Сравнительная характеристика теплоизоляционной ваты, полученной из различного сырья

В настоящее время около 60% всей применяемой теплоизоляции представлено волокнистыми материалами - стеклянной, минеральной и базальтовой ватой на основе тонкого и супертонкого волокна. 

Для получения стеклянной ваты смешивают песок, соду, известняки, некоторые химические добавки и получают шихту. Расплавленная шихта в процессе производства становится стеклом, из которого получают волокно. Затем в него вводят связующее вещество и формируют изделия из стекловолокна. 

Шлаковата производится путем плавления доменных шлаков с различными добавками, а также с добавлением связующего вещества. 
Для получения минеральной ваты используют некоторые минеральные ископаемые (глины, доломиты и т.п.) с улучшающими добавками (горными породами: базальтами, габбро, диабазами и пр.). В минеральное волокно также вводят связующее вещество. 

Базальтовая вата получается из расплава, собственно, базальта, а также некоторых близких к нему горных пород базальтовой группы без каких-либо дополнений в виде синтетических или минеральных веществ. 

Однако, для придания большей текучести базальтовых тонких волокон в расплав добавляют от 10 до 35% известняка или заменяющего его материала (шихты), что делает волокно ослабленным к воздействию агрессивных сред и высоких температур. Такое волокно уже нельзя назвать базальтовым, и его зачастую называют минеральным волокном или минеральной ватой. 

Тонкое волокно получается короче и толще. У базальтовых супертонких волокон (БСТВ) - толщина элементарного волокна 1 - 3 микрона, длина - более 50 мм, у базальтовых тонких волокон - толщина элементарного волокна 5 - 15 микрон, длина - до 50 мм. Стекловолокно, шлаковолокно и минеральное волокно также относят к тонким, так как средний диаметр этих волокон от 4 до 12 мкм. Такая структура тонких волокон лишает изделие прочности. Поэтому для связки тонких волокон применяются фенолформальдегидные или другие органические смолы в процентном содержании от 2 до 10%. 

Соответственно, минеральное волокно, стекловолокно, шлаковолокно и тонкое "базальтовое" волокно при эксплуатации из-за меньшей эластичности по сравнению с БСТВ со временем разрушается. 

Изделия из БСТВ имеют высокую температуру применения. Минераловатные, стекловатные и изделия из тонкого базальтового волокна с использованием связующего применяются до температуры 400 - 600°С, теплоизоляционные материалы из базальтового супертонкого волокна имеют температуру длительного применения - 750°С, краткосрочного - до 1000 °С. 

Изделия из БСТВ при смене температур, при повышении температуры и при циклическом воздействии температур не разрушаются и сохраняют свои характеристики и геометрические формы в отличие от изделий из минерального, шлако- и стекловолокна и изделий и базальтового тонкого волокна. 

Процент структурных изменений различных волокон при одностороннем нагреве в течение 3-х часов при вибрации с v=50 Гц, А=1мм показан в следующей таблице: 

Наименование волокон Исходная толщина 
испытуемого образца, мм
Температура нагрева °С
400 600 700 800 900
Базальтовое супертонкое волокно 40 0,01 0,15 0,23 0,028 0,35
Базальтовое тонкое волокно 40 2 2 5 9 12
Стекловолокно 40 95 100 100 100 100
Минеральное волокно 40 75 95 100 100 100
Шлаковолокно 40 100 100 100 100 100

Базальтовая вата БСТВ устойчива к вибрациям. Из таблицы видно, что ее потери в массе при вибротермической обработке до 900°С составляют лишь 0,35%. Такой показатель вибростойкости ваты БСТВ определяется прежде всего ее длинноволокнистой структурой (то есть качество ваты напрямую зависит от длины волокон), а также характером кристаллизации, обуславливающем достаточное сохранение эластичных и прочностных свойств ваты. 

У ваты БТВ ниже вибростойкость. Потери в массе этой ваты при трехчасовой вибрации в исходном состоянии равны 2% и до 600°С не изменяются. Но при повышении температуры до 900°С эти потери резко возрастают и достигают 12%. Таким образом, вата с коротковолокнистой структурой не виброустойчива. 

