Главная > Пена и пенные пленки > Теплоизоляторы на основе замороженных водных пен

Теплоизоляторы на основе замороженных водных пен

Замороженная водная пена, применяемая в качестве тепло­изолирующего покрытия, должна обладать малой теплопровод­ностью и прочностью, достаточной для того, чтобы противосто­ять действию собственной силы тяжести, а также снеговых и ветровых нагрузок. Экспериментальные исследования показали, что необходимая прочность и низкая теплопроводность дости­гаются при замораживании пен кратностью не более 20 (объ­емная плотность 50 кг/м3). Сохранение однородной структуры в такой пене при затвердевании водной фазы зависит от ско­рости противоположных процессов — с одной стороны, синере­зиса и внутреннего разрушения пены, с другой стороны, кри­сталлизации дисперсионной среды. Поэтому оптимизация тех­нологических свойств замороженной пены (механической проч­ности, теплопроводности и метаморфизма — изменения этих свойств при эксплуатации) сводится к приемам, направленным на уменьшение скорости синерезиса и внутреннего разрушения жидкой пены и на увеличение скорости кристаллизации и сро­ка сохранения структуры твердой пены (замедление метамор­физма).

В первых работах по теплоизоляции грунтов использовались композиции пенообразователей, на основе которых получают противопожарные пены. Была разработана технология изготов­ления пенольда путем замораживания слоя пены, полученной из 4—8%-ых растворов пенообразователей ПО-6 и ПО-1. Объ­емная плотность пенольда (в момент замораживания) состав­ляет ~ 100 кг/м3, а коэффициент теплопроводности 0,2 Вт /(м-К). Однако предложенная технология изготовления пе­нольда весьма несовершенна, поскольку она разрабатывалась без учета основных процессов, протекающих в жидкой и за­мороженной пене. Расход пенообразователя по этой технологии довольно высокий, затраты на 1 м3 пены достигали 1,5 руб Проводились работы по совершенствованию этого теплоизоля - тора [598J.

С целью разработки композиций пенообразователей и вы­бора оптимальных параметров технологии получения и нанесе­ния замерзающей иены на грунт были проведены исследования устойчивости иен, полученных из различных пенообразователей по отношению к внутреннему разрушению и разрушению стол­ба, а также относительно синерезиса, особенно его начальной стадии [392]. Ниже приведены результаты определения пехол - ной дисперсности (средний размер газового пузырька) и време­ни жизни столба пен из различных ПАВ (0,2%-ый раство: прн п=15, при разрежении Ар = 10 кПа и Н = 3 см:

20-0ксиэтнлиро - Алкил- ванный ноннл - суль - фенол фаты

Алкнлсуль- Алкилиензол - Волго Игнаты с*. ль^>.)ьаты нат

72 1535

90 1180

125 1146

169

950

236 447

R мкм тр. с

184 710

В такой же последовательности располагаются эти пенооб­разователи по увеличению устойчивости относительно внутрен­него разрушения пен.

Изучение зависимости времени жизни пены от концентра­ции одного из наиболее перспективных пенообразователей — волгоната (при Ар= кПа) показало, что устойчивость пены заметно снижается при концентрациях менее 0,1%, в то время как скорость диффузионного укрупнения постепенно уменьша­ется, начиная с концентрации ~1%. Дополнительное увеличе­ние устойчивости пены достигается введением различных доба­вок (электролитов, водорастворимых полимеров, жирных спир­тов и др.).

Исследовали микросинерезис пен, полученных из тех же пенообразователей, в верхних слоях пены высотой 8 см с по­мощью кондуктометр и ческого метода (электроды 1X1 см и 0,2X5 см, объем межэлектродного пространства 1 см3). Интен­сивное уменьшение скорости синерезиса (в 5—7 раз) обнару­живалось прн увеличении концентрации ПАВ от 0,1 до 0,6% [74, 392J. Для практики послойного намораживания большое значение имеет учет зависимости скорости микросинерезнса от высоты пенного столба. Как отмечалось в разд. 5.4.3, наиболее существенное снижение скорости синерезиса наблюдается прн высоте столба пены менее 2,0—2,5 см.

