Доклад: Теплоизоляция в криогенной технике
Стекловолокно из щелочного стекла мало устойчиво по отношению к воде. При длительном хранении оно значительно снижает прочность, а при пребывании во влажной атмосфере со временем совершенно разрушается. Для низкотемпературной изоляции можно применять только волокно из бесщелочных стекол, устойчивых по отношению к воде.
Стекловолокнистые материалы применяют также для вакуумно-многослойной теплоизоляции в качестве теплоизолирующих, прокладок между слоями, отражающими тепловое излучение.
Шелковые очесы представляют собой отходы шелкопрядильной промышленности. По плотности и коэффициенту теплопроводности этот материал близок к лучшим сортам минеральной и стеклянной ваты. Его преимущество — более благоприятные, безопасные условия изоляционных работ. Шелковые очесы применяют иногда для изоляции низкотемпературных установок, в частности установок для разделения природного газа.
Порошкообразные материалы . Порошкообразные материалы применяются в технике низких температур, в основном, для изоляции сосудов со сжиженными газами.
Углекислая магнезия «альба» образуется при «белой варке» углекислой магнезии. Плотность магнезии «альба» 125— 150 кг/ж3, коэффициент теплопроводности при 190°К — в пределах 0,026—0,030 
, До недавнего времени магнезию широко применяли и сосудах для сжиженных газов. Наряду с магнезией «альба» использовали углекислую магнезию с плотностью 400 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности 0,052 при 190° К. Сейчас магнезия вытеснена более эффективными дешевыми изоляционными материалами.
Пробковая крупа используется в настоящее время для теплоизоляции очень редко.
Диатомит (кизельгур, инфузорная земля) — это легкая пористая порода, образовавшаяся из кремнистых панцирей диатомовых водорослей, состоящая, в основном, из аморфного кремнезема с примесями окислов металлов. Плотность диатомита колеблется от 350. до 950 кг/м3, достигая для лучших сортов 150—200 кг/м3. Коэффициент теплопроводности диатомита 0,05—0,07 при 293° К и 0,03— 0,04 при 190° К
Вспученный вермикулит (термовермикулит) получают из минерала вермикулита, представляющего собой сложный высокогидратированный алюмосиликат магния, который образовался из ферромагнезиальных слюд: флогопита и биотита. При нагревании вермикулита дб 700—1100° С содержащаяся в нем кристаллизационная вода превращается в пар. В результате частицы вермикулита вспучиваются, увеличиваясь в объеме в 20—25 раз и превращаясь в червеобразные гранулы. Технология изготовления вспученного времикулита состоит в дроблении породы в молотковой дробилке, рассеве на фракции, обогащении и обжиге в шахтных или других печах.
Плотность термовермикулита составляет 100—200 кг/м3, размер зерен I —12 мм. Коэффициент теплопроводности материала, имеющего плотность 140—160 кг/м3 и размер зерен менее 3 мм, равен 0,052—0,056 при 293К. Доступность и низкая стоимость вспученного вермикулита и хорошие теплоизоляционные свойства приводят к все более широкому внедрению этого материала г промышленность.
Вспученный перлит также представляет собой материал, получаемый путем обжига минерала. Перлитом называют изверженные кремнеземистые горные породы, состоящие из вулканического стекла с включением плагиоклазов, полевых шпатов, кварца и других минералов. Для перлитов характерна особая, концентрически скорлуповатая структура. Они раскалываются по концентрическим трещинам. Получающиеся при этом шарики имеют перламутровую поверхность, напоминающую жемчуг (отсюда и произошло название породы). Сырьем для производства вспученных перлитов могут служить и другие силикатные породы вулканического происхождения, к которым относятся обсидианы, плотные пемзы, туфы и др.
Перлит состоит на 70% из двуокиси кремния, кроме того, он содержит 10—15% глинозема и 4—8% окислов калия и натрия. В перлите находится также несколько процентов кристаллизационной воды. При нагреве до 700—1000°С порода размягчается, а содержащаяся в ней вода переходит в пар, вспучивая размягченную массу материала. Технология изготовления вспученного перлита: дробление породы в щековой, а затем в валковой дробилках или шаровой мельнице, рассев на виброситах, предварительная сушка и последующий обжиг во взвешенном состоянии в шахтной или вращающейся печи.
Плотность вспученного перлита, полученного из пород различных месторождений, колеблется от 40 до 300 кг/м3, размер зерен не превышает 3 мм. Вспученный перлит является высокоэффективным и дешевым теплоизоляционным материалом. Для изоляции аппаратов и машин низкотемпературных установок используется вспученный перлитовый порошок, изготовляемый по техническим условиям МРТУ 6 № ЕУ-231-62. Перлитовый порошок имеет плотность при свободной засыпке 100 кг/м3, размер зерен не более 1 мм и коэффициент теплопроводности 0,031 при 183°К
Аэрогель кремниевой кислоты является наиболее эффективным из известных в настоящее время теплоизоляционных материалов. Существует несколько способов получения легкого тонкодисперсного порошка кремнезема, представляющего собой в сущности аэрогель кремниевой кислоты, однако, последнее название получил лишь материал, получаемый путем удаления жидкости из геля кремниевой кислоты без заметного сжатия его скелета.
Способ получения аэрогеля основан на удалении жидкости из геля при температуре и давлении выше критических. В этом случае жидкость переходит в пар непосредственно в порах материала, что исключает сжатие пор за счет сил поверхностного натяжения, С целью снижения рабочей температуры и давления вода в гидрогеле предварительно замещается этиловым или метиловым спиртом. Технологическая схема процесса состоит в следующем. Предварительно приготовленные растворы жидкого стекла плотностью 1150—1170 кг/м3 и серной кислоты плотностью 1126—1128 кг/м3 поступают в смеситель. Образующийся в течение 6—8 сек гидрогель проходит через масло, коагулирует и приобретает форму шариков. Затем он промывается в чанах водой, после чего вода в гидрогеле замещается этиловым спиртом в 16-ти последовательно соединенных диффузорах. Спирт удаляется из геля в автоклавах при 7—9 Па и 540° К. Остатки паров спирта отсасывают вакуумным насосом. Содержащиеся в полученном продукте примеси органических веществ удаляют прокаливанием во взвешенном слое при температуре 570—670° К.
Изготовляемый по этой технологии продукт имеет плотность 90—120 кг/м3 и коэффициент теплопроводности 0,014— 0,016 при температуре 190° К.
Позднее перешли на новую технологию получения аэрогеля, отличающуюся тем, что спирт удаляется из геля непрерывным способом в теплообменниках. Получаемый по этой технологии аэрогель имеет плотность 20— 40 кг/м3 и коэффициент теплопроводности 0,019—0,020 при температуре 190°К.
Недостатком аэрогеля является необратимое изменение структуры и увеличение теплопроводности при попадании в него капельной влаги. Для того чтобы уменьшить способность аэрогеля поглощать влагу и изменять при этом свою структуру, его можно подвергнуть гидрофобизации путем обработки метилхлористыми силанами, фтористыми соединениями, бутиловым спиртом. Наилучшие результаты дает обработка диметилдихлорсиланом.
Возможны и другие способы получения аэрогеля, не связанные с применением автоклава, работающего под давлением. Предложено удалять воду из гидрогеля вакуумированием его. Разработан способ, состоящий в обезвоживании гидрогеля нагреванием его с жидкостью, обладающей малым поверхностным натяжением, с последующим прокаливанием полученного геля. Оба эти способа дают аэрогель с несколько более высокими значениями плотности и теплопроводности.
Кремнегель представляет собой один из видов тонкодисперсного порошка двуокиси кремния. Он получается, в частности, в производстве суперфосфата при взаимодействии фторапатита с серной кислотой и кремнеземом и последующем гидролизе образующейся двуокиси кремния. Плотность кремнегеля 100—150 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,030— 0,035 при 190°К.
Белая сажа также является тонкодисперсным порошком, состоящим, в основном, из двуокиси кремния. Ее получают путем осаждения кремнекислоты из раствора жидкого стекла углекислотой и обработки полученной суспензии соляной или серной кислотой. Плотность сажи составляет 160—240 кг/м3, размер частиц для некоторых марок достигает нескольких мкм, коэффициент теплопроводности при 190° К равен 0,02— 0,03 . К белой саже близок по свойствам аэросил, получаемый сжиганием четыреххлористого кремния в среде водорода при 1100° С.
Ячеистые материалы . Ячеистые теплоизоляционные материалы также широко применяют в технике низких температур..
Пробка представляет собой ячеистый материал естественного происхождения и давно используется в технике умеренного холода: Она вырабатывается из коры пробкового дуба и, отчасти, коры бархатного дерева. В холодильной технике применяются плиты, которые прессуются из пробковой крупы крупных фракций и подвергаются термической обработке при 260—280° С. Свойства экспанзита согласно ВТУ № 190 и ТУ № 174/5-2-41 характеризуются следующими данными: плотность не более 180 кг/м3, коэффициент теплопроводности не более 0,058 при 293° К.
Вспученный эбонит (оназот) относится к числу наиболее эффективных ячеистых теплоизоляционных материалов. При вспучивании эбонит увеличивается в объеме примерно в 15 раз, его плотность снижается до 60—70 кг/м3. Оназот имеет 20 000 ячеек в 1 см2, средняя толщина стенок ячеек составляет 0,012 мм. Он дороже пенополистирола, но превосходит последний то коэффициенту теплопроводности (0,028 при 288° К), а также по водопоглощению и паропроницаемости.
Мипора имеет наименьшие плотность и коэффициент теплопроводности по сравнению со всеми остальными пенопластами. Она представляет собой отвердевшую пену мочевино-формальдегидной смолы. Мипору выпускают по в виде блоков плотностью 10—20 кг/м3. В изоляционный объем сложной конфигурации ее загружают в виде крошки с плотностью набивки 40—50 кг/м3. Коэффициент теплопроводности в обоих случаях одинаков и равен 0,030—0,033 при 293°К.
Недостаток мипоры — гигроскопичность. Этот материал довольно быстро увлажняется в условиях эксплуатации низкотемпературной теплоизоляции. Мипора не поддерживает горения в атмосфере воздуха. Однако в среде кислорода она огнеопасна, а при большой плотности набивки взрывоопасна. Поэтому ее нельзя рекомендовать в качестве теплоизоляции установок разделения воздуха и сосудов для жидкого кислорода.
Пенополистирол представляет собой ячеистый материал (поры замкнуты) с очень малым поглощением. Он может быть изготовлен различными способами. Прессовый метод состоит в смешении полимера с газообразователями и другими компонентами, прессовании композиции и вспенивании заготовок. Так получают пенополистирол с плотностью 60—220 кг/м3 и с плотностью 35—80 кг/м3. Коэффициент теплопроводности возрастает с увеличением плотности и находится в пределах 0,030—0,050 при 293° К.
Автоклавный метод основан на насыщении полистирола в автоклаве газами или низкокипящими органическими веществами и последующем вспенивании при снятии давления. В США таким методом получают продукт под названием «стирофом» с плотностью 20—40 кг/м3, размером пор 0,5—2 мм и коэффициентом теплопроводности около 0,040 при 293° К.
Метод получения пенополистирола из гранул прост в аппаратурном оформлении и позволяет при соблюдении необходимых условий получать пенопласт непосредственно в изоляционном пространстве. Гранулы полистирола, насыщенные низкокипящими органическими веществами, вспенивают путем нагревания. Приготовленные таким образом пористые гранулы засыпают в форму и вторично подвергают нагреву с помощью острого пара или горячей воды в течение 5—10 мин. Под влиянием высокой температуры гранулы еще больше увеличиваются в объеме, размягчаются и склеиваются (спекаются) между собой, образуя сплошной материал. Он имеет плотность 20—60 кг/м3 размер пор 0,01-—0,1 мм и коэффициент теплопроводности 0,032—0,045 при 273° К.
Пенополиуретан получают в результате сложных реакций, протекающих при смешении полиэфира, диизоцианата и воды в присутствии соответствующих катализаторов и эмульгаторов. Смесь заливается в форму, где она вспенивается. Затем вспененный материал прогревается в течение 4—6 ч при температуре 50—150°С, в результате чего происходит его отверждение. Изготовляют как жесткие, так и эластичные пенополиуретаны в зависимости от вида полиэфира.