; 0,36—0,42 ТЮ2; 49,8— 18 СаО; 4,5—3 MgO; 0,07—0,5 SOs;
1— 1,08 К20 ; 1,17—0,25 Na20 .
Температура: на поверхности печи — более 1800°С, на летке— 1400
1420°С, перехода в истинно жидкое состояние— 1350°С. Минеральная ва­
та, получающаяся центробежно-дутьевым способом, имеет объемную
массу 66—69 кг/м3 при среднем диаметре волокон 7,2—8,4 мкм.
В этой печи плавится также шихта, состоящая из 65—77% по массе
отсева шлака и 35—23% по массе горного песка с крупностью частиц
менее 20 мм и при И Щ И — 1,9, производительность по расплаву —
148
1400— 1450° С, расходуется элек­
620 650 кг/ч. Температура расплава
около 2,3 кг/ч.
графитовых
400
■ “
троэнергии
Минеральная вата имеет объемную массу 75 кг/м3 и волокна толщиной в
среднем 4,2 мкм.
Установлено, что производительность печи ДСН-0,5 при плавлении
в ней шихты с размерами частиц 0—20 мм на 25—30% больше, чем про­
изводительность при плавлении крупных кусков (0—20 мм — 40% и 30—
70 мм — 60%). При постоянных значениях силы тока печи / п и напряже­
ния Un с увеличением электросопротивляемости шихты в результате
уменьшения размеров частиц доля тока, проходящего через шихту,
уменьшается, а количество тока, протекающего через торец электрода и
расплав, возрастает. Так, при 1300°С стекломасса имеет суммарное со­
противление 0,24 ом-1-см-1.
В процессе электродуговой плавки происходит восстановление желе­
за, которое опускается на дно печи и на электропроводность расплава
не влияет. Железо периодически выпускают через специальное отверстие
в дне.
В момент пуска печи дуга между электродами образуется после за­
мыкания их металлом.
З а последнее время в металлургии чугуна вместо вагранок стали
использовать индукционные электрические печи. Возможность примене­
ния такого вида печей для получения минеральных расплавов представ­
ляет определенный интерес.
§ 7. Методы производства искусственных
волокон, минеральной и стеклянной ваты
из силикатных расплавов
Методы раздува расплава на минеральную и стеклянную вату. Дуть­
евой горизонтальный метод заключается в том, что пар или сжатый воз­
дух, выходя с большой скоростью из дутьевой головки, воздействует на
непрерывно текущую струю расплава и перерабатывает его на вату
(рис. 53). Давление (избыточное) пара не менее 6-105 П а (6 кГ/см2) и
расход его 1— 1,4 т на 1 т минеральной ваты и 2,5 т и более на 1 т стек­
лянной ваты. Сжатого воздуха расходуется около 1000—3500 нм3 на 1 т
минеральной ваты. Производительность по вате до 2000 кг/ч при выходе
из 1 т расплава 850—900 кг ваты объемной массой 160—260 кг/м3, со­
стоящей из волокон средним диаметром 5—7 мкм; длиной 6— 10 мм и
содержащих до 64—73% неволокнистых включений.
Дутьевые головки бывают со щелью или с большим количеством от­
верстий, располагаемых V-образно, причем соотношение между высотой
V-образного размещения их и расстоянием вверху между ветвями раз­
мещения сопел равно 1,07— 1,30. На полноту раздува в основном оказы­
вает влияние расход энергоносителя и кучность поступления его из дуть­
евой головки на струю расплава.
Расход пара (кг/с) в дутьевых головках равен
ВП
1,99 • F МИН
р1
в
Gуд- п
10«
3600
откуда суммарное критическое сечение (мм) V-образной щели или всех
отверстий (сопел )при раздуве насыщенным паром составит
Ғ МИН
ВР Суд. „ • 10«
3600 • 1,99 - p V P i IVi.
где В —
количество раздуваемого за 1 ч расплава, т; Gyn.n — удельный
расход пара, кг на т расплава ( Gyn.n = 800— 1200 кг/т); ц — коэффициент
трения, зависящий от состояния граней сопла (0,75—0,95); Р \ — н а ч а л а
144
ное давление пара, 105 Па (кГ/м2); V — удельный объем пара, м3/кг.
Вместо коэффициента 1,99 принимают: 2,09 — при перегретом паре,
2,14 — для воздуха и 2,12 — для продуктов сгорания при 777°С.
Более эффективно, чем в приведенных выше дутьевых головках, ис­
пользуют энергосмеситель в эжекционных головках (рис. 54). В дутье­
вых головках большая часть расплава выходит из активной зоны дейст­
вия пара или воздуха в зону с меньшими скоростями. В эжекционных же
головках полностью исключается выход какой-либо части расплава из
зоны более активного действия потока энергоносителя, так как струя 1
(см. рис. 54) полностью засасывается в приемное отверстие 5 головки 2 .
Рис. 53. Схема дутьевой головки для раздува расплава паром или сжатым возду­
хом:
7 — струя
расплава; 2 — дутьевая
пар, сжатый воздух
Рис. 54. Схема эжекционной головки
головка; 3 —
Горячие же газы, полученные, например, в результате сжигания пропанбутановой смеси или природного газа с воздухом, с температурой на
выходе из головки 1100— 1200°С поступают по трубопроводу 4 в сопла 3
кольцевой головки 2, причем эти сопла имеют оси, параллельные друг
другу, в связи с чем энергоноситель движется в них с большой скоро­
стью, нигде не пересекаясь. По данным А. П. Галушкина, В. И. Крыскова, при формовании штапельного волокна из тугоплавких алюмосиликатных расплавов применяют эжекционную головку, позволившую полу­
чить при начальной температуре формования 1930—2000°С каолиновую
вату с температурой стеклования 1830°С, средним диаметром волокна
2 мкм, объемной массой при удельной нагрузке 2 - 103 н/м2 (200 кГ/м2),
равной 60—70 кг/м3, практически без содержания неволокнистых вклю­
чений.
Одной из разновидностей дутьевого метода является вертикальнофильерно-дутьевой (ВРП) с применением пара (рис. 55) или воздуха
(ВРВ). Этим методом перерабатывают в настоящее время до 500—
600 кг расплава в час, вата получается с очень незначительным содер­
жанием неволокнистых включений объемной массой 40—90 кг/м3. Сред­
ний диаметр волокна минеральной ваты — 7 мкм, стеклянной ваты —
12 мкм; длина волокон соответственно — 9—27 мм и 50—80 мм. Пара
расходуется 2,5—9 т или воздуха 2500— 13 400 нм3 на 1 т ваты.
Для подачи расплава к фильерным питателям с рабочей вязкостью,
обеспечивающей его нормальное истечение из фильер, 3—5 Н -с/м 2 (30—
50 пз) служит фидер. В торце фидера, при отсутствии электроразогрева,
имеется газовая горелка для поддержания необходимой температуры и
вязкости расплава. Донная часть фидера выполнена из циркониевого
огнеупора бакора-33; верхняя выложена специальным силиманитовым
кирпичом. На дне фидера по длине потока имеется шесть выпускных
отверстий: пять из них предназначены для подвода расплава к фильер­
ным питателям и шестое для спуска расплава. Температура в фидере
1430±40°С. Уровень расплава в протоке фидера 30—50 мм, что соответ­
ствует общему уровню над фильерным питателем 180—200 мм.
145
о
х
о
л
CQ
О
)
-3
I
0
о,
CL)
J3
*3
К
•Ө
1о
X
из
»=3
СО
X
К
н
а.
О
)
аз
са
х
х
о
S3
О
CQ
I
1
*
о я О• СIО а
Ч>
хх о
* Qс.Xet В5
о
т
а
*
ч
о I g о- 2
СО
и о 2
X
л
5>S
2СО
°-я
V
н
S
со н -• со Я
х К
I
Ч
I Xз | а
Vo н
X я*
X
.
. - (1) о «
X са о Л S
X
хX
с
г
со
І§ о1 о ко ао.
С— cd
§
U о
а> з Хуо
NX
л н « о сг
аа> ях 5 а>
►
Q
«
I о.
аБ>
Н
5Е:
>»«
О
С( о
X сог С
I«О х
X
*
О
- SX оч X
С
Х
й
>
о
<п н
а
S
*** 2 ^
ьц • •» О
. . .
g D .X о ,
7 <и х 57
^ ,« К «
и
0
)
О
о°>
Э
х
а
X
и
5
^
х
(I)
•*
о
н
X
о
Б о .* а X
X
«=3
2
«
к «
X
«я
а>С со И s о х=1 О
н
0<
к
5
3
а
я
о CQ хо хо
2 *2
со
>>£
X
X« Р. О&s оо.
2 С
Г X X о н ЕГ
са
»х о c l 3S.5g-S
О
л
w
X
V
O
«=3 О О
<и о
ксо
X
X
3
X
X
о
X
н-Г
м
X
СЗ
О
со
X
О
*=3
X
О)
Ь
CG
X
Н
о
к
о
X
со
X
о
сх
X
са
S
а>
X
U
ю
ю
о
X
CL
Ч
tl& e *
X
20-ИО
0 1
СО
X О g e о.
н
Ч -& 5 1
с
со
* о I X
X1
Сч
<и
х « и '4
х х , чX
ж л
Я*
СО 2 2 2
S.'ft**
а
я
1
!
*
"
“ оо И ^ х
II яо оо о*
•* у
СО В * X
СО
£X *о
'О д
_ X
из 2 я
ег
X
1
к
х о S
_ « н X с.
н Б
X «д
КS
S*
о
СО
и
X
X ■о i
°
>
»
0
.
0
»
2 05
X д
н
I *- *"*
ОC1S|
<N
Б
>»
1 1О
Vo н
С
О
X
a l ч
о ^ X X <и
a X о.
0...&8І
аБ>Sх щ о. л*
>
»х
g«
2
>
х <и 2 о 3
о
93
X
a
« •О X
о
со«
о я
о х с* ef
1 о
о
Подачу газа и воздуха к фидерной головке регулируют вручную,
при этом строго соблюдают оптимальное соотношение газа и возду­
ха (1 : 12).
Через каждые полчаса замеряют уровень расплава в фидере и под­
держивают его в указанных пределах, регулируя количество загружае­
мой в печь шихты. В случае, если истечение расплава из фильерных пи­
тателей значительно ухудшается (расплав в фидере очень вязкий, имеет­
ся большое количество непроверенных включений и др.), часть расплава
из фидера сливают через шестое выпускное отверстие, предварительно
максимально увеличив температуру в фидере (в указанных пределах).
Для охлаждения фидера воздух подают в полость его опорной ме­
таллической обвязки, причем с увеличением срока службы количество
воздуха на охлаждение увеличивается. По наружной температуре стен­
ки периодически проверяют наличие охлаждающей воды в основной
опорной раме фидера.
Фильерный питатель предназначен для получения тонких высоко­
температурных струй расплава, поступающих под действием энергоноси­
теля для переработки на вату. Процесс сгорания газа, подаваемого на
обогрев лодочки, контролируют по цвету факела. Питатель включает в
себя лодочку из платино-радиевого сплава (93% платины и 7% радия)
и керамический короб с двумя камерами сгорания, куда для обогрева пи­
тателя поступает газ. В данной части лодочки может быть 51 отверстие
(фильеры) диаметром 1,8 мм и расстоянием между центрами 4 мм.
Дутьевое устройство предназначено для подачи энергоносителя, а
иногда для раздува струй расплава. Дутьевое устройство включает в се­
бя дутьевую головку, узел крепления головки к обвязке фидера и подво­
дящий трубопровод (до гибких шлангов) (см. [34], рис. 20). Давление
компрессорного воздуха перед соплом— (4—4,2)-105Па (4,0—4,2 атм);
температура компрессорного воздуха — 200—340°С; угол встречи потока
энергоносителя со струей расплава — 11°С; зазор между половинками
головки — 3—4 мм.
Дутьевая головка состоит из двух симметричных по отношению к
вертикальной оси фильер половинок, в каждой из которых между кор­
пусом и крышкой образуется щелевое сопло, имеющее профиль сопла
Лаваля. Ширина щели в критическом сечении сопла может быть 0,26 мм,
длина щели по фронту раздува — 250 мм. Дутьевую головку устанав­
ливают в рабочем положении без перекосов, плоскость верхнего уровня
дутьевой головки параллельна днищу (короне) лодочки; обе половинки
строго симметричны по отношению к фронту истекающих струй рас­
плава.
По манометру, установленному перед дутьевыми головками, сле­
дят за поддерживанием заданного давления воздуха, которое регулиру­
ется вентилем.
Температура воздуха поддерживается максимальная, при которой
не происходит частого затекания головки расплавом; это зависит от
температуры в цехе, температуры фильерного питателя и др.
Центробежные методы переработки расплавов на вату. Центробеж­
ный метод с применением горизонтальных дисков заключается в том
что струя расплава попадает на раскаленный огнеупорный или жаро­
стойкий стальной диск. Образующиеся волокна подхватываются струей
воздуха и присасываются к сетке конвейера, корольки же падают, не
достигая его. Широкого распространения из-за малой производительно­
сти (80—400 кг/ч) этот способ не получил.
Центробежно-валковый метод заключается в том, что струя распла­
ва попадает на быстро вращающийся вокруг горизонтальной оси и водо­
охлаждаемый валок, посредством которого она расщепляется и в виде
пучка струек и крупных капель передается на второй валок, вращаю­
щийся навстречу первому. Избыточная часть расплава может перебра147
сываться центробежными силами на следующие третий и четвертый
валки (рис. 56, б).
Диаметр, скорость вращения и окружная скорость валков:
Первого:
Второго:
Третьего:
Четвертого:
150
200
250
250
мм,
мм,
мм,
мм,
3000
3500
4500
5000
об/мин,
об /мин,
об/м и н ,
об/м ин,
24
37
59
65
м /с
м /с
м /с
м /с
Расстояние между ободами второго и третьего дисков не более 15—
20 мм. С уменьшением этого расстояния сокращаются потери.
Получающаяся вата токами воздуха притягивается к сетке транс­
портера. Имеются установки с оконтуривающей дутьевой головкой
(рис. 56, б). Производительность одного узла до 2,5 т/ч. Удельный рас­
ход электроэнергии на 1 т минеральной в а т ы — 10 кВт-ч, а включая и
отдув ваты — 60 кВт-ч.
Центробежно-валковый способ с центральной раздаточной чашей
заключается в том, что минеральный расплав 1 (рис. 56, в ) , непрерывно
вытекающий из вагранки, попадает в центральную чашу 2, вращающую­
ся со скоростью не менее 1000 об/мин, после чего центробежной силой
в расщепленном на пленки и струйки состоянии сбрасывается к перифе­
рии, переливается через край, срывается с кромок чаши и встречается
с быстро вращающимися рабочими валками 3 (диаметром 300—500 мм).
Затем под действием центробежной силы отрывается и, охлаждаясь в
паровоздушном потоке, поступающем из дутьевого устройства 4, оконча­
тельно превращается в минеральную вату. Производительность уста­
новки— более 2 т/ч, примерный выход ваты — около 80%, при 32—
36%-ном содержании волокон объемная масса ваты — 80— 110 кг/м3,
средний диаметр волокна 4,7—6,2 мкм. Ориентировочный расход пара
1,3— 1,5 т/ч.
-•
При центробежно-дутьевом методе, разработанном французской
фирмой «Стиллит Франсез», расплав из вагранки поступает в обогре­
ваемый копильник, где из него выделяется железо, которое по лотку 1
(рис. 56, г) поступает в раздаточную сварную водоохлаждаемую чашу 6.
Последняя в ряде случаев оборудована по опыту Киевского комбината
«Стройиндустрия», устройством 7 для распыления связующего, нагнетае­
мого под высоким давлением 20 МПа (до 200 атм) по закрепленной
сальником 8 с шайбой 9 трубке 2. Раздаточная чаша 6, представляю­
щая цельнокованую деталь из листовой красной меди толщиной 12 мм
или легированной стали, вращается со скоростью 1000— 1160 об/мин, в
результате чего расплав под влиянием центробежной силы срывается
в виде пленок и струек диаметром 18—24 мкм и капель размером 0,5—
1 мм с ее кромок. Получающиеся толстые волокна затем вытягиваются
паром, имеющим избыточное давление 0,45—0,50 МПа (4,5—5,0 кГ/см2)
или воздухом, выходящим из 80-конусоидальной формы отверстий коль­
цевого дутьевого устройства 11, На рис. 56, г виден путь поступающей в
полость 10 холодной воды и уходящей из нее горячей воды в коробку 3.
Чаша укреплена к полому валу 5, покоящемуся на шариковых подшип­
никах 4, который приводится во вращение электродвигателем мощ­
ностью 1,7 кВт с 1420 об/мин при помощи клиновой или цепной передачи.
На полноту раздува и качество минеральной ваты влияют следую­
щие факторы: а) расход пара или воздуха на 1 т расплава, который
не должен быть меньше рассчитанного по формуле, приведенной на
стр. 144, но при р,= 0,75—0,8; б) скорость вращения чаши; в) глубина
чаши; г) расстояние Б вхождения лотка в глубину чаши; д) зазор А
между кромкой чаши и внешней поверхностью кольцевой дутьевой уста­
новки: с возрастанием значения А увеличивается средний диаметр во­
локон: (при М к=1,42; 1,6; 1,64 и 1,75 средний диаметр соответственно
был: если А = 1 0 мм — 6,5; 9,5; 10 и 10,5 мкм, если Л = 18 мм — 9; 12;
148
0)
Рис. 56. Схемы переработки расплава на вату:
в — центробежно-валковым способом: / — струя расплава; 2 — валики; б — центробежно валко­
вым способом: / — струя расплава; 2 — оконтурнвающая дутьевая головка; 3 — пар или ежа
тый воздух; 4 — водоохлаждаемые валки; в — центробежно-валковым способом с центральной
раздаточной чашей: / — струя расплава; 2 — вращающаяся чаша; 3 — рабочие валки; 4 — дутье­
вое устройство; * — центробежно-дутьевым способом с центральной подачей связующего
14,5 и 17 мкм); е) температура нагрева чаши; ж) размещения элементар­
ных сопел в кольцевой дутьевой головке.
На такой установке перерабатывают за час до 2600 кг расплава, при­
чем примерный выход ваты из 1 т расплава составляет 780 кг при со­
держании в минеральной вате объемной массой 80— 110 кг/м3 волокон
средним диаметром 6,5I —9 мкм и длиной 18—23 мм. На 1 т расплава
расходуется пара 1,2 1,6 т или сжатого воздуха 1400 нм3.
Этот способ получил наи­
большее распространение на оте­
чественных заводах.
Центроб ежно-фильерно - дуть­
евой метод (ЦФД) широко при­
меняют при производстве шта­
пельного стеклянного волокна на
многих зарубежных заводах. Он
позволяет получить материал низ­
учая
кой объемной массой практически
смесь
без потерь стекломассы и без на­
личия в нем неволокнистых вклю­
чений. Фирма «Сан Габен» пред­
ложила установку, состоящую из
вращающегося с 3000 об/мин по­
лого вала, внутрь которого из оч­
ка в фидере поступает расплав.
В нижней части к валу укреплена
чаша, в стенке ее имеется 5000—
6000 отверстий диаметром 1
2 мм, из которых вытягиваются
струйки расплава в потоке нагре­
той до 1150°С газовой струи, выходящей из кольцевой дутьевой
головки.
Несколько
отличное
от
фирмы
Рис. 57. Схема переработки стеклянного
«Сан Габен» решение метода
расплава
центробежно-фильерно-дутьевым методом (Ц Ф Д ):
Ц Ф Д разработано Всесоюзным
/ — фидер; 2 — стекломасса; 3 — очко; 4 —
научно-исследовательским
инсти­
внутренняя горелка; 5 — шпиндель; 6 — коль­
тутом стеклопластиков и стеклян­
цевая камера сгорания; 7 — сопло д ля подачи
воздуха;
8 — распределитель
стекломассы;
ного волокна совместно с Сара­
9 — центрифугальная
чаш а;
10 — защитный
кожух;
11 — дополнительный
нагреватель;
«Техстекло».
товским заводом
12 — форсунка д ля подачи связующего; 13 —
Схема установки Ц Ф Д приведена
камера осаждения
на рис. 57, а описание процесса
олокнообразования приведено на стр. 117. Производительность установ200—250 кг ваты в час, выход ваты из тонны расплава — 990 кг,
ки
объемная масса в а т ы — 12—32 кг/м3, а после уплотнения
16
2—6— 10 мкм и длина его — 100—
42 кг/м3, средний диаметр волокна
5—6 м3 на 1 кг ваты
500 мм. Расход горячих продуктов горения газа
и электроэнергии — 72 кДж/кг (0,02 кВт-ч/кг).
Из одного фидера обычно питается расплавом четыре установки.
Отверстия в чаше проделываются электроискровым способом.
Чаш а изготавливается из специальных марок жаропрочных хромо-
ФР
которых других с целью повышения механических свойств при ысоких
температурах и служит в течение 220—250 ч.
Температура струи стекломассы при вытекании из очка питателя
Ю50— 1200°С, фильер
фильерного пояса чаши — 1000— 1050°С, потока продуктов
вращения часгорания (на выходе из сопла) — 1400 1500°С, скорость
_
3000—6000 об/мин, скорость потока продуктов сгорания на выходе
ши
из соп ла— 150—200 м/с.
150
§ 8. \Охрана труда
При производстве минеральной ваты и стеклянного волокна и из­
делий из них необходимо соблюдать следующие правила охраны труда.
Для предупреждения от ожогов при разбрызгивании расплавленных
масс рабочих снабжают специальными комбинезонами, рукавицами и
войлочными головными уборами.
Работа в очках и с помощью устройств специальных ограждений в
виде щитков, дверец и пр. исключает поражение глаз и открытых частей
тела летящими продуктами переработки расплава.
Путем устройства специальной вентиляции можно избежать отрав­
ления окисью углерода, углекислым газом и другими продуктами сго­
рания топлива.
Розжиг вагранки должен производиться при открытых фурмах с
соблюдением всех мер предосторожности, так как в вагранке могут об­
разоваться гремучие смеси и может произойти взрыв, для предупрежде­
ния взрыва удаление «козлов» необходимо производить не в воду и с
удалением рабочих от вагранки в момент раскрытия подины.
Предупредить заболевание дыхательных путей и раздражение кожи
от ваты и синтетических связующих можно: устройством аспирации,
обеспечивающей допустимый уровень запыленности и загазованности,
работой в респираторах или марлевых повязках, а также правильным
подключением воздуховода, создающего разрежение в камере волокнообразования (см. «Строительные материалы», № 12, 1967 и № 1, 1969).
ч*Чтобы не было случаев поражения электрическим током, электрическое
оборудование необходимо заземлить; следует обеспечить правильное
хранение сырья и готовой продукции; травматизм шумом, издаваемым
узлом раздува, дымососными, вентиляторами и другим оборудованием,
предупреждается устройством звукоизоляции или вынесением оборудо­
вания в отдельные помещения; устройство теплоизоляции поверхности
вагранок, плавильных печей, камер волокноосаждения, конвейерных и
тоннельных сушил, подтопки и пр., в результате которой температура на
поверхности не превышает 45°С, исключает ожоги.
§ 9. Связующие вещества и способы
их введения в минеральную вату
Основное назначение связующих веществ — скреплять волокна меж­
ду собой. Причем в твердых и жестких изделиях из минеральной и стек­
лянной ваты заполняющее поры связующее значительно ограничивает
взаимное перемещение волокон, а в мягких, гибких и полужестких изде­
лиях связующее скрепляет волокна преимущественно в местах их кон­
тактов, в результате упругость изделию сообщается за счет эластич­
ности отвердевшего связующего, а главное, за счет упругости самих во­
локон (рис. 58).
На физико-механические свойства изделий (объемную массу, проч­
ность, упругость) влияет качество как минеральной и стеклянной ваты,
так и связующего вещества после его отвердевания.
При выборе вида связующего вещества учитывается, будет ли сор­
бироваться оно минеральной и стеклянной ватой, достаточна ли после
его отвердевания адгезионная способность к волокнам ваты и высока ли
когезия затвердевших пленочек, скрепляющих и обволакивающих волокна, не велика ли усадка при отвердении и не вызывает ли она образование микротрещин в пленке. Все эти факторы в совокупности отража­
ются на прочностных и упругих свойствах изделий.
В результате многочисленных исследований по выбору связующих
для минераловатных изделий были предложены следующие виды свя­
зующих для получения изделий из минеральной ваты:
151
іеры: фенолспирты;
водоэмульсионная
фенол фор м альдегидная
числе модифицированная
смола; в том
25 масс. ч. бутвара; мочевиноформальдегидная
смола (1 масс. ч. химически чистой мочевины,
3 масс. ч. формалина 40%-ного), в том числе
модифицированная 10% глицерина; глифталевая и глицерино-малеиновая смолы; а также
композиции из фенол спирта и с поливинилацетатом (1,5 :1) и фенолспирта с хлоропреновым
латексом JI-4 (1,5: 1). Вязкость смол и их водных растворов около 0,03 Н* с /м 2 (300 спз).
В готовом изделии должно содержаться отвер­
девшего связующего 3—6%;
б)
битумы
—
для
войлока
и
плит
мягких
Рис. 58. Схема эластичного
из минеральной ваты марок БН -ІІІ и BH-IV.
скрепления волокон и д е ­
При сплавлении битума БН-3 и 20% резината
формация их при сжатии
минераловатного ковра:
кальция, или же 10 и 30% резината марганца
1 — волокно до сжатия ковра и
улучшается качество плит. Расход битума —
нагружения силой Р \ 2 — кон­
такт с отвердевшим связующим;
2—6%
к
массе
ваты;
3 — волокно при нагружении си­
в) для жесткой минераловатной плиты на
лой Р
битумном связующем (минеральной пробки)
применяют битуминозные эмульсии и пасты составов, указанных в табл . 22.
Таблица
22
Составы битумных эмульсий и паст для получения жестких плит
на битумном связующем
Расход, масс. ч.
битума марки
Б Н -IV
Б Н -ІІІ
резината
кальция
0 ,6 7
0 ,6 7
1
1
1
0 ,6 7
—
о,ю
1
Канифоли
0 ,3 3
1,5*
1,5*
0,2 0,3*
0,2 0 ,3
0,2 0 ,3
0,75 1,5*
Асбестовых
отходов
0 ,7 5
0 ,7 5
1
0 ,3 3
0 ,3
каолина или глины
Кудиновского
месторождения
0,064
керосинового
контакта
0 ,0 5 —0,1
0,8
*
Вместо каолина и кудиновской глины применяют диатомит, трепел,
и кирпичную глину.
0 ,0 5
воды
2 .3
2 .3
2 .3
1.3
2 .3
2 .3
3 ,2
огнеупорную глину, а иногда
Количество битума в плите — не менее 15% при температуре размяг­
чения битума по способу «кольцо и шар» 50°С и не менее 8% при 75°С.
В табл. 23 приведен удельный расход связующих на различные виды
изделий из минеральной ваты.
Связующее вводится в минеральную вату как распылением (диспер­
гированием) в момент образования ваты в камере волокноосаждения,
так и пропитыванием слоя ваты, протекающим через него водным рас­
твором полимерных веществ с последующим отсосом части раствора
вакуумированием — способ «пропитки ковра методом пролива».
В состав связующего при распылении входит: 17,2% фенолспирта
(ВТУМХП 2309—51), 5,2% эмульсола (ГОСТ 1975—53), 0,3% аммиака
и 71,3% воды, причем аммиак вводится для улучшения разводимости
фенолспиртов выше 1 :2 . Перед распылением к составу приливают воду
до рабочей концентрации раствора 3,6%.