Другой важной характеристикой начальной стадии синере­зиса является время начала вытекания жидкости из пены тк. На основе экспериментальных данных, полученных при изуче­нии синерезиса пен из раствора волгоната, найдена прибли­женная зависимость тк от высоты столба пены:

Т*=т т+т/Нжт/Н, (10.25)

Где Tt(0) обычно много меньше т/Н прн //<5 см.

Величина т зависит от начальной кратности пены и для ннзкократных пен (по = 10—25) может быть выражена в виде эмпирического уравнения

Т = 2,3 + 0,15л0

Тогда

Т> «(2,3+ 0,15 по)///. (10 26)

При исследовании влияния добавок различного назначения установлено, что увеличение концентрации хлорида натрия в растворе волгоната и додецнлеульфата натрия приводит к сни­жению поверхностного натяжения, увеличению дисперсности, снижению начальной скорости синерезиса и увеличению време­ни жизни пены. Наиболее существенное влияние на все струк-

Рис. 10.10. Зависимость времени начала вытекания жидкости из пе­ны от концентрации лаурилового спирта.

Пенообразователь — технический алкмл сульфонат

Т рные параметры пены и на скорость процессов сине резнса и укрупнения пузы рьков оказывают добавки лаурилового спирта. Рис 10 10 характеризует зависи­мость времени начала вы­текания жидкости из пены, стабилизованной алкил сульфонатом (С=0,2%), от концентрации вводимого лаурилового спирта.

Наиболее резкое замедление вытекания наблюдается прн достижении соотношения концентраций ПАВ и спирта 2 1 (при //=2, 3 и 4 см). Влияние добавок лаурилового спирта на изменение кратности пены и капиллярного давления в ней ил­люстрирует рис. 10 11.

Таким образом, было установлено, что замедление скорос­ти вытекания жидкости из пены обусловлено увеличением дис­персности пен, возрастанием поверхностной вязкости и замед­лением диффузионного переноса.

Исследования влияния пониженных температур (от 20 до 2°С) показали, что время жизни пены возрастает от 20 до 24 мин (при Др=10 кПа, Н=3 см п0 = 15±2) а начальная скорость сннерезиса, несмотря на возрастание вязкости раство­ра, увеличивается приблизительно в полтора раза, что связано с уменьшением дисперсности пены.

Стабилизация пенной структуры достигается быстрым замо­раживанием пен низкой кратности.

Теплоизоляторы на основе замороженных водных пен

500 -

400

0,06 Сс„°/о (паса)

Для оценки скорости замораживания пены при теплообмене ее поверхности используют уравнение Стефана [599. 600]:

(10.27)

Где тПр — время промерзания слоя пены высотой Н Qv — объемная теплота кристаллизации; KF— коэффициент теплопроводности пены;^ Н — высота пе ны; А/— разность между температурой среды и жидкой фазой пены.

П - I.

---------- /.,

Выражая Qv через кратность пены и удельную теплоту кристаллизации L и используя зависимость теплопровотност от кратности (формула 8.53), уравнение (10.27) можно прел ставить в виде:

Qi = 00L/n:

Теплоизоляторы на основе замороженных водных пен

11 гмин

Рис. 10.11. Влияние лаурилового спирта на кинетические кривые изменения кратности (а) н капиллярного давления (б) в пене.

Пенообразующая система: / — 0.2%-й раствор волюната; 2 — то же с добавкой 0,1% лау­рилового спирта

500LH- ПП9>П

+(«-.)>-.] л, • (10-2й)

Где A.;., KG — теплопроводность жидкой и газовой фаз.

Это уравнение показывает, что скорость промерзания слоя пены сильно зависит от его высоты и кратности пены. Напри­мер, при //=10 см и Д/=1°С пена с п=20 замерзает в тече­ние более 20 дней, и, таким образом, продолжительность про­мерзания сопоставима со временем жизни пен только для тон­ких слоев пены и при большом градиенте температур.

