Ізоляційний волокнистий піноматеріал та спосіб його виготовлення

Изобретение относится к производству волокнистого материала, обладающего хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами и предназначенного для использования в строительстве, судостроении, авиационной технике, в легкой и мебельной промышленности и в других отраслях хозяйства. В промышленности широкое применение находит изоляционный материал плотностью до 100-200кг/м3, выполненный из стекловолокна путем напыления связующего на сформованный холст [1]. Стеклохолст, обладая относительно низкой плотностью, эластичностью, малой теплопроводностью и хорошими звукоизоляционными свойствами, имеет ограниченную область применения из-за своей токсичности (вызывает раздражение кожи) и недостаточной прочности. Аналогичный материал, обладающий высокими прочностными характеристиками, разработан в Японии [2]. Эффект достигается за счет покрытия стеклохолста с обеих сторон обкладками. Однако материал, покрытый с одной или обеих сторон облицовочными листами (бумагой, нетканым материалом) не только упрочняется, но и становится тяжелее, что объясняется высокой плотностью облицовочных листов. Кроме того, традиционная технология изготовления стеклохолста практически исключает возможность введения в его композицию некоторых химических добавок, способных придать стеклохолсту специфические свойства, так как они (добавки) плохо удерживают в материале, изготовленном сухим способом, Материал по прототипу [3] состоит из пористого сердечника, сформованного из вспененной волокнистой суспензии и содержащего переплетенные минеральные или химические волокна, частицы вспученного перлита, связующее и поверхностно-активное вещество, и, по меньшей мере, одного покровного слоя. Покровный слой выполнен из пористого тонкого материала, например бумаги, нетканого материала и т.п. Плотность покровного слоя выше плотности сердечника и плотности материала в целом. Выполнение материала с неравномерной плотностью по толщине, а именно, когда поверхностные слои (слой) имеет более высокую плотность, чем сердечник или материал в целом, обеспечивают ему (материалу) необходимую прочность и конструкционные свойства, например каркасность. Способ изготовления материала по прототипу включает в себя следующие операции: - подготовку вспененной волокнистой водной суспензии, содержащей кроме минерального волокна частицы вспученного перлита, крахмал, катионную гуаровую смолу, поверхностно-активное и диспергирующие средства,содержание воздуха в суспензии составляет 10-30%; - формование пористого сердечника из вспененной волокнистой суспензии на пористом полотне, которое подается на сетку бумагоделательной машины и движется вместе с ней. Пористое полотно (бумага, нетканое полотно) образует облицовочный слой для пористого сердечника, образованного переплетенными между собой волокнами; - обезвоживание пористого сердечника в процессе его формования путем воздействия вакуума; - сушку сформованного сердечника в потоке горячего воздуха; - нанесение, в случае необходимости, на сердечник покровного слоя на другую сторону. Материал, полученный описанным способом, имеет плотность 50-160кг/м, толщину 0,6-5,0см. Материал облицован с одной или с обеих сторон обкладками, плотность которых порядка 400-700кг/м, толщина 30-60мкм. Недостаток материала по прототипу заключается, прежде всего, в его относительно высокой плотности. Это объясняется, во-первых, наличием поверхностных слоев (слоя), выполненных из материала более плотного, чем материал сердечника, что утяжеляет материал в целом, и, во-вторых, интенсивным обезвоживанием (под действием вакуума) сердечника в процессе его формования, которое способствует быстрому разрушению пузырьков пены, вследствие чего происходит уплотнение волокон между собой. Кроме того, облицовочные слои могут отслаиваться от сердечника, так как связь между ними чисто механическая и образуется только за счет сил сцепления, возникающих в процессе обезвоживания материала при формировании сердечника и прямо зависящих от величины вакуума. Способ изготовления такого материала достаточно энергоемок и технологически трудно осуществим, так как предусматривает обязательное использование подкладочного полотна, лежащего на сетке бумагоделательной машины и движущегося вместе с ней. Задача изобретения состоит в создании очень легкого (до 10-50кг/м3) конструкционного волокнистого пористого материала с хорошими тепло- и звукоизоляционными характеристиками. Поставленная задача решается благодаря тому, что в соответствии с предлагаемым изобретением изоляционный волокнистый материал с пористой структурой выполнен монолитным, т.