152
иүп7т? т С9ПТя 5
^ новной эмУльсии для пропитки минераловатного ковра
Ж
тоП9 ФД Г СЖ
’ /о поливинилаЦетатной (ПВА) эмульсии
(1UU1 о10002 62)' и 22,1%
раствор
состоит
' tv воды,7 а
V* рабочий
км
DUU LU
L1 U n i из
ИД 28,9%
/ П М v/a
основной эмульсии, 70,3% воды, 0,8% эмульсола Э-1. Рабочая концентра(47спзТ)°ГО РаСТВОра- И ’3% ’ а в я з к о с т ь - н е б о л е е 4 , 7 . 1 ^ з Цн НТс^ 2
изготовлении плит из стеклянной ваты применяют фенолформальдегидную смолу «Б>> с тем, чтобы отвердевшего связующего в издеГ о л Г РИ,а„Л„°„С^ 5_' 8% В МТ " Х П1 итах и 8 - 1 0 % - В полужестких „
PMfYjrv «опт?
также ФенолоФ°РмальДегидную водорастворимую
У
ВРБ, фенолспирты, мочевиноформальдегидные и другие
смолы Например, на Мосасботермокомбинате для изготовления твердых
плит объемной массой 190-200 кг/Мз и пределом прочное^ при сжатии
'/
___ Ш- Г* А/
ся
*
(5—6) • 104 Н/м2 (0,5—0,6 кГ/см2)
деформации
фенолепирта i
- 9 %.
Таблица
23
Связующее
jpИ
а
Плиты мягкие на синтети­
ческом связующем
Плиты полужесткие на син­
тетическом связующем
Плиты жесткие на синтети­
ческом связующем
Плиты мягкие на битумном
связующем (минераловат­
ный войлок)
Плиты полужесткие на би­
тумном связующем
Плиты жесткие на битумном
связующем («минеральная
пробка»)
Скорлупы
Цилиндры
Фенолспирт
50%-ный
О — 2d
|Оз0
м со •
Щ
р
£•ESч»
Iй s5 Сад
ОL
Рекомендуемое
содержание
связующего,
% к массе из­
делия
Наименование изделий
0Я?
ев ч
D
ЯКC*=
с
со
Содержание
отвердевшего
связующего,
% к массе
изделия*
Расход связующих на изделия из минеральной ваты
9 ,0
6
5 ,2 5
—
15,5
124
6 ,2 5
—
14,4
120
6,0
—
5 ,3
81
6,6
2—6
40,4
192
21
20
Битум в эмульсии
54,2
267
2 0 ,4
Фенолспирт
50%-ный
16,7
150
5 ,5
14,9
150
5
Нефтебитум
16— 18
■ ............
цессе*ішотовления.СОдержание отвеРДевшего связующего будет меньше из-за потерь связующего в про
В качестве связующего при изготовлении изделий способом ЦФД
гыт
— феиолепиртов (МРТУ-6-05-1164—69), пластифицированная смолой УП-550 (РТУ УССР 1202- 67) и нейтрализованная
сульфатом аммония (ГОСТ 10873-64) в смеси с аммиаком. Рабочая
гаиича>1
эмульсия должна быть однородной, при смешении ее не должно проис­
ходить коагуляции и выпадения осадка. Эмульсия приготавливается не­
посредственно перед применением.
Алкидная смола УП-550 плавится в камере подогрева при 80_85°С.
Под общим названием алкидных смол или алкидов, разновидностей по­
лиэфиров, известен длинный ряд продуктов конденсации многоатомных
спиртов с многоосновными кислотами. Например, глифталевая смола
изготавливается из 100 масс. ч. фталевого ангидрида — С3Н4(СО )20 и
Q7
« « Го2Церина кРепостью 20° Be. Затем в мешалку загружают
о/ кг УІІ-550, 37 кг аммиака и доливают недостающее количество волы
(конденсата) с температурой 60°С.
Приготовленный 3,5%-ный раствор разделяют пополам, одну поло­
вину его загружают в мешалку и к нему добавляют 250 кг фенолепир153
V
та и 6 кг сульфата аммония. Затем полученный раствор перекачивают в
рабочую мешалку и в нее доливают 2200 л горячего конденсата. Все это
перемешивают барботированием воздуха в течение 30 мин при давлении
воздуха 3-104 Па (0,3 атм). Раствор связующего готовят в двух мешал­
ках, которые работают поочередно. Подачу связующего в форсунки про­
изводят шестеренчатым насосом. В 100 л рабочего раствора содержится.
1,68% смолы УП-550; 1,68% аммиака;
11,36%
фенолспиртов;
0,273% сульфата аммония и 85% горячего конденсата.
§ 10. Технология и основное оборудование
для производства изделий из минеральной
и стеклянной ваты
Ф
Гранулированная минеральная вата представляет собой разорван­
ную в грануляторе на более мелкие куски (15 25 мм) товарную мине­
ральную вату с отсевом содержащихся в ней корольков в ротационном
сите с отверстиями 1—3 мм, здесь же производится окатывание их в гра­
нулы. Объемная масса ее — 80— 120 кг/м3, а коэффициент теплопроводменее 0,047 Вт/м-°С (0,04 ккал/м-ч-°С).
ности
механизм,
являются два
Гранулятор
— ШЯ— основными частями которого
барабана диаметром 250 и 400 мм, снабженные зубьями, причем скорости
вращения этих барабанов отличаются друг от друга. Применяют также
разрыхлитель (Горяйнова К. Э.), в котором вата разрыхляется гребен­
кой на вращающемся барабане, имеющей обратнопоступательное движе­
ние, а отделение корольков и закатывание в гранулы производится на
расположенном внизу вибросите.
Минераловатные смеси для мастичной тепловой изоляции изготав­
ливают из минеральной ваты, к которой примешивают в закрытых бара­
банных смесителях 30% портландцемента, или 15% глиноземистого це­
мента и 15% бентонитовой глины, или только 30% бентонитовой глины,.
или 15—30% последней с 30 15% асбеста IV V сортов. Перед употреблением затворяют водой в количестве 100 -150% к массе смеси.
Объемная масса изоляции в сухом состоянии достигает 300 кг/м .
Плиты мягкие на битумном связующем (минераловатный войлок)
получают в результате обработки расплавленным диспергированным
битумом марки БН -ІІІ (реже Б Н -IV) минеральной ваты в момент ее об­
разования и последующего уплотнения получившегося ковра.
Битум из битумохранилища поступает в специальные обогреваемые
паром баки, откуда дозирующим насосом подается через битумопровод
форсунку
центрифуги
зирующим насосом на паровую струю дутьевой головки. Во всех случаях
опрыснутая битумом минеральная вата поступает в камеру волокноосаждения и в конце ее уплотняется специальным валком с удельным
давлением около 104Н/м2 (0,1 кГ/см2). Образовавшийся слой по выходе
из камеры разрезают на заданные размеры: вдоль — дисковыми ножаножами гильотинного или другого типа. Рекомендуемое
ми, а поперек
2—6%. Д ля ликвидации озможного загорания
содержание битума
через специальную дутьевую головку в камеру волокнообразования иног­
да впрыскивают воду.
По ГОСТ 12394—66 плиты выпускают M l00 и 150 в виде рулонов
длиной 1—3 м, шириной 0,375— 1,25 м и толщиной 0,03—0,06 м с преде­
лом прочности на разрыв не менее 5-103 и 8-103Н/м2
(0,05
и
0,08
кГ/см2)
л
f\ А .
0,046—0,05
Вт/м-°С (0,04
и коэффициентом теплопроводности
0,043 ккал/м-ч-°С).
Плиты полужесткие на битумном связующем получают в результате
обработки в камере волокноосаждения расплавленным диспергирован­
ным битумом минеральной ваты в момент образования последней. В отаШ
/ч
154
/ч
л
/ч
/ \ ғ-
I
Л
/ /Л
применяется битум Б Н -IV и Б Н -V или смесь
20 /о ЬН-Ш и 80% Б Н -V в количестве 16— 18%. Слой обработанной би­
тумом минеральной ваты из камеры волокноосаждения поступает в кон­
вейерную сушилку, где уплотняется валками с удалением воды, впрыс­
нутой в камере волокноосаждения с целью предотвращения загорания
оитума. Разработан способ введения вместо воды водной суспензии гли­
ны, трепела или диатомита или заранее приготовленной пасты из битума
и этих материалов с последующей сушкой образовавшегося волокнистого
ковра в начале при 200—250°С, а затем при 150°С. В этом случае мате­
риал тлеет не более 5 мин, а увлажняется при контакте с водой 10 дней
Н3 оспНолпв о ^ 166 ^ ММ до ^°/°- П° ГОСТ 12394—66 плиты выпуска­
ют М250, 300, 350 и 400, размером 1X 0,5X (0,5—0,08) м и коэффициен­
том теплопроводности 0,064-0,082 Вт/м-°С (0,055-0,07 к к ал /м -ч -Х ).
^ Плиты жесткие на битумном связующем изготавливают из минераль­
ной ваты и битумной эмульсии или пасты путем смешения при большом
изоытке воды, формования из полученной гидромассы плит при вакуумиР°вании и тепловой обработки в тоннельных сушилах.
Минеральная вата из камеры волокноосаждения по транспортеру
подается в трепальное устройство, а затем наклонным и скребковым
транспортерами в дозатор товарной ваты и смеситель гидромассы.
В последний из дозатора поступает порция битумной эмульсии или пас­
ты (см. табл. 22). Готовая гидромасса элеватором и фекальным насосом
подается в дозатор гидромассы, а оттуда через распределительную воронку
в станок для формования плит.
Так как при получении гидромассы на 1 масс. ч. сухих материалов
расходуется 10 масс. ч. и более воды, то часть воды при формовании
удаляется самотеком, часть вакуумированием, после чего остается всего
лишь около 0,6 масс. ч. воды, по отношению к 1 масс. ч. сухих матери! І Г еК н
т
И Т оМл ! К т т
Д ля вакуумирования применяют вакуум-насосы РМК-4. Формование
осуществляют на формовочных станках, имеющих производительность
Й п о м / 7К0Ни Р^ ЦИЯ М- ° - Арутюняна — 80/4; СМ-593М—60/1,5;
eU ll—2S8/7 и Куйбышевского завода минераловатных изделий— 120/3.
Отформованные на специальные поддоны плиты загружают для
тепловой обработки в тоннельные сушила длиной 34—45 м Температура
тепловой обработки в начале процесса 130— 150°С или 250°С, в конце со­
ответственно 70 80°С или 140— 150°С. Продолжительность сушки
14—24 ч.
J
Для жестких плит на битумном связующем (минеральной пробки)
применяют эмульсию, изготовляемую в ультразвуковом диспергаторе
емкостью 200 л, для чего в него заливают 120 л каолинового молока 7—
о л-ной концентрации (84—96 л сухого каолина), 3 л с. с б 50%-ной
концентрации (1,5 л сухой с. с. б.) и 57 л битума БН-3 с температурой
оооГ
Перемешивание компонентов продолжают 30 мин. Эмульсия
ос /о -ной концентрации поступает в бак с мешалкой, где разводится до
рабочей 1,5—2% -ной концентрации.
Для изготовления гидромассы в гидросмеситель загружают 16 кг ва­
ты (на 2 плиты) и 150 л эмульсии. Гидросмеситель представляет собой
емкость объемом 3 м3 (где одновременно находится 6— 10 порций замеса)
с тремя мешалками, вращающимися со скоростью 16 об/мин. Приготов­
ленная гидромасса подается в дозатор гидромассы с распределительной
воронкой. Туда же поступает 10 л квасцов с концентрацией 1,5—2%.
После заполнения форм станка гидромассой распределительная
воронка с помощью гидроподъемника поднимается и к формам подводят
вакуум-щит, создающий разрежение 86—93 кПа (650—700 мм рт с т )
Каждая вагонетка вмещает 48 плит размером 1000x500x50 мм
п а ряде заводов применяют вакуум-пресс конструкции инж.
фор
у f
^
— . ч.
Г
-----------------J------- -----
- -
W W W
l/ V
I v l IV1 .
155
для приема гидромассы и для придания плите формы. Пресс-форма име­
ет два положения: первое под дозатором гидромассы, второе под ваку­
ум-щитом. Перемещается пресс-форма в горизонтальной плоскости
гидроцилиндром диаметром 100 мм, длиной 1130 мм. З а один цикл прес­
сования в пресс-форме образуются две плиты. Дном пресс-формы явля­
ется перфорированный лист с диаметром отверстий 10 мм. Чтобы улуч­
шить поверхность плиты, на дно пресс-формы укладывается мелкая
стальная или капроновая сетка, прикрепляемая к днищу проволокой.
Вакуум-щит 2, предназначенный для прессования, вакуумирования плит
Рис. 59. Вакуум-пресс конструкции М. О. Арутюняна
и извлечения их из пресс-формы, перемещается в вертикальном направ­
лении гидроцилиндром. Вакуум-коробка щита соединяется резиноткане­
вым рукавом с водосборником и через последний — с вакуум-насосом.
Д ля регулирования толщины плиты предусматриваются на вакуумщите специальные регулировочные болты. После окончания прессования
включается вакуум-насос и плиты присасываются к решетам вакуумщита и частично обезвоживаются. Вакуум-щит вместе с плитами подни­
мается над пресс-формой, а последняя перемещается в исходное поло­
жение под дозатор гидромассы. Затем вакуум-щит с плитами перемеща­
ется вниз, вакуум-насос выключается, и плиты под собственным весом
падают на поддоны, уложенные на цепной конвейер 3, проходящий
через вакуум-пресс. Д ля свободного отделения плит от вакуум-щита к
решетам последнего также прикрепляется мелкая стальная или капро­
новая сетка. Производительность вакуум-пресса — 240 плит/ч. Размер
плиты: д л и н а— 1000 мм, ширина — 500 мм и толщина — 60—80 мм.
156
I
г>»
*=2
О
С
оG
S
а>
в
о
>>
00
Cs
со
о
о
►
—
«
о
о
У
X
н
о
н
Ж
К
о
са
а •
О. к •• ' ’ «Й
О ев л s О х « о о о
ь- »=1
X m cf
2>оО СО
В О О л - х
о
м
I
>»й Д Й Ч ев Я
X
и
о
о 0 3 о о 9 ев
«1 5 с( х X со
оП 3 & Ос . Xх х о ю 2
'с С
э* со
Ht
СЗ * 1
Ǥ
с
о
О
Ч
и
о, со О * >» св . . и
лэ
а>
о
С
Ч
« КО
х
О
О <0
о
а х са с х оJ3 с;
о
к f- в о. ' о S S
о « Я В н £ >>о 0>
а 9 х
к
ев •» Я р, СО ее
«О
« о. о.
I
о
*
2 <s
« Е
1~
2Ч
2
Н
X а й к * §3
а
в
I . . ев
с* Свсц
0 .4
<u X
0.5
РЕ р
О) И
ев ... О*
O r
&s С К
« я
и
5
*
я
х
9
•-55 о
0.0
С? л
ев X X ^
в
s<D н 03
X я о.
л»
|
3
г* с
о ®
К й ?
* <^*0§
А ИМ Iсе с О сI 0
X I - а 0. л I
І н
о *о
а
SOiO
о ю
Оч в Ксо
о
« о
§ **
|
CU
в
*
5
С
?
.
.
Ч
57 •• • -5
н
X
Л
«Я у
Я”
С0 X н о
с
в
2
^
я
•
•
»я <и о 5 Н
X Uо Ч
св
к
о
О
S м
X
О
О А fit 0)
ё
З
S
св
*=3
е- св ЕГ ОЮ
св
<D са
и X >»
В
fc( СХ IQ св «
О.
X
CQ
н к «
СО и
X х •я
я
СО
Л
о
^ I* II в> X Х
“
CQ о.х ^О О
ч
<
и
2
ОX
0)
t(
О
>>с
о
сч
о ^ С(
74 И н
й)
л С
о
н
X
л
^
cf
л
са
а
CQ
о
х
£•3
л
н g (U
Ч са g <о S X н о. св С*
PQ Я а> со w н
о fr­
S а>
с; ee СО
ЕГ С I ке 1 о о
et
А
С[^ О. п
со
о
сх g •ш
Св
I С(
>
т
ш
<ц Си А
X
св S 2 X
Ж
К Л « 3 * X а Чсе са^
ч сь
5 к
> й) со
t- н о
св Н В о •■
?
§
X
tа
>
S
Ч
tJ
я
С
а
§
я
S
^ D* с
X 38 в О
ясе >» 5 к х се СП о
о
л
RВ
к
ч
•* 1й « И I к й Ч
О Р* к К
«=(
CQх X
«S
о
о
>
>
I
S
А
X
33
х 5[ ё *® <г> X н S
)
го
э
А а>
Н
2
& хX оо» >
>
ее
оС
вОctoн
а.
ОО
сг
S
сз
со О* О о
о Оя к X Оло СП
о
са
со
♦
*
Им«
X
ч
I' я
S *в> X X >> К
•#*
IS I
ио
0.0Xо
го3
05
•
м
,
о
о
1«
о«
_ 0
t*о о
Сво-в
ШИ
«° S
0
00
._
..Ss
ill
XΧ 01 3^2 1
CL)
X
О
С?
са
о
а>
кг*
S
Urn
О
о
X
X
и
н
ою
%
о
СЗ
Cl
во О\Q о со X XOs Ч
*=t о ч н со а.с^ К з
о.
<UsB
ЙX
ч
о
S СО
Z
«Xо09 й) <я« 1 о X
чи
з
(в
в
о
'
и
>»о , 0 .0 XVO о ее
хо о
_
3с
с
о
0
1
S «- а
I
сXо си«с Т 5
^ I Т
к с0 «<и о вя СО
..Гч s I схов о<2 с вО
«
ч
,
gX •**a ^w о
о.
н
*
о
<и лА зСЗ ш X
tP
(в
о
(Г 0^5
С
П
W
in
о.
>vX а.• я
о *5 к
_
X
19
е з
в
«
..а»
i
¥
о
О О о п
О
В * s.a
В X о х
о£?
esi
О
н О .Х о о
н н3a
0са К « «со х Он аСО хя х
«ОЯ | | X « О ,
OuCO I I со ч а.
41
Я
E
L
оо
SSS§
и *4^5;
$1
S
По ГОСТ 10140—71 плиты жесткие минераловатные на битумном
связующем имеют М250, 300, 350 и 400, разм еры — 1Х0,5Х(0,04—
0,06) м и предел прочности при изгибе — не менее (1,1— 1,4) • 105 Н/м2
(1,1— 1,4 кГ/см2).
Плиты мягкие, полужесткие и жесткие из минеральной ваты на
синтетическом связующем изготавливают конвейерным способом путем
обработки минеральной ваты водными растворами синтетических поли­
меров (распылением или пропитыванием) с последующим уплотнением и
отвердением полимеров в конвейерном сушиле и разрезкой дисковыми и
другого вида пилами.
По опыту Мосасботермокомбината Главмоспромстройматериалов
150 тыс. м3 в год при среднем объемном весе минераловатных изделий
100 кг/м3 и получении расплава из вагранки диаметром 1250 мм, рабо­
тающей на коксогазовом топливе и высокой упругости дутья.
По опыту Мосасботермокомбината Главмоспромстройматериалов
при производстве мягких (объемной массой до 50 кг/м3) и полужестких
(объемной массой 80— 100 кг/м3) плит 3,6%-ный водный раствор фенолспирта впрыскивается в камеру волокноосаждения, а затем через слой
ваты с 6—8% -ной влажностью в 14-метровом конвейерном сушиле дваж­
ды пропускаются дымовые газы, вначале с температурой 210°С и затем
170— 190°С. При скорости движения транспортера около 1,5 м/мин суш­
ка при 210°С продолжается 6 мин и изотермический прогрев — еще 3—
5 мин. За 1 мин из конвейерного сушила выходит около 0,3 м3 или 27 кг
изделия. Производительность по изделиям вагранки диаметром 1250 мм
составляет 1620 кг/ч.
■
При производстве минераловатных изделий на синтетическом свя­
зующем пропитывание слоя минеральной ваты производится 11,3%-ным
раствором связующего из смеси фенолспирта 50% -ной концентрации и
поливинилацетатной эмульсии 55% -ной концентрации, взятых в соотно­
шении 1:2,75 и 0,8% эмульсола. Влажность поступающего в конвейерное
сушило ковра составляет менее 75% от массы сухих материалов. В этом
случае конвейерное сушило состоит из четырех секций длиной по 5,3 м, в
верхнюю часть каждой подается теплоноситель — смесь продуктов сжи­
гания газа и воздуха. Такая смесь получается в камерах смешения, обо­
рудованных дымососом. При помощи дымососа в камеру смеше­
ния из нижней части конвейерного сушила нагнетаются охлажденные
газы, которые снова подогреваются пламенем газовой горелки. Темпера­
тура в трех камерах поддерживается на уровне 190°С, а в последней —
140°С. Скорость движения транспортера шириной 1 м составляет
1,3 м/мин. При массе плиты (объемом 0,025 м3) 2,25—2,75 кг и объемной
массе 90— 110 кг/м3 производительность составит в среднем 360 кг/ч.
Изготовление твердых плит происходит при скорости транспортера
0,3—0,4 м/мин.
Институт Гипростроймашина (Киев) разработал автоматизирован­
ное технологическое оборудование для производства теплоизоляционных
минераловатных плит и заготовок для звукопоглощающих плит на син­
тетическом связующем производительностью 100— 125 тыс. м3 в год при
объемной массе 100 кг/м3.
Установка для пропитывания минераловатного ковра 5—6%-ным
водным раствором синтетического связующего (фенолспирта, фенолоформальдегидной смолы Б и др.) состоит из конвейера пропитки и систе­
мы вакуумирования и подачи жидкости. Основные технические характе­
ристики установки: скорость движения транспортера — 0,9— 15 м/мин;
ширина минераловатного ковра — 2080—2100 мм; толщина его — 200—
500 мм; фиктивная скорость прососа воздуха через ковер— 1,8 м/с;
влажность (весовая) ковра после вакуумотсоса — до 120% к массе мине­
ральной ваты; количество подаваемой на ковер воды и связующего — до
6 м3/ч; количество отсасываемого воздуха — до 13000 м3/ч; толщина
158
ковра после пропитки — 20— 100 мм; установленная мощность электро­
двигателей— 209 кВт.
Конвейерное сушило (условно названное проектировщиками каме­
рой полимеризации) имеет пять шестиметровых тепловых зон с рабочей
длиной зон теплообработки 30 м. Сушило оборудовано пятью (по коли­
честву тепловых зон) топочными
устройствами, в которых сжига­
ется природный газ: в I и II зо­
н а х — по 120 и в III, IV и V зо­
нах — по 70 нм3,/ч при напряже­
нии топочного объема 6,7-10б—
—4,1 • 106 кДж/м3ч
(1,6 • 106—
0,98- 10б ккал/м3ч), при температу­
ре теплоносителя на входе в кон­
вейерное сушило 250°С и скорости
прососа через ковер 0,9— 1,6 м/с.
Д л я сжигания газа применяют га­
зовые низкого давления горелки
ГНП-6 производительностью по
60 70 нма/ч при напоре газа
1,8-103 Па (180 мм вод. ст.). Воз­
дух к горелкам подается дутье­
вым вентилятором ВД-2 произво­
дительностью 700— 1200 м3/ч при
напоре 1,8 - 103 Па (180 мм вод.
ст.). Продукты сгорания газа на­
гнетаются в секцию конвейерного
сушила дымососом Д-15,5 произ­
водительностью 65000 м3/ч (элек­
тродвигатель 100 кВт) при напо­
ре 18,9* 103 Па (1890 мм вод. ст.).
Выброс отработанных газов в ат­
мосферу осуществляется вентиля­
тором Н9-55 № 12 производитель­
ностью 9000 м3/ч при напоре
103 Па (100 мм вод. ст.). Две топ­
ки оборудованы двумя горелка­
ми, остальные три топки — одной
Рис. 61. Станок для упаковки минеральной ваты:
горелкой.
а — вид сверху; 6 — вид сбоку; в — вид с тор­
Дымовые газы, образующие­
ца: / — дисковый нож; 2 —- прижимной барабаи; 3 — ковер минеральной ваты; 4 — привод
ся в результате сгорания топлива
завертки; 5 — вилка; 6, 7 — пальцы опрокид­
в топке с температурой 900°С, по­
ного устройства; 8 — цепной транспортер; 9 —
подпружиненный мостик; 10 — нож для резки
ступают в камеру смешения, где
бумаги; / / — рулон бумаги; 12 — ролики; 13 —
бачок битума; 14, 16 — стол с оберточной бу­
к ним добавляются засасываемые
магой; 15 — отрезанный пласт
из конвейерного сушила газы с
температурой 160°С. При подаче
связующего пульверизацией работают только две первые тепловые зоны,
при этом в обеих топках одна горелка отключается.
Сопротивление (Па) минераловатного ковра прососу дымовых газов
определяют по формуле Д. В. Жукова:
Н = 0,18 • 10-‘ —
d
( l ------ i - ' l ,
\
100 }
где v — скорость прососа газов через ковер, м/с; б — толщина ковра, м;
Үоб — объемная масса, кг/м3; d — диаметр волокна, м; х — количество
корольков всех размеров, %.
159
теплоносителя
V=F-t>-3600,
Расход (м3/ч) циркулирующего
площадь прососа, равная произведению ширины ковра на длигде Ғ
2
ну зоны, м
Продолжительность сушки при толщине ковра 30, 40, 50, 60 и 70 мм
соответственно равна 0,173; 0,234; 0,292; 0,41 и 0,53 ч, производитель­
1800; 1800; 1800; 1600 и 1450 кг/ч.
ность
На рис. 61 приведена схема одного из работающих на заводах стан­
ка для упаковки минераловатных мягких изделий, разработанного
ПКБМПСМ Литовской ССР. Отрезанный пласт захватывается цепями
транспортера, а пальцы опрокидного устройства опрокидывают его на
оберточную бумагу и с помощью вращающейся вилки образуется рулон,
заклеиваемый битумом.
По ГОСТ 9573—66 маты минераловатные с синтетическим связующим (плиты мягкие) выпускают М 75 и 100 размером (1 -1 ,5 ) X
X (0,35 1,0) X (0,03- 0,06) м, преде­
лом прочности на разрыв вдоль во­
локон не менее (5—6) - 103 Н/м2
(0,05—0,06 кГ/см2) и коэффициен­
том теплопроводности
не более
О
0,054 Вт/м-°С (0,046 ккал/м-ч-°С),
а плиты полужесткие М 125, 150 и
200 размером (0,5— 1,0) X (0,35
коэффици07) X (0,03—0,06) м
ентом теплопроводности не более
0,0582 Вт;/м-0С (0,05 ккал/м-ч•°С).
Фирма «Юнгерс» (Швеция) раз­
работала новый вид минераловатно­
го материала — самонесущие арми­
рованные металлическими полосами
Рис. 62. Схема армирования минерало­
минераловатные плиты (рис. 62)
ватных плит алюминиевыми полосами
толщиной 30—50 мм, шириной 750—
1200 мм и длиной до 2500 мм, объемной массой — 150 кг/ма.