Максимальное сохранение первоначальной структуры исход­ной пены в замороженном материале обеспечивается при ус­ловии, что промерзание всех слоев пены происходит быстрее, чем вытекание из них жидкости. С учетом этого условия пред­ложены два критерия, определяющие режим замораживания пены. Первый критерий базируется на сравнении скоростей промерзания и микросинерезиса верхних слоев пены; второй критерий основан на сравнении продолжительности промерза­ния слоя пены и времени начала вытекання жидкости из пе­ны на грунт.

Поскольку при укладке пены на грунт замораживание и вы­текание жидкости при, микросинерезисе начинаются с верхних слоев пены, то условием замораживания пены без выделения жидкости и ее перераспределения по высоте является выраже­ние (первый критерий) [600]:

/Са, = »Пр/«с»1, (10.29,

Где шПр — объемная скорость промерзания, м3/(м2-с); шс — объемная скорость синерезиса, м3/(м2-с).

Из уравнения (10.27) с учетом, что

H = nV'LM. (10.30)

С0-3"

Получается следующая зависимость для скорости промерза­ния пены

=0,386 • 10

Скорость синсрезиса равна (см. уравнения 5.50 и 10.30) [392, 600] :

--------- у----- г. (10.32)

(г f ll/NiL'J2 V

Подставляя в (10.29) уравнения (10.31) и (10.32), получим К. = 0,386 • (^У 2 + ///"^'о>5 (Ю. ЗЗ)

Функция Kw(z) имеет один минимум при

X»lw = H/(3n0w0), (Ю.34)

Подстановка этого значения в (10.33) дает выражение для гра­ничного (минимального) значения критерия

/С„=1,19--<(kFM/Hwo)1'2 (10.35)

Были проведены расчеты /Cw. mhh для пен кратностью 10— 25 на основе зависимостей ш0 от кратности пены и высота столба пены, полученных в [74, 430], и зависимости lF(n.:) [611]. Найденные значения критерия К^.мии сопоставляли с ре­зультатами исследования замораживания пен в полевых усло­виях (пены получали в кюветах переменной высоты, что позво­ляло осуществлять замораживание пены только с ее поверхн стн и измерять объем вытекшей жидкости). Было установлен!, что пена замерзала без выделения жидкости и с сохранением Первоначальной структуры (без разрушения столба) щ-' Кк, мнн>1 и заметно разрушалась и выделяла жидкость пр-:

Второй критерий, допускающий стекание жидкости из вео-. них слоев в нижние при замораживании, выражается в вил^ [392]:

А. = тпр/т,<<1- <10"3'

При подстановке в (10.36) значений тпр (10.27) и хк (Ю._-, получается зависимость

При известных значениях Kf. At и п0 можно определить пре­дельно допустимую высоту слоя пены, замеряющей без выде­ления жидкости. При Кх= 1 эта высота составляет:

//«„.=[5.97. l(T%A/H0(2.3-fO,15,I(l)] (10.38)

Расчетные значения //макс, полученные с использованием за­висимости Лг(гс, T) [601], приведены на рис. 10.12. В интервале температур от —50 до —10 °С для пен, полученных из раство­ра волгоната, максимально допустимая высота не должна пре­вышать 8—12 мм. Введение добавок лаурилового спирта приво­дит к заметному увеличению предельно допустимой высоты (см. рис. 10.12, кривая 4).

Сравнение критерия Кх с результатами исследования замо раживания пены показало, что, действительно, процессу замо­раживания без выделения жидкости соответствует условие Кт< 1. Следует отметить, что приведенные расчеты не учиты­вают влияния уменьшения слоя пены при замерзании на уве­личение тк и И макс, тем самым на время промерзания оставшей­ся пены. Возможно, по этой причине пена замерзает без выде­ления жидкости при условии Ат>1 и /(„<1, а не при 1 и 1

Замораживание пены значительно замедляет процесс внут­реннего разрушения и разрушение дисперсной системы в целом, но не останавливает его полностью. Постепенное разрушение замороженной пены происходит в результате интенсивной воз­гонки льда в нижних «теплых» слоях с последующей конденса­цией в верхних «холодных» слоях, а также вследствие разли­чий в энергии Гиббса отдельных элементов структуры твердой пены.

