Основное назначение связующего — создать контакты между отдельными минеральными волокнами для фиксирования волокнистой макроструктуры дисперсной системы при получении изделий с заданными эксплуатационными характеристиками.
В производстве минераловатных изделий наиболее широко используют органические связующие вещества. Минеральные связующие, несмотря на меньшую стоимость, недефицитность, нетоксичность, не пользуются популярностью в силу их низкой адгезии к минеральному волокну, малой прочности и высокой средней плотности изделий. Их можно применять в отдельных случаях, когда требуется получить жесткую, неэластичную макроструктуру без особо строгих ограничений по средней плотности. Группу минеральных связующих представляют цементы, глины, трепел, диатомит, растворимое стекло и пр.
Основные требования к связующим веществам: высокая адгезия и способность равномерно распределяться по волокну материала; достаточно высокая когезия связующего после его отверждения; водорастворимость при приготовлении растворов или способность к образованию устойчивых эмульсий; водо- и термостойкость в отвержденном состоянии: долговечность; нетоксичность; недефицитность компонентов связующего; низкая усадка, исключающая появление в отвержденном связующем трещин; сроки отверждения должны находиться в рамках требований принятой технологии.
Органические связующие отвечают большинству из перечисленных требований и в настоящее время наиболее полно способны удовлетворить промышленность теплоизоляционных материалов на основе минеральной ваты. К группе таких веществ относятся многие синтетические смолы, битумы, декстрин, крахмал и пр.
Для растворения связующих наиболее подходящими являются полярные растворители, такие как вода, спирты, эфиры, и в меньшей степени неполярные растворители — бензин, