Увеличение объема работ по наружному утеплению зданий вызывает повышение спроса на жесткие минераловатные плиты. Необходимый уровень эксплуатационных свойств в плитах, в том числе прочности и влагостойкости, достигается при их производстве по технологии сухого формования на оборудовании западноевропейских фирм, а также по технологии гидромассы на отечественном оборудовании.
К общим недостаткам минераловатных плит российских и европейских фирм следует отнести применение в их изготовлении синтетических (фенолформальдегидных) связующих, которые являются токсическими веществами и ухудшают экологические характеристики изделий, а также вызывают снижение их прочности в ходе эксплуатации.
Согласно требованиям экологической безопасности, использование таких плит допускается в условиях, исключающих их контакт с воздухом внутри помещений. Применение фенолформальдегидных связующих требует проведения постоянных природоохранных и санитарно-гигиенических мероприятий, что повышает сложность технологического процесса и увеличивает производственные затраты. При формовании минераловатного ковра для плит, применяемых при высоких температурах, некоторые производители кроме 3–4% (по сухому веществу) фенолформальдегидного связующего вводят до 5% неорганического компонента в виде высокодисперсного вещества гидроалюмосиликатного состава типа Аl2О3Ч(1,4–2,8)SiО2ЧnН2О. Однако и в этом случае экологическая безопасность производства и изделий не достигается.
Базальтоволокнистые плиты на основе минеральных связующих, производимые по формовой технологии из гидромассы в Московской области, имеют высокое водопоглощение, низкую прочность и не достигают требований отечественных и европейских стандартов к плитам для наружной теплоизоляции зданий.
Выполненные в институте исследования в области тепловой изоляции из минеральной ваты направлены на разработку эффективных конкурентоспособных материалов с использованием местного сырья, экологически безопасных изделий и их производств за счет полного исключения синтетических (фенолформальдегидных) связующих из состава минераловатных плит, обеспечение долговечности изделий.
Изучены водные силикатные композиции, их составы, плотность, адгезия к минеральному волокну, температурный режим отверждения, устойчивость при хранении, сорбционная влажность сухих остатков. Показано, что адгезия возрастает в интервале плотности композиций 1,05– 1,20 г/см3, при введении в их состав дисперсных (2–20 мкм) добавок силикатов алюминия и кальция, а также после механической активации композиций в диспергаторах роторно-пульсационного или кавитационного типов. Снижение сорбционной влажности сухих остатков композиций наблюдали при введении в их состав гидроксида алюминия, гидросиликатов и силикатов алюминия, кальция и при отверждении композиций ниже 200°С. Установлена зависимость сорбционной влажности сухих остатков от вида катиона-модификатора и структуры содержащих его соединений, продолжительности механической активации и термообработки композиций. В результате исследования разработаны новые составы неорганических композиций и на их основе технология получения жестких минераловатных плит.
Неорганическая связующая композиция представляет собой суспензию отвердителя, кремнийорганического гидрофобизатора и (или) акрилового пластификатора в водном растворе модифицированных высокомодульных силикатов. Она относится к группе негорючих материалов, пожаровзрывобезопасна, не содержит токсических веществ. Готовится в ходе технологического процесса производства плит и включает дозировку компонентов, последующее их смешивание и одновременно механическую активацию в кавитационном диспергаторе по способу кавитации срывного типа. Композиция при плотности не менее 1,07 г/см3 имеет условную вязкость не менее 11с, массовую долю летучих веществ 81–90%, хорошую адгезию к минеральному волокну и при отверждении обеспечивает необходимую прочность, влагостойкость и долговечность минераловатных плит. Исследования показали, что механическая активация композиции с отвердителем в кавитационном диспергаторе приводит к увеличению прочности минераловатных плит в воздушно-сухом состоянии и после увлажнения. Установлено, что наибольшая влагостойкость твердых остатков композиции, отвержденных при температурах ниже 220°С, получена при 110–130°С. Следует полагать, что при этих температурах за счет катионов отвердителя Ме2+и Ме3+ и анионного полимерного каркаса образуются влагостойкие структуры типа Н—О—Ме—О—Si є и процесс их образования не ограничивается длительностью термообработки, а продолжается при нормальной температуре. Это согласуется с тем, что прочность и влагостойкость минераловатных плит продолжают возрастать в течение 7–14 дней после их изготовления, и показатели различаются в зависимости от катиона отвердителя.
Отверждение минераловатного ковра в камере термообработки протекает при превращении связующего в дисперсную систему, твердая фаза которой в момент выделения обладает вяжущими свойствами. Отвердитель способствует образованию нерастворимых соединений, ускоряет их поликонденсацию и образование контактов срастания. Механизм отверждения минераловатного ковра исследован методом последовательных рентгенофазовых и термогравиметрических анализов исходной минеральной ваты, образцов после отверждения и образцов после различных сроков (3, 6, 9, 12 мес.) выдержки. Установлено, что процесс отверждения имеет индукционный период, обусловленный дегидратацией и уплотнением силикатного геля. По мере выдержки связанная вода (ее содержание ~2%) и гидрофобизатор входят в структуру гелевидных продуктов отверждения связующего. Выдержка образцов не влияет на фазовый состав продуктов кристаллизации волокна при 800–930°С (он аналогичен исходной минеральной вате — твердый раствор диопсидового состава), но количество продуктов кристаллизации при выдержке образцов уменьшается. Влияние выдержки (1 год) на структуру образцов проявилось в снижении водопоглощения с 0,8 кг/м2 до 0,5 кг/м2 при сохранении их прочности. Таким образом, наблюдаемые при длительной выдержке изменения в фазовой структуре образцов сопровождаются повышением их влагостойкости и будут обеспечивать постоянство свойств минераловатных плит на неорганическом связующем при эксплуатации.