Изделия на крахмальном связующем (Мосасботермокомбинат) изго­
тавливают по следующей технологии: расплав из вагранки, имеющей
внутренний диаметр 1400 мм и 16 фурм диаметром 50 мм, поступает через
копильник по лотку на центрифугальную чашу, вращающуюся с
1000 об/мин, и раздувается в минеральную вату кольцевой дутьевой
головкой, имеющей 82 сопла диаметром 3 мм. В специальном отделении
приготавливается связующее, состоящее из: 1 масс, ч/ мазута или ма­
шинного масла, 37 масс. ч. горячей воды, 4 масс. ч. крахмала и
0,25 масс. ч. парафина; через барботер в течение 4—5 мин в массу вво­
дится пар. Полученная эмульсия через полый вал центробежно-дутье­
вой установки распыляется в камеру волокноосаждения, имеющую ши­
рину 1,8—2,2 м. Получившийся ковер подпрессовывается верхним тран­
спортером и подвергается обработке острым паром, выходящим из
специального устройства. Отсос из камеры волокноосаждения газов
производится вентилятором. Д ля сушки минераловатного ковра через
короб подается горячий воздух. Д алее производится разрезка на плиты
ножами продольной и поперечной резки. На 1 м3 минеральной ваты
расходуется около 2 кг связующего. Производительность технологиче­
ской линии около 90 тыс. м3 в год плит объемной массой 100—
150 кг/ма.
Навивные цилиндры и скорлупы на синтетическом связующем изго­
тавливают путем навивки слоя обработанного фенолспиртом (до 6%)
минераловатного ковра на перфорированные и смазанные петролатумом
скалки (длиной 1,7 м) и последующей калибровки цилиндра на станке
навивки. Скалки со слоем минеральной ваты загружают в рабочие пози­
ции конвейера камеры термической обработки на 10— 15 мин при 170
160
180 С. Известен также способ, по которому в скалки под некоторым
давлением нагнетается горячий воздух, через 1—2 мин связующее уже
отвердевает и минераловатный цилиндр автоматически сталкивается со
скалки. В ряде случаев поверхность минераловатных цилиндров покры­
вается слоем полимерных веществ (например, на основе смолы ПВХ-4,
растворенной дибутилфталатом с добавлением пигментов и наполните­
лей, или из мочевиноформальдегидной смолы) и цилиндры подвергают­
ся вторичной 15-минутной тепловой обработке при 130— 150°С, после
чего скалки извлекаются, цилиндры поступают в приемный лоток станка
резки.
Эти изделия имеют длину 500, 750, 1000 и 1500 мм, толщину — 40 и
50 мм, внутренний диаметр — 52, 95, 116 и 161 мм, а иногда — 282 мм,
объемную массу— 150—200 кг/м3 и коэффициент теплопроводности при
100°С — не более 0,076 Вт/м-°С (0,065 ккал/м*ч-°С). Изделия выпускают
с покрытием из листового металла (ТУ 629—67 и 815—67 Минмонтажспецстроя СССР) — листового дюралюминия или оцинкованной листо­
вой стали, а также с использованием асбестоцементных полуцилиндров,
полимерной пленки и стеклопластика. Последние изготавливают про­
питкой стеклоткани марок Т и ССТЭ-6 в лаке ХСЛ с добавлением алю­
миниевой пудры и каолина и последующей термообработкой. Скорлупы
производят способом проката, горячим прессованием или вырезанием
из минераловатных плит.
Декоративно-акустические плиты «акмигран» и «акминит» получа­
ют по полусухому и мокрому способам формования и последующей суш­
ки. Акустические плиты «акмигран» изготавливают из полужестких плит
на крахмальном связующем размером 1000x500x80 мм и объемной
массой 120 кг/м3. Для этого последние поступают подъемником по тран­
спортеру в гранулятор, представляющий собой цилиндр с вертикаль­
ным валом с насаженными на него ступицами, повернутыми одна отно­
сительно другой на 90°. Измельченная масса подается в сепара­
тор.
Связующее приготавливают в баке, имеющем змеевик для подогре­
ва раствора и лопасти для перемешивания. В бак наливают 1100 л воды
и загружают 3 кг борной кислоты, 72 кг каолина и 7,2 кг парафина;
смесь нагревают до 90°С. 60 кг сухого кукурузного крахмала разводят
при 20°С в 100 л воды и выливают в горячую смесь при перемешивании
в течение 5 мин.
Перемешивание гранул минеральной ваты со связующим произво­
дят в шнеке-смесителе, причем на 100 масс. ч. плит из минеральной ваты
на крахмальной связке приходится 13,2 кг кукурузного крахмала, 14,7 кг
обогащенного каолина, 0,53 кг борной кислоты, 1,93 кг нефтяного пара­
фина, 8,8 кг белой полимерной краски и 237 л воды. Получившуюся гид­
ромассу сливают в бункер-накопитель, откуда подают на формующий
ленточный транспортер. Масса заполняет на 28—30 мм предварительно
смазанные вазелиновым маслом с 1% стеарина перфорированные под­
доны. На каждом поддоне размещаются три плиты 300X300 мм, а на
каждую вагонетку длиной 1785 мм помещают 40 поддонов.
Вагонетки в количестве 48 шт. с заполненными массой поддонами
поступают в тоннельное сушило длиной 47 м и шириной на два ряда
вагонеток, где сушатся в течение 24 ч при 150— 160°С. После суточной
выдержки плиты обрабатывают на шлифовальном, резательном и фор­
матно-фрезерном станках. Покраску лицевой и припудривание тыльной
стороны плит полимермеловой краской (ВТУ 2—68) производят на по­
красочном станке в окрасочной камере* после чего плиты снова сушат
в течение 13 мин при 100— 110°С в сушилке. Сортировку и упаковку
плит в картонные коробки по 2,88 м2 размером 300x300 мм производят
на специальном посту. Годовая производительность линии 100 тыс. м2
плит 3 0 0 x 3 0 0 x 2 0 мм объемной массой 350—400 кг/м3.
6—558
161
На 1ма плиты «акмигран» расходуется:
Минеральной ваты (ГОСТ 4640— 6 6 ) ....................................
Крахмала кукурузного (ГОСТ 7697—6 6 ) .........................
Натриевой
соли
карбоксиметилцеллюлозы
(СТУ 45-1355—63) при замене кукурузного крахмала
Порошка из бентонитовой глины (ГОСТ 7032—54) . • .
Поливинилацетатной эмульсии (ГОСТ 10002—6 2 ) — . .
Буры (ГОСТ 8429—6 9 ) ...............................................................
Парафина н еф тян ого.......................................................................
Краски полимермеловой (ВТУ 01—6 4 ) ................................
6 ,3 7 кг или 8 ,3
0 ,8 2 0 кг или 1 ,2
8,6 кг
1 ,4 кг
0 ,3 0 4 кг
0 ,7 3 6 кг или 1 ,2 1,6 кг
0,31 (необязательно)
0 ,0 6 или 0 ,0 8 кг
0,192 кг или 0 ,1 4 кг
0,531 кг (необязательно)
Минераловатные плиты на связующем из карбонизированной доло­
митовой извести изготавливают из 35 масс. ч. минеральной ваты,
35 масс. ч. вспученного перлитового песка, 30 масс. ч. доломитовой изве­
сти и 900 масс. ч. воды. Способ разработан ВНИИТеплоизоляцией и
заключается в том, что в заполненную водой мешалку загружают моло­
тую негашеную доломитовую известь. После 0,5 мин перемешивания в
известковое молоко поступает при перемешивании разрыхленная вата и
перлитовый песок. Затем массой заполняется форма с сетчатым дном,
имеющая борта из диэлектрика, накрывается подпрессовывающим лис­
том, создающим давление 5-103 Н/м2 (0,05 кГ/см2), и в течение 1 мин
производится электроосмотическое обезвоживание при силе тока 100 А
на 1 м2 и напряжении 30—60 В до остаточной влажности, которая на
1 масс. ч. сухих веществ составляет 1 масс. ч. воды. Затем изделие под­
вергается карбонизации дымовыми газами, содержащими 20—30% СОг
в течение 30—40 мин, после чего поступает на сушку, продолжительность
(ч) которой определяется по формуле (К. Э. Горяйнова).
x = G II,
где /= 1 6 5 0 —33 (ф—50) — интенсивность сушки, г/м2 неэкранированной
поверхности в час при скорости движения сушильного реагента 2,6 м/с;
<р— относительная влажность сушильного реагента, ср= 50%; G — нали­
чие воды в изделии, л.
Волокнистые бетоны изготавливают из смеси активной минеральной
ваты (80—85%), извести (20— 15%), а иногда портландцемента с добав­
лением гипса, при избытке воды (80% к массе твердых веществ) с по­
следующим вакуумированием, пропариванием или естественной сушкой.
Объемная масса их — до 360 кг/м3, предел прочности при изгибе —
(2—8) • 105 Н/м2 (2—8 кГ/см2), коэффициент теплопроводности —
І =[0,05 + 0,00011 (үоб—300)3 *1,163 Вт/м-°С. Активная минеральная
вата должна иметь ЛІК<1>6 и БіОг/АЬОз-ісЗД.
Г л а в a III
ЯЧЕИСТОЕ СТЕКЛО
§ 1. Физико-химические процессы,
происходящие при производстве
ячеистого стекла
В основе процесса производства ячеистого стекла (пеностекла) на
современных заводах лежит спекание стекольного порошка в смеси с
газообразователем, последующий отжиг получившихся изделий для сня­
тия внутренних напряжений и их обрезка.
Ячеистым стеклом (пеностеклом) называют высокопористый тепло­
изоляционный материал, состоящий из воздушных ячеистых пор, разде­
ленных перегородками из стекловидного вещества. Иногда его называют
затвердевшей стеклянной пеной. Большая заслуга в разработке и внед­
рении технологии получения ячеистого стекла в СССР принадлежит
Ю
вичу и др.
Количество поризующей добавки зависит от вида и свойств ее,
также от требуемых физико-механических свойств получаемых пористых
материалов (главным образом объемной массы и прочности).
Кроме указанного выше порошкового способа получения ячеистого
стекла применяют также: 1) вспучивание расплавленной стекломассы
воздухом или газами; 2) вспенивание перед спеканием на холоду измель­
ченного стекла пенообразующими веществами (например, 1—2%-ным
мыльным корнем) и закрепление полученной ячеистой структуры стаби­
лизаторами (например, 3—4%-ным жидким стеклом); 3) вспенивание
размягченного стекла под вакуумом; 4) введение в силикатные расплавы
тонкоизмельченных добавок, вспучивающихся в интервале температур
расплава в жидком или пластично-вязком состоянии.
Получение ячеистого стекла базируется на ряде положений физиче­
ской и коллоидной химии. Стекломасса должна иметь при температуре
интенсивного газовыделения достаточную вязкость, противодействую­
щую разрыву образовавшейся пленки, и низкое поверхностное натяже­
ние, способствующее утоньшению этих пленок (см. ч. II, гл. 2, § 1). Впол­
не естественно, что эти условия обеспечиваются при определенном хими­
ческом составе стекломассы и температуре ее нагрева.
Основными факторами, обеспечивающими устойчивость вспученной
стекломассы до ее полного застывания в прочное тело, являются: 1) вяз­
кость стекломассы, которая по данным исследований должна быть равна
(2,8—3,5) • 103Н-с/м2[(28—35)-103пз] при температурах вспучивания
720—930°С; 2) поверхностное натяжение, близкое к значению а =
— 3,5-10—3 Н/см (350 дин/см) и 3) парциальное давление газообразной
фазы, нарастающее при температуре выше температуры размягчения
стекла на 50—70°С. Причем давление газовой фазы должно нарастать
постепенно, в широком температурном интервале, который должен сов­
падать с температурным интервалом, обеспечивающим рабочую вяз­
кость, в противном случае либо наступит разрыв образующей поры
пленки, либо вспучивания не будет.
При вспучивании протекают следующие физико-химические про­
цессы: 1) размягчение отдельных частиц при нагреве; 2) спекание час­
тиц друг с другом с некоторым уменьшением в объеме; 3) снижение вяз­
кости стекломассы и начало разложения или сгорания газообразователя,
обычно происходящее при температуре на 50—70°С выше температуры
начала размягчения стекольного порошка; 4) образование в стекломассе
пор, увеличение их размеров при последующем нагреве и возникающем
при этом снижении вязкости стекломассы; рост объема стекломассы при
6*
163
<
сC
оQ
£>Г
>
С
I
S
О
а х
~
к
Я
X
сх*
с
СО
5О.
о
/
о
?
«о со о;
X
о.
=
Л
>
»
Я
4 Н со
25 Я
*°U
ft
S
о
s 22 э*
О
Ё
>
»
Я
2
со 4> В
о
Н
Q
£ C
сО
Я
(нU
о
оU
он
оS
<
U
3С*5
К
5X
<
и
т>>
ч
ос
к
ч
*=(
кч
н
саО
осо
А
н
О -Г
О ^
Я .
>»
ч =1
о
А А
£я
со
со
X
X
СОг_
S
s Sсм см
X
Й
W
« 1 1
>» 8- 1 а >1
с о а>
1
а о з '4
с
I
с
со 2 - ^
3х520*22а
Я
2
V
о
Н
оо
о
ю1
оо
ю
(V
X
X
СО
03
X
X X
а>
X
CJ
сз
ю
СМ
о
оо
ю1
оо
со
о
оо
ю1
оо
о
и
X
X
н
о
о
со
оо
о
ю1
о
о
0>°0
СО ° 0
0J
2
хX
СО
е(
0)
2о.
он
оя
н
я
•&
со
Q
.
и
оо
о
СМ
оэ
СО
о
я
ю
см см
со
ю о
ю ю
см
#1
со
л
о
о
CQ
О
л
§
§и
осо
О
,
У
О
о
оя
U
со
СО
см
I
ч
о«
о
н
X
сг
С
О
си
н
X
<
X
СО
CM
О
)
н
о
оU
о
2<и
?«>>
л
ч
о
со
Я
«Я
со
tf
х
ч
ю
со
Н
164
etfoaee одо
tr
со
СО
т
ю
ю
со
о
см
со
сО
О.
ю
о
осо
сО
U
о
я
уя
н
и
СО
яя
cf
А
*со;
я
я
яS
я
S
о
О
.
я
со
Ч
Я
'g.
со
Я
X
со
03
оC
Q
н
8tr я ж*-*
щМ§ *
lо og нS-<u
^ со
с_
ю
о
о
о
ю
о
с
м
ю
с
м
СО
с
м
с
м
00
а>
00 00 00
оо
о
ю
ю
о
ю
О
см
оо
см
со
00 оо
05 оо 00
юX
см*
оО .М
Й
н
X
аF
я
«о
О
)
3
СО
а>
яя
<
1
)
На
' §« э3
о
к
со
хJ3
Ч
он>
X
0о3 л
X
С
О
н
о
оо
CQ
со
C
Q
оW
ос;
>о
X
ч
X
(J
CQ
CQ
СО
ч
*
О)
t"
о
»х
о
и
CQ
CQ
0
3
С
О
н
о
о
to и
см
C
U
си
о
о
S
со
С
О
C
U
си 2
г
X
нX
X
cf
н
С
О
C
J
си
и
ьX <
0
3
со
< S
C
Q
О
«О
ч
XO
X
ч
X
С
О
ч«
ан>
у
ои
оX
си
а> со
н
* ЭХ
о о
Н (Л
со
кСО
0о3
X
2СО
ч
СО
*
СО
и
оо
1
и.
с0о3
о
сСоО
и
со
кСО
и
Iси
о
о
и
з
ч
о
л* и
>>
*Х
2
X
о
0ш
)
аси
»
Ct
о
ч
ок
9оХ
X
к
•0
«
си
о
н
01
ос
н
X
•&
со
си
и
с/5
кX
X
<
D
си
«
кX
\о
си
СО
н
X
со
2
ч
оси
X
с &
оСО
и
кX
tf
»jQ
чсо и
ч
*=t о
н
X
X
V
O
си X
СО си
н
О
S
со
сх
'В
о0)
со
lU
0ш
н
«в*
СО
со
я
(0
я
я
яа>
я01
Z
я
Си
с
я
сх
с
а»
§о
оси
о
vo
C
Q
С
О
н
о
и
С
О
о
Ч
и «
а
>
»х н
2X и
из ои
ч
а>
С
О
X СО
tf
ах> а
U
см
оч
н
о
оо
X
сог
ч
а>
E
J
С
О
0)
(Л
I
а
«з
максимально допустимой температуре и продолжительности пребывания
при этой температуре; 5) закрепление образовавшейся структуры и при­
дание стекломассе твердости и прочности в результате перехода ее при
охлаждении из пластично-вязкого в стекловидное, твердое, упруго-хруп­
кое состояния.
Процессы силикатообразования и стеклообразования проходят в мо­
мент варки стекла, а в момент вспучивания имеет место прохождение
в основном реакций, связанных с разложением или окислением (сгора­
нием) газообразователя, с которым и составными частями шихты в ряде
случаев проходят химические реакции.
На заводах в качестве газообразователей применяют кокс, антрацит,
мраморную крошку и известняк (табл. 24). Взаимодействие кокса и ан­
трацита со стекольным порошком вызывает при 620—700°С эндотерми­
ческие эффекты в результате взаимодействия неразложившихся карбо­
натов с SO 2 (сернистый ангидрид) или же восстановления сульфатов в
присутствии S i0 2.
При нагревании шихты, содержащей известняк, до 600°С происхо­
дит эндотермическая реакция CaC 03 + Si02 = CaSi 0 3 + C 02 . При 800°С
эта, а также реакции Na2C03+ C a C 0 3= C aN a2(C 03)2 и CaNa2(C03) 2+
+ 2S i02 = C aS i0 3+ N a 2S i0 3+ 2C02 идут наиболее интенсивно.
Эндотермические реакции взаимодействия газообразователя со
стекломассой способствуют равномерному газообразованию, экзотерми­
ческие же, наоборот, нарушают равномерную структуру ячеистого стекла.
К последним относятся реакции, возникающие главным образом в ших­
те с углеродсодержащими газообразователями:
ЗҒе + 2СО ф Ғ3С + С 02
СО + ЗН2 = СН2 + Н20
СО + Н 20 = С02 + Н2. "
Как показал опыт, применение ламповой и газовой сажи значитель­
но улучшает качество ячеистого стекла.
При использовании 0,3% газовой сажи ДГ-100, имеющей тонкость
помола 7000 см2/г (по данным разработок Б. К. Демидовича и др.), по­
лучается низкотемпературное пеностекло объемной массой 140—
180 кг/м3, содержащее 5% открытых пор диаметром 400—500 мкм.
§ 2. Свойства ячеистого
стекла
На отечественных заводах выпускают ячеистое стекло технических
свойств, указанных в табл. 25.
Ячеистое стекло можно изготавливать с различной объемной мас­
сой— 500—700 кг/м3 и соответственно с различным коэффициентом теп­
лопроводности— 0,06—0,14 Вт/м-°С. (0,052—0,12 ккал/м-ч •‘’С).
Ячеистое стекло применяют в качестве утеплителя стен и перекры­
тий гражданских и промышленных зданий, для изоляции холодильных
установок и тепловой изоляции производственного оборудования и тру­
бопроводов с температурой изолируемых поверхностей не выше 400°С.
Отходы в виде кусков и крошки, образующиеся при распиловке плит и
блоков, можно использовать в качестве заполнителя теплоизоляционных
конструкций, теплоизоляционной засыпки, абразивного материала.
Ячеистое стекло применяют также при строительстве высотных зданий,
в которых к материалам предъявляются высокие требования (к долго­
вечности и несгораемости). Одним из примеров может служить строи­
тельство высотного здания Гидропроекта (Москва), где в панелях меж­
ду слоем стемалита (листы закаленного стекла со слоем керамической
краски) и прессованного асбестоцемента имеется слой ячеистого стекла.
165
Таблица
25
Техническая характеристика ячеистого стекла
Плиты» мм
Объемная
масса,
шири­
ной
дли­
ной
1200
580
1000
375
900
500
375
500
толщиной
кг/м 3
250
150
150
100 180
100—120 200
180
200
250
250
200 400
Коэффициент теплопро
водности, Вт/м*°С
(ккал/м-ч* С)
Водопоглощение
%
10
3
10
2
0,116(0,10)
0,116(0,10)
0,104(0,09)
0,104(0,09)
0,058—0,128(0,05
15
5
15
10
Предел проч­
ности при
сжатии
10» Н/м*
(кГ/см*)
5— 15
7— 10
7— 15
10— 15
0 , 11)
*
О
.
Iу IX
3 О
is
45
52,1
47,3
80—90
95
100
Низкотемпературное ячеистое стекло имеет при объемной массе
150; 170 и 185 кг/м3 предел прочности на с ж а т и е 12-10® (12) , 21-10 (21)
и 22-105Н/м2 (22 кГ/см2) при + 2 0 С и 15-10 (15), 28-10 (28) и
2 8 -105Н/м2 (28 кГ/см2) при — 196°С.
§ 3. Сырьевые материалы
Для изготовления ячеистого стекла используют однородные по хими­
ческому составу и не загрязненные примесями бой оконного и бутылоч­
ного стекла, отходы стекольного производства и специально наваривае­
мое стекло.
Ячеистое стекло получают из стекла и горных пород следующего
ячегкого состава (% по массе): 71 73,5 ЭЮг, 14,8—-4 ^ 6 ЫагО,
4,2
MgO;
0—2,34
А120
3;
0—0,22
Ғе20
3;
расплав
5,75—8,5 СаО; 1,
=4,4.
Удельную
поверхность
обычно
прикоторого при 1000°С имеет lgr]
нимают: для ячеистого стекла объемной массой 150 кг/м
oUOU см /г,
250 кг/м3 — 3500—4000 см2/г.
Газообразователи (табл. 24) применяют в зависимости от темпера­
туры спекания шихты, интервала вязкости стекломассы в пределах тем­
пературы вспучивания, необходимой пористости ячеистого стекла и тре­
буемой окраски.
Удельный расход сырья, материалов и технологического топлива на
производство I м3 ячеистого стекла даны в табл. 26.
1 V U 1 U U U 1 U
u y r i
Таблица
“ Сэ ■ I
*
о
J
0
1 - i
I
Л А Л Л
О
О/
26
4
234
268
249
—
—
■ ■—
254
Антрацит, кг
Мраморная •
крошка, из­
вестняк, кг
_
—
1,24*
5,1
5,1
2,98*
■
Топливо - природный
газ
ц
2
о
£о
Каолин, кг
1
2
3
Бой стекла,
кг
сКв
0П
0110
Стеклогра ну­
лях, кг
Расход сырья, материалов и технологического топлива на I м3 ячеистого стекла
11,5
6 ,7
226
—
—
*
—
—
■■
—
м*
—
щ ааш ш т
127
й
О.
gЖО
«*
0н
ІІ
кг
с«
1£
300
172
130
133
62
44
* Смесь мрамора и известняка.
Из этих данных заводов видно, что газообразователя на 100 кг ших­
товых материалов расходуется: 4,8 кг кокса, 2 кг антрацита и 2 кг мраморной крошки или известняка.
При применении углеродистых газообразователей, к которым отно­
сятся кокс, антрацит и др.,, процесс происходит в восстановительной сре­
де, т. е. при содержании в ней до 1 % (объемного) кислорода.
166
*
В этом случае при 500°С наблюдается экзотермический эффект в
результате реакций окисления углерода
при 580—600 С эндотермический эффект в результате диссоциации газо­
образных углеводородов и реакций восстановления
СН4^ 2Н2 + С;
С02 + С *=* 2СО,
а также частичным разложением
Сд. 0 уч * т С 0 2 + я СО;
при 770—800°С происходит резкое повышение температуры в результате
сгорания углерода и взаимодействия с водородом по реакции
С О + 7 2 0 2 = 0 )2 И С 0 + З Н 2= С Н 4+ Н 20 .
По данным Т. Н. Кишишяна, выделяющиеся при сгорании такихгазообразователей газы имеют следующий состав (% объем.) : 30—75 СОг;
до 10— 12 СО; до 1,5 S 0 2; 1,2—3,1 0 2. Причем, чем тоньше измолот газообразователь, тем мельче пористость ячеистого стекла. Однако помол
ПХС-2 до удельной поверхности 5000—5500 см2/г применяют лишь для
специальных видов ячеистого стекла.
При использовании мрамора или известняка идут химические ре­
акции:
разложения (при 795—818°С) СаСОз=СаО + СОг|
замещения (начинается при 600°С) CaC 0 3 + S i 0 2 = C a S i 0 3 + C 02 t-
§ 4. Технология и основное оборудование
для производства ячеистого стекла
Заводы по производству ячеистого стекла работают:
по раздельной технологии, когда вспучивание происходит в полумуфельной печи длиной 15 м, отжиг в лере J1HM 1000-18 длиной 21 м
(завод № 4, т а б л .24);
с объединенными зонами вспучивания и отжига в тоннельной печи
длиной 72— 104,4 м, шириной 3,5 и высотой 3,5 м (заводы № 2 и № 3,
табл. 24);
по раздельной конвейерной технологии без форм, но с использова­
нием муфельной печи с подвижным подом (завод № 1, табл. 24).
На заводе № 4 стекломасса для гранулята получается в ванной печи
производительностью — 25 тыс. м3 в год; на заводе № 3 — в ванной реге­
неративной стекловаренной печи с подковообразным направлением пла­
мени на газе теплотворной способностью 33,5' 103 кДж/м3 (8000 ккал/м3).
Такие печи имеют длину 6,4 м, ширину 6,1 и глубину 1,2 м, площадь бас­
сейна— 37,5 м2, производительность по расплаву — 45 т/сут или
1200 кг/м2-сут. Температура в варочной части— 1500°С, в выработочной— 1300°С, в регенераторах— 1000— 1050°С. Такая печь может обес­
печить выпуск более 65 тыс. м3 ячеистого стекла в год.
Бой стекла измельчается в щековой дробилке, моется в боемойках,
сушится в барабанах, затем снова измельчается в молотковой мельнице,
дозируется с газообразователем, мелется и перемешивается в шаровой
мельнице, порции взвешиваются на автоматических весах. Приготовлен­
ный порошок засыпают слоем в 80 мм в формы размером 1000Х500Х
X 125 мм или 500 X 500X120 мм.
При раздельной технологии вспучивание происходит при одноряд­
ном продвижении форм по пблзункам и направляющим в туннельной
печи полумуфельного типа с подподовыми топками. Благодаря одноряд­
167
ному расположению форм однородность вспучивания выше,^ чем при
трех-, четырех- или пятирядном. Удельный расход жаростойкой стали
составляет 0,8 кг на 1 м^ ячеистого стекла, в то время как при многоярусной расходуется 3—3,2 кг. Вспучивание продолжается около 3 ч при
800°С, затем производится расформовка и плиты поступают в лер, где в
течение 12 ч охлаждаются с 600°С до 220°С.
При объединенной технологии вспучивания и отжига печь имеет
длину 72— 100 м, ширину 3,5 м и высоту 3,5 м. Укладка форм произво­
дится в три ряда. Производительность печи около 20 ООО м3 в год, из ко­
торых лишь около 10 000 м3 составляют плиты. Режим тепловой обра­
ботки: 400—800°С — 2,5 ч, 800°С— 1 ч, 800—600°С — 1,5 ч, 600—400°С—
8 ч и 400—50°С — 7,5 ч. Всего 20,5 ч.
Технология изготовления пеностекла объемной массой 150—
250 кг/м3 без форм по конвейерной технологии показана на рис. 63. Бой
ZZZZZ22
х
. х
/• • г •
• 7 7£/•
X I х
ж
# х
+S i #
ж
/•
9 / *
. /f
/I .
