Low-vacuum heat insulating panels based on the byproducts of crystalized silicon

Zhzhonykh Alexey Maksimovich Post-graduate student, the department of Construction Supplies and Construction Technologies, Siberian Federal University 660119, Russia, Krasnoyarsk krai, g. Krasnoyarsk, ul. 60 Let Sssr, 18, kv. 18 aspirantura.sfu@mail.ru

В последние годы особенно остро возникла потребность в строительстве энергоэффективных зданий. Регулярное и весьма активное повышение стоимости на энергоресурсы делает актуальной задачу снижения энергозатрат. На сегодняшний день для обеспечения требуемого микроклимата в квартирах, домах и офисах все большую значимость получает утепление стен и фасадов зданий. Утепление зданий приводит к сокращению теплопотерь во внутренних помещениях, обеспечивает сокращение теплообмена в теплое время года, способствуя поддержанию стабильной комфортной температуры. К тому же, использование теплоизоляции позволяет защитить стены от конденсата и сырости, которые могут привести к образованию плесени и грибка.

Относительно высокий коэффициент теплопроводности ограждающих конструкций и естественная вентиляция приводит к существенным потерям тепловой энергии помещений. Данные факторы прежде не учитывались в строительстве, так как энергоносители были не дорогостоящими, однако в ходе их удорожания возник вопрос сбережения тепла в помещениях. Если прежде утепление зданий обеспечивали увеличением толщины стен, то в настоящее время, с появлением современных теплоизоляционных материалов, этот способ стал не практичным. Современные теплоизоляционные материалы обладают низкой плотностью, высокой морозостойкостью и низкой теплопроводностью, используются как при строительстве новых зданий, так и при модернизации существующих. ^[1]

Ближайшие перспективы в повышении теплозащиты зданий и снижении теплопотерь через ограждающие конструкции связаны с разработкой и использованием вакуумированных теплоизоляционных материалов нового поколения, коэффициент теплопроводности которых на порядок ниже, чем у традиционно используемых теплоизоляционных материалов. ^{[2, 3]}

Получение плитного материала из сыпучих и порошковых материалов путём технологии вакуумирования является перспективной технологией изготовления плитного утеплителя. Вакуумирование способствует обеспечению долговечности в результате снижения отрицательного воздействия, вызываемых эффектом конденсации водяных паров. ^[4] Основным компонентом наполнителя вакуумных теплоизоляционных панелей являются высокопористые материалы – полидисперсные зернистые порошки, физические основы теплопроводности которых подробно рассмотрены в работах Г. Н. Дульнева. ^{[5, 6]} Теплопроводность дисперсных систем определяется следующими факторами: теплопроводностью материала твердого каркаса, видом и конвекцией газа в поровом пространстве, его давлением, излучением, пористостью каркаса и его отдельных частиц, также теплопроводностью контакта между этими частицами. ^{[6, 7, 8, 9, 10]}

Принципы создания вакуумной теплоизоляционной панели базируется строго на законах физики, утверждающих, что отсутствие или снижение давления внутри пористого материала понижает его коэффициент теплопроводности.

Исследуемая низковакуумная изоляционная панель изготовлена на основе наполнителя открытой пористой структуры, заключенного в газонепроницаемую оболочку и имеет три основных компонента:

- «наполнитель», придающий панели механическую прочность и высокие теплоизоляционные свойства, за счёт исключения свободного пробега молекул газа (молекул воздуха) и тем самым снижающий возможность передачи теплоты через конвективную составляющую теплопроводности воздуха; идеальный материал наполнителя должен иметь открытую пористую структуру с очень маленьким размером пор и высокой устойчивостью к инфракрасному излучению;

- «газонепроницаемый барьер», служащий изолирующим барьером для воздуха и паров; барьер является корпусом и оболочкой вакуумной панели одновременно; теплозащитные свойства вакуумной панели и ее долговечность в значительной мере зависят от характеристик этого материала;

- «инфракрасный глушитель», вводящийся в состав наполнителя для снижения лучистой составляющей теплопроводности.