Производство изделий разработано по технологии гидромассы и предусматривает применение минерального волокна типа А, получаемого из природных сырьевых материалов, и неорганической связующей композиции, изготавливаемой в процессе выпуска плит. Уступая по ассортименту продукции, оно имеет ряд преимуществ перед технологией сухого формования. Главное из них — возможность резкого (двукратного) повышения прочности на отрыв за счет пространственной ориентации волокон и однородного распределения связующего в каркасе плит. В технологическом процессе исключаются потери связующего, а также пыление ваты, что улучшает экологию производства.
Данная технология разработана применительно к технологической линии с шириной ковра 1 м, габаритными размерами 24,8х8,6х3,2 м, массой 53 т, установленной мощностью 500 кВт, производительностью 30 тыс. м3 плит марок 100, 150 или 200 в год. На линии производится получение гидромассы, формование, термообработка, охлаждение минераловатного ковра и разрезание его на плиты размером 1000х500х50ё60 мм. Минераловатный ковер подается на рольганг ножа поперечной резки, режется на мерные куски длиной 500 мм и транспортируется по конвейеру к бункеру гидросмесителя. Отходы плит после резки и сортировки также подаются в гидросмеситель. Связующее из расходных мешалок поступает в накопительный приямок и далее — в гидросмеситель. Излишки его, поступающие в накопительный приямок из раскладчика и каплеотделителей, периодически корректируются по составу путем ввода дополнительного количества связующего. Приготовление гидромассы производится в гидросмесителе объемом 3,5 м3 путем непрерывного перемешивания мерных кусков минераловатного ковра и отходов от резки плит со связующим в соотношении 1ё(30:70). Они загружаются наклонным транспортером через входное отверстие кожуха, затем соскальзывают по течке, затягиваются внутрь корпуса гидросмесителя, раздробляются вращающейся крыльчаткой и выбрасываются к конусному днищу смесителя, где окончательно дробятся до фракций 20–30 мм.
Приготовленная таким образом однородная гидромасса непрерывно самотеком поступает в приемный бункер раскладчика. В нем производится формование минераловатного ковра путем приема и равномерного распределения гидромассы по ширине конвейера, подпрессовки в продольном и поперечном направлениях (в результате волокна в гидромассе располагаются преимущественно в вертикальной плоскости).
Обезвоживание ковра происходит путем удаления излишков связующего через пластинчатый конвейер и последующего вакуумирования при разрежении 500 мм вод. ст. до остаточной влажности 40–60%. Отверждение минераловатного ковра производится в камере термообработки длиной 15 м путем прососа сверху вниз теплоносителя, получаемого в двух топках. Температура в камере — 80–140°С, разрежение над ковром — 30–40 мм вод. ст., под ковром — 140–150 мм вод. ст. После выхода из камеры термообработки минераловатный ковер охлаждается на промежуточном столе длиной 4 м и разрезается механизмом продольно-поперечной резки на плиты.
Производство безотходное: отходы связующего, гидромассы и плит, полученные в ходе формования, термообработки и резки, возвращаются в технологический процесс. Выбросы в атмосферу состоят из продуктов горения топлива.
Эффективность разработанной технологии обусловлена неорганическим составом и экологической чистотой связующего, преимуществами его изготовления в процессе производства плит, а также конструктивными особенностями линии — небольшими габаритами, низкой металлоемкостью, простотой конструкции и эксплуатации при высокой производительности.
Технология отработана на опытной линии НИИСМ, испытана на линиях производства плит из гидромассы в ОАО «Минвата» (Нижегородская обл.) и ЗАО «Дмитровская теплоизоляция» (Московская обл.).
Для марок (по плотности) 100, 150, 200 плиты получены со следующими значениями свойств соответственно: плотность — 80ё130; 130ё170; 170ё210 кг/м3; предел прочности на отрыв — 0,02ё0,03; 0,03ё0,04; 0,04ё0,05 МПа; прочность на сжатие при 10%-ной деформации — 0,03ё0,04; 0,04–0,07; 0,07–0,10 МПа; водопоглощение — 0,5–0,8 кг/м2; теплопроводность при температуре (298±5)К в зависимости от диаметра волокна и содержания неволокнистых включений имеет интервал 0,043–0,050 Вт/(мЧК).
Плиты соответствуют требованиям западноевропейских стандартов (EN 13162; DIN 18165) по физико-механическим показателям и превосходят их по изотропности структуры и пределу прочности на отрыв. Преимущества их по сравнению с известными аналогами заключаются в неорганическом составе связующего, более широкой области применения в интервале температур от –300 до +700°С, а также в экологической безопасности их производства и применения.
Неорганический состав и структурное строение изделий определяют постоянство основных свойств при эксплуатации. В условиях наружной тепловой изоляции испытаны плиты, полученные на неорганической связующей композиции из минеральной ваты производства ПРУП «Березастройматериалы». Фрагменты плит были установлены в ноябре 1996 г. и сняты в октябре 2004 г. Для крепления их к стене из красного кирпича и последующего оштукатуривания применялся клеяще-штукатурный раствор марки Сараtect-190 фирмы Сараrol (Германия). При испытании фрагментов после восьми лет эксплуатации установлено, что плиты не имеют деструктивных изменений, а показатели прочности и водопоглощения (менее 1 кг/м2) не изменились по отношению к исходным значениям. Такая стабильность структуры и свойств во времени обеспечивается за счет состава связующего и изотропности структуры, получаемой в минераловатных плитах способом гидромассы.
В целом неорганический состав, широкая область применения, постоянство структуры и свойств при эксплуатации и экологическая безопасность минераловатных плит на неорганическом связующем определяют их конкурентоспособность по отношению к другим видам волокнистой тепловой изоляции.