V*
А
/
ОД
а
^
9
. X# i/.*>/«
1
. Ла
"л
Ж
т
Рис. 63. Схема установки для конвейерного способа производства пеностекла:
1 — печь отжига; 2 — подъемники; 3 — нож для отрезки плит пеностекла от ленты; 4 — сталкиватель плит в печь отжига; 5 — прессующие валики; 6 — печь вспенивания; 7 — бункер для шихты;
8 — приспособление для обмазки поддонов; 9 — металлическая щ етка д ля очистки поддонов;
10 — толкатель
*
Ш эдИ Н И
ВВС совместно с 3— 4% кокса мелется в шаровой мельнице до удельной
поверхности 4500—5000 см2/г, после чего пневмотранспортом подается в
осадитель с циклонами и расходными бункерами, из которых засыпается
на поддоны из жаростойкой стали, которые периодически передвигаются
в печь спекания конвейерной установки. Печь спекания имеет четыре
зоны: 1 — подогрева до 890°С, где материал находится 30 мин, 2 — вспу­
чивания при 890°С; 3 — остывания до 650°С и 4 — стабилизации темпе­
ратуры с доведением ее до 610°С. После зоны стабилизации лента пено­
стекла поступает в камеру отрезки блока дисковой вращающейся пилой.
Температура в камере 570°С. Отжиг производится в печи отжига в тече­
ние 12 ч, причем через каждые 4 мин на конвейер, движущийся со ско­
ростью 5,5 м/ч, поступает один блок. После отжига блоки маятниковой
пилой разрезаются на плиты следующих размеров: 900x500; 500X400 и
400x400 мм при толщине 100, 120 и 140 мм, или же 1000X500X125 мм
и 5 0 0 x 5 0 0 x 1 2 5 мм. Пеностекло имеет марки: 100, 300, 400 (по объем­
ной массе), коэффициент теплопроводности А-=0,058—0,128 Вт/м-°С
(0,05—0,11 ккал/м*ч*°С), удельную теплоемкость с=0,73 кДж/кг-°С
(0,1742 ккал/кг*°С).
Ячеистое низкотемпературное стекло объемной массой 140— 185 кг/м*
получают из боросодержащего стекла при температуре спекания мини­
мальной 620°С и максимальной 820°С, при продолжительности вспучи­
вания 30 мин и скорости нагрева 25—30°С/мин с выдержкой (стабили­
зацией) при 560°С. Печь однорядного вспучивания имеет длину 15 м и
ширину 3,1 м. Отжиг при 600°С производится в печи длиной 40 м со
скоростью снижения температуры от 550°С и ниже, равной 0,6°С/мин.
Глава
IV
ВСПУЧЕННЫЙ ПЕРЛИТ И ИЗДЕЛИЯ
НА ЕГО ОСНОВЕ
§ 1. Физико-химические процессы,
происходящие при производстве
вспученного перлита
Вспученный перлит (ГОСТ 10832—64) и другое вспученное водосо­
держащее вулканическое стекло, в том числе и обсидиан, из которого в
естественных условиях получился перлит, представляет собой рыхлый
теплоизоляционный материал, изготовляемый посредством нагревания
раздробленной или измельченной плотной породы до температуры
(900— 1280°С), при которой она размягчается и вспучивается, главным
образом, в результате перехода в пар содержащейся в ней влаги, полно­
стью удаляющейся лишь в интервале температур 800—950°С.
Обсидиан представляет собой натуральное стекло, использовавшее­
ся еще в бронзовом веке для изготовления ножей, бритв, необходимых
инструментов и утвари. Образование обсидиана происходило в резуль­
тате быстрого остывания кислых (с содержанием до 75% двуокиси крем­
ния) вулканических лав, отличающихся большой вязкостью. Из обсиди­
ана состоят значительные лавовые потоки, но чаще он встречается в виде
линз или «бомб» в различных изверженных вулканом продуктах. Из об­
сидиановой получается порода, представляющая трещиноватую пори­
стую массу — перлит. Название перлиту дано от французского слова
*Les perles» — жемчуг, в связи с наличием в нем многочисленных мелких
концентрических трещин, в результате которых эта порода распадается
на шарики с блестящей перламутровой поверхностью, напоминающей
жемчуг.
В вулканических стеклах присутствует вода как вошедшая в момент
извержения лавы и ее быстрого охлаждения, так и ювенильная, насы­
щавшая лаву после ее остывания. Количество этой воды различное: в
обсидианах — менее 1%, в перлитах, которые по химическому составу
близки к липоритам и андезитам,— 1— 6%, в пехштейнах, витрифирах
и др.— более 6%. Различают два типа воды: перлитовая, которая выде­
ляется при нагреве до 500°С, и обсидиановая, обусловливающая вспучи­
вание обсидиана и перлита, и выделяющаяся при 830—950°С. Эта вода
вошла в стекловидную массу при образовании вулканических стекол в
условиях высокого давления и удерживалась даж е при нагревании ее до
весьма высоких температур (1550°С). На территории нашей страны в
вулканических водосодержащих стеклах, относящихся к магматическим
горным породам, содержится (% по массе): 69—78 S i 0 2; 11— 16А120 з ‘,
0,14—2,4 Ғе20 3; 0,12—0,71 ҒеО; 0,15—0,22 Т і 0 2; 0,3—2,8 СаО; до
1,45 MgO; 4— 14,3 (КгО + ЫагО); до —0,38 SOs и 0,8—6,9 п.п.п. Химиче­
ским состав некоторых вулканических стекол приведен в табл. 27. В пер­
литах, за небольшим исключением, содержится от 89,4 до 98,5% стекла.
В СССР разведаны и изучены перлиты и обсидианы Армении, Гру­
зии, Таджикистана, Украины, Бурятии, Читинской обл. и др.
Впервые (1937 г.) советские ученые М. П. Волорович и Л. А. Леоно­
ва изучили вязкость обсидианоперлитов, а П. П. Будников (1938 г.)
условия вспучивания, свойства и их применение. Большой вклад в раз­
работку и внедрение технологии вспученного перлита и изделий на его
основе также внесли А. В. Жуков, С. П. Каменецкий, А. И. Полинковская, Д . 3. Исеров и др.
Вспучивание вулканических стекол происходит при нагревании в
результате совмещения процесса испарения трудноудаляемой связанной
влаги и (в некоторых случаях диссоциации карбонатов) образовавшей169
Таблица
27
Химический состав некоторых вулканических стекол
Соединения
о•т
*
н
Перлитовая 72,73 12,97 1—
1,25
—
0 ,1 8 0 ,4 6
3 ,4 5
0,12 5 ,4
15,22 —
1,48
— 0 ,3 0 ,4 3
6 ,3 9
0 ,2 4 4 ,9 4
Структура
Богопольское,
Приморье
Мухор-Таллин- Флюида льское, Бурятия но-перлитовая
Перлитовая
Гора Пеликан,
Закарпатье
Гора Великая,
Закарпатье
Кальбаджирское Перлитовостекловатофлюидальная
Арагацкое, Ар­ Стекловатая
мянская ССР
Сухо-Фонтан ское
N
о
55
7 0 ,5
MgO
Месторождение
«О
оощ
0)
ь*
т
о«у
<
'
оа
оО
ц* Я о
ом
оШ
€9;
Z
т
о
П .п .п .
V)
74,91 13,29 0,22 0,88 0 ,5 6 1,14 0
3 ,0 5 2,91 0
3 ,8 8
0 ,5 6 1,03 0
2 ,6 3 0,81 0
0 ,7 9
74,03 13,71 —
74
0 ,9
13,09 — I 2 ,4 8
8,8
0 ,1 5 4 ,9 5
—
1,14 0 ,3 3 6 ,5
1,1 0,61 4 ,7 9 8,21 0 ,3 4 4,51
74,76 14,76 —
1,41
—
71,18 14,64 —
2 ,0 5
— 2
0 ,5 4
5 ,3 6
0,12 3 ,5 8
ся при этом парогазовой смеси с процессом размягчения вещества по­
роды.
Технологической особенностью получения вспученных вулканиче­
ских стекол является выбор таких скоростей и температур нагрева и
степени измельчения породы, при которых обеспечивалось бы наиболь­
шее совмещение во времени испарения трудноудаляемой влаги с дости­
жением упругопластического состояния вспучивающегося вещества.
Удаление влаги из вулканических стекол происходит в значитель­
ном интервале температур, однако в ряде случаев лежащих ниже тем­
пературы перехода в размягченное состояние породы. Д ля различных
разновидностей стекол требуется выбирать соответствующие темпы на­
грева: для обсидиана постепенный нагрев до 950— 1100°С, для перлитов
быстрый нагрев, например, для арагацкого перлита до 840 980 С.
В процессе вспучивания, продолжительность которого составляет в
шахтных печах 1—2 с, в барабанных — до 20 с, имеют место следующие
физические изменения:
быстрый нагрев породы и переход из твердого в упругопластичное
состояние;
преодоление расширяющейся при нагревании в порах парогазовой
смесью предельного напряжения сдвигу стекловидного вещества, кото­
рое находится в упругопластичном состоянии, т. е. вязкость его состав­
ляет около 5 - 109 Н -с/м 2 (5- 1010пз);
увеличение объема в результате дальнейшего нагревания стекловид­
ного вещества и уменьшения в связи с этим его вязкости, которая может
достигнуть значения немного большего чем при переходе из упругоплас­
тичного в жидкотекучее состояние (107— 108Н -с/м 2 или 108— 109 пз), но
не должна быть меньше ее (см. ч. II, гл. 2, § 1);
затвердевание вспученных частиц в результате снижения темпера­
туры, причем теория подсказывает необходимость выбора темпа охлаж­
дения с учетом снятия внутренних напряжений.
Коэффициентом вспучиваемости вулканического стекла kB принято
обозначать отношение объема необожженного материала к объему вспу­
ченного. Для аоагацкого перлита коэффициент вспучи
2260
кг/м3,
из1
6
6
0
15,9
при
объемной
массе
породы
в
куске
—
9,6
60—
115
кг/м3.
—
900—
1100
кг/ма
и
вспученного
мельченной породы
атмосфер
объем 0,0010435 м3, а полученный из него пар — 1,673 ма. После пере170
грева этого количества пара до 900°С объем его составляет около 4 м3/кг,
т. е. £уВ.об=4000. Последнее значение получено интерполяцией данных
таблицы Вуколовича для V—/—S -диаграммы перегретого пара.
Необходимое количество влаги для образования пористости после
вспучивания перлитовой породы объемной массой ү0б-пл = 2,6 г/см3 для
получения объемной массы үоб.всп=0,3 г/см3 при коэффициенте полез­
ного использования испарившейся влаги &п.и=0,5 находится из урав­
нения
1V =
^вв(Т°б. пл
Тоб. всп)
^ув. об Тоб. пл^п. и
__ 1 0 0 (2 ,6
0 ,3 ) ^
4000 • 2 ,6 • 0 ,5
Это количество значительно превышает обычно имеющееся в вулка­
нических стеклах количество связанной влаги (2,2—7,4%). В связи с
этим вулканические стекла перед вспучиванием необходимо обезвожи­
вать в печах термообработки при 400°С с тем, чтобы на вспучивание по­
ступала порода, содержащая не более 1—3% влаги.
Химический состав вулканического стекла должен быть таким, что­
бы при нагревании его до 900— 1050°С вязкость получаемого сплава со­
ответствовала 106— 109 Н*с/м2 (107— 1010 пз). При более высокой темпе­
ратуре перехода в упругопластичное состояние (например, более 1050°С)
труднее получить высокое значение kB.
Чем выше максимальная температура среды, тем меньше продолжи­
тельность нагревания внутренних слоев частицы до tH.BCn— <ок.всп и тем
легче совмещается испарение влаги с моментом достижения веществом
эффективного интервала вязкости тін.всп—Поквсп. С увеличением содер­
жания щелочей (ИагО + КгО) с 4,81 до 6,41% значение kB уменьшается с
8,7 до 3,4. Хорошо на вспучиваемость влияет наличие в породе пор (на­
пример, 20% закрытых пор в перлитах или 10% закрытых пор в обсидианах).
В восстановительной среде вспучивание проходит лучше, чем в окис­
лительной. Вспучиваемость возрастает с уменьшением размера частиц
(&в= 15,8 при 0,22 мм и йв=10,1 при 0,82 мм).
§ 2. Технология и основное оборудование
для производства вспученного перлита и обсидиана
Обжиг перлита и обсидиана для их вспучивания производят:
1) в вертикальных шахтных печах во взвешенном состоянии с получе­
нием песка; 2) во вращающейся трубчатой барабанной печи раздельно
фракций 3—7 и 7— 12 мм с получением щебня; 3) во вращающейся бара­
банной печи во взвешенном состоянии раздельно фракций менее 3 мм с
получением песка и щебня; 4) в кипящем слое и 5) в наклонной трубе
(будапештская схема).
В зависимости от разновидности подвергаемых обжигу вулканиче­
ских стекол предусматривают предварительное частичное обезвоживание
их в отдельных вращающихся печах термообработки при 400°С в течение
3—5 мин.
Как было указано ранее, целесообразно подвергать предварительной
термообработке любые вулканические стекла, содержащие более 1%
трудноиспаряемой влаги. В ряде случаев такая термообработка повы­
шает качество вспученного перлита. Однако перед обжигом породу вул­
канического стекла после вспучивания следует обжигать при темпера­
туре, соответствующей вязкости материала 1019— 1014 Н*с/м2 (1018—
Ю15 пз) для уменьшения растрескивания, снятия недопустимых внут­
ренних напряжений, возникающих из-за неравномерного остывания на­
ружных и внутренних слоев вспученной частицы.
171
Рис. 64. Вертикальная печь для вспучивания перлита:
/ — камера разбавления; 2 — верхняя секция печи; 3 — ниж няя секция печи;
4 — течка; 5 — муфта; 5 — короб; 7 — конус; в — форсунка высокого давлен и я;
9 — колпак; 10 — клапан ДУ150МВН 606—08; И — заслонка; 12 — съемная крышка
Производительность шахтной печи для обжига перлита конструк­
ции ВНИПИТеплопроект составляет до 22 м3/ч и конструкции
НИИСМИ (Киев) 15—20 ма/ч при применении вихревых горелок.
В табл. 28 приведена техническая характеристика вертикальных
печей для вспучивания перлита ВНИПИТеплопроекта.
Т[а б л и ц а
28
Техническая характеристика вертикальных печей для вспучивания перлита
Печи, работающие на
Наименование показателей
Высота печи, м . .
Диаметр внешний
Диаметр
рабочего
простран
ства, м ..................Ц
Производительность, кг/ч . .
Температура вспучивания, °С
Удельный
расход
тепла,
к Д ж /к г (ккал/кг) . . . .
Тип ф о р с у н к и ..........................
Количество установленных фор
сунок, шт.................................
Избыточное давление топлива
перед форсункой, Па (мм вод
ст )
Количество воздуха на горение
нм3/ ч .......................................
Давление воздуха перед фор
сункой, Па (мм вод. ст.) .
Температура подогретого возду
VO j
Лн
г
^
'У
.
соляровом
масле
газе
мазуте
8,06
0,766
8,6
0,766
9,198
0,766
0,6
0,6
0,596
1600
1600
1000—1100
1000
1000—1100
4200 (1000)
Высокого дав­
ления
4200 (1000)
Низкого давления
1
4000 (960)
Высокого давления
1
2 , 5 - 105 (2 ,5 )
1
0,38-105 (0,38)
1500
2 , 5 1 0 s (2,5)
1100
1050
103( 100)
350
Температура дымовых газов за
800—900
103(100)
103(100)
350
350
800—900
■
800—900
V
Р
е ч а н и е. На перлите Береговского и Мухор-Таллинского месторождения производительность
я а 30—3 j% ниже, чем указано.
На рис. 64 приведена схема вспучивания перлита в вертикальной
печи при использовании в качестве топлива солярового масла. При при­
менении природного газа последний подается в специальную однопро­
водную инжекционную горелку.
На рис. 65 представлена принципиальная технологическая схема
производства вспученного перлита мощностью 50— 100 тыс. ма в год
(ВНИПИТеплопроекта).
Подготовка сырья. Порода, доставляемая в железнодорожном ваго­
не, ссыпается в приемный бункер 1, снабженный решеткой, откуда она
подвесным пластинчатым питателем 2, ленточным конвейером 3 и веер­
ным конвейером 4 подается на склад сырья. Со склада сырья мостовым
краном (грейфером) 5, имеющим грузоподъемность 5 т, порода загру­
жается в приемную воронку 6 и пластинчатым транспортером 7, проходя
колосниковую решетку 8, дробится на щековой или молотковой дробил­
ке 9 (марки СМ-741). Из дробилки ленточным конвейером 10 порода
поступает на измельчение в валковую (ДВГ-ЗМ) дробилку 11, далее
двухцепным затвором (В-200) 12 подается на грохот 13 (или сито-бурат
СМ-237), в случае высокой гигроскопической влажности — на барабан­
ную сушилку 14, снабженную системой очистки дымовых газов 15, а з а ­
тем уже ленточными конвейерами 16 и 17 поступает на грохот 13.
Термоподготовка породы. По течке измельченная и высушенная
порода подается в двухцепной элеватор (В-200) 18, откуда — на ревер­
сивный транспортер 19 и далее ссыпается им в бункера 20. Затем вибро­
питателем материал подается во вращающуюся барабанную печь термо173
Рис. 65. Принципиальная технологическая схема производства вспученного перлита
Рис. 66. Принципиальная схема термоподготовки и обжига вспученного перлита:
/ — вертикальная печь вспучивания; 2 — подсос холодного воздуха; 3 — сброс горячего воздуха;
4 —. дутьевой вентилятор производительностью 2500 м 3/ч; 5 — подача мазута при избыточном давле*
нии (2,5.10s П а); 5 — дымовой тракт печи вспучивания; 7 — вращ аю щ аяся печь термоподготовки;
Я — привод печи с редуктором на 3,4 и 6 об/мин; 9 — вибропитатели; /0 — дымовой тракт печи
термоподготовки; 11
группа из трех циклонов диаметром 300 мм; 12 — дымосос производительно-*
стью 4000 м3/ч и напором 2 • 103 П а (200 мм вод. ст.); 73 — бункер сырья; 14 — циклон диаметром
1100 мм (классификатор); 15 — промежуточный бункер; /6 — мерный бункер объемом 1,3 м3;
11 — бункер готовой продукции фракций 1,2 — 5 мм; /5 — циклон диаметром 1100 мм; /9 — циклон
диаметром 800 мм; 20 — мерный бункер объемом 3,4 м3; 21 — бункер готовой продукции фракций
и—1,2 мм; 22 система выдачи перлита; 23 — дымососная установка производительностью 10 000—»
12 000 м3/ч при напоре 5 • 10s П а (500 мм вод. ст.)
подготовки, где при 300—400°С удаляется часть влаги. Эта печь имеет
свою систему очистки поступающих из нее дымовых газов 22, посредст­
вом которой твердые частицы, уносимые газами, осаждаются в циклонах
и вновь поступают в бункера 20 (см. также рис. 66).
Вспучивание породы. Из вращающейся печи 21 частично обезво­
женная порода в виде порошка вибропитателем подается в вертикаль*
ную печь вспучивания 23, в короб которой вентилятором 24 нагнетается
воздух, где он нагревается до 300—400°С. В печи 23 поступающие по теч­
ке мелкие частицы породы в зависимости от принятой к вспучиванию
фракции 0—0,5; 0,5— 1,5; 1,5—2 и 2—3 мм или же 0— 1,2 и 1,2—5 мм,
попадая в восходящий поток дымовых газов с температурой 1000—*
1200 С, вспучиваются и, приобретая «парусность», уносятся по специ­
альным трубам в систему охлаждения 25, а затем — в силосы 26. Система
охлаждения и улавливания может состоять из циклона классификатора
диаметром 2100 мм, системы циклонов со сборником НИИОГАЗа диа­
метром 500 мм и СИОТ. Упаковывается вспученный перлит в мешки из
трех и четырех слоев крафт-бумаги (ГОСТ 2227—65) на мешкозашивоч­
ной машине ҚЛ38Д.
На рис. 66 представлена более детальная схема термоподготовки и
вспучивания перлита, которая дополняет предыдущую схему необходи­
мыми данными.
Вспучивание перлита в барабанных печах. Агрегат для вспучивания
перлита (ВНИПИТеплопроекта) состоит из печи термоподготовки и печи
вспучивания перлита (рис. 67). Печь термоподготовки имеет длину 6 м,
наружный диаметр 1 м и внутренний 0,828 м. Угол наклона 2°. Работает
по противопоточной схеме. В качестве сушильного агента применяется
смесь дымовых газов с воздухом, имеющая температуру до 700°С. Про­
изводительность печи в расчете на высушенный материал — 1200 кг/ч,
при начальной влажности породы — 7% и конечной — 3,5%.
Печь вспучивания перлита, предназначенная для обжига фракций
0—3; 3—7 и 7— 12 мм, имеет длину 6 м, наружный диаметр— 1,2 и
внутренний — 0,77 м, производительность — 1200 кг/ч при температуре
вспучивания 1000— 1150°С. Работает по поточной схеме, отапливается
мазутом, которого за час расходуется 120 кг. Сжигание мазута осуществ­
ляется в одной форсунке высокого давления при подаче его избыточным
давлением 2,5-105 Па (2,5 кГ/см2). Воздуха, нагретого до температуры
200—250°С, расходуется 2000 нм3/ч, причем его давление перед форсун­
кой составляет 2• 103 Па (200 мм вод. ст.). Дымовые газы уходят из печи
с температурой 850—950°С. Угол наклона печи — 6°, скорость враще­
ния — 8, 10 и 16 об/мин, мощность привода — 7—9— 10 кВт. Установлен­
ная мощность всего агрегата — 13,5 кВт. Природного газа расходуется
136 кг/ч.
О других видах установок см. [34].
§ 3. Технология и основное оборудование
для производства изделий на основе
вспученного перлита
Из вспученного перлита с применением различных связующих ве­
ществ получают материалы и изделия, виды которых и основные свойст­
ва приведены в табл. 29.
Жароупорный перлитобетон представляет собой разновидность лег­
кого бетона, изготавливаемого из портландцемента М400 или глинозе­
мистого цемента и вспученного перлита в присутствии воды (табл. 30).
После отвердения в естественных условиях (15—25°С) или пропаривания
(например, по режиму 4— 12—4 ч при 80°С и относительной влажности
среды в камере 90%) в его структуре содержится цементирующее веще­
ство, состоящее из гидросиликатов и гидроалюминатов кальция и других
продуктов гидролиза и гидратации цемента, неразложившихся цемент175
от
но
Ш ІЮ 1 1 I о о
о cd 1
C
Q
H
Я
щ
(
N
1
/
5
s
О) со
I
f
оОо
oj
У
*
I
fcf « г .
I
s
g
wS
я'2
ЮЖ5 ~S
яя
*" СО
*
*
*
*
К
Г; о —
о
ю
ОЙ
|3
с иГ
S «
(- W
ю
со
со*
C J
о
Tt*
о
8 «•
0
S 2
I
ю
о
ю
1
ю
<N
СО
со
О Е
О.
<D
У О
ю
X
U
У О
X
U
со
I
о
X
со
X
а ,
X
ю
см
X
с
5 2
щ
си
03
°* 2
о
е й
*
н
S
в
о
03
со
S
а
X
4
4>
е(
со
X
S
о
о
о
2
еС
О
09
О
o
са
§
S ©
I
£С - со
Н
CQ
U о
о
*
о о
II £
х<=>
° Я
ю ®
° ° о
и
о
ю
00
II СО
о
с и
с .
Ео>
о
00
о
0«
о
II8
°
II
о
о300
° о *
смл
11 •
•к
Оц I
* 2
С П
о
о
С ю
о
#1
CM
№
о
о
о
& о
СО
ю
и ®
Ь ®
см
о
о
о ^
о
с§ о ,
III
II со
К ®
о<
X о
Си
С оо
ю
о
00
с
ю
о ®
& ><*
СМ о
8СО 2
о
см
о
ІІЮ IIS
с
СО
X о
а.
С
ж* ^
си о
оо
см*1
Х р
о,
с.оо
о
о
о
о
о
о
о
о
ю
со
о
см
о
см
о
о
о §
О
.
s
«
Си9
о
S
-Ө•Ә-
ПІЛ
о
см
см•»
о
см
°
II ^
О
О
о
н
н
S
0)
S
5
•
о
*4
о.
с
о
*3
са>
s
00
о
tг
Я
о
О
О
8
см
о
СО
4
5
X
4>
У
>>
0
0
о
Г-
ев
о.
4>
с
о
U
о
см
Ю
о
о
А
о
СП
о
*
о
o h гоО
«о
§ ь 8
09
о
4
а
с
CQ
из
ш
ш
(О
KQ
X
ЕЛ
X
а.
н
СО
5
cd
Й
н
о
*
х
о
со
о
а>
2
х
a
о
о
о
см
99
2
са
о
о
2
о?
<0
X
Й
са
2
о
£
о
о
СО
са. о
Г Г
ч
X
N
Си I
& о g fe ^
ч
о
со
х
о
О
о
ю
СО
о
о
см
о
со
о
СО
I
0
X
1
Щ
и:
со
S
си
са
4
5
Q.
<и
н
га
са
2
ч
X
о>
ся
03
Ef
S
4
>о
СО
CQ
э*
с
03
о
0)
с
•X
^
дсо
0
2 см
Я со
S оо
§а
0)
с
н
178
о
о
см
о
о
СО
о
о
о
ю
п*
о
о
00
о
о
о
ю
1
ах
2X
X
<и
tr
>»
с
о
из
X
<и
ХО
0)
3
»х
203
о
н
X
4
Он
0>
с
»х
2X
X
0)
sr
>*
с
и
03
о
3
о
си
о
X
•X
203
о
щ
X
4
о,
0>
с
о
№°
2^
сс
СО
X
X
<и
3*
>1
X
о
X
о*
с
х
ч
О
СО
р
X »х
со О
03 03
О О
X
ч
ч
э
Си о
О) си
с
Б
5
И
>о
о
ч
Он
SJ о
0 .8
*
X
о
о о
0-0
СО Ю
ч
си
а>
с
X
03
о>
X
ч
о
S
ю
й>
»х
о
й>
н
О)
X
со
и
О)
<1>
X
щ
X
•X
си
н
а>
«
о
о
о
00
си
гн»
со
о
»х*
2 0
ч
со
X
X
и
о
о
о
X
а:
а*
со
о
X
ч
II
X
03 X
со
о*
ЕС
>>
И
со
н
X
н
ч
>>
н
СО
си
й>
X
S
а;
н
0Q О
03
о
о
о
си
S o
с
>х
3
X
X
0)
ЕГ
>»
с
CJ
о
Q
ю
ч
о
W
S
а>
см
ч
о
и.
X
со
о
о
со
о
о
о
е?
X
о
П
о
ю
н
н
2
о
о
о
о
,о
о
►Q
ч
со
н
X
ч
си
а>
с
я
S
#
со
со
си
й>
«
си
>>
н
СО
м
X
н
S
\о
о
н
X
4
си
а>
X
в
X
со
а
о
Ё
S .
О)
X
о
о
с
X
и
о
о
И
X
со
5
со
си
й>
иг
СО
X
а>
5
0
О
Й
X
4
си
а>
х
X
X
*=?
< и
ясо
5
х
н
X
о
2
О)
X
I
со
X
О)
2п
о со
1 "Г
g<N
К^
S H
la
Л
К
к
к
к
к
о
а>
хо
в
и*
от
В
00 _
1
2
2
1 а.
со к
со
ю
<м
1
со
о
к
*
I
к
а>
К
ю
U
в
со
и
*
от
S
о
со в
К
Оч
с 1 а,
о к
»н
ю
ь1
ю
ю
\о
00
7я
со
rt«
см
05
о
ст>
о
#*
о
т
о
о со
о
о
ю о
(N
А
У
ю
о
оо
O.Q
со
со
о
оо
сч
о
о
оо 2
ю Р.
сч
ю
II о
(О о
и ©
ю
СЧ
II ю
S
о
о.