Известно, что скорость испарения жидкости может быть сильно снижена нерастворимыми монослоями некоторых ПАВ. О воздействии нерастворимых органических соединений на ме­таморфизм снега указывается в ряде работ. Некоторые вещест­ва ускоряют процесс уплотнения снега (изобутиловый спирт и др.), другие, наоборот, замедляют его [602, 603]. Исследова­ния [392] показали, что сильное замедление разрушения замо­роженной пены вызывает полиэтнлгндросилоксан ГКЖ-94, имеющий весьма малое давление насыщенных паров и темпе­ратуру замерзания —60°С. Известно также, что это вещество является антивспенивателем, поэтому был исследован интервал концентраций, в котором пеногасящее действие ГКЖ-94 выра­жено достаточно слабо, а влияние его на скорость метаморфиз­ма замороженных пен достаточно велико.

Изучение диффузионного переноса в модельных пленках по методике [153, 318] и в самой пене показало, что скорость пе-

Рис. 10 12 Зависимость высоты слоя пены, чачеряающеп йс. ч выделения

Жидкости, от температуры кривые рассчитаны для пен нз волгоиа1а с начальной кратностью "( /— 10: 2- 15: 3 — 20; 4 — 20 с добавком лаурилового спирта

Ремегцения пленкн (и соответ­ственно скорость диффузион­ного переноса) при С=0,001% (масс.) ГКЖ-94 меньше в два раза по сравнению со ско­ростью без добавки этого ве­щества, и при С=0,007% пе­ренос прекращается вообще.

Вместе с тем было установ­лено, что начальная скорость синерезиса в пенах, стабилизованных волгонатом (С=2%), сдо - бавками ГКЖ-94 не увеличивалась, а изменение дисперсности заметно замедлялось. Влияние ГКЖ-94 проявлялось заметно только в сухих пенах, время жизни пены уменьшалось (от 20 до 10 мин). Испытания пен в холодильной камере показали, что добавки ГКЖ-94 (до 0,1%) уменьшают скорость возгонки приблизительно в четыре раза.

Структурные изменения в замороженной пене определяются интенсивностью переноса пара по высоте при постоянном гра­диенте его плотности. Было проведено исследование массопере- носа пара в замороженной пене. Испытания выполняли в на­турных условиях с помощью набора заполненных заморожен­ной пеной и сообщающихся между собой кювет; градиент плот­ности водяного пара по высоте колонки из кювет составлял 0,04-10^6 г/см4. Рассчитанные по экспериментальным данным коэффициенты переноса водяного пара в пенах различного состава приведены в табл. 10.1.

Как видно из данных табл. 10.1, коэффициент переноса в замороженных пенах значительно ниже, чем в снеге, что. обус­ловлено влиянием адсорбционных слоев ПАВ. В присутствии ГКЖ-94 коэффициент переноса дополнительно снижается и при определенной его концентрации возможно практически полное подавление процессов массопереноса в пенах под действием температурного градиента.

"макс. мм

Теплоизоляторы на основе замороженных водных пен

Таким образом, научно обоснованный выбор ПАВ, его кон­центрации в растворе, а также добавок, замедляющих ско­рость метаморфизма замороженных пен, и высоты единичного слоя пены при послойном замораживании в совокупности обес­печивают создание технологии получения высокоэффективных ксиних покрытий для защиты горных пород от сезонного про­мерзания.

Таблица 10.1. Коэффициент переноса водяного пара в замороженных пенах различного состава


Коэффициент перс- носа водяного пара, см'1с

Средний поток во­дяного вара

Состав образца пень»

Q 10-s г/(см - с)

Снег

Волгонат, 0,1% Волгонат, 0,2%

Волгонат, 0,1%, и ГКЖ-94, 0,003% Волгонат, 0,1%, и ГКЖ-94, 0,006% Волгонат, 0,2%, н лаурнловын спирт, 0,1%

Пена и пенные пленки

  1. Пока что нет комментариев.