е. в отличие от прототипа он не образован двумя или тремя отдельными структурами, связанными между собой, а представляет собой однородный по композиции нерасслаивающийся пористый материал из переплетенных между собой волокон плотностью до 10-50кг/м3. Плотность материала у поверхности в 5-20 раз превосходит плотность материала в целом, что обеспечивает материалу хорошие конструкционные свойства при очень низкой общей плотности. Изготовление материала монолитным полностью исключает его расслаиваемость. Предметом настоящего изобретения является также способ получения монолитного пористого волокнистого материала плотностью до 10-50кг/м3, имеющего плотность у поверхности в 5-20 раз выше, чем плотность материала в целом. Предлагаемый способ, как и способ по прототипу, включает в себя три основных стадии: приготовление вспененной волокнистой водной суспензии, обезвоживание суспензии на сетке с образованием пористого материала и сушку. В отличие от прототипа волокнистая суспензия в момент начала обезвоживания содержит 60-90% воздуха (по прототипу 10-30%) и обезвоживание ведут под действием гравитационных сил, а не под вакуумом, как это делают в способе по прототипу. Время обезвоживания составляет не менее 5 минут, преимущественно 5-25 минут. Совокупность признаков способа позволяет довольно простым технологичным путем получить пористый волокнистый монолитный материал с исключительно низкой плотностью в целом и с разной плотностью по толщине: плотность материала у его поверхности в 5-20 раз превосходит плотность материала в целом. Это стало возможным как благодаря высокому содержанию воздуха в водной волокнистой суспензии в момент начала ее обезвоживания (60-90%), так и вследствие того, что процесс обезвоживания суспензии на сетке, а, следовательно, и формование самого материала идет под действием гравитационных сил в течение 5-25 минут, но не менее. В способе исключено любое какое-либо физическое воздействие на пену в стадии формования материала. Время обезвоживания вспененной волокнистой водной суспензии или время формования материала (листа, мата, панели) колеблется в широких пределах, но в любом случае это должно быть время, достаточное для завершения процесса формирования структуры материала за счет переплетения волокон при одновременном отводе воды под действием гравитационных сил и для формирования поверхностного слоя материала за счет адсорбции молекул поверхностно-активного вещества, мелких волокон и частиц связующего на поверхности раздела материала и воздуха. Изобретение иллюстрируется конкретными примерами его реализации. Для приготовления водной волокнистой суспензии использовали следующие материалы и реактивы. В качестве волокна материал может содержать древесную целлюлозу, например сульфатную беленую (ГОСТ 14940-75), хризотиловый асбест (ГОСТ 12871-83), базальтовое волокно (РСТ Украины 1970-86), полиэфирное волокно (ТУ 6-06-0172-87), полиарамидное волокно (ТУ 6-06-0200-84), полимерное волокнисто-пленочное связующее - полифенилен изофталимид (ТУ 6-06-И69-80). В качестве связующего рекомендуется латекс синтетического каучука "Неопол" (ТУ 38.103581-85), кремний органический лак марки КО-08 (ГОСТ 15081-78), КО87 (ТУ 6-02-885-79) или поливинилацетатная дисперсия (ПВА) (ГОСТ 18992-80). В качестве поверхностноактивного средства в волокнистую суспензию можно вводить моющее вещество "Прогресс" (ТУ 38-10719-77), сульфанол (СТУ 108-37-60) и другие ПАВ. В случае необходимости в волокнистую водную суспензию вводят другие функциональные и технологические добавки: красители, пигменты, антиоксиданты, биоциды, водоотталкивающие и огнестойкие вещества, стабилизаторы пены и т.д. Готовое изделие (лист, мат, панель, плита) может быть окрашено, текстурировано, декорировано или отделано любым другим способом. Пример 1. 50г сульфатной беленой целлюлозы диспергируют в гидроразбавителе до степени помола 19°ШР, вводят 100мл 50%-ного раствора поливинилацетатной дисперсии и перемешивают в течение 1 минуты, затем загружают 180г полиэфирного волокна и ведут диспергирование в течение 3 минут. В смесь вводят 100мл поверхностноактивного вещества "Прогресс" и продолжают перемешивание состава до достижения содержания воздуха в нем 90%. Для стабилизации пены вводят полиакриламид. Полученную водную волокнистую вспененную суспензию заливают в форму с сетчатым дном, в которой формуется материал пористой структуры за счет удаления воды под действием гравитационных сил. Формование материала протекает в течение 15 минут, после чего его подвергают сушке в два этапа; сначала при температуре 90°С, затем при 130°С. Полученную отливку испытывают на теплопроводность по ГОСТ 7076-87. Плотность материала в целом определяют по ГОСТ 17177/87. Для определения плотности материала у поверхности от него отделяют (срезают) верхний слой толщиной 30-60мкм, взвешивают и расчетным путем определяют плотность. В таблице представлены сводные данные, характеризующие качественный состав материала, технологические параметры процесса и свойства материала. Примеры №4, №8, №9, №13 и №14 даны для сравнения и показывают, что в случае снижения содержания воздуха в суспензии до 30% (пример №4, №8 и №13) при одних и тех же композиционном составе, времени обезвоживания и режиме сушки теплопроводность материала возрастает до 0,054-0,065Вт/м°С по сравнению с 0,042-0,048, а плотность материала в целом увеличивается с 8,6-11,2кг/м3до 47,3-71,3кг/м3. Если время обезвоживания сократить до 30 секунд (пример №14) и образец сразу поместить в сушку, то вследствие большого содержания жидкости, которая вскипает, образец разрушается. Увеличение времени обезвоживания образца сверх 25 минут (пример №9) существенного эффекта не дает. Предлагаемый по изобретению материал обладает: - исключительно низкой плотностью (8-11кг/м3); - хорошими конструкционными свойствами; - удовлетворительной теплопроводностью. Процесс характеризуется относительно простым аппаратурным оформлением. Для изготовления материала может быть использована широкая гамма волокон и отходов их производства.