с
05
о
А
о
Tf
& О
0
4
w
и со
и ю
о ю
ю о
<N А
о
о
s<?
с1—1соI
о>
о
о
уо
ЮО
<N ^
112
Tt«
о
В
сх,
С со
о
s
1 -°С о
о
о
ст>
1
ю
#*
ю
rt«
у ©
ю О
(N
II со
о
о
В О
s P
QС 00
ом
1 В
1 Си
о п
о
о
00
о
хо
в
и>
от
оо в
оо
о
о
II со
В©
о
о
о
о
и
С со
с
о
о
<м
CSI
в ,-С
РЭ
со
л
О)
0)
ХО
в
U
от
в
в
о*
в
ю
см
ю
с
*
сх
С <м
ю
о
#*
о
tQ
#к
<
CQ
о
ю
сч
1
1
о
о
СМ
о
о
о
о
СО
1
о
о
о
г^<N
о
ю
ю
о
ю
сч
о
ю
о
ю
о
о
<М
о
о
ГГ
о
о
<м
о
ю
(N
о
ю
о
ю
Q
ю
со
о
о
ГГ
н
н
о
е
Ш
со
to
ш
(О
CQ
н
<
н
н
н
н
н
н
Ж
<р
ш
о
53
ч
Си
<и
в
о
и
й>
н
со
4
ОС
в
5
9
о;
в
5
«ИМ#
СП
X
ч
сх
<и
в
ч»
т
?
_ |ю
Ё
*5Т
8-І
Йё
sя с
со СО
5в
ч
в
в в
в в
ш ш
в в
о ч
растворов
о
S
о
в виде
се
g
П р и м ен яется
к
и б е то н о в .
ш
с
179
Т а б л и ц а 30
800
650
50
30
400
320
«м—
ж
—
150
40
150
40
—
120
70
120
70
С*
1
о
50
80
100
0 ,2 5 6 (0 ,2 2 )
0,21 (0,18)
0 ,1 5 (0,13)
600
7 сут
80
130
0,21 (0,18)
0,186(0,16)
1000
3ч
-• :
50
160
40
7ю
ю
1
С!
' *-уц
400
325
320
О
Продолжительность
твердения в нормальных
условиях
100
40
30
мм
не более, °С
менее 88
мкм (мо­
лотый)
900
700
600
размер фракций перлита,
Температура применения,
цемента
Глиноземистый
цемент
Марка бетона
Портландцемент
М400
Объемная масса в сухом
состоянии, кг/м3
Вид
вяжущего
Примерный расход на 1 м3
бетона» кг
Коэффициент теплопро­
водности при 22О С,
Вт/м*°С (ккал/м-Ч‘°С)
а
Примерный расход материалов и основные свойства жароупорных перлитобетонов
ных зерен, пор, капилляров и частичек вспученного перлита, поверхност­
ный слой которых имеет следы взаимодействия с цементным тестом.
Особенностью приготовления жароупорного перлитобетона является
порядок загрузки в растворомешалку компонентов: вспученный перлито­
вый щебень — вспученный перлитовый песок — молотый перлит — у 3
необходимого количества воды (7з от 270—400 л на 1 м3 бетона) — це­
мент — остальная часть воды. Укладку бетонной смеси производят слоя­
ми до 25 см и с применением вибрирования или вибрирования под пригрузом. Д ля уменьшения растрескивания бетон в тепловых агрегатах
осторожно сушат, а затем их разогревают в течение 7 суток.
Перлитобетон изготавливают из портландцемента и вспученного пер­
лита аналогично жароупорному перлитобетону, но без добавления моло­
того перлита. Известны разновидности перлитобетона — шлакоперлитобетон, туфоперлитобетон и др. (табл. 31).
Д алее приводятся данные НИИСМИ по однослойной перлитобетон­
ной панели толщиной 26 см на основе вспученного закарпатского перли­
та. На 1 м3 бетона расходуется: перлита фракций 10—20,5— 10,5— 1,2 и
О— 1,2 мм соответственно 685, 455, 495 л, цемента М400—260 кг, во­
д ы — 306 л. Объемная масса с учетом влажности (до 25%) — 1027 кг/см3,
предел прочности при сжатии — 7,5 МН/м2 (75 кГ/см2), термическое со­
противление— 0,84 м2-°С/Вт (0,973 м2-ч-°С/ккал) и коэффициент тепло­
проводности 0,385 Вт/м*°С (0,33 ккал/м*ч*°С).
В связи с сорбцией перлитовыми бетонами влаги из воздуха, имею­
щего относительную влажность 60%, в количестве 2,1—7,8% по объему,
значения коэффициентов теплопроводности против указанных в табл. 31.
возрастают: вместо 0,07 до 0,093—0,14, вместо 0,128 до 0,15—0,21, вместо
0,35 до 0,40—0,46 Вт/м*°С.
Изделия перлитовые на цементной связке изготавливают либо по
рецептурам, указанным в табл. 30 (перлитовый раствор и перлитобетон),
либо при расходе перлитового песка с объемной насыпной массой 120—
200 кг/м3; портландцемента М400— 110 кг/м3, распушенного асбеста —
до 30 кг и воды — 830 л. Перемешанной в течение 5— 10 мин в лопастных
растворомешалках смесью заполняют формы станка пресса, затем смесь
уплотняют под давлением около 5* 104 Н/м2 (0,5 кГ/см2). Отформованные
изделия выдерживают 1—2 сут. при 15—20°С, далее пропаривают при
60—80°С и сушат в сушилках до 5 % -ной остаточной влажности. Плиты,
кирпичи, скорлупы и сегменты имеют объемную массу 300—400 кг/м3,
предел прочности при изгибе 0,25—0,5 М Н/м2 (2,5—5 кГ/см2) и коэффи­
циент теплопроводности при 30°С—0,079—0,093 Вт/м-°С (0,068—
0,08 ккал/м*ч*°С).
180
s
н
а
^
со
sсг очй5»
О
*»
м
s ®°
-Ө-&П
f-c Е чСО
8§§в
4) О
н
X
<
м
fоО S
S
,
5 ян
гг
2JB
н
о
о
S
*
S
а
е*
о
с
■S
<У
а4) сч
еа
«
s
6а о. 1о
J5XН
ОО
О р
и
аа £
а
С
О
00
05 о
Я.©
о
•ч
1 1со
ю
Оо
« о
о
о
со
о
ю
о
7
ю
о
о
СО
о
со
о
о
сч
Tt«
ю
05
со
о
ю
о
о
00
ю
о
00
о
о
ю
сч
ю
05
сч
о
о
о
ю
о
о
сч
ю
ю
ю
ю
о
05
Л
со ^
ю
со
°
о о
со
о
Й g
СО
со
о
н
X
чD.
о«
С«
Т
1
l^co
О о
ю
т}«
X
й)
о
о о
сч~ ^ *
о
ТГ
a оо -QІШ
а>
« S «м 4со о 2
5
8
S
а) ао нД
fct sО. О
&с sr Я ю
о
с
о
сч
«
ю
со
О
Ю
00
C
D
С
Ч
*-н#» _*» СЧ
С
Ч
#. •»
Ю2
о■
х
О
яо®=
—20°.
—
сч
о
о05
05
05
со
со
2 соX
сS
о<
и
°
Xо
1S
Й о Xм
О X м
а> X я
Й CсQо я
4J
о
ШО н
О S О
Q .9
п О и
•Ө*
9
(0
о
О
сч
ю
о
05
ю
оо
о
со
ю
со
ю
о
со
•^г
ю
о
о
ю
оо
со
05
35 ®
о
sw
*
CQ
8*
н
А 9м
Э
л£ 2
S
^Ч
св
,
tc я f.o H N
о 03доОюч,
Щ i !? .o I =
с
о
»5
х
яг
5
5
п
со
О.
О
Б
й>
2
о
со
о
ю
о
о
со
сч
со
05
»Х
О
X
н
X
со
3
к
5
н
я
X
ч
о
с
се
л
ч
х
Сй
00
о
>х
S
«
CJ
а)
сг
X
X
со
м
>>
ю
а>
э
2СО
»х
3
X
X
ш
со
а.
а>
Р*
оCQ
V
си X
8 сг
<U
с
:
о
н
X S
sr
ч <
си си
си
с
о05
#м с
&
ш
о
ю
со
I
I
о
са
>>
Б
О
о
н
н
X
«=:
Си
4>
с
•X
3
X
X
си
р*
>»
ES
о
CQ
х
х
св
«5С
*х
X
х .
CJ
X •
CL>
.
S
со Ы
СХ со
S
^
Си g
со я
ЬйГ
о
Ю
со
ю
со
о05
о
н
X
*=3
си
си
н
X
ч
си
ад
с
•X
3
X
X
<и
&•
>>
п
и
CQ
05
•Ө*
>>
н
*х
X
X
и
W
X
Һ
си
<
с
»х
3
X
X
а>
р*
>>
с
и
CQ
X
о
н
си
о
п
н
со
аСО
со
»х
sr
X
ч
о
CQ
н
сч
со
т
1
В
И ?►
>
о
05
8<о
II
3
ю
со
ІЙсч
к 5
н
S
0*
Tt«
о
-2
со S
88
2
s
я СЧ|
4
с
о.
а.
о
VlO
V
аз
VO S
о
н в*
Xо
СО
сч
хо
Вч
*
>>
о.
U
8
«
л
со
s
в §
О
х
оН
СО
*
си
3
со
о
И
X
4
си
0)
с
CD
я
о
н
X
о
н
vS
>х
3
а
о
н
X
4
си
<и
с
о
н
X
5
СХ
<и
Б
•я
3
ш
о
м
со
a
X
0
н
1о
ь
си
п
t
н
181
Действующие в СССР предприятия оснащены оборудованием, приве­
денным в табл. 32. На изготовление 1 м3 перлитовых изделий на цемент­
ной связке расходуется основного сырья, материалов, топлива и энергии
в количестве, указанном в табл. 33.
Т а б л и ц а 32
Основное оборудование, применяемое при изготовлении перлитовых изделий
на цементной связке
№ завода
(табл. 33)
Наименование оборудования
Производи
тельность
по шихте,
м®/ч
Основные данные
Приготовление формовочной
массы
1
Растворомешалка С-333 с емко
стью барабана 80 л .................
1,5
Длина 2150 мм, влажность го­
товой шихты шш= 7 0 —75%
2
Растворомешалка С-289А с емко
стью барабана 325 л . . . .
6
1800 X 1200 X 2000
= 6 4 —68%
3
Мешалка пропеллерная емкостью
9 м3 ................................................
Вертикальная растворомешалка
СМ-500 ...........................................
Одновальный лопастной смеситель
непрерывного действия . . .
2
Диаметр 300 мм, шш= 6 5 —70%
1
Диаметр 1200 мм, шш= 8 0 —85%
1.5
Диаметр 400 мм, длина 1200 мм,
w m = 70—80%
1200X2000 мм, шш= 8 0 —85%
Диаметр 700 мм, высота 1700 см
1
4
Ролл
................................................
Аппарат распушки асбеста . . .
Одновальный винтовой смеситель
с наклонными лопастями непре
рывного д е й с т в и я ......................
4
4
4
3 .6
10,0
2 ,3
мм,
w
Диаметр 5 0 0 мм, длина 4300мм,
цуш= 7 0 — 80%
Формование изделий
1
2
3
4
4
Гидравлический пресс П Г-12,5 . . 100 шт/ч
Конвейерный станок
......................
1,2
Формовочный станок с давлением
при формовании 0,05М Н /м2
(0 ,5 кГ/см2)
..................................
1,5
Гидравлический пресс КБ ЦЭТИ
Снабжены автоматическим
с давлением 0 ,0 5 М Н/м2
1,2
укладчиком
производитель
(0 ,5 кГ/см2)
. ...............................
ностью 1 ,8 м3/ч
Механический пресс
КБ ЦЭТИ
с давлением 1 кГ/см2 ..................
1 ,5
Сушка изделий
Туннельное с у ш и л о ..........................
2
3
4
4
4
1
То ж е , на 23 в а г о н ет к и ..................
То ж е, на 24 вагонетки . .
. .
То ж е, стеллажные с единовре­
менной емкостью 36 м3 . . . .
Конвейерное сушило СКС-427 ем­
костью 500—600 шт. изделий на
подвесных л ю л ь к а х ......................
Камерные с у ш и л а ...............................
1 .5
Продолжительность сушки 2С
24 ч
То ж е, 24—30 ч
То ж е, 24 ч
2 ,3
То ж е, 24 ч
1 .3
1 .4
То ж е , 12— 16 ч
То ж е, 12 ч
2 .5
3
Гипсоперлитовую штукатурку изготавливают из полуводного гипса
(290 кг на 1 м3 раствора), вспученного перлита (130 кг/м3), с. с. б.
(8,7 кг/м3) и воды (320—365 л) в мешалках периодического действия,
причем конус СтройЦНИЛа должен погружаться в раствор на глубину
не более 8,5 см.
Изделия теплоизоляционные из вспученного перлита на битумном
связующем производят путем смешения вспученного перлита с горячим
нефтяным битумом, укладки полученной битумоперлитовой массы на по182
со
CQ
S*
s
4
УО
CO
H
183
верхность беспустотных кровельных покрытий или в формы при уплотне­
нии катками или поверхностным вибратором. После остывания масса от­
вердевает.
Согласно ГОСТ 16136—70 плиты должны иметь: длину 500, ширину
300 и 500, толщину 50; 75 и 100; 125 мм; полуцилиндры (скорлупы): внут­
ренний диаметр 57; 76; 89; 108; 133; 159 мм; толщину 40; 50; 60 мм и дли­
ну 500 мм; сегменты: внутренний диаметр 219; 273; 377; 426 мм; толщину
50; 60 мм и длину 500 мм. Объемная масса составляет не более 250; 300;
350; 400; 450 кг/м3; соответственно коэффициент теплопроводности при
средней температуре 25±5°С не более 0,076 (0,065); 0,087 (0,075); 0,099
(0,085); 0,11 (0,095) и 0,122 (0,10) Вт/м-°С (ккал/м-ч-°С); предел проч­
ности при изгибе кГ/см2 — не менее 1,5; 1,5; 1,5; 2 и 2. Водопоглощение
за 24 ч — не более 5% по объему, влажность — не более 4% по массе.
Наибольшее распространение получило нанесение битумоперлито­
вой изоляции на стальные трубы, применяющиеся для прокладки тепло­
вых сетей с температурой теплоносителя от — 60 до + 50°С по бесканальному способу и в каналах всех видов. При производстве битумоперлита помимо основного битума Б Н -IV используют битумы марок BH-V;
Б Н -III-V и окисленный битум БН-3,5 (табл. 34) НИИМосстроя для кро­
вельных работ.
Т аблица
34
Характеристика нефтяных битумов
Марки битумов
Наименование показателей
Температура по К и Ш°С не ниж е , °С . . . .......................... • •
Глубина проникания
иглы при
25°С, м м ...................................
Растяжимость при 25°С не менее , см
БН-111-V
ГОСТ 11954—66
45
49
60
32
90
38
БН-3,5
СТУ-35-13
ВСН-3—65
Б Н -IV
ГОСТ• 6617—56
60—63
22—23
!
7 ,2 10,8
69
70
19
4 ,4 -7 ,6
Б Н -V
ГОСТ 6617—56
84
5 ,5
2 ,4
В качестве покрытия, предохраняющего теплоизоляцию труб от
транспортных и механических перегрузок, применяют стеклоткань, кото­
рая должна отвечать требованиям ГОСТ 8481—61. Д ля приготовления
праймера (смеси битума с бензином) используют бензин А-72, отвечаю­
щий требованиям ГОСТ 5268—69, а для наклейки стеклоткани на поверх­
ность битумоперлитовой изоляции труб — мастику Б Л К (битумно-латексно-кукерсальную).
Технологический процесс нанесения битумоперлитовой изоляции на
трубы состоит из приготовления битумоперлитовой смеси, подготовки и
праймирования труб и нанесения битумоперлитовой изоляции на трубы.
Подготовку труб и нанесение на них битумоперлитовой изоляции осуще­
ствляют на конвейерной линии. Очищенные от ржавчины и праймированные трубы стыкуют посредством соединительных муфт. Напрессовка би­
тумоперлитовой изоляции на поверхность трубы производится циклично;
за один цикл напрессовывается изоляции на длину 100—200 мм.
Прессующая часть изолировочной машины, разработанной НИИМосстроем и СҚБ Мосстроя, представляет собой металлический ци­
линдр, внутренний диаметр которого равен диаметру трубы с напрессо­
ванной изоляцией. Внутри цилиндра передвигается поршень, через тело
которого проходит труба. При движении поршня навстречу хода трубы
открывается доступ в цилиндр битумоперлитовой смеси, которая затем
прессуется обратным ходом поршня. По выходе трубы с битумоперлито­
вой изоляцией из прессовочной машины она обертывается двумя слоями
стеклоткани, пропитанной битумно-латексно-кукерсальной мастикой.
184
Битумоперлитовая
смесь
готовится
в
мешалке
периодического
дейа
еггдопт.
гг\
Г\
0
7
С
.
.Я
г
ствия емкостью 0,375 м3.
Расход материалов на изготовление 1 м3 битумоперлитовой массы:
перлита вспученного с влажностью не более 0 ,5 % ------- L28 кг t битума
БН -IV, обезвоженного при температуре 170—180°С, — 137 кг.” *
’Рис. 68. Мешалка ВНИПИТеплопроекта для приготовления перлитоцементной массы:
--поперечный разрез; б-продольный разрез; в-л о п асть мешалки; /-ко р п у с2 — вал; 3 — лопасть; 4 — обойма
корпус,
£ / Ъ3еМп :ая масса „Рыхлой битумоперлитовой смеси составляет
^оо кг/м . В прессующей машине смесь уплотняется почти в 2 раза т е
объемная масса битумоперлитовой изоляции может достичь 530 кг/м3
потребное количество прессующих машин для нанесения на тпубы
битумоперлитовой изоляции определяют исходя из производительности
прессующей машины 120 пм в смену.
“ зделия перлитогелевые изготавливают по разработанной Центроэнерготеплоизоляцией технологии из смеси, состоящей из 42% вспучен­
ного перлита (перлитовая порода имеет объемную массу 2200 кг/м3)*
13,5%
распушенного
асбеста
М-5-60;
38%
силикатоглыбы;
5%
кремнет Т Л п и р т л г л п о д п и л •> Л
1 СП/
_________
о
_
»
/U • ' p v i n n v
фтористого натрия и 0— 1,5% технической серной кислотьТ/Воды добавляется 2,3 масс. ч. на 1 масс. ч. твердых компонентов. Массу приготавлиJ f g f в одновальном лопастном смесителе непрерывного действия (см.
табл. 32 и рис. 68), куда после загрузки воды и вспученного перлита до­
бавляют силикат-глыбу и асбест и перемешивают 3 мин. Из массы на
185
прессе КБ ЦЭТИ (см. табл. 32) опрессовывают плиты размером 50Х 50Х
X (4—8) см, которые сушат в конвейерном сушиле в течение 16 ч при
180—200° С. Материал после сушки имеет объемную массу 250 кг/м3 и
предел прочности при изгибе — 2,3-105Н/м2 (2,3 кГ/см2), коэффициент
теплопроводности—0,065 Вт/'м-°С (0,056 ккал/м-ч-°С) и влажность—5%На 1 м3 плит на гелевом связующем расходуется 0,184 м3 перлитовой
породы, 31 кг асбеста, 48 кг дизельного топлива, 116 кг топочного мазута
и 234 кД ж (66 кВт-ч) электроэнергии.
Изделия силикатоперлитовые изготавливают из смеси молотой нега­
шеной извести, вспученного перлитового песка, асбеста и воды, иногда с
добавлением полуводного гипса. Из полученной массы формуют изделия
и в дальнейшем подвергают их автоклавной обработке.
По способу кафедры технологии производства строительных мате­
риалов ВЗИСИ и ВНИИСтрома на 1 м3 изделия объемной массой 250—
350 кг/м3 с пределом прочности при изгибе (2,5—5)-105Н/м2 (2,5—
5 кГ/см2) и коэффициентом теплопроводности 0,076—0,082 Вт/м-°С или
0,065—0,07 ккал/м -ч-°С расходуется 115 кг молотой извести, 7 кг полу­
водного гипса, 105— 125 кг перлитового песка с объемной массой 70—
90 кг/м3, 19 кг асбеста М-5-60 и около 450 л воды. Комовая известь в
шаровой мельнице размалывается до удельной поверхности 3500
4500 см2/г. Асбест распушивается в ролле в течение 15—20 мин или на
бегунах, а затем перемешивается в смесителе, имеющем пропеллерную
мешалку, с 70% воды от общего потребного количества. Суспензию
асбеста и извести 5—8 мин перемешивают в вибромешалке, оборудован­
ной гребенкой, а затем в нее загружают перлитовый песок и перемеши­
вание продолжают еще 1,5—2 мин. Полученной таким образом гидро­
массой заливают формы, имеющие конусность торцовых стенок 1 :5 и
1 :7 соответственно для плит толщиной 50 и 70 мм, и вибрируют их 2—
3 мин. Автоклавную обработку осуществляют по режиму 1 : 3 : 1 при
максимальном давлении изотермической выдержки (8— 12)-105 П а
(8— 12 кГ/см2). При повышении температуры в течение 5 ч с 20 до 170°С
абсолютная влажность уменьшается с 160 до 7%.
В автоклавы изделия загружают на поддонах со спиралями из
специального сплава, заключенными в кварцевые трубки диаметром
40 мм и питаемыми электроэнергией, подводимой в автоклав через авто­
мобильные свечи, ввернутые в стенку автоклава.
Изделия карбоперлитовые (НИИСМИ, г. Киев) получают путем
пропускания углекислого газа через порошкообразную смесь вспучен­
ного перлита (100—200 кг/м3 изделия) и негашеной
извести
(30—50 кг/м3), содержащую 5—25 масс. % воды (к массе твердых мате­
риалов). Вспученный перлитовый песок и молотая негашеная известь
перемешиваются 2 мин в двухвальном смесителе. Д ля увлажнения массы
в мешалку подают воду с учетом потерь от испарения при гашении из­
вести (30—40% к массе смеси). Заполнив форму смесью, последнюю
уплотняют под давлением (5—8) -105 Н -с/м 2 (5—8 кГ/см2). Подогретый
в трубчатой печи углекислый газ подают через пористое дно формы в
течение 1—4 мин. Газопроницаемость изделия—около 0,6—0,3 л/мин-см2
Изделия минераловатно-перлитовые на связке из карбонизированной
доломитовой извести изготавливают по технологии ВНИИТеплоизоляции. Массу (35 масс. ч. перлитового песка, 35 масс. ч. минеральной ваты,
30 масс. ч. доломитовой извести и 900 масс. ч. воды) заливают в форму
с сетчатым дном и бортами из диэлектрика и подпрессовывают (0,05X
Х Ю 5 Н/м2) с одновременным электроосмотическим обезвоживанием
(при 100 А/м2 и 30—60 В), а затем подвергают карбонизации дымовыми
газами в течение 30—40 мин.
Перлитовые изделия на керамической связке, керамоперлито-фосфатные, а также венгерской Реопарит-900 и реопарит-1300 получают по
технологии, описанной в ч. II, гл. 7.
Глава
V
ВСПУЧЕННЫЙ ВЕРМИКУЛИТ И ИЗДЕЛИЯ
НА ЕГО ОСНОВЕ
§ 1- Слюды. Общие сведения
веомикулитаНЬпт ® ^ ИКУЛИТ (зонолитУ получают обжигом минерала
вермикулита, от слова «vermicuhs» — (лат. «червеобразный», рис. 69)
г п п г п ^ Г КвУ
Л ИТаМИ В технике называют любые гидратированные слюды,
том низко темп рп f 3 ТЬСЯ ПРИ нагРевании- Вермикулит является продук­
том низкотемпературных гидротермальных процессов и последующего
название логопит63И3Л£НЫХ И ма™езиально-железистых слюд, носящих
тлтпй
флогопита и биотита. Характеризуется пластинчатой структурой.
П0 химическомУ составу относятся к сложным алюмосили­
катам, составы которых в общем виде выражаются формулами:
R+ R+a [AlSi3O10] [ОН]2 или
R+R+з [AlSi3O10] [ОН]
формулах R+ обозначают одновалентные кятшлития, R+2
количество
двухвалентных
катионо магния, железа,
мяпгаип» „
п о,
---------НШЯ ішшипио
Р'
^ — количество трехвалентных катионов алюминия,
железа, марганца, хрома и др.
В соответствии с особенностями химического состава слюды делят
на следующие подгруппы: биотита (магниево-железистых слюд); муско­
вита (алюминиевых слюд); лепидолита (литиевых слюд).
іч подгруппе биотита относится флогопит и биотит.
V О Н л 0 г 0 ” “ т ~ KMg3[SiA10i°] [F,
ОН]2 или К20 •6MgO •А120 3•6S Ю 2 X
Х ^Н 20 , называется от греческого слова «фогопос»— огнеподобный (име29С4М аП ДУ Я Г “ инералз)-Химический состав (%) : 7 -1 0 ,3 К20 ; 2 1 ,4 ЧЙ7 J S c s n /ИО оо/ ч Я?о (согласно формуле должно быть 43,2%);
’
2 ( n a fil’
Н20 и до 6F. Из примесей чаще всего
присутствуют до 9% FeO, до 2,5% ВаО, до 2% Na20 , а также Ғе20 3. Тем­
пература плавления— 1290— 1330° С.
Ғе)з[5ізА1ОІ0][ОН, Ғ]2 или K20 -6 (M g , Ғе)-А120 3Х
X b i u 2-JH 20 . Анализы минералов показывают следующие колебания их
г а б Г ғ е л ! : 9 4 3 -r3V,649 Н
0,28-28,34 M g0i
0,13
32,83—44,94 S i0 2; 0,89—4,64
2
Н20 и 0—4,23 F; примеси ТЮ2,
Na20 и др. Температура плав­
ления — 1145— 1150°С.
Мусковит—KAl2[AlSi3Oi0] х
Х[ОН]2или КгО •ЗА120 3•6 S i0 2X
X 2Н20 содержит (% ): 11,8К20 ;
38,5 А120 3; 45,2 S i0 2; 4,5% Н20 .
Гидромусковит
продукт ча­
стичного гидролиза мусковита
Содержание Н20 = 8—9%. Тем
пература плавления мускови
та — 1225— 1260°С.
ВРис. 69. Кристаллы вермикулита:
магнезиально-желези­
' “ ДО обжига; i —после о
б
ж
и
г
а
стых слюдах имеется Группа
м слюдам относят веомикулит, близкий по химическому составу к гидратированному биотиту
лпрп • к ол и тн ой называют воду, содержащуюся в некоторых минералах в виде твевдого раствора и испаряющуюся при нагревании в значительном интервале температур.
187
и флогопиту, минералу, из которого в результате обменных реакций био­
тит произошел, и глауконит, соответствующий по составу гидратирован­
ному лепидомелану.
Структурная
формула
вермикулита
(Mg+2;
Fe+2;
F+3 )j.
[(SiAl) 4Oio] ( 0 Н ) 24Н 20 , а содержание отдельных окислов составляет
(% по массе): 33—34 S i0 2; до 1,6 ТЮ2; 6— 18 АІ2О 3 ; 5— 17 Ғе 20з;
1—9 ҒеО; 14—25 MgO и до 9 R20 i3 с присутствием в ряде случаев СаО,
MnO, NiO и др. Кристаллизационной, конституционной и цеолитной воды
содержится 8 —20%- В слюдах же содержание воды не более 2%.
