Состав и компоненты муллитокремнеземистого картона
Основу теплоизоляционного картона составляет муллитокремнеземистое волокно — материал, получаемый плавлением смеси оксидов алюминия и кремния с последующим волокнообразованием. Химический состав волокна определяет его способность сохранять прочность при длительном воздействии температур выше 1100 °C. Кроме волокнистого наполнителя, в состав входят связующие вещества, которые обеспечивают адгезию волокон и придают листу механическую прочность на этапе сушки и транспортировки. Перед закупкой материала рекомендуется уточнить Стоимость теплоизоляционных экранов.
Типичное соотношение Al2O3 и SiO2 в волокне составляет примерно 47–52 % к 48–53 %, что соответствует области кристаллизации муллита 3Al2O3·2SiO2. Именно эта фаза отвечает за высокую термостабильность. Для придания листу гибкости и устойчивости к истиранию в суспензию вводят до 8–12 % органических или неорганических связующих.
Получение и структура муллитокремнеземистого волокна
Волокно производят методом вертикального или горизонтального раздува струи расплава сжатым воздухом либо центробежно-фильерным способом. Исходное сырьё — каолиновый концентрат, глинозём и кварцевый песок — плавится в электродуговых печах при температуре около 1850–1900 °C. Образующиеся волокна имеют длину от 10 до 50 мм при среднем диаметре 3,0–3,5 мкм. Такая геометрия формирует трёхмерный каркас с открытой пористостью, что принципиально важно для снижения теплопроводности и поглощения звука.
Типы связующих и их роль в формировании листа
В производстве применяют два класса связующих: органические и неорганические. К органическим относят водные дисперсии поливинилового спирта, акриловые латексы или крахмалсодержащие составы. Они полностью выгорают при последующем обжиге, оставляя после себя равномерную систему пор. Неорганические связки — кремнезоль, алюмозоль — не разрушаются при нагреве, а наоборот, участвуют в спекании волокон и повышают прочность при высоких температурах. Выбор типа связующего влияет на характер деструкции, усадку и конечную пористость картона.
Технологический цикл изготовления материала
Приготовление водной суспензии и дозирование компонентов
Изготовление начинается с подготовки водной суспензии, в которой равномерно распределены волокна муллитокремнеземистого состава. Для предотвращения комкования волокна предварительно распушают в аэродинамическом узле, а потом смешивают с водой в гидроразбивателе при концентрации 2–5 % по массе. На этом же этапе дозируют связующее и, при необходимости, небольшое количество флокулянтов для улучшения удержания волокна на сетке. Вся система контролируется по вязкости и времени фильтрации, чтобы обеспечить однородность готового листа.
Формование листа, обезвоживание и первичная сушка
Формование выполняют на плоскощёлочной или цилиндрической отливной машине, аналогичной бумагоделательной, но с щадящим режимом обезвоживания. Суспензия поступает на непрерывно движущуюся сетку, где под действием гравитации и вакуума удаляется свободная вода. Толщина мокрого листа регулируется зазором напускного устройства и скоростью сетки — обычно 25–50 мм. Далее сырой лист поступает в многосекционную конвективную сушилку с температурой 120–150 °C, где содержание влаги снижается до 3–5 %. Скорость сушки ограничена, чтобы избежать образования паровых пузырей и расслоения.
Термическая обработка и формирование огнеупорной структуры
Высокотемпературный обжиг и кристаллизация муллитовой фазы
После сушки картон подвергают финишному обжигу в проходных туннельных или роликовых печах. Температурный режим предполагает медленный нагрев до 900–1100 °C с изотермической выдержкой не менее 2 часов. На этой стадии органическое связующее выгорает, а в волокне активизируется кристаллизация муллита. Рост кристаллов связывает волокна между собой в прочный каркас, что придаёт материалу способность выдерживать рабочую температуру до 1150 °C без плавления. Обжиг проводят в окислительной атмосфере, чтобы углеродистый остаток полностью удалялся.
Контроль линейной усадки и деформационной стойкости
Важнейший параметр после обжига — линейная усадка при повторном нагреве. Качественный картон показывает усадку не более 3,5–4,0 % при выдержке 24 часа на температуре 1100 °C. Для прогнозирования деформационной стойкости на производстве отбирают образцы и проводят термомеханический анализ. Контроль осуществляется по всей площади рулона; максимальное отклонение толщины от номинала не должно превышать ±10 %. Снижение усадки достигается точным соблюдением режима обжига и дозировкой связующего, которое обеспечивает равномерное спекание без локальных напряжений.
Тепло- и звукоизоляционные характеристики
Механизмы снижения теплопроводности в пористом волокнистом слое
Теплопроводность муллитокремнеземистого картона определяется тремя механизмами: кондукцией по твёрдой фазе, теплопередачей через газ в порах и излучением. Волокнистая структура создаёт лабиринт воздушных полостей, в которых конвекция подавлена, а доля контакта твёрдых волокон мала. Коэффициент теплопроводности при 400 °C составляет 0,10–0,13 Вт/(м·К) для материала плотностью 220–260 кг/м³. При увеличении плотности до 300 кг/м³ теплопроводность возрастает из-за роста проводимости по твёрдой фазе, поэтому оптимум лежит в указанном диапазоне.
Параметры поглощения звуковых волн и влияние плотности
Акустические свойства картона обусловлены переходом энергии звуковой волны в тепло за счёт трения воздуха о стенки волокон в порах. Наибольший коэффициент звукопоглощения достигается на средних и высоких частотах (500–4000 Гц). Для листа толщиной 25 мм и плотностью 200 кг/м³ реверберационный коэффициент звукопоглощения αw может достигать 0,7–0,8. Снижение плотности до 150 кг/м³ смещает максимум в низкочастотную область, однако уменьшает общую механическую жёсткость. Толщина материала напрямую расширяет частотный диапазон эффективного поглощения, поэтому для снижения шума в агрегатах часто используют многослойные конструкции с различной плотностью слоёв.