Газобарьеры современных вакуумных изоляционных панелей содержат алюминиевую фольгу толщиной 3...10 мкм. С обеих сторон алюминиевой фольги наносят тонкий слой пластика для увеличения механической прочности, на внутреннюю поверхность – пластик с низкой температурой плавления. При изготовлении панели фольгу герметично запаивают под воздействием температуры и давления. Такие газобарьеры имеют хорошие изолирующие характеристики. Наполнитель поддерживает стенки, ограничивает движение оставшихся молекул газа и обеспечивает заданную форму панели. Ее теплофизические характеристики и срок службы определяются свойствами наполнителя, начальным уровнем вакуума, проницаемостью газобарьера, эффективностью адсорбентов, размерами и условиями эксплуатации. Такие вакуумные теплоизоляционные панели в Западной Европе уже разработали, производят и применяют в строительной отрасли.

С появлением экономически дешевых наполнителей на основе легких и пористых материалов технологии вакуумных теплоизоляционных панелей приобрели коммерческую перспективу. В США, Германии были получены материалы для наполнителей с коэффициентом теплопроводности 0,0022 Вт/(м·К) и плотностью менее 10 м³/кг, теплофизические характеристики изготовленных вакуумных панелей в 5...10 раз превосходят характеристики наиболее эффективных, среди традиционно используемых теплоизоляционных материалов. Их использование при строительстве позволит увеличить полезную площадь помещения за счет снижения толщины утеплителя, снизив при этом теплопотери в 5–6 раз.^[1]

Российские разработчики применяли в качестве наполнителя вакуумных теплоизоляционных панелей пирогенный кремнезем.

Снижение теплопотерь в зданиях обеспечивается за счет применения новых эффективных, в этом числе и зернистых, теплоизоляционных материалов на основе отходов промышленности. ^[11] Использование отходов промышленности позволяет увеличить сырьевую базу для изготовления новых теплоизоляционных материалов и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.

В настоящей работе исследовался микрокремнезем (далее - МК) - отход производства кристаллического кремния ООО "Братский завод ферросплавов" (далее - БрАЗ). Радиометрические исследования, выполненные ранее ^[12], свидетельствуют, что микрокремнеземистые отходы, в том числе в виде пыли, нетоксичны, отвечают гигиеническим требованиям по содержанию радионуклидов и являются, таким образом, экологически безопасным сырьем. Авторами установлено, что на основе микрокремнезема БрАЗа может быть получен наполнитель, пригодный для изготовления вакуумных теплоизоляционных панелей. Проведение исследований по получению теплоизоляционного изделия на основе отходов производства является актуальным.

Микрокремнезем является отходом производства кристаллического кремния БрАЗа, ежегодный выход которого достигает 30 тыс. т. В таблице 1 приведены основные физико-технические свойства микрокремнезема БрАЗа ^[13].

Таблица 1 – Физико-технические свойства МК.

Гранулометрический состав МК по данным технического паспорта отходов БрАЗа представлен в таблице 2.

Таблица 2 – Гранулометрический состав МК.

В таблице 3 приведен химический анализ МК (по данным БрАЗа) ^[14].

Таблица 3 – Химический анализ МК.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Дифференциально-термический анализ проведен на приборе ”СТА-ТГ / ДСК” марки ”STA 449 F1 Jupiter”. Получены кривые ДСК, ДТГ и ТГ в интервале температур 25–1000^оС. Скорость нагрева и охлаждения 10^оС/мин; рентгенофазовый анализ — с помощью дифрактометра ”Д8 АDVANCE”. Исследование микроструктуры образцов проведено с помощью сканирующего электронного микроскопа ”JEOL JSM 7001F”. Измерение теплопроводности разработанных авторами вакуумных изоляционных панелей проведено методом стационарного теплового потока с применением измерителя теплопроводности ”ИТП МГ4 250”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Рентгенофазовый анализ свидетельствует о том, что микрокремнезём БрАЗа преимущественно состоит из рентгеноаморфной фазы, о чём свидетельствует размытый пик в области 18θ…30θ. Кристаллическая фаза в образце микромрекнезёма практически отсутствует и представлена β-кварцем (d=0,425; d=0,335; d=0,245; d=0,154), карборундом (d=0,251; d=0,154) и графитом (d=0,335) рис.1.

Рисунок 1 – Дифрактограмма микрокремнезёма.

Дериватографические исследования микрокремнезёма показали общую потерю массы пробы при нагреве до 1000°С равную 11,84%, в том числе до 220°С – 8,5%, от 220°С до 1000°С – 3,1%. Потеря массы на первом этапе происходит за счёт удаление из образца свободной воды. На втором этапе происходит плавное снижение массы образцов без видимых физико-химических превращений. По кривым ТГ и ДТГ отмечается наличие воды (t=0 – 220°С). Термограмма представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Термограмма микрокремнезёма БрАЗа.

Исследование структуры поверхности частиц микрокремнезема проведено методом электронной микроскопии при увеличении в 35000 раз. На микрофотографии (рис. 3) видно, что сферы SiO₂ не сплошные, а состоят из нескольких плотноупакованных сфер меньшего размера. Малые сферы могут иметь подобную субструктуру. Результатом такой укладки сферических частиц диоксида кремния будет наличие тетраэдрических и октаэдрических пустот различного размера: ~ 40…80 нм, 7…14 нм и 2…4 нм. Полученные результаты согласуются с данными работ ^{[15, 16, 17]}, в которых обсуждается оболочечная модель строения частиц аморфного диоксида кремния.

Исследование микрофотографии синтетического диоксида кремния показали, что размеры сферических субчастиц частиц диоксида кремния заметно меньше 10 нм и могут изменяться от образца к образцу и не всегда регистрироваться методом электронной микроскопии. Данный вывод согласуется с результатами Р. Айлера ^[18] и H. Giesche ^[19], которые полагают, что размер субчастиц составляет менее 5 нм. Наблюдаются агломераты частиц аморфного диоксида кремния в виде диффузных шароподобных образований.

Рисунок 3 – Микроструктура частиц микрокремнезёма БрАЗа.

Для исследования влияния наполнителя на основе микрокремнезёма БрАЗа на теплопроводность вакуумной теплоизоляционной панели были изготовлены опытные образцы. В качестве специальной добавки использован мелкодисперсный порошок TiO₂ в качестве ифракрасного замутнителя. Дозированное количество порошка-наполнителя, диоксида титана перемешивалось, после чего полученная смесь засыпалась в формы и прессовалась. Готовые плитки помещались в воздухонепроницаемые оболочки и отправлялись в вакуумную упаковочную машину типа "DZQ-410 2E". После вакуумирования оболочка изделия запаивалась по торцам.

Таблица 4 – Технические характеристики панелей.

При относительно неглубоком вакууме (0,085 мПа) теплопроводность опытных образцов низковакуумных изоляционных панелей (далее - НВИП) составила 0,017-0,02 Вт/(м.К). Благодаря тому, что наружный слой НВИП покрывается негорючей стеклотканью, а наполнитель из диоксида кремния не горюч, панели соответствуют классу огнестойкости А. Технические характеристики предлагаемых авторами панелей MK-LVIP, а также зарубежных теплоизоляционных панелей NANOPOR-VIP и отечественных DIATOMIT-VIP ^[20], представлены в таблице 4.

Полученные результаты испытаний дают основания считать, что для изготовления НВИП можно использовать не только промышленно выпускаемый порошок, но и менее дорогие порошки микрокремнезема - отхода производства кристаллического кремния.

Рисунок 4 – НВИП под воздействием открытого пламени газовой горелки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования микрокремнезма Братского алюминиевого завода, подтверждают наличие развитой поровой структуры частиц полидисперсного порошков, что соответствует системе с большой удельной поверхностью. Дисперсные микрокремнеземы - отход производства кристаллического кремния, пригодны для изготовления низковакуумных изоляционных панелей НВИП. Использование отходов местного производства Сибирского федерального округа, в перспективе, может стать основой производства ВИП высокого качества с низкой себестоимостью. Благодаря соей герметичности НВИП не изменяют свои теплоизоляционные свойств при работе в среде с повышенной влажностью.