Между степенью гидратации и коэффициентом вспучивания не на­
блюдается прямой зависимости, так как значительную роль играет рас­
положение слоев вермикулита и гидратированных слюд: при регулярном
переслаивании вермикулитовых и слюдяных слоев характер кривых вспу­
чивания при нагревании и охлаждении практически одинаков. Д ля гид­
рослюд с переслаиванием пакета вермикулитовых слоев с пакетом слю­
дяных слоев характер кривых иной; максимальные температуры вспучи­
вания первых — около 300°С, а вторых — около 800°С.
Зерна вспученного вермикулита имеют кубообразную форму, а зерна
гидрослюд — пластинчатую. Форма зерен вспученного материала харак­
теризуется коэффициентом пластинчатости (отношением полусуммы
крайних размеров зерна по плоскости спаянности к высоте зерна).
Вермикулит и гидрослюда с регулярным переслаиванием вермикули­
товых и слюдяных слоев имеют ячеисто-пластинчатое, мелкопористое
строение, шероховатую поверхность и кубообразную форму зерен. Гид­
рослюды, имеющие переслаивание пакетов вермикулита с пакетами
слюд, вспучиваются в виде гармошек из непрочно связанных вспученных
линз — подушечек с пластинчатым строением или веерообразно раздви­
нутых пластинок. Такие зерна имеют твердую, гладкую и стекловидную
поверхность, форму же зерен — в виде распавшихся линз и пластинок.
Гидрослюды можно разделить на два типа: 1) с регулярным пере­
слаиванием вермикулитовых и слюдяных слоев, по свойствам, качеству
и режимам вспучивания его объединив с собственно вермикулитом; этот
тип назван «вермикулит»; 2 ) с переслаиванием пакетов вермикулита с
пакетом исходной слюды; в отличие от вермикулита этот тип назван
«гидрослюда».
§ 2. Физико-химические процессы,
происходящие при вспучивании
вермикулита и гидрослюд
Если вспучивание вулканических стекол (обсидианов, перлитов
и др.) происходит в результате механического взаимодействия образую­
щихся при нагреве паров воды на вещество, переходящее в пиропластическое состояние, то вспучивание вермикулитов, гидрослюд и слюд про­
исходит при температурах, значительно меньших перехода их в пиропластическое состояние.
Дубенецкий К. Н. приводит данные комплексного термического ана­
лиза слюд (флогопита и биотита), гидрослюд (гидрофлогопита и гидро­
биотита) и вермикулита, которые позволяют судить о физико-химиче­
ских изменениях, происходящих в этих породах при нагревании. На тер­
мограммах наблюдаются три эндотермических эффекта. Первый эндо­
термический
эффект в интервале
150—250°С
(или 100 200 С)
вызывается потерей адсорбционной воды *. Второй в интервале 240
280°С — из-за выделения воды, связанной с обменными ионами (межпа* Ее, как и коллоидную и гигроскопическую (капиллярную), относят к свободной воде,
в отличие от связанной, присутствующей в виде молекул НгО, занимающей в кристал­
лической структуре строго определенное место.
188
т<етной), на что указывает скачкообразная потеря в массе образцов.
Iретии эндотермический эффект при 710—840°С (у слюд и вермикулита)
■свидетельствует о выделении кристаллизационной воды. На термограмгидрофлогоиита и вермикулита наблюдается также экзотермический
эффект с температурами максимума 800—820°С, относящийся к перестройке кристаллической решетки.
Вспучивание зерен вермикулита, гидрослюд и слюд происходит в
результате воздействия образующегося при их дегидратации в процессе
нагревания водяного пара, который под значительным давлением разд­
вигает листочки слюды. При нагревании зерна расщепляются на тончай­
шие слюдяные пластинки, частично скрепленные между собой. Наряду
с воздействием водяного пара при нагревании в структурной решетке
слюды возникают внутренние изменения вследствие удаления цеолитной
и гидратнои воды, приводящие к короблению.
На процесс вспучивания оказывают влияние следующие факторы:
•а) структура и химический состав, а также влажность сырья; б) сте­
пень и характер гидратации слюды, т. е. порядок расположения* гидрати­
рованных вермикулитовых и слюдяных слоев; в) режим обжига (макси­
мальная температура, скорость и продолжительность нагрева) * г) усад­
ка при охлаждении.
■
J
Влияние этих факторов суммарно характеризуется коэффициентом
вспучивания единицы объема k0Q =V BCn/V, т. е. величиной отношения
вспученного вермикулита І^всп к объему его перед вспучиванием V. Для
вермикулита 60б= 5,9— 6,4; для гидробиотита *0б=3,7; для гидрофлоголита « о б — 4 , Ь и для слабогидратированных слюд £ 0б = 1 , 6 — 2 , 1 .
коэффициентом
микулита
коб
k
1
п. п. п
100
где п. п. п — потери при прокаливании, %.
Реже для характеристики пользуются коэффициентом вспучивания
зерен вермикулита k3, равным отношению толщины зерна после вспучи­
вания к первоначальной; для вермикулитов k3— 15—40.
Коэффициент вспучивания зерен вермикулита с увеличением их
диаметра (например, с 5 до 40 мм) и уменьшением толщины (с 4 до
0,5 мм), за исключением очень тонких пластинок, размером до 0 25 мм
возрастает (с 13 до 31).
’
Объемная насыпная масса вспученного вермикулита уменьшается с
увеличением диаметра и толщины зерен вермикулита — сырца Напри­
мер, при размере зерен (мм): 1 5 -1 0 ; 5 - 3 и 3 - 1 объемная насыпная
масса соответственно равна (кг/м3): 85, 125 и 195. Более легкий верми­
кулит Ьулдымского месторождения объемной массой 160— 180 кг/м3 по­
лучают при двух-, трехминутном воздействии температуры 900— 1100°С
Наблюдающееся понижение объемной массы при большей продолжи­
тельности обжига влечет, однако, увеличение хрупкости.
Качество вспученного вермикулита и гидрослюд определяет не толь­
ко степень и характер гидратации сырья. Оно также находится в зави­
симости от принятых методов и режимов вспучивания. Наиболее высокая
степень вспучивания вермикулита и гидрослюд достигается в случае мед­
ленного прогрева сырья до 100°С с последующим резким нагревом при
высокой температуре, при этом уменьшается продолжительность вспучи­
вания в трубчатых печах и повышается их производительность.
Вспученный вермикулит характеризуется маркой, определяемой по
I _____шифр
цифр
■ек
сита,
мм,
«Ал о , ослЧе,р ез К0Т°РУЮ данная фракция прошла): 125-15, 150— 10,
2UU 2 ,0, 250 1 И Т. П. Коэффициент теплопроводности BCnvtiemmpn пап.
189
микулита, уплотненного под нагрузкой 104 Н/м2 (0,1 кГ/см2), при 25°С
не более: для крупного — 0,09 и 0,085, среднего —0,116 и 0,1, мелкого
и особо мелкого — 0,14 Вт/м-°С (0,12 ккал/м-ч-°С).
§ 3. Технология и основное оборудование
для производства вспученного вермикулита
Добычу вермикулитовых руд производят открытым (карьерным)
или подземным (шахтным) способами. При малом содержании в руде
вермикулита осуществляют обогащение руды с доведением в ней содер­
жания вермикулита до 75—90%. Наиболее широко обогащают руду, при­
меняя ступенчатое избирательное дробление с классификацией руды по
крупности, совмещая последнее с мокрой отсадкой (грохочением). Про­
пуская руду через валковые дробилки, разрушают зерна вермикулита по
плоскостям спайности на пластинки крупных и средних размеров, а пу­
стую породу измельчают на фракции, легко удаляемые последующим
отсевом.
Рис. 70. Схемы
установок
для
вспучивания вермикулита:
а — наклонная трубчатая печь; 1 — восходящ ая ветвь печи; 2 — нисходящ ая ветвь печи; 3 — загру­
зочная воронка; 4 — дополнительная камера сгорания;
5 — топливопровод;
6 — воздухопровод;
7 — вентилятор; 8 — бункер д ля пустой породы; 9 — бункер д ля вспученного вермикулита; 10 — ос­
новная камера сгорания; 11 — колпак с вытяжной трубой;
б — ш ахтная печь
конструкции
НИИСМ И; / — приемная воронка; 2 — вертикальный шнек д ля сырья; 3 — вентилятор; 4 — воздухо­
воды; 5 — тарельчатый питатель; 6 — загрузочные воронки; 7 — печь; 8 — горелка; 9 — зольник;
10 — течка; / / — бункер питателя; 12 — газопроводы; 13 — задвиж ка; 14 — циклон-классификатор;
15 — батарейный циклон; в — технологическая линия производства концентрата вспученного вер­
микулита
190
При обогащении мелких фракций применяют отсадочные машины и
концентрационные столы, в которых в потоке воды происходит отделение
более легких частиц вермикулита от тяжелых частиц пустой породы.
Для получения вспученного вермикулита с ограниченным размером
зерен, не превышающим 8— 10 мм, сырую породу дробят в молотковых
дробилках, причем для получения малого количества мелких зерен ок­
ружная линейная скорость ножеобразных бил не должна превышать
18 м/с, разгрузочная же решетка не должна занимать 150— 180° ок­
ружности камеры дробления и иметь отверстия диаметром 20 мм.
Вспучивание (обжиг) обогащенных вермикулитовых руд производят
в шахтных печах Теплопроекта, наклонных печах Н ЗЛ (рис. 70, а ), в
длинноканальной прямоточной трубчатой печи, в автоматизированном
иі?*еГДТе
комбайне УралНИИпроекта, а также в печах конструкции
НИИСМИ (рис. 70, б ). Можно использовать для обжига вермикулитовых
руд шахтные печи, обычно применяемые при обжиге перлита.
Печь конструкции НИИСМИ (рис. 70, б) имеет высоту 5050 мм и
внутренний диаметр 600 мм. Температура в зоне вспучивания вермику­
лита составляет 1000— 1100°С, а температура отходящих газов 650—
700 С. Газовоздушный поток движется со скоростью 23,5—27,5 м/с, при
этом расход воздуха 1600— 1900 кг/ч, давление воздуха у форсунки со­
ставляет 9,5-102 Па (95 мм вод. ст.), разрежение в печи — 77 Па (7,7мм
вод. ст.), расход топлива (мазута) — 70—85 кг/ч. Для печи с высотой
шахты 6600 мм, внутренним диаметром 800 мм и при расходе воздуха
500 м /ч, подаваемого под давлением 2-103 Па (200 мм вод. ст.), и рас­
ходе 40 кг/ч мазута или 50 нм3 газа в час производительность печи со­
ставляет 3 м3 вспученного перлита.
Печь конструкции Н ЗЛ (рис. 70, а) имеет внутренний диаметр
235 мм, длину восходящей — 3000 мм и нисходящей ветви — 3500 мм,
длину колена, соединяющего ветви, — 2000 мм, угол наклона восходя­
щей ветви 40°С и нисходящей ветви — 26°. Газовоздушная смесь в се­
редине восходящей ветви имеет температуру 900— 1100°С, у камеры сго­
рания — до 1200°С. Скорость газовоздушного потока составляет 12_
15 м/с, расход топлива — 20 кг/ч, воздуха — 700 кг/ч. Воздух перед
форсункой имеет давление (1,5—4 ) -105 Па (1,5—4 кГ/см2). Производи­
тельность печи по вспученному гидрофлогопиту составляет 1 м3/ч, а по
вспученному вермикулиту — до 2 м3/ч.
Далее приводятся данные по разработанному в УралНИИстромпроекте на базе трубчатой печи комбайна для вспучивания вермикулита
двухстадийным нагревом с сушкой и подогревом сырья, а также с подо­
гревом теплом отработанных в печи газов вторичного воздуха, использо­
ванного для транспортирования продуктов обжига по каналам печи
(рис. 70, в ).
Слюдяной концентрат с содержанием гидрослюд и слюд до 30% и
породы до 10%, имеющий зерна не более 10 мм и влажность около 5%,
подается в расходный бункер 1 в количестве 1300 кг/ч, а оттуда питате­
лем в сушильный барабан 2, в котором подогревается до 100°С отходя­
щими газами, имеющими температуру 480°С. Эти газы поступают из пе­
чи через трубопровод 3 диаметром 150 мм в количестве 1440 нм3/ч со
скоростью 8 м/с.
Сушильный барабан 2 имеет длину 4700 мм, диаметр 550 мм, наклон
до 15° и скорость вращения 14 об/мин. Нагретое до 100°С сырье из су­
шильного барабана поступает в промежуточный бункер 4 и при помощи
барабанного питателя 5 — в печь 6 (D =200 мм), снабженную форсун­
кой 7. В головной части печи 7 продукты сгорания имеют температуру
850 950 1100°С и скорость 18—22 м/с. В конце печи продукты сгорания
имеют температуру 700°С и скорость 21 м/с, с несколько увеличенным
содержанием пыли. Вермикулитовые разности, мелкие и тонкие зерна
вспучиваются на лету во взвешенном состоянии и выносятся в осадитель19
ный циклон 8. Внизу циклона 8 осаждаются гидрослюдяные разности и
крупные фракции, последние нагреваются до температуры 230°С, по ме­
ре вспучивания приобретают парусность и выносятся газами из циклона
в трубопровод 9 через затвор 10.
Циклон 8 имеет двойные стенки, через которые к форсунке поступает
воздух, всасываемый вентилятором 11 через трубопровод 12. Из внут­
ренней части циклона 8 по трубопроводу 13 смесь продуктов сгорания и
пылевидных частиц вентилятором 14 засасывается по двум трактам :,
первому — в трубопровод 3, сушильный барабан 2 и трубопровод 15 и
второму — в трубопровод 16.
Перед вентилятором 14 в трубопроводе 17 проходит за час 2240 нм*
смеси продуктов сгорания и пылевидных частиц со скоростью 9 м/с с
температурой 165°С. В циклоне 18 за час осаждаются нагретые до 30°С
частицы (размером до 0,3 мм) и выносятся в трубу 19.
Основное количество вспученного продукта поступает через затвор
10 в установку для воздушно-эжекционной и электростатической сепа­
рации. Вентилятор 20 нагнетает воздух в трубу 21, в которую через зат­
вор 10 подается вспученный материал. Крупный песок объемной насып­
ной массой 1150 кг/м3 (3,75% от полной массы всего вспученного матери­
ала) поступает в бункер 22, остальные же более легкие фракции уносят­
ся из циклона 8 смесью воздуха и эжектируемого газа (температура сме­
си 105— 110°С и скорость движения 6—7 м/с) в камеру 23, из которой,
двигаясь между пластинами с положительными и отрицательными заря­
дами, сепарируются в различные бункера: 24 — для концентрата верми­
кулита объемной массой 85 кг/м3 фракции 0— 10 мм, которого в течение
часа накапливается около 58,2% от массы всего вспученного материала;
25 — для гидрослюды объемной массой 110 кг/м3 фракции 0— 12 мм
(1,36%); 26 — для мелкого песка объемной массой 1030 кг/м3 (24,8%);
27 — для отходов объемной массой 330 кг/м3 (3,65% от массы всего
вспученного материала). Вытяжной вентилятор 28 отсасывает из уста­
новки продукты сгорания (3640 нм3/ч) и пылевидные частицы (30 г/нм3)
с температурой 45°С, которые проходят через трубу 29 со скоростью
17 м/с. В циклоне 30 собираются частицы до 0,6 мм объемной массой
130 кг/м3 (в количестве 7,75% от массы всего вспученного материала).-^
Производительность комбайна по вспученному вермикулиту равна
8— 10 м3/ч, объемная масса вспученного материала после обогащения —
65— 150 кг/м3. Расход топлива при сухом сырье составляет: солярового
масла — 27—35 кг/ч или природного газа — 33—42 м3/ч, расход сжато­
го воздуха при давлении 5 -105—6 -105 Па (5—6 ат) — 300 м3/ч.
Наряду с изделиями нашло применение торкретирование при помо­
щи цементпушек типа «ВО», ЦПШҚ-0,75, ЦГ1ШК-1, С-320, оборудован­
ных шлюзовыми затворами. ВНИПИТеплопроект рекомендует торкретмассу, состоящую из (долей): глиноземистого цемента — 1, керамзита —
0,39—0,45; вермикулита — 0,71—0,31 или легковесного шамота — 0,38.
Масса торкретируется при избыточном давлении воздуха — 3 ,5 -105 Па
(3,5 кГ/см2) и воды 5*105 Па (5 кГ/см2), при расстоянии сопла от торк­
ретируемой поверхности, равном 0,8— 1 м. В этом случае объемная мас­
са составляет 650— 1000 кг/м3, предел прочности при сжатии — (10—
30) - 105 Н/м2 (10—30 кГ/см2), при изгибе — (8— 16) - 105 Н/м2 (8—
16 кГ/см2); коэффициент теплопроводности —- 0,198—0,256 Вт/м-°С
(0,17—0,22 ккал/'м-ч-°С).
§ 4. Технология производства формованных
теплоизоляционных изделий
В нашей стране выпускают асбестовермикулитоперлитовые плиты и
сегменты и асбестовермикулитовые плиты и скорлупы на связующем из
бентонитовой глины с добавлением нефтяного битума.
192
Затраты на 1 м3 основного сырья материало
топлива и энергии
приведены в табл. 35.
Для домов серии 1-464А общей площадью более 150 тыс. м2 жилья
в год выпускают трехслойные панели с утеплителем из вермикулита.
Вермикулитобетон М50 применяют для устройства ребер трехслойных
панелей.
Предложены составы вермикулитовых изделий с применением крах­
мала, жидкого стекла, фенолспиртов и др., а также с пенообразователем.
Составы массы в этих случаях раличны. Разработаны составы на порт­
ландцементе, глиноземистом цементе, бентонитовой и тугоплавкой гли­
нах и др. Технология изготовления вермикулитокерамических изделий
описана в гл. VII.
Разработана также технология изготовления изделия из вспученно­
го вермикулита Кулантаусского и Исжуйского месторождений объемной
массой 125— 150
’ и"4 кг/м3,
' ° при расходе 35,5—63%
----- ---- портландцемента М500,
Т аблица
35
Расход на изготовление 1 м3 асбестовермикулитовых изделий
Техноло­
гическое
топливо
Сырье и материалы, кг
I
он
кСО
П
О
н
£
*я я.
п
Вид изделия
ж
о
S
юс
н
и
£Q
СО
44
273
204
37
180
180
38
54,2
32
38
32
30
т
4) О
Плиты
. . . .
Плиты битумные
Сегменты . . .
Скорлупы
. .
Плиты «ФОБ»
S
н
аз
О
)
о
>
»
н
S
о
4S
•
о
о.
S
в
X
я
л
z
н
>
%
со
(2О
35 к •Өю 0«3=£Я
»
0>
й
О
я
*5«О X -U о со
и
са
ЙС
110
63
9
0 ,9
48,6
5,1
30
60
50
12,5 0,8 140 190
33
38
33
20
ч
X
U
м
•о
*Я
СО
к
U
Си
о
О)
Iч са
0) «
S
«О
О
Энергия на
технологиче
ские цели
оз
О.
со
С
0 ,25
49,9 0,20
0,17 180
115
0 ,28
0 ,25 420
0,17 141
либо около 70% глиноземистого цемента М400, либо 28—55% бентони­
товой глины Дарбазинского месторождения, либо 59—72% натриевого
жидкого стекла с модулем 2,88 и плотностью 1,25. Эти изделия имеют
коэффициент теплопроводности при 25°С и объемной массе 250—
420 кг/м3 соответственно 0,08—0,112 Вт/м-°С (0,069—0,097 к к ал /м -ч -Х ).
Температура возможного их применения: на тугоплавкой глине 1100°С,
на бентонитовой глине 1000°С, на глиноземистом цементе 900°С, на
жидком стекле 650°С и на портландцементе 400°С. предел прочности при сжатии
(3 31) • 105 Н/м2 (3—31 кГ/см2) при объемной массе
280 и 500 кг/м3.
/ /л
Таблица
л л л
А
Л Л ^
#
О
36
Свойства вермикулитов на портландцементе
Расход материалов на 1 м* бетона
Состав
(цемент:
вермику­ вспученлит)
портланд­
кого
вер­
по объему микулита, цемента,
воды, л
кг
Л
|
1:10
1: 6
1: 4
1: 2
7-558
1300
1300
1300
1300
120
200
300
600
385
395
410
455
Свойства бетона
объемная
масса,
кг/м*
предел прочности
при сжатии 10* Н/м*
(кГ/см*)
310
390
500
880
2
7
13
35
1
коэффициент тепло­
проводности, Вт/м*°С
(ккал/М'Ч*С)
0,088
0,106
0 ,1 3
0 ,1 9
(0,075)
(0,092)
(0,11)
(0,165)
193
Разработана технология цементных вермикулитобетонов: теплоизо­
ляционных объемной массой 300—600 кг/м3 и с пределом прочности при
сжатии (2—20) • 10s Н/м2 (2—20 кГ/см2); теплоизоляционно-конструктив­
ных с объемной массой 800— 1300 кг/м3 и с пределом прочности при сж а­
тии (35— 100)-105 Н/м2 (35— 100 кГ/см2) . По рекомендации К. Н. Дубенецкого и А. П. Пожнина следует применять для автоклавных вермику­
литобетонов цементы, активно твердеющие при автоклавной обработке
(пуццолановый портландцемент), а в случае естественного твердения
или пропаривания — обычный портландцемент. Состав вермикулитобетона, расход материалов и свойства его приведены в табл. 36.
Вермикулитобетонные пластичные массы характеризуются глубиной
погружения стандартного конуса 8— 10 см, а жесткой консистенции —
2—4 см. Вспученный вермикулит вводят в мешалку в предварительно
приготовленную смесь из вяжущего вещества и воды, но при жесткой
консистенции сначала смешивают сухие материалы, а затем добавляют
воду. Укладку бетонной смеси производят аналогично принятой в техно­
логии тяжелых бетонов, однако продолжительность вибрирования огра­
ничивают до 30—45 с и для тощих составов — до 60 с (подробно см.
[44]). ...
#
Г лава
V!
ЯЧЕИСТЫЕ БЕТОНЫ И ЯЧЕИСТЫЕ СИЛИКАТЫ
§ !■ Виды и свойства ячеистых
бетонов и силикатов
Ячеистые бетоны представляют собой искусственные каменные ма­
териалы, имеющие наряду с обычными порами (поры геля, контракционные, капиллярные, условно-замкнутые и дефекты структуры цементного
камня) цементного камня макропоры ячейкового вида. Последние полу­
чаются в результате затвердевания поризованной после затворения во­
дой смеси цемента, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и
порообразователя, иногда с добавлением извести и гипса.
Ячеистые силикаты (ячеистые силикатные бетоны, газосиликаты и
пр.) представляют собой искусственные каменные материалы, имеющие
наряду с капиллярами и другими видами пор макропоры ячейкового ви­
да, получающиеся в результате гидротермального синтеза исключитель­
но в автоклавах из известково-кремнеземистой тонкодисперсной смеси,
иногда с добавлением до 10% цемента и 3—5% полуводного гипса.
Ячеистые бетоны и ячеистые силикаты делят на теплоизоляционные
с объемной массой в сухом состоянии не более 500 кг/м3, теплоизоляци­
онно-конструктивные — 500—900 кг/м3 и конструктивные — 900_
1200 кг/м3.
В зависимости от вида примененного порообразователя и добавок
ячеистым бетонам и силикатам присваивают следующие названия: газо­
бетоны, газосиликаты, пенобетоны, пеносиликаты, пеногазобетоны и пеногазосиликаты, газошлакобетоны, газозолобетоны, пенозолобетоны,
керамзитопенобетоны, керамзитогазобетоны, пемзобетоны, аглопоритопенобетоны и т. п. К ячеистым бетонам относится и поризованный керамзитобетон.
По характеру твердения различают ячеистые бетоны: а) естествен­
ного твердения; б) твердеющие при атмосферном давлении в камере
пропаривания, термореактивных формах, специальных формах с элект­
роподогревом и т. п.; в) автоклавные, получаемые в среде насыщенного
пара, или насыщенного, а затем перегретого пара высокого давления,
в том числе в автоклавах, оборудованных источниками нагрева; г) кар­
бонизированные, затвердевающие в герметизированных камерах при
воздействии углекислого газа; д) комбинированного твердения, т. е. при
различном сочетании способов а—в.
Прочность и марка ячеистых бетонов. Ячеистый бетон выпускают
различных марок, которые зависят от контрольной характеристики
Rem- Под Rem принимают наименьшее из значений условно принятого
интервала предела прочности при сжатии, в который укладывается вели­
чина предела прочности при сжатии трех образцов-кубов размером
10X10X10 см или образцов-цилиндров диаметром и высотой 100 мм, вы­
сушенных до постоянной массы (ГОСТ 12852—67).
Для ячеистого бетона интервалы пределов прочности при сжатии
установлены следующие: 35—50; 50—75; 75— 100; 100—150 и т. д. Напри­
мер, если беж—64• 105 Н/м2 (64 кГ/см2), то R cж ячеистого сухого бетона
будет равно 50, но если бСж =70-105 Н/м2 (70 кГ/см2) , то R cж ячеистого
бетона будет 75, так как допускается отклонение от нормативного преде­
ла прочности при сжатии ± 10%.
Ячеистый бетон с контрольной характеристикой R cж 35* 105, 50- 10б;
75* 10s; 100• 10s и 150-10® Н/м2 (кГ/см2) имеет соответствующие марки 25*,
35, 50, 75 и 100, нормативную объемную массу в сухом состоянии 700,
850, 1050, 1150 и 1350 кг/м3 для армированных конструкций и 650, 800^
950,1050 и 1250 кг/м3 для неармированных.
7*
195
Оценка прочностных свойств ячеистых бетонов производится также
в соответствии с ГОСТ 11118—65 по значению коэффициента конструк­
тивного качества A = R Cж /ү о б .с у х , где R cж — предел прочности при сжатии
образцов, Н/м2 (кГ/см2) и үоб.сух — объемная масса ячеистого бетона в
высушенном до постоянной массы состоянии, т/м3. По указанному выше
ГОСТу, коэффициент А для теплоизоляционно-конструктивного ячеисто­
го бетона не должен быть меньше 100. На передовых заводах изготав­
ливают ячеистые бетоны и ячеистые силикаты с коэффициентом конст­
руктивного качества Л = 120— 150, вследствие чего имеется возможность
снизить и нормативную объемную массу с 700 до 485 кг/м а, а следова­
тельно, облегчить строящиеся из ячеистого бетона и газосиликата зда­
ния, уменьшить затраты материалов и денежных средств.
Таблица
37
Свойства теплоизоляционных ячеистых бетонов
Вид ячеистого бетона
Пенобетон
......................
То ж е . ..............................
Г а з о б е т о н ..........................
То ж е ...................................
Г а з о с и л и к а т ......................
То ж е ...................................
Средняя
объемная
масса >
кг/м 3
485
450—500
453
Д о 400
443
Д о 400
Средний предел проч­
ности при сжатии,
10» Н/м2 (кГ/см2)
8 ,9 9
9 ,7
10,4
И
13,4
14,3
Коэффициент конст­
руктивного качества
Л —^ с ж ^ о 5 . сух
Максимальное
значение
коэффициен­
та А
3 8 ,4
43
5 0 ,5
61
69
89
94
110 118
100 124
112
Пенобетон (табл. 37) отличается большей объемной массой, чем
газобетон и газосиликат, и низким средним пределом прочности при
сжатии главным образом потому, что его твердение происходит в пропа­
рочных камерах или при избыточном давлении всего лишь (4—5) • 105
Н/м2 (4—5 кГ/см2), а на 2/ з заводов он изготавливался из портландце­
мента без молотого кремнеземистого компонента.
Теплоизоляционно-конструктивный газобетон и газосиликат на оте­
чественных заводах выпускают преимущественно объемной массой
Үоб.сух=600—700 кг/м3 и Rcm= (40—6 0 ) • 105 Н/м2 (40—60 кГ/см2) и
более.
При расчете конструкций принимают значения пределов прочности
на сжатие ячеистого бетона, имеющего влажность после длительного
пребывания в естественных условиях, умноженные на коэффициент од­
нородности. Обычно средняя влажность для ячеистых бетонов на квар­
цевом песке равна 8%, а на золе — 15%. По данным А. Г. Дворядкина,
предел прочности при сжатии с содержанием влаги 4—6% и 14— 17%
снижается соответственно: в газобетоне объемной массой 560 кг — на 13
и 11%; в газосиликате объемной массой 535 кг/м3 — на 16 и 30%; в газозолосиликате объемной массой 320 кг/м3 — на 21 и 39%.
По ГОСТ 12852—67 отпускная прочность при сжатии влажных об­
разцов не должна быть ниже R cж , умноженной на коэффициенты: 0,85;
0,82; 0,78 и 0,75 соответственно при влажности 8, 10, 12, 15—25% (по
массе).
Показатель однородности по пределу прочности при сжатии при
современной литьевой технологии составляет не более 0,45. В этом слу­
чае расчетное сопротивление газобетона объемной массой 560 кг/м3 со­
ставит Я с ж = 6 с ж 0,87-0,45 = 4 6 -105-0,87-0,45 = 18 -105 Н/м2 (18 кГ/см2).
Применение вибрационной технологии и поверхностно-активных ве­
ществ позволяет даж е в массивах высотой 500—600 мм получать ячеис­
тые бетоны с коэффициентами однородности по прочности при сжатии
0,56—0,67.
Предел прочности при сжатии ячеистых бетонов перпендикулярно
слоям Я с ж х выше на 20—25% предела прочности при сжатии парал196
лельно слоям /?сж D. Предел прочности на растяжение при изгибе /?изг
составляет 0.53—0,56, а предел прочности на растяжение методом рас­
калывания і?раск=0,14—0 , 16 Ясж при у Об .сух= 720 кг/м3, 0,08— 0,09 при
литьевой технологии и 0,15 0,18 при комплексной вибротехнологии и
Үоб.сух =780- 830 кг/м3.
Коэффициент теплопроводности ячеистых бетонов в сухом состоя­
нии при 18°С равен или меньше значений, указанных в табл. 38.
Таблица
38
Коэффициент теплопроводности
ячеистых бетонов
Объемная
масса, кг/м3
Коэффициент теплопроводности, Вт/м*°С
(ккал/м*ч-°С)
Прирост коэффициен­
та теплопроводности,
170—200
300—400
500
600
700
800
900
0,15
0,175
0,186
1000
0,21
0,062 (0,053)
-0 ,1 0 5 (0 ,0 8
- 0 ,1 3
(0,1
0,145 (0,124)
0,163 (0,130 ,2 (0,15
0 ,23 (0,16
0 ,2 6 (0,18
8,2
7 .2
6,75
6 .3
4 ,5
4 ,25
4
0,093
0 ,1 1 6
0,09)
0 , 11)
0,14)
0,17)
0,2)
0 , 22)
Коэффициент
о/о/
(ккал/м-ч-°С), влажного
формуле
лсух 1 +
Щ ; оw
100
где 8w — прирост коэффициента теплопроводности на 1% объемной
влажности, %; Wo — влажность бетона, % по объему, принимают
400=8 /о;
“Wo6^cyx_ о/
0
тол
/0
у
_______________________________ II000_______________________________
иУ — влажность по массе.
Фактическое водопоглощение и влажность по объему при 80 и 97%
относительной влажности воздуха при объемной массе 300 кг/м3 состав­
ляют 1,5—2%, при объемной массе 500 кг/м3 — 2,9—6,2% и пои
700 кг/м3 — 5,2 — 12%.
Линейная усадка ячеистого бетона объемной массой 600—800 кг/м3,
твердевшего в естественных условиях в возрасте 10 мес., может достигать
5 мм/м, а при объемной массе 1300 кг/м3 — 0,2 мм/м. Усадка автоклав­
ных ячеистых бетонов үоб.сух=700 кг/м3 при достижении ими влажности
2—3% по массе составляет: для газобетона — 0,4—0,5 мм/м, газосиликата и газозолосиликата — 0,5—0,6 мм/м. Карбонизация атмосферной
углекислотой может вызвать дополнительную усадку соответственно
1 мм/м и 1,4— 1,8 мм/м.
Линейная усадка при высыхании ячеистого бетона до 1 0 % по массе
при ү Об.сух=700 кг/м3 на 1 масс. ч. снижения влажности составляет для
газобетона 0,0143— 0,0147 мм/м и для
газосиликата — 0,0147 —
0,017 мм/м, а при высыхании ниже 1 0 % для газобетона — 0,048
0,06 мм/м и для газосиликата — 0,195— 0,09 мм/м.
Если при высыхании наблюдается усадка, то при увлажнении про­
исходит разбухание ячеистого бетона, которое с известной погрешностью
может приниматься несколько меньшей по значению, но обратной по
знаку.
197
Коэффициент температурного линейного расширения k a при нагреве
ячеистых бетонов колеблется от 8-106 до 14* 106°С—1 или 0,008—
0,014 мм/м*°С.
Д ля газозолобетона &л определяют по следующим формулам: при
отрицательных
температурах
кл = 8, 0 4 + 0 ,316о>+ (0,064—0,004ш +
+ 0 ,002а;2) / и при положительных кл —8,04—0,182да+0,005гг»2+ (0,064—
—0,005ш+0,00007а»2) t, где w — объемная влажность, %.
Прочность сцепления ячеистого бетона с арматурой по данным
В. П. Куприянова при үОб.сух=700—850 кг/м3 составляет 1,6—2,5 МН/м2
(в 3 и 6 месяцев после изготовления). Антикоррозионная обмазка сни­
жает прочность сцепления на 20—50%.
Морозостойкость — способность насыщенного водой материала вы­
держивать многократные замораживание и оттаивание без значительно­
го уменьшения прочности. Морозостойкость определяют путем попере­
менного замораживания и оттаивания насыщенных водой образцов,
причем в зависимости от числа выдержанных циклов различают
материалы следующих марок: Мрз10, Мрз15, Мрз25, Мрз35, Мрз50, Мрз100,
Мрэ 150 и Мрз200.
Причиной разрушения материала из-за попеременного воздействия
положительных и отрицательных температур считают увеличение объ­
ема воды при замерзании примерно на 9%. Предполагают, что морозо­
стойкость цементного камня определяется характером пористой струк­
туры материала и адсорбционными свойствами внутренней поверхности
пор. Так, Г. И. Горчаков считает, что морозостойкость зависит от соот­
ношения различных групп пористости: капиллярные поры размером
М ( Н —50-10 4 см, в которых вода замерзает при (—6) — (—8°) С;
контракционные поры, куда отжимается при замерзании влага из капил­
лярных пор; поры геля размером 15 • 10-8—40 • 10-8 см, где вода замерза­
ет при очень низких температурах — менее —40° С.
Литван (Канада) утверждает, что гидравлическое давление не раз­
вивается в бетоне вследствие увеличения объема воды при ее переходе в
лед, а возникает в результате изменяющегося взаимодействия между
цементом и переходящей в твердое состояние адсорбируемой им воды.
Гидравлическое давление развивается при взаимодействии воды с по­
верхностью твердого тела и морозостойкость зависит от свойства этой
поверхности, т. е. от химического состава цементного камня.
Звукопоглощение характеризуется коэффициентом звукопоглоще­
ния — отношением доли звуковой энергии, поглощаемой материалом, ко
всей звуковой энергии, приходящейся на поверхность материала. В на­
шей стране наибольшее распространение получили следующие декора­
тивные звукопоглощающие плиты: «силакпор» объемной массой 300—
350 кг/м3 с коэффициентом звукопоглощения (в диапазоне частот 200—
4000 Гц) 0,3—0,8; из газосиликата объемной массой 500—600 кг/ма с
коэффициентом звукопоглощения (в диапазоне 500—4000 Гц): макро­
пористые плиты 0,6—0,9, микропористые плиты — 0,2—0,3. Большое зна­
чение имеет характер и коэффициент перфорации. Плиты «силакпор»
имеют перфорацию из параллельных борозд.
§ 2. Физико-химические процессы,
происходящие при производстве ячеистых
бетонов и силикатов
Основными этапами производства ячеистых бетонов и ячеистых си­
ликатов являются: подготовка сырьевых материалов, кремнеземистого
компонента, известково-кремнеземистого вяжущего иногда с портланд­
цементом и арматурой;^ получение пластичной массы; вспучивание мас­
сы; приобретение массой прочности для возможности срезания горбушки,
разрезки на изделия и транспортировки; отвердение массы в естествен­
198
ных условиях, при пропаривании, автоклавной обработке (запаривании),
карбонизации; охлаждение и высушивание полученных изделий; калиб­
ровка изделий; отделка изделий.
Подготовка сырьевых материалов заключается в помоле песка, золы
и других кремнеземистых компонентов, обычно осуществляемых в шаро­
вых мельницах иногда с добавлением поверхностно-активных веществ
(ПАВ) и извести. На заводах газосиликата размалывают смесь извес­
ти с песком для получения так называемого вяжущего с высоким содер­
жанием в этой смеси активного СаО (30—40% к массе). Введение сухих
поверхностно-активных веществ интенсифицирует помол кремнеземисто­
го компонента, так как они, как это было показано впервые академиком
П. А. Ребиндером, понижают сопротивляемость размолу измалываемых
минеральных материалов.
Помол влажного песка с негашеной известью вызывает гидратацию
(гашение) последней в количестве, зависящем от содержания песка и
воды в нем,
СаО + Н20 = Са (ОН)2 + q.
При гидратации 1 кг СаО выделяется 1150 кДж (276 ккал) тепла.
На гидратацию 1 кг СаО требуется 0,18 л воды, а 1 кг минералов цемен­
та выделяет тепла (кДж или ккал): СзБ- ’’СзБНз—500(120); C2S *
- * C 2SH2—260(62); ОзА—К : 3АН6—900(214); С3А—*С3АН8—985(235);
С3А— >СзАН0,2— 1050(251); СзА—>С 3АНП,6— 1090(261); С3А—>СзАХ
X 3 C a 0 S 0 432H20 — 1455(347) и C4AF—419(100).
При формовании массивов из ячеистой массы с применением нега­
шеной извести может выделиться большое количество тепла, в результа­
те чего температура вспучивающейся газосиликатной массы превысит
допустимую
t max м
^экз + t нач>
температура массы после экзотермического выделения тепла;
где щэкз
°С; /нач начальная температура материалов и воды, °С.
Начальную температуру массы определяют по формуле
t нач.
*нач. тв 1 1 + И + Я Ш Ё І *нач. в В с В
м
(Ц +
ГДе ^нач.тв И ifнач. в
е%
И + П) Cjb +
экз
Всв
max м
нач. м’
начальная температура твердых компонентов и во-
ды, °С.
--- «г
л
температу-
lie /щах Mi определяют по формуле
И нег
^экз ҚЦ ~Ь И -f- П) ств -Ң В св] — Ц • <7эк3
•4изв ' 276
где Ц, И и П — расход на 1 м3 газосиликата цемента, извести и песка,
кг; ств и св — теплоемкость твердых веществ и воды, Дж/кг • °С
(ккал/кг • °С); qaKa— экзотермическое выделение при гидратации цемен­
та, Дж /кг (ккал/кг); А тв — активность извести, доли.
Теплоотдача через стенки формы влияет на температуру массы в
момент вспучивания незначительно, снижая температуру fmaXM на
2—3°С.
В подготовку стальной арматуры для армирования ячеистобетонных
конструкций кроме обычных операций, применяемых в железобетонной
технологии, входит нанесение на поверхность стержней антикоррозион­
ного покрытия: цементнобитумного толщиной 0,3—0,4 мм или 0,2 мм при
нанесении в электростатическом поле; полимерцементной обмазки, изго­
тавливаемой из портландцемента, карбамида (мочевины), казеина и
199
воды в соотношении — 1 : 0,02 : 0,05 : (0,30 — 0,45); цементно-полистирольного с применением в качестве растворителя скипидара.
В зависимости от состава применяемого антикоррозионного покры­
тия в нем при изготовлении и отвердении протекают следующие процес­
сы, имеющие: а) физический характер — растворение, разжижение, ис­
парение воды и органических растворителей, отверждение битумных
эмульсий и пасты в результате тепловой обработки, обработка в элект­
рическом поле, адсорбция антикоррозионных масс поверхностью арма­
туры; б) физико-химический характер — гидролиз и гидратация цемен­
та, приготовление битумных и полимерных эмульсий и паст, твердение
портландцемента, коагуляция эмульсий, полимеризация полимеризационных смол и поликонденсация поликонденсационных смол; в) химиче­
ский характер — взаимодействие лимонной кислоты с нитритом натрия.
Получение пластической массы. Пластическая масса для ячеистых
бетонов представляет собой высококонцентрированные суспензии, полу­
чаемые в результате тщательного перемешивания в специальных мешал­
ках компонентов рационально подобранных смесей. В эти смеси вводят
воду, газообразующие и пенообразующие вещества или заранее при­
готовленную пену. Воду вводят в таком количестве, которое позволяет
получать массу с достаточной текучестью при заполнении форм, а при
наличии в ней газообразующих или вспенивающих веществ — хорошую
вспучиваемость или вспениваемость.
В случае применения гидродинамических смесителей или виброгазобетономешалок ячеистобетонная масса может содержать значительно
меньшее количество воды, чем при получении массы в обычных газобетономешалках при литьевой технологии.
При использовании виброгазобетономешалок или других активно
перемешивающих механизмов, несмотря на относительно малое содер­
жание воды, ячеистобетонная масса некоторое время имеет достаточную
для заполнения форм текучесть в результате тиксотропного разжижения
в процессе интенсивного перемешивания. Однако на практике в этом
случае формование изделий производят с применением вибрации, гидропульсационного воздействия, раскачивания и других способов интенсив­
ного формования.
Приоритет применения вибрационных и другого рода динамических
воздействий, включая и барботирование, в технологию ячеистых бетонов
принадлежит Советскому Союзу.
В ряде случаев в ячеистобетонную массу вводят поверхностно-ак­
тивные воздухововлекающие вещества. В частности, в МИСИ
им. В. В. Куйбышева разработана технология производства ячеистого
бетона из аэрированных смесей методом пенной флотации.
Родоначальником физико-химической механики академиком АН
СССР Петром Александровичем Ребиндером разработаны методы опре­
деления реологических свойств упруго-вязко-пластичных систем. Мно­
гими другими исследователями
(Г. Я. Куннос,
Б. Я. Линдерберг,
Д. Г. Земцев, X. X. Хашкулов, , В. П. Скрипник, Л. М. Розенфельд,
Б. А. Черемский и др.) определены реологические свойства ячеистобе­
тонных масс: пластическая прочность, пластическая (бингамова) вяз­
кость, предельное напряжение сдвигу, расплыв по Сутторду.
Пластическая прочность Рт характеризует прочностные свойства
ячеистобетонного сырца. Д ля определения ее значения пользуются ры­
чажным коническим пластометром МГУ. Конус прибора силой Р вдав­
ливается в ячеистобетонную смесь до полного совпадения плоскости
основания 1 конуса 2 с поверхностью смеси 3 (рис. 71). Некоторые ис­
следователи (Куннос Г. Я., Рандма X. В. и др.) называют такие испыта­
ния при помощи конического индентера пенетрометрическими. Пласти­
ческую прочность (Н/м2 или кГ/см2) массы вычисляют по формул©
П. А. Ребиндера
200
Р т = k а ДР2 9
К = — cos2 “тг c^g
Р — усилие, Н (кГ ); Һ — глубина погружения
конуса, см; а — угол в осевом сечении при вершине конуса, град; при уг­
ле 2 а= 6 0 ° кь — 1.
Ha рис. 72 приведены данные о пластической прочности ячеистых
масс при изготовлении газобетона и газосиликата объемной массой
650—700 кг/м3, причем газобетон изготавливался из цемента М500 с
молотым песком удельной поверхностью 2300 см2/г, а газосиликат — при
20% -ном содержании актив­
ной окиси кальция. Линия 2 ^
относится к газобетонной
массе, подвергнутой вибра- ^
ции в течение 8— 12 мин, а ^
линия 4 — к газосиликатной ^
массе, которая вибрирова&
лась 5—8 мин после заполнения формы. Параметры
§
Продолжительность Выдерживания мисси
с момента затворения Водой, мин
Рис. 71. Конус для определения
пластической прочности
Рис. 72. Изменение пластической прочности ячеистых масс:
/,
2 — газобетонная масса с В/Т 0,44 и 0,32;
3, 4 — газосиликатная масса с В/Т 0,57 и 0,36;
5 - разрезка сырца по данным В. И. Бочкова;
6 - внброрезка сырца по данным И. А. Ива­
нова; Стрелки показывают время окончания
вспучивания
вертикального вибрирования: и —2800 кол/мин, а =0,4 мм. Для перевода
значений Рт в значение предела прочности при сжатии R Cm величина
Рт умножается на установленный опытами коэффициент, равный
0,32—0,5.
Исследования (В. И. Бочкова), связанные с нарастанием пластиче­
ской прочности со временем подвергаемого разрезке на изделия (рис. 73)
массива сырца длиной 6,3 м, шириной 1,68 м и высотой 1,6 м, показали,
что в различных местах массива пластическая прочность неодинакова и
зависит главным образом от температуры материала в различных точ­
ках массива. По величине значений пластической прочности судят о
наилучшем времени для снятия стенок форм, срезания горбушки или ее
прокатывания, а также разрезки на изделия (табл. 39).
Показатель пластическая прочность является условным и величина
его в 25—30 раз превышает по данным некоторых исследований пре­
дельное напряжение сдвигу то ячеистобетонных масс.
Пластическая (бингамова) вязкость г)Пд характеризует связность и
прочность структуры ячеистобетонной массы. Поскольку ячеистобетон­
ная масса может рассматриваться как структурированная жидкость, то
на нее распространяется реологическое уравнение пластического тела
Шведова — Бингама — Волоровича. Вязкость в таких телах при раз­
личных градиентах скорости имеет неодинаковое значение.
201
Поскольку пластическая вязкость представляет сумму значений пре­
дельного напряжения сдвигу то и произведения ньютоновской вязкости г)
на градиент скорости чувствительного элемента dwjdx, то при изучении
Рис. 73. Нарастание пластической прочности массива сырца высотой
1600 мм во времени при выдержке:
а — в естественных условиях; б — в камере
ре 75° С
микроклимата
при
температу­
реологических свойств ячеистобетонных масс обычно кроме пластической
вязкости определяют •значение предельного сопротивления сдвигу то,
которое характеризует величи^
ну статического давления, вы­
зывающего начало движения
пластично-вязкои массы.
Схема возникновения на­
пряженного состояния в приле­
гающей к ячеистой поре массе
приведена на рис. 74. При взаи­
модействии комочка
частиц
алюминия 1 с гидратом окиси
кальция 2 выделяется водород,
образующий пору 3 в массе 4.
При этом на стенки этой поры
действует сила 5, которой про­
тиводействует сила 6 предель“
ного напряжения сдвигу то. По----- \
еле того как сила 5 преодолеу
вает силу 6, прорыву объема
3
4
водорода (все увеличивающеРис. 74. Схема напряженного состояния в
ГОСЯ в результате продолжаюпоре ячеистобетонной массы
щейся
химической реакции
взаимодеиствия алюминия с
гидратом окиси кальция) противодействует вязкость т^пл 7 еще не схва­
тившейся массы, которая наряду с пластичностью обладает и упруго­
стью. Однако по капиллярам 8 часть газов 9 все же может уйти, не про­
изводя вспучивания.
Определение величин предельного напряжения сдвигу то и пласти­
ческой вязкости т|пл ячеистобетонной массы производится в интервале
от начала вспучивания до достижения: ею пластической прочности.
202
<D
Я
*
CO
О
о
я
X
>»
-SB
X
X
zf
ca
g:
X
«У
s
о
*
R
3ex
о
H
о
<
a
о
к
5S
к
u.
n
О
0о3 EC 0
»5 О
05 Cl
sr
о
IQ
£
X
CU
О
u
o <u
со
(DU
H
C0
Ю
U CO
С
0О
к
о
о
о
>>
К
о
СП
со
со
^ ш
w • ^CU
5^ н^
. и
CQ о
си
л
И
К
с
I
в?
X
СО
I
& S2
СО Я
2
о
ив
«я
2
X
«Э
О
со X
S
о.
с
СП
X
«
2Н
-
о
S
к
н
и
о
X
ВГ
о
о.
с
•S
о
я
о
4>
X
S
н
о
сб
*3
53
ю
о"
I
тг
о"
г^
о 0*
о
ю
о"
О
Си,—Ч
о в
о в в
0 В
0
в S3
си £>
о с
са я X
Xя 3
p i
a
с
s
«о
X «о
I а
и >*
Ю
1^.#Ь
О
хO.Q
Ъ
юФ
к
о
С й
о
о
Q.
о
•Ө*в>
о х
«в р
I
яК ^
си
с
о
о
1
ю
сч
оА
о
А
О
&
X
<и
g
1
о 1
со'
f-»
О?
#
® 'с ?
с
« < с
CQ
rt*•ъ
о
1
ю
•■н
«4
О
•I
I
(
си
о
со
сч о
си о
о
>о к о ■§■ о
SS
ОXо о S®
я Щ
<и
а
«?
2 оо
со SCO
о
сг
со
рХ I "
X
к
о
О
о в
CQ
0
ю
сч
о
§
о
о
н
ясо
А
яя
X
ео
О
с
•в
3
в
в
а>
Й
о
н
&
U
'в
_.
;
о g
LЯо
СЧ
«О
О
II
н
Й*
х
си
с
33
он
8
СО
U
1
I
1
со
§
В
53
юш
о
св
Я
к
S
9_
S и л
к£ а *
О*Й
О- ^^
X
в
5
я
с
к
си
в
и
СЧ
О
2
О
в
4»
О.
со
CQ
О
в
>ъ
- sr
a * s.
к
S
X
4)
sr
св
в0)
4)
3
2
о
сво
т>
(й
о
в
2?
в41
S
Я
S
S
X
си
и
принимается в пределах 38-44 см по Суттарду,
СЧ
CD
^ 4
0о
X
»я
в
Оо
и
к
«С
о .
О
а
В
4
CO
CQ
о
в
В
* §
й *
ж н
Xо
*=5 Оь сч
В ХО
2
в
В
со
0 «В
и о
■
я
р
CQ h i
К 4*
к
к
® §
&■ Ія
о о
a *
и
t
II
о
со
ю
Й
II
N
II
к
>*
V
я
2
и
в
#
'в
вси
0
?—
•В
в
в
и
в
4)
в
>*
U
»в
3
в
0
О
а.
о
в
к
&
'в
В
о
о
п
во
2
и
В
И. А. Мысатова, в конце вспучивания текучесть массы
и
CQ
По данным
CQ
°
0
203
На рис. 75 представлен график изменения значений пластической
вязкости г)пл и предельного напряжения сдвигу то, измеренных на рео­
метре. Работа последнего основана на использовании метода тангенци­
ально смещаемой рифленой пластинки. Исследования осуществлялись
на массах, изготовленных по литьевой и виброкомплексной технологии
из известково-песчанои смеси, содержащей 20% активной окиси каль­
ция. Масса с В/Т = 0,57 полностью
вспучивалась
через
40
мин
после
5*
ее изготовления, причем пластическая вязкость ее к этому мо111
менту достигла
1,7-105 Нс/м2
//
была
(1,7-106
пз),
а
в
начале
§
0,25-105 Нс/м2 (0,25-106 пз). З н а­
чение предельного напряжения
см
I
I
5<о:
сдвигу
массы
к
концу
вспучива­
a
я I 15r
ния составило около 150 Н/м2
f
(1,5 - 103 1500 дин/см2), в нача& %\ t/4
ле
вспучивания
35 Н/м2
/Л I/J
<5»
(350 дин/см2).
'$*12
1
Из
массы
с
В/Т
0,36
изго7
/
^//
/
I
"
тавливался газосиликат с приме­
т
/А
4
нением вибрирования в момент
^ 0 I 9
Периоды
изготовления массы, а также при
формовании — вспучивании.
%1
На
рис.
75
показаны
периоды
•5: 6
характерных изменений реологи­
£ 5
ческих о свойств газосиликатной
ячеистои массы:
1 ‘
период А - масса вылита в
форму при Лпл = 2,1-105 Нс/м2
1
(2,1 - 106 пз) и
То = 1 8 0 Н/м2
о
(1800 дин/см2);
период Б, наступивший через
Время, мин
5—8 мин после заполнения форРис. 75. Изменение вязкости и предель­
мы,
—
масса
в
форме
вибрированого напряжения сдвигу газосиликатной
лась: т)пл 5 ’ 102 Нс/м2 (5 - 103 пз)
массы со временем:
т0= 0 ;
1 и 3 — вязкость и предельное напряжение
сдвигу при В/Т=0,57 и литьевой технологии;
период В продолжительно­
2 и 4 — то ж е, при В/Т=0,36 и комплексной
вибротехнологии. Стрелками указано оконча­
стью 3 мин, после прекращения
ние вспучивания
вибрирования началось тиксотропное восстановление до вязкости
т)пл=1,7*105 Нс/м2 (1,7* 106 пз), при которой закончилось вспучивание
массы с В /Т =0,57; значение То=170 Н/м2 (1700 диң/см2);
период Г — тиксотропное восстановление структуры массы до на­
чальной вязкости (см. период А ), продолжительность его после прекра­
щения вибрации — около 9 мин;
период Д — дальнейшее тиксотропное восстановление структуры.
Опыты показали, что тиксотропное восстановление пластической вязко­
сти происходит тем быстрее, чем выше была частота колебаний. Так,
вязкость массы через 2 мин после прекращения вибрирования
Э,4*105 Н -с/м 2 (0,4-106 пз), когда частота колебаний п = 2870 кол/мин и
амплитуда Л = 0 ,4 8 мм и 1,7-105 Н с/м2 (1,7-106 п з ) — при п =
= 5700 кол/мин и А 0,18 мм.
Известково-песчаные и цементно-песчаные растворные композиции
являются тиксотропными системами, способными к изотермически обра­
тимому превращению золя в гель.
Применяя вискозиметры с большой скоростью перемещения (боль­
шим градиентом скорости) чувствительного элемента (шарика, коакis
‘
V
01
сильного цилиндра и др.), исследователи измеряют пластическую вяз­
кость массы, разрушенную этим чувствительным элементом. Необходимо
же измерять вязкость неразрушенной структуры, что достигается при
небольших скоростях перемещения чувствительного механизма порядка
0,015—0,3 см/с.
Вспучивание и вспенивание. Вспучивание ячеистобетонной или яче­
истосиликатной массы происходит в результате увеличения объема газа,
образующегося на поверхности равномерно распределенных микроча­
стичек газообразователя в несхватившейся, но имеющей для предотвра­
щения прорывов газа достаточную пластическую вязкость массе.
В момент вспучивания происходят: химическая реакция между газообразователем и активно действующим на него компонентом с выделе­
нием газа; физический процесс расширения образующихся микропор в
результате возникающего давления газа на стенки пор и прилегающую
к ним ячеистобетонную массу и физико-химический процесс схватыва­
ния ячеистобетонной массы, в результате главным образом увеличения
удельной поверхности массы, начинающийся сразу же после приготов­
ления массы и начала ее вспучивания и заканчивающийся через неко­
торый промежуток времени, но обязательно после окончания вспучи­
вания. Схватывание, наступающее ранее окончания вспучивания, вызы­
вает растрескивание схватившейся массы, однако к моменту прекраще­
ния вспучивания масса должна иметь достаточную пластическую проч­
ность с тем, чтобы не происходила подсадка массы после вспучивания
последней.
При применении алюминиевой пудры совместно с гидратом окиси
кальция образуется водород в результате прохождения следующей хи­
мической реакции:
2А1 + ЗСа (ОН)2 + 6Н20 -> ЗСаО • А120 3 ■6Н20 + ЗН2 +
Ц 1250 Дж/г • моль (300 ккал/г • моль).
На 1 г алюминия расходуется: Са(ОН)г—222,3/54=4,12 г; воды —
2 г; водорода выделяется ЗНг/2А1 = 6/54 = 0,112 г.
Так как объем 1 г водорода при 0,1 МН/м2 (760 мм рт. ст.) и 0°С со1 - 2 2 , 4 - 7 6 0 ( 2 7 3 + 0)
1l o
*
„
с т а в л я е т --------------- 1--------- - = 11,2 л*, то в результате химическои ре2 * 273
акции из 1 г алюминия выделится водорода: 11,2*0,112=1,254 л или
1254 см3. При 50°С объем водорода составит 1480 с м 3. Начало газовыделения и вспучивания массы наступает при определенной начальной
концентрации водородных ионов (pH) массы. Например, рН =12,9 при
извести гашеной и p H ^ 8 — при применении извести негашеной и тем­
пературе 40°С в начале вспучивания.
В тех случаях, когда вместо Са(ОН)г применяют едкий натр, реак­
ция проходит по следующему уравнению:
2А1 + 6NaOH + лН 20 = 3Na20 ■А120 3 • л Н 20 + ЗН2.
Тогда на 1 г А1 требуется 240[/54 = 4,4 г NaOH, а при 50°С объем
водорода составит 1,48 л. Едкий натр иногда вводят в газобетонную
массу для интенсификации процесса вспучивания и схватывания.
Следует иметь в виду возможность образования из водорода и кис­
лорода гремучего газа, могущего при искрении вызвать взрыв. В качест­
ве примера следует указать на возникновение взрыва в результате по­
явления искры при очистке ломом газобетономешалкн.
Известны также не получившие широкого применения ряд других
газообразователей: ферросилиций (ҒеЭіг) с едким натром, водой и вы­
делением водорода; пергидроль (Н 2О 2 ) с выделением кислорода; пере­
кись водорода (Н 2О 2) с хлорной известью [СаС1(ОС1)1 и выделением
• В этой формуле 22,4 — число Авогадро, 2 — молекулярный вес водорода.
205
кислорода; карбид кальция (СаСг) с водой и выделением ацетилена
(СгН2) ; цинковая пудра (Zn) с водой и выделением водорода.
Схема физического процесса расширения пор показана на рис. 74.
Приобретение ячеистобетонной массой прочности для возможности
срезания горбушки и разрезки на изделия происходит в результате про­
должающегося физико-химического процесса схватывания и начавшего­
ся процесса твердения (если в массе содержится достаточное количество
портландцемента). При наличии в массе негашеной извести упрочнение
структуры ячеистосиликатной массы происходит в результате увеличе­
ния удельной поверхности извести.
О характере изменения значений пластической прочности, пласти­
ческой вязкости и предельного напряжения сдвигу со временем, в том
числе к моменту срезания горбушки, разрезания на изделия и транспор­
тирования указывалось в табл. 39.
Отвердение ячеистобетонной и ячеистосиликатной массы происходит
в результате сложных процессов взаимодействия между компонентами
фазах
чае тоже в присутствии воды.
Следует различать два характерных случая образования цементно­
го камня (третий случай — карбонизация рассматривается далее само­
стоятельно): 1. Если в композиции имеется гидравлическое вяжущее
(портландский, нефелиновый, сланцезольный портландцементы и др.),
твердение происходит в результате гидролиза и гидратации этого вя­
жущего, с обязательным прохождением стадии коллоидного состояния
(коллоидации) и последующей кристаллизации. По теории П. А. Ребин­
дера, схватывание и твердение цемента представляет комплекс процессов гидратации, самопроизвольного измельчения микрочастиц вяжущего,
образования тиксотропных структур и развития на их основе кристалли­
зационных структур гидратных новообразований, получившихся в ре­
зультате кристаллизации через пересыщенный раствор. 2. Получение
цементного (точнее силикатного) камня в результате гидротермального
синтеза, когда композиция состоит из гидрата окиси кальция и кремне­
земистого компонента (кварцевого песка, золы теплоэлектростанций
и т. п.), как это было показано Михаэлесом, основано на химическом
взаимодействии их друг с другом в среде насыщенного пара высокого
давления (в автоклавах).
В результате этого в силикатном камне содержатся наряду с остат­
ками зерен кремнеземистого компонента, гидросиликаты кальция
C S H (B ), C2S H (B ), тоберморит C 4S 5 H 5 , ксонотлит СбБбН и др.
При автоклавной обработке цементно-песчаных композиций осу­
ществляется как ускорение твердения портландцементного теста, так и
получение синтетического вяжущего в результате взаимодействия выде­
ляющейся при гидратации цемента окиси кальция с песком.
Многие гидросиликаты кальция образуются в результате химиче­
ского синтеза в гидротермальных условиях.
В
гидратированном
портландцементе
имеются
CSH
гель,
Са(ОН)г, алюминатные фазы и остатки непрореагировавших зерен порт­
ландцементного клинкера и введенных в него кремнеземистых добавок
(песчинок, зольных и шлаковых частиц и др.), образующих (по
В. Н. Юнгу) микробетон.
CSH гель (по Ф. Тейлору)
состоит из: чешуек С а(О Н )г
с диаметром более 1 мкм и шириной в несколько сотен А, которые в
свою очередь состоят из более мелких волокон, тождественных с некото­
рыми формами CSH (II), или из крученых пленок; беспорядочной мас­
сы маленьких, немного искаженных пластинок, имеющих, очевидно, диа­
метр в несколько сотен А и максимальную толщину 20—30 А.
Дж он Бернал (1900— 1971 г.) и Джеффри считают, что отвердев­
ший цемент представляет волокнообразное и сетчатое сплетение гидро­
О
206
V
силикатов кальция, каждый из которых состоит из вогнутых и свернув­
шихся листочков и ленточек. Кристаллы вырастают из цементных зерен
по всем направлениям. После твердения портландцемента в условиях
комнатной температуры образуются CSH гель, кристаллический
Са(ОН)г и иногда СаСОз, гидросульфоалюминат кальция (ЗСаО-АЬОз*
• 12НгО), а также гидроферриты и гидроалюминаты кальция С4 (АҒ)Нз.
Структура продуктов гидратации цемента при обработке в среде
насыщенного пара (при 170— 190°С) при автоклавной обработке извест­
ково-кремнеземистой массы значительно изменяется по сравнению с их
видом при 120°С и ниже; самостоятельных алюминатных фаз не обнару­
живается и, видимо, основная часть А1+3 входит в гидросиликаты-гидро­
гранаты.
Для расчета примерного количества кремнезема (кг/м3), которое
должно перейти во вновь образовавшиеся гидросиликаты кальция, мож­
но воспользоваться формулой
SiO 2 гидр
ь.
10-4 TjFe.n • ю -6р,
глубина разъедания поверхности кремнеземистого компонента,
где бр
мкм; -л доля боковой поверхности кремнеземистого компонента, участповерхность
реакции
с
известью;
Ғ
б.п=5к‘
103үО
б5Ю2общ
Ц
|
ующеи
кремнеземистого компонента в 1 м°
м3 ячеистого бетона, см2/м3; S K
удельная поверхность кремнеземистого компонента, см2/г; ү0б — объем­
ная масса ячеистого бетона, кг/м3; БіОгобщ полное содержание кремнезема, доли от массы ячеистого бетона; р — кажущаяся плотность крем­
неземистого компонента.
В затвердевшем ячеистом бетоне обнаруживаются в зависимости от
принятого при изготовлении состава массы, дисперсности и режима
твердения некоторые из указанных выше новообразовании. Определение
видов новообразований производится посредством ф
........
элеканализа: микроскопического, дифференциального, те]
тронномикроскопического, электро­
нографического, рентгеноструктур­
ного, спектрального и др.
На рис. 76 приведен электронно­
микроскопический снимок структу­
ры газосиликата объемной массой
Үоб=533 кг/м3 с пределом прочности
н/м2
при сжатии В В І
(47 кГ/м2), коэффициентом конст­
руктивного качества бетона Л = 167,
изготовленного при содержании
18,3% активной окиси кальция и
удельной поверхности (определен­
ной на ПХВ-2) известково-песчано­
го вяжущего 5100 см3/г и песка
2400 cmVt. Коэффициент использо­
вания газа, выделившегося из алюминиевой пудры, составляет 0,876,
В/Т 0,39 и добавки Д - 1-0,02 (динатриевой соли моноалкилсульфоянтарной кислоты) к массе твердых
веществ. Коэффициент однородно­
сти по объемной массе — 0,85 и по
прочности — 0,57.
Электронномик­
роскопический анализ производил­
Рис. 76. Электронномикроскопический
ся по методу одноступенчатых пла­
снимок ( X 25000) структуры газоси­
тиноугольных реплик с поверхности
ликата
скола образца. Газосиликат изготавливался с применением комплексной
вибротехнологии.
Карбонизация ячеистых бетонов происходит за счет переноса реак­
ции к поверхности частиц извести или насыщенной известью жидкой
пленки.
^ Ионная химическая реакция между С 0 2 и гидроокисью идет с боль­
шой скоростью в две стадии
С 02 + ОН-
НСОз
над+ он-** сог+ н2о.
В случае карбонизации извести происходит взаимодействие
С 02 + Са (ОН)2-> СаС03 + Щ ) или Са (ОН)2 + СО = СаС03 + Н2.
В. Н. Юнг высказал мнение, что получающийся в результате карбо­
низации гидросиликатов кальция карбонат кальция имеет кристалличе­
скую структуру в виде прочных сростков, без спаенности. Реакция между
гидратом окиси кальция и углекислотой идет так:
С 02 + Са (ОН)2 + п Н20
СаСОз + (л - f 1) Н 20 .
Молекулярный
объем
С а (О Н )2=74,1/2,2=33,6,
а
С а С 0 3=
—100,1/2,72—36,8, т. е. объем твердой фазы увеличивается на 11%, а
следовательно, возрастает и плотность.
Под влиянием смеси углекислого газа и водяных паров свободная
известь, а также частично гидросиликаты, гидроалюминаты и гидрофер­
риты кальция превращаются в карбонат кальция.
По этому методу в Болгарии получали микроармированный мине­
ральной ватой карбонизированный пенобетон объемной массой 826, 600,
500 и 400 кг/м3 с пределом прочности при сжатии соответственно
41 • IQ?; 30- 10е; 16 - 105 и 106 Н/м2 (41,30; 16 и 10 кГ/см2). Реакция кар­
бонизации гидратированных силикатов кальция происходит по формуле
л СаО • S i02 • у Н 20 + х С 02 +
2
Н20 = * СаС03 + S i0 2 (у' + г') • Н20 +
+ (У" +
Щ н2о.
При малом содержании воды последняя выступает в роли катализато­
ра и реакция идет между гидратами и СО^ в случае большого содержания воды C 0 2t реагирует с водой с образованием Н2С 0 3 и затем реакЦия протекает между угольной кислотой и гидратами.
§ 3. Состав масс
Сырьевые материалы. Цемент портландский и другие клинкерные
цементы. В процессе изготовления ячеистых бетонов на различных з а ­
водах применяют портландцементы М300 и 400 (ГОСТ 10178—62) с р аз­
личными добавками (кварцевого песка, молотого шлака и др ) и удель­
ной поверхностью (2500-3200 см2/г по ПСХ-2) началом схватывания от
2 ч до 3 ч 20 мин и окончанием схватывания от 3 ч 30 мин до 6 ч. При
этом в клинкере С3А должно быть не более 6%, а при изготовлении теп­
лоизоляционного газобетона удельная поверхность цемента — 3000__
4000 см2/г.
Хорошие результаты дает применение для изготовления газобето­
нов смешанного вяжущего, состоящего из сланцезольного портландце?ко о w \ ’^
^’ негашеной извести (4,25%), тонкомолотого песка
(52,8%), алюминиевой пудры (0,09%) и сульфанола (20%-ного раство­
ра в количестве 150 мл на 1 кг алюминиевой пудры).
Промышленный сланцезольный портландцемент «Пунане Кунда» из­
готавливают из клинкера, содержащего %: 61(58) C3S; 12,8(16,6) C2S;
208
11,6(10,8) C4AF; 7,5(7,1) C 3A; 1,95(1,2) R20 и 2,1(1,63) SO?, а также 20—
25% мельчайших фракций летучей золы, имеющей удельную поверх­
ность 3220 3450 см2/г и содержащую около 12% растворимого и 21—
23% нерастворимого кремнезема, около 7,5% растворимого и 3% нерас­
творимого глинозема, около 2,5% растворимого и 1,5% нерастворимого
F 2O3; около 28—34% растворимого, 1,1% нерастворимого и 6 ,6 — 12,4%
свободного СаО, около 3% растворимого и 0,2% нерастворимого MgO,
около 4,5—5,6% К20 ; 0,15—0,27% Na 20 ; 0,65% Cl; 8— 11% S 0 3 и 0,28—
0,7% S 0 2. Активность цемента 5 -1 0 7—6-10 7 Н/м 2 (500—600 кГ/см2).
Для неавтоклавного газобетона хорошие результаты получаются
при применении шлакопортландцемента, удовлетворяющего техническим
условиям ГОСТ 10178—62.
Не допускается по СН 277—70 наличие в цементе трепела, опоки,
трассов, пепла, глиежа, глинита.
Нефелиновое вяжущее, получаемое без обжига (по предложению
П. И. Боженова), должно иметь удельную поверхность 3000—3500 см2/г
по ПСХ-2, начало схватывания — от 30 мин до 1,5 ч и окончание схваты­
вания после его затворения водой — не позднее чем через 6 ч.
По СН 277—70 нефелиновый цемент должен содержать (в пересчете на
сухую массу): (K20 + N a 20 ) — не более 2%, нефелинового шлама—85—
90%, извести— 10— 15%, гипсового камня — 5% или нефелинового
шлама
80%, портландцементного клинкера — 2 0 % и гипсового кам­
ня — 5%.
Известково-белитовое вяжущее может быть получено путем обжи­
га известняка и песка при температуре 1100° С во вращающейся печи.
По некоторым данным в нем содержится около 16% свободного кремне­
зема, около 45% свободной СаО и около 33% двухкальциевого силика­
та (белита C2 S). Возможно иное соотношение компонентов, но при со­
держании не менее 20% свободной окиси кальция. Удельная поверх­
ность вяжущего до 5000 см2/г. Химический состав сырьевой смеси (% по
массе) 18,08 S i0 2; 0,88 R20 3; 45,94 СаО; 0,18 MgO; 0,06 S 0 3 и 34,86 п. п. п.
Известь и известково-кремнеземистое вяжущее. Наилучшие резуль­
таты получают при применении маломагнезиальной молотой негашеной
извести, регламентируемой ГОСТ 9179—59 с содержанием активных
СаО и MgO не менее 70%, «пережога» — не более 2 %, окиси магния —
не более 5% со скоростью гашения 5—25 мин или 10—30 мин и крупно­
стью кусков до 120 мм. В большинстве случаев производится совмест­
ный помол негашеной извести с песком, причем тонкомолотая смесь, со­
стоящая из 1 масс. ч. негашеной извести и 0 ,2 — 1 масс. ч. песка, называ­
ется известково-песчаным вяжущим. Активностью извести или известко­
во-песчаного вяжущего называется содержание (масс. %) окиси
кальция (СаО). Содержание активной окиси кальция составляет 60—
85%, температура гашения — 40—75° С, скорость гашения — 5—35 мин,
удельная поверхность — 3800—6000 см2/г (по ПСХ-2) или остаток на
сите 008—9— 13%.
Получение изделий из ячеистых бетонов и ячеистых силикатов вы­
сокого качества возможно при применении извести с нормальными сро­
ками гашения, с высоким содержанием СаО и содержанием пережжен­
ных частиц не более 5% в виде кристалликов окиси кальция с диамет­
ром свыше 10 мкм. Ю. М. Бутт, Б. Н. Виноградов и М. М. Столовицкая
рекомендуют обжигать известь со сроками гидратации (гашения) 15 —
25 мин при следующих температурах: а) чистые известняки, не содер­
жащие примесей,— при 1300— 1400° С; б) известняки с примесью доло­
мита — при 900— 1000° С; в) известняки с примесью глинисто-железис­
того вещ ества— при 1200— 1300° С; г) известняки, загрязненные глиной,
или если при обжиге^в шахтных печах к обжигаемому материалу при­
мешивается зола топлива,— при 1100— 1200° С. Возможно производить
обжиг карбонатных пород, содержащих окись магния 5 — 2 0 %, во вра-
щающихся печах с длительностью процесса около 1 ч, в печах с кипя­
щим слоем — 15 мин и в циклонно-вихревых печах — во взвешенном
состоянии. При применении консольных воздухоохлаждаемых горелок в
шахтных печах (см. рис. 81) была достигнута высокая степень сжига­
ния топлива, проникание продуктов сгорания в радиальном направле­
нии до 800 мм и при 1200— 1300° С получена известь с 80—85% СаО со
скоростью гидратации 10— 15 мин. При использовании быстрогасящейся извести к последней добавляется до 5% двуводного гипса (к массе
извести).
Песок в основном применяют с содержанием кремнезема не менее
90%, глины не более 5% и слюды не более 0,5% (см. ГОСТ 8736—67).
1500— 1550 кг/м3. Дисперсность песка, ха­
Объемная насыпная масса
рактеризующаяся удельной поверхностью по прибору ПСХ-2, должна
быть не менее величин, указанных в табл. 40.
В ряде случаев целесообразно
применять песчаные или песчано-це­
Т а б л и ц а 40
ментные
смеси,
изготовленные
из
двух,
Минимально необходимая удельная
трех и четырех компонентов, имеющих
поверхность песка в зависимости
от объемной массы газобетона
различные удельные поверхности.
и газосиликата
Получение песка необходимого
гранулометрического
состава
возмож­
Объемная
У дельная поверхность песка.
масса*
но путем мокрого помола частиц пес­
см*/г
кг/м8
ка и совместного помола остальной его
части
с
известью
или
цементом
при
300
Более 3500
изготовлении вяжущего. Д ля получе­
2800 3500
400
ния ячеистых бетонов объемной мас­
2500—3100
500
600
2500—3000
сой 350—500 кг/м3 песок должен со700
2000—2500
держать двуокиси кремния — 76—95%,
иметь удельную поверхность после по­
мола 1800—3500 см2/г. Прямой зако­
номерности
между
значениями
коэффициента
конструктивного
качества,
О
с одной стороны, и активностью извести, расходом цемента и тонкостью
помола песка, с другой стороны, не обнаруживается.
Попутные продукты различных отраслей производства (шлаки, зо­
лы и пр.). Доменные шлаки должны удовлетворять требованиям
ГОСТ 3476—60. Рекомендуется применять основные и нейтральные ш ла­
ки с модулем активности % А 120 з/% ЗЮ 2 не менее 0,2 и модулем основ­
ности ( % C a 0 + % M g 0 ) / ( % S i 0 2 + %А120з) не менее 1, кислые с моду­
лем активности не менее 0,4 и модулем основности не менее 0,9. Закиси
марганца МпО не должно быть более 4% , а сульфитной серы S — бо­
лее 5 %.
Примерный состав шлакового вяжущего: шлака — 80 85%; извести негашеной (ГОСТ 9179 70) или портландцемента (ГОСТ 10178—
1 5 - 12%; гипсового камня (ГОСТ 4013—61), или строительного
62) — 15—
гипса (ГОСТ 125—7 0 ) — 5—3%.
Химический состав применяемых при производстве газобетона ш ла­
ков (% ): 36—38 S i0 2; 8— 16 А120 3; 1—0,5 Ғе20 3; 42—38 СаО; 7—0,5 MgO;
0,4— 1,3 S 0 3; 0,5— 1,2 МпО.
Сланцевая пылевидная зола горючего сланца, по СН 277—70 долж ­
на содержать СаО не менее 35%, в том числе свободной СаО 15—25%,
однако в ней не должно быть S 0 3 более 6% и ( К г О + № 20 ) более 3%.
Зола-унос ТЭЦ, получаемая при сжигании бурых и каменных углей,
должна содержать: стекловидных и оплавленных частиц — не менее
50%; п. п. п. — не более 3% для золы бурых углей и не более 5% — для
золы каменных углей; удельную поверхность (по ПСХ-2) - 3 0 0 0 5000 см2/г; не набухать в воде более чем на 5%; лепешки из цементно­
зольного раствора состава 1 :3 должны выдерживать испытания на рав­
номерность изменения объема.
210
Химический состав некоторых зол, применяемых в производстве
ячеистых бетонов, приводится в табл. 41.
Таблица
41
Химический состав зол
Вид з о л ы и
дисперсность по
ПХС -2
( в скобках)
Содержание. % по массе
П . п . п.
SiO,
А 1. 0 ,
FejO,
Зола ТЭЦ . . 62,1 2 0,7
3 ,2
Зола ТЭЦ
. . 63,1
2 1 ,6
1.5
Зола ТЭЦ . . 22—60 —
18 43
Зола ТЭЦ
(3800—4800) 45—52 12—40
7 22
Зола ТЭЦ
. .
62
23
'4
Сланцевая зола
ТЭЦ . . . . 26—32 6 - 8
4 ,7 —5 ,8
CaO
MgO
SO,
3 ,2
1,76
3 -8
1.9
1.2
0,34
2 ,8
До 3
МпО
S
—
—
—
—
1,6—6 ,7 0 ,5 —2 ,3 0 ,5 — 1 --—*
1
8 ,5
1 ,5
42—48
3 ,5 —4
7 ,68
7 ,44
—
—
—
1,1—3 ,6
4 ,8
2—3
4 ,5 3,65
Ускорителями схватывания и твердения неавтоклавных ячеистых
бетонов могут быть хлористый кальций СаСЬ, сернокислый глинозем
смесь из 0,75 масс. ч. хло­
A12 (S 0 4) 3 - I 8 H 2O, хлоралюминат кальция
ристого кальция и 0,25 масс. ч. хлористого алюминия или хлористого
железа и жидкое натриевое стекло.
Пенообразователи. Для приготовления их применяют: мыльный ко­
рень (ОСТ 4303); костный клей (ГОСТ 2067—71) или мездровый
(ГОСТ 3252 46); канифоль основную (ГОСТ 19113 73); едкий натр технический (ГОСТ 2263—71). Пена должна удовлетворять следующим
требованиям: выход пор (отношение объема пены или газа к массе поро­
образователя, л/кг) — не менее 15, стойкость, характеризуемая коэф­
фициентом использования порообразователя а, — не ниже 0 ,8 .
Примерный расход пенообразователя на 1 м3 пенобетона объемной
массой 450—500 кг/м3: а) клееканифольного при расходе 0,08—0,14 кг
клея; 0,07—0,1 кг канифоли и 0,013—0,017 кг едкого натра; б) смоло-сапонинового — 0,42—0,56 кг мыльного корня; в) пенообразователя ПО -6
1,4— 1,75 кг гидролизованной крови, 0,035—0,07 кг сернокислого железа.
Газообразователь — алюминиевая пудра должна удовлетворять
требованиям ГОСТ (табл. 42).
Таблица
42
Требования к алюминиевой пудре
я
Остаток не более (%)
на ситах
А
нЪ
Марка
а?:
8-39
са
§8
аО
3О
А
«Г
jgl
Ю
яо
а
в
8
§
в
в
II
ч$
«S'4
ь
я
€8>
2s2
О й
га
О
В
aх
ш
а>
is
5
Fe
SI
Си
Mg
0 ,7
0,1
0,01
I
сч
о-
&
Ф
О
я
Содержание не
более, %
a
ПАК-З
6000
Обычно 1
1
1
80
82 (обычно
87—98,5)
ПАК-4
7000
8000—8500
без остат
ка
0 ,3
0 ,5
80
82
0 ,7
211
Пудру по условиям пожароопасности хранят в металлической гер­
метической таре.
Для депарафинирования (обезжиривания) ее используют канифоль­
ные и хозяйственные мыла, авироль, сульфанол (ГОСТ 12389—66) —
смесь натриевых солей алкилбензолсульфокислот с алкильными остат­
ками, содержащими 12— 18 атомов углерода, моющее средство «Про­
гресс».
Д ля ускорения газообразования применяют NaOH или КОН в раз­
мере 0,5% к массе портландцемента в газобетоне, а также 1% M gS 0 4 к
массе твердых составляющих газосиликата. Установлено, что при по­
вышении температуры заливки массы с 40 до 65° С увеличится коэффи­
циент использования алюминиевой пудры. Так, затрачивая для получе­
ния газобетона объемной массой 550 кг/м3 требуется вместо 420 только
350 г/м3.
Стабилизирующими ячеистую массу веществами являются карбоксилметилцеллюлоза (КМЦ), которая замедляет схватывание и повы­
шает пластическую прочность (применяется в портландцементных ком­
позициях совместно с ускорителями газообразования).
Хорошие результаты получены (В. П. Скрыпником, И. К. Гетман­
ским и К. Э. Горяйновым) при использовании динатриевой соли моноалкилсульфоянтарной кислоты (Д-1), а также ПБ-П, состоящей и з 0,5%
алкидметиламина с углеродной цепью Сю—Сю; 4,5% окиси алкидметиламинов
с углеродной цепью Сю—Сю
и
95% синтанола Д-10
или Д-1.
Проектирование состава автоклавных ячеистых бетонов. Прежде
чем приступить к подбору состава ячеистого бетона, устанавливают, вопервых, нормативную объемную массу, марку и контрольную характе­
ристику У?сж, которым он должен отвечать. Во-вторых, учитывая разме­
ры формуемых изделий или массивов на основе уже имеющегося про­
изводственного опыта, определяют технологические приемы и режимы
их осуществления при различных весовых соотношениях компонентов по
массе и их гранулометрическом составе, армировании, подготовки и до­
зировании материалов, приготовлении из них ячеистобетонной массы,
вспучивании ее при формовании массивов с последующей разрезкой на
панели, блоки или камни.
Желательны при этом рассмотрение работы предприятия по р аз­
личным технологическим схемам и оценка полученных результатов пу­
тем математической обработки.
На качество ячеистого бетона (в том числе морозостойкость и дол­
говечность) и его себестоимость оказывают влияние:
1. Качество извести, проверяемое в образцах газосиликата при раз­
личных соотношениях между массой кремнеземистого компонента и
известью (Си) при нескольких вариантах режимов автоклавной обра­
ботки, различных тонкостях помола и гранулометрии компонентов, во­
дотвердых отношениях при требуемой высоте формы, где происходит
вспучивание, и температурах массы в начале и окончании вспучивания.
2. Портландцемент, использовать который целесообразно лишь при
отсутствии извести требуемых свойств. В этом случае оценка качества
портландцемента производится по образцам ячеистого бетона, изготов­
ленных из смесей, содержащих различное количество кремнеземистого
компонента и цемента, а также при различных соотношениях между со­
держанием портландцемента и извести. При этом исследуется влияние
различных режимов пропаривания и автокл