Минераловатные изделия на силикатных и полимерсиликатных связках —
Возможность изготовления минераловатных изделий на неорганических (силикатных) связках (различные виды цементов, бентонитовая глина, растворимое стекло и т. д.) давно доказана. Однако эти связующие до сих нор не нашли широкого применения ввиду того, что полученный на их основе материал имел большую объемную массу (400— 500 кг/м3), сравнительно невысокую прочность при изгибе (до 1,5 кг/см ) и малую эластичность. Поэтому, несмотря на значительные недостатки (естественное старение, малая температуростойкость, токсичность и др.), наибольшее распространение в качестве связующих для производства минераловатиых изделий получили органические вещества (фенолоспирты, карбамидные смолы, по- ливикилацетатная эмульсия и т. д.). В отличие от органических связок силикатные обладают повышенной температуростойкостью, что значительно расширяет область использования теплоизоляционных материалов на их основе.
Возможен ли выпуск минераловатиых изделий, удовлетворяющих требованиям ГОСТа, на силикатных связках в виде растворимого стекала и кремнеорганического силиката с некоторыми модифицирующими добавками (эфир ортокремниевой кислоты, 5t-(ОС2 Ms)4 — техническое название этнленликат и латекс синтетического каучука бутадиенстирольный СКС-ЗОШР), способными улучшать свойства основного компонента связки, а также адгезию к мннераловатому волокну2?
Предварительно опоеделялн оптимальную концентрацию основного компонента связующего с плотностью раствора 1,05; 1,10; 1,15; 1,20; 1,25; 1,27 и 1,-40 кг/см Ими на лабораторной установке пропитывались образцы минеральной ваты, взятые с технологической линии завода, которые затем высушивались и испытывались но стандартной методике. Наилучише результаты показал материал на основе связующего плотностью 1,10 г/см3. Добавки составляли 50%.
С целью получения математического описания зависимости свойств от композиционного связующего при минимально возможном количестве экспериментов и исследований выбран один из известных способов математического планирования эксперимента.
Было решено реализовать один из планов типа Дрейпера—Лоуренса, так как он позволяет при получении неадекватных полиномов второй степени перейти к описанию поверхности отклика полиномами третьей степени без добавления новых экспериментальных точек, т. е. на том же материале. Такое описание вполне применимо для поверхности четвертого порядка. В данном случае это важно, поскольку нельзя заранее предвидеть сложности изучаемых явлений.
Можно считать, что объектом исследования является трехкомпонентная система, свойства которой не зависят от общего количества приготовляемого вещества, а только от относительного содержания составляющих компонентов. При пользовании данным методом планирования выполняются следующие предпосылки: поверхность отклика системы должна быть гладкой и непрерывной, при этом могут рассматриваться и гладкие локальные участки многофазных поверхностей; дисперсия воспроизводимости во всех опытах должна быть однородной (существует решение и для систем с неоднородными дисперсиями, но тогда требуются сложные и громоздкие вычисления).
Для проведения на графиках липни равного уровня на ЭЦВМ рассчитаны значения функций с шагом концентрации состава 0,1 %. Чтобы выявить общий характер изолиний, па концентрированном треугольнике сначала наносились экспериментальные точки. Точки с одинаковыми значениями функции соединялись линией уровня. Графическое представление поверхностей отклика полиномами третьей степени до настоящего времени проработано не было. Анализ поверхностей показывает, что они характерны одной из следующих особенностей или их сочетаний: петлей, седлом, двумя седлами, петлей и седлом (см. рис. 2 и 3).
Рассмотрим поверхность Оз (Yo) с петлей при значении свойства 110,2 кг/м3, которая полностью помещается в исследуемой области. Внутри ее — концентрические замкнутые линии уровня со значением, уменьшающимся от 110,2 кг/м3 к центру, являющемуся локальным минимумом поверхности со значением уо= = 106,8 кг/м3 в точке экстремума. Координаты его xi=il0%; х2 = 30%. На петле седловая точка (значение функции выхода -110,2 кг/м3), координаты которой Х—27%- x2=18%. Между расходящимися ветвями петли расположены линии уровня со значениями уз, уменьшающимися от 110,2. Линии уровня, охватывающие петлю, например 115 кг/м3, разрываются сторонами х2—х3 и х2 исследуемого треугольника. Значения функции выхода на линиях уровня увеличиваются при удалении от петли.
После тщательного сопоставления всех диаграмм для каждого из четырех групп составов выделены оптимальные смеси связующего (см. рис. 2, 3). Решающим показателем считалась величина. При максимальных значениях рассматривались минимальные значения и затем последовательно другие параметры выхода, которые для повышения качества материала должны стремиться, коэффициент водостойкости шах, уплотнение мод нагрузкой — min, коэффициент возвратности max. Водопоглощенне материала не является оптимизируемой функцией и служит лишь как некоторая дополнительная характеристика. После анализа диаграмм состав — свойство выбраны оптимальные составы связующих. В таблице приведены рекомендуемые составы связок и их стоимость На этих смесях изготовляли минераловатные изделия с 0,73 кГ/см2, 0,55-М,2 кГ/см2, ус=109-МЗО кг/м3, водопоглощением 270—310%, коэффициентами водостойкости и возвратимости 0,65 и 0,97—0,99 соответственно уплотнением под нагрузкой 0,5—3%.
Удовлетворительные результаты лабораторных исследований свойств минераловатных теплоизоляционных материалов на силикатных связках получены в результате взаимодействия растворимого а также кремнеорганического силиката и зтилсиликата. Непосредственно на волокнах минеральной ваты взаимодействуют основа и добавки, в результате чего образуется коллоидный раствор, быстро высыхающий и кристаллизирующийся. При этом о местах контактов волокон обнаруживается растворимое стекло, кремнеорганический силикат и этилсиликат. Сложный состав связующего позволяет снизить внутренние напряжения при его высыхании, а это дает возможность изготовлять изделия повышенной прочности без увеличения объемной массы. Присутствие непрореагировавшего этил- силиката позволяет выпускать изделия повышенной водостойкости, так как этилсиликат покрывает места контактов волокон щеткой ориентированных молекул, имеющих в своем составе группы П, Si, которые вступают в реакцию с веществом волокна и прочно с ним сцепляются. Толщина пленки
При взаимодействии растворимого стекла к этилсиликат а по Е. А. Матвееву происходит образование на первой стадии триэтоксисила полгидросиликата:
Продукты взаимодействия, конденсируясь, образуют сложный высокомолекулярный продукт — кремнеорганический силикат, характеризующийся наличием силоксановых связей и присутствием алкосильных групп.
Ввод в связку латекса позволяет получать минераловатные изделия, более эластичные, чем на растворимом стекле и кремнеорганическом миликате с добавкой этилсиликата, но уменьшает температуростойкость материала. На основе силикатных материалов (растворимое стекло и кремнеорганический силикат можно выпускать минераловатные изделия с широким диапазоном свойств.
Стоимость предлагаемых связок значительно ниже применяемых в настоящее время (см. таблицу). Следовательно, продукция повышенной темперптуростойкости будет значительно дешевле.