Минеральная вата, стекловата и шлаковата практически полностью теряют свою массу, кроме того, стеклянные волокна полностью теряют прочность при 400-450°С, так как спекаются, а шлаковатные спекаются еще при температуре 250°С. 

Существует зависимость коэффициента теплопроводности от диаметра волокна. При изменении диаметра от 0,6 до 20 мкм теплопроводность возрастает от 0,0237 до 0,375 при t =25°С. Поэтому, для ваты БСТВ оптимальная плотность набивки в теплоизоляционной конструкции должна быть 80-110 кг/м3, для БТВ - 140 кг/м3, для стекловаты 150-160 кг/м3, а для шлаковаты порядка 200 кг/м3. Таким образом, для достижения одних и тех же характеристик по теплопроводности изделий из базальтового супертонкого волокна требуется в несколько раз меньше, чем из базальтового тонкого волокна, стекловолокна, шлаковолокна. Вследствие чего снижаются общие затраты на теплоизоляционные материалы, уменьшается общий габарит изолируемого изделия, снижаются затраты труда на теплоизоляционные работы. 

Для установления возможности использования базальтовой ваты в качестве хладоизоляционного материала исследовалось изменение прочности на разрыв элементарных волокон ваты БСТВ после обработки в жидком азоте (t = -196°С). Результаты исследования показали, что после пребывания базальтовой ваты в жидком азоте в течение 40ч. не отмечается снижения прочности, в то время как у тонкого волокна снижение прочности произошло на 75%. 

Основные отличительные характеристики шлако-, стекло-, минеральной ваты, БСТВ и БТВ приведены в следующей таблице: 

Наименование параметров Шлаковата Стекловата Минеральная вата Тонкое БТВ БСТВ
Предельная температура 
применения,°С
до 250 oт -60 до +450 до 300-600 (1) от -190 до +700 от -190 до +1000
Средний диаметр волокна, мкм от 4 до 12 от 4 до 12 от 4 до 12 от 5 до 15 от 1 до 3
Сорбционное увлажнение 
за 24 ч. (не более),%
1,9 1,7 0,095 0,035 0,02
Колкость да да нет нет нет
Необходимость использования 
связующего
да да да да нет
Коэффициент теплопроводности, 
Вт/(м-К)
0,46-0,48 0,038 -0,046 0,077-0,12 0,038 -0,046 0,035 -0,046
Наличие связующего, % от 2,5 до 10 от 2,5 до 10 от 2,5 до 10 от 2,5 до 10 -
Класс горюч. (НГ/Г)(2) НГ - негорючие НГ - негорючие НГ - негорючие НГ - негорючие НГ - негорючие
Выделение вредных веществ да да да да, если есть связующее нет
Теплоемкость, Дж/кг*К (3) 1000 1050 1050 500-800 800-1000
Вибростойкость нет нет нет нет да
Сжимаемость, % (4) нет данных нет данных 40 40 15
Упругость, % (5) нет данных нет данных 75 75 95
Tемпература спекания, °С (6) 250-300 450-500 600 700-1000 1100-1500
Длина волокон, мм 16 15-50 16 20-50 50-70
Коэффициент звукопоглощения от 0,75 до 0,82 от 0,8 до 92 от 0,75 до 95 от 0,8 до 95 от 0,95 до 99
Химическая устойчивость 
(потеря веса), % в воде
7,8 6,2 4,5 1,6 1,6
Химическая устойчивость 
(потеря веса), % в щелочной среде
7 6 6,4 2,75 2,75
Химическая устойчивость 
(потеря веса), % в кислотной среде
68,7 38,9 24 2,2 2,2

Примечания:

(1) в зависимости от состава
(2) изделие относят к классу НГ при соблюдении нескольких значений параметров горючести, одним из которых является продолжительность устойчивого пламенного горения образца не более 10сек. Необходимо отметить, что пламенное горение полностью отсутствует только у БСТВ.
(3) теплоемкость, это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании
(4) свойство материала изменять толщину под воздействием давления
(5) свойство материала восстанавливать первоначальный объем после деформации
(6) температура спекания это температура, при которой на образце появляется стекловидный налет

На основании вышеизложенного материала можно сделать вывод о том, что теплоизоляционные изделия на основе базальтовых супертонких волокон лучше по всем показателям.