Формирование оптимальной ячеистой структуры ТИМ

Общая пористость материала с ячеистой структурой образуется из ячеистой пористости (макропористости) и пористости межпоровых перегородок (микропористости). На долю ячеистой пористости приходится примерно 90% от общего ее объема. Рассмотрим, каков же максимальный общий объем ячеистой пористости возможен в реальных материалах.

Объем ячеистой пористости определяется пространственным расположением пор (их упаковкой), распределением пор по разме­рам, максимальным и средним размером пор, их формой, толщи­ной межпоровых перегородок. Наибольшие значения пористости при сферической форме пор достигаются в условиях геометрически правильной их укладки (упаковки), к которой относятся кубичекая и гексагональная.

Рис. 51 Характер плотной упаковки сфериче­ских пор одного диаметра: А — кубическая упаковка: Б — гексагональная упа­ковка; В — гексагональная упаковка при наличии несущего каркаса

В этом случае минимальная средняя плотность полимерных ма­териалов составит 330 кг/м3, а минеральных — 735 кг/м3, т. е. она значительно выше допустимой для теплоизоляционных и акустиче­ских изделий.

Таким образом, для теплоизоляционных материалов оптималь­ной ячеистой структурой следует считать равномерно распределен­ную в виде полидисперсных по размеру, замкнутых, деформирован­ных в правильные многогранники пор с глянцевой поверхностью припорового слоя, разделенных тонкими плотными, одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками. Для получения такой оптимальной ячеистой структуры необходимо оптимизировать сле­дующие ее характеристики.

Однородность распределения пористости в объеме материала. Этот параметр может быть оценен средним квадратичным отклоне­нием (дисперсией) от среднего значения пористости или коэф­фициентом вариации. Экспериментально установлено, что для ячеистых теплоизоляционных бетонов П изменяется от 3 до 11%, причем с повышением пористости дисперсия, как правило, уве­личивается.

Толщина межпоровых перегородок. Этот показатель объединя­ет три параметра: толщину перегородки в наиболее тонкой ее час­ти, равномерность сечения перегородки по периметру поры (неод­нородность сечения в пределах одной поры), неоднородность толщин перегородок в объеме поризованного материала

Среднюю толщину межпоровой перегородки в материале с яче­истой структурой определяют дисперсность исходных компонентов и способ поризации. Толщина перегородки зависит от пористости плотности упаковки твердых частиц.

Реально достижимые толщины перегородок и неоднородность толщин в объеме материала составляют для теплоизоляционных полимерных материалов с ячеистой структурой соответственно 0,006...0,01 и 1...2*10^-3 мм, а для материалов из неорганического сырья —0,09...0,12 и 0,04…0,07 мм.

Плотность межпоровых перегородок. Этот показатель определя­ется их пористостью, которая слагается из пористости, создаваемой водой затворения, и межзерновой пористости, характерной для не­органических материалов зернистого строения. Первый из этих двух факторов зависит от количества воды затворения (В/Т) или количе­ства разбавителя, а также от доли жидкой фазы, связываемой в процессе твердения. Второй фактор определяется гранулометриче­ским составом твердых компонентов, формой зерен, шероховатостью их поверхности, а также реологическими характеристиками смеси и интенсивностью уплотнения.

Форма пор. Этот параметр характеризует степень деформирова­ния сферических пор в правильные многогранники. Повышение объема ячеистой пористости системы, снижение поверхностного на­тяжения, повышение устойчивости массы, быстрая фиксация порис­той структуры путем отверждения приводят к увеличению объема пор — многогранников. О степени деформирования пор можно су­дить по объему ячеистой пористости: если значение П„ превышает 75...80%, то это указывает на переход сферических пор в многогранник. Чем выше объем ячеистой пористости, тем более правильной формы должны быть многогранники.

Характер внутренней поверхности пор. Этот параметр отражает главным образом прочностные характеристики теплоизоляционных материалов. Необходимо стремиться к получению пор с плотной гладкой внутренней поверхностью. Этому способствуют следующие основные факторы: понижение поверхностного натяжения в период поризации массы; применение динамических воздействий (вибра­ции); быстрое закрепление образовавшейся пористой структуры, а также недопущение слишком интенсивного порообразования.

Замкнутость ячеистой структуры. Для теплоизоляционных мате­риалов и изделий идеальной является пористая структура с замкну­тыми ячейками. Однако в реальных материалах, выпускающихся промышленностью, характерно наличие дефектов ячеистой структу­ры, нарушающих замкнутость пор: «контактные дырки» и трещины в перегородках, возникающие из-за несоответствия скорости газо­образования и темпа нарастания предельного напряжения сдвига и пластической вязкости массы; вертикально направленные каналы со значительным разрыхлением структуры в приствольной зоне ка­нала (результат интенсивного порообразования или прорыва массы газами); поперечные и косые трещины в перегородках, образую­щиеся при транспортировании поризованной массы в формах с не­достаточной жесткостью.