11 Июль 2016

 

М.Н. КОКОЕВ, канд. эконом. наук, Кабардино-Балкарский государственный университет (г Нальчик)

 

Практически все существующие теплоизоляционные материалы, используемые в строительстве, являются по сути композиционными или смесевыми. Величина их коэффициента теплопроводности, как и другие важные характеристики, в основном определяются правилом аддитивности.

 

Поскольку компонентом с наиболее низкой теплопроводностью в изоляционных материалах является воздух, то их теплопроводность в значительной степени зависит от количества, размеров и структуры воздушных включений. Действительно, нет ни одного из традиционных теплоизоляционных материалов, у которого теплопроводность была бы ниже, чем у воздуха: 0,021—0,024 Вт/(мК). Близко подходит к этому пределу аэрогель кремниевой кислоты (λ = 0,026 Вт/(мК)). Однако это дорогой материал.

 

Более доступные материалы — пенопласты, теплопроводность которых равна 0,04—0,05 Вт/(мК) при плотности 40—50 кг/м3. Однако даже содержащие пламегасящие добавки пенопласты горючи, а продукты их термической деструкции весьма ядовиты. Допустимая рабочая температура вспененных полимеров не превышает 350 К, что во многих случаях совершенно недостаточно.

 

Если бы ячейки пористого материала можно было заполнить менее теплопроводным, чем воздух, газом, то их теплопроводность можно было существенно снизить. Газы с большой молекулярной массой, например фторхлоруглеводороды (фреоны), имеют минимальную теплопроводность. Однако большинство из них по физико-химическим, технологическим, гигиеническим и экономическим причинам малопригодны для применения в теплоизоляции. В случае применения диоксида углерода теплопроводность пористых материалов удалось бы приблизить к величине 0,015 Вт/(мК). Это в 1,8 раза ниже, чем у лучшего пенопласта. Но при очень тонких стенках ячеек диоксид углерода в порах через некоторое время заместится атмосферным воздухом за счет диффузии отдельных компонентов воздуха через перегородки ячеек теплоизолятора.

 

Решая задачу экономии энергоресурсов за счет улучшения теплозащиты зданий и теплотрасс, нельзя не учитывать затраты энергии на получение самих теплоизоляционных материалов. Расчеты показывают, что энергоемкость производства новых теплоизоляционных изделий не должна превышать 10—15 кг усл. топлива на 1 м2 теплоизолируемой поверхности здания. Если указанные требования не соблюдать, то энергозатраты на производство теплоизоляции сведут на нет экономию энергоресурсов, получаемую за счет повышения теплозащиты зданий при их эксплуатации. Такие материалы как пустотелый кирпич, облегченные блоки с использованием различных вяжущих, легкий бетон и др., безусловно, необходимы строительству, но все же главная их функция — несущая, а не теплозащитная.

 

Для России разработка и производство в короткие сроки современных теплоизоляционных материалов особенно актуальны, так как период планомерного наращивания в течение десятилетий производства совершенных теплоизоляционных материалов, как это делалось в США, Канаде и странах Западной Европы, в России упущен. Поэтому в настоящее время, наряду с увеличением выпуска уже освоенных материалов, необходима разработка новых высокоэффективных теплоизоляционных изделий, параметры которых отличались бы в лучшую сторону в несколько раз.

 

Для решения подобной задачи особый интерес представляют высокие теплофизические свойства теплоизоляционных систем, основанных на использовании вакуума. Среди них, например, хорошо известна вакуумно-порошковая изоляция, применяемая в криогенной технике. Особые свойства вакуумно-порошковой изоляции обеспечиваются тем, что теплопроводность дисперсных материалов, помещенных в вакуум, в десятки раз ниже, чем при нормальном атмосферном давлении. Так, перлитовая пудра при атмосферном давлении имеет коэффициент теплопроводности 0,05 Вт/(мК). В условиях вакуума в интервале 0,1—10 Па теплопроводность этого материала равна 0,0011 Вт/(мК), то есть меньше, чем при атмосферном давлении в 45 раз [1]. По отношению к теплопроводности лучшего экструзионного пенополистирола теплопроводность перлита в вакууме меньше в 24 раза.

 

Однако прямое заимствование теплоизолирующих конструкций, используемых в криогенной технике, для строительных целей невозможно. На основе физических идей вакуумной теплоизоляции в 1997 г. была разработана легкая вакуумно-порошковая теплоизоляционная панель в тонкой комбинированной оболочке. Здесь давление внешней среды дисперсный или волокнистый наполнитель теплоизоляционного изделия воспринимает через мягкую герметичную оболочку [2]. Как показали расчеты и испытание макетного образца, вакуумно-порошковая панель по теплоизолирующей способности в 5—6 раз более эффективна, чем лучший экструзионный пенополистирол. К сожалению, из-за отсутствия финансирования это перспективное направление в разработке легких эффективных теплоизоляционных изделий не получило дальнейшего развития.

 

В 2000 г. Центр прикладных исследований в области энергетики в Германии (г. Вюрцбург, Бавария) начал разработку и испытание в зданиях собственных вакуумно-порошковых панелей [3]. Эти изделия были разработаны немецкими коллегами независимо от наших разработок. Но принципиально они практически не отличаются от ранее предложенных панелей в России.

 

Одновременно с вакуумно-порошковыми панелями была разработана высоковакуумная теплоизоляционная панель для применения в строительстве. В этой конструкции удалось исключить использование порошковых или волокнистых наполнителей в теплоизолирующей панели с сохранением тонкой легкой оболочки изделия. Несмотря на это плоская панель противостоит атмосферному давлению. Высоковакуумная панель без высокодисперсных наполнителей упростит производство и снизит материалоемкость изделий [4, 5].

 

Однако известные и новые типы вакуумно-порошковой и высоковакуумной теплоизоляции имеют существенный недостаток — при нарушении герметичности оболочки сразу же теряются особые теплоизолирующие свойства вакуумной конструкции.

 

Поэтому в настоящее время разрабатывается эффективный теплоизолятор без указанного выше недостатка и с теплопроводностью, занимающей по своей величине промежуточное положение между лучшими традиционными теплоизоляторами с замкнутыми порами и применяемой в криогенной технике вакуумно-порошковой теплоизоляцией.

 

В качестве исходного материала для такого теплоизолятора взято силикатное пеностекло. В пеностеклах газовая фаза занимает 80—90% объема материала. Коэффициент теплопроводности обычного пеностекла близок к 0,04 Вт/(мК). Примерно от 2/3 до 4/5 этой величины приходится на теплопроводность газа в ячейках пеностекла. Можно предположить, что если поры в пеностекле освободить от заполняющего их газа, то есть вакуумировать, то теплопроводность такого пеностекла должна уменьшиться в несколько раз. Разработанный в связи с поставленной задачей способ получения пеностекла с вакуумированными ячейками, сущность которого является предметом изобретения, позволяет в несколько раз снизить теплопроводность материала за счет остаточного газа [6]. Однако остаются еще теплопроводность формообразующей твердой фазы и потери тепла за счет теплового излучения. Существует возможность снижения теплопроводности изделия за счет снижения доли проводящей твердой фазы.

 

Теплопроводность за счет инфракрасного излучения снижают известными методами, например, нанесением на поверхность изделий тонких пленок некоторых металлов. В частности, вакуумное напыление алюминиевых пленок на стекла хорошо отработано многими годами применения этой технологии в разных отраслях промышленности. В составных изолирующих блоках может быть несколько экранирующих слоев. Кроме того, сейчас применяются и другие способы нанесения теплоотражающих покрытий на стекла.

 

Таким образом, способ получения пеностекла с вакуумированными порами позволит снизить коэффициент его теплопроводности до 0,007 Вт/(мК). Это в 5—6 раз меньше, чем у обычного пеностекла, вспененных полимеров или лучших теплоизоляторов на основе сверхтонких базальтовых волокон.

 

Принципиальное отличие новой теплоизоляции вакуумного типа в том, что при местных повреждениях целостности изделия из вакуумированного пеностекла оно продолжает сохранять свои высокие теплоизолирующие свойства, характерные для вакуумной теплоизоляции. В пожарном отношении вакуумированное пеностекло соответствует классу А2.

 

Список литературы

  1. Архаров А. М., Беляков В. П., Ми-кулин Е. И. и др. Криогенные системы. М.: Машиностроение, 1987. 536 с.
  2. Кокоев М.Н. Перспективы применения вакуумно-порошковой теплоизоляции в строительстве // Строит. материалы. 1998. № 3. С. 14-17.
  3. R. Caps, J. Fricke. Konzepte fuer den Einsatz von evakuierten Daemmun-gen bei Passivhaeusern, Tagungsband 4. Passivhaus-Tagung, Kassel (2000).
  4. Кокоев М.Н., Федоров В.Т. Вакуумное теплоизоляционное изделие. Патент РФ № 2144595 с приоритетом от 26.11.1997.
  5. Кокоев М.Н, Федоров В.Т. Теплоизоляционное изделие с предельно низкой материалоемкостью // Строит. материалы. 1998, № 9. С. 10-12.
  6. Федоров В.Т. Вакуумированное пеностекло — новый теплоизолятор // Вестник Кабардино-Балкарского госуниверситета. Серия физические науки. Вып. № 8. Нальчик: КБГУ. 2003. С. 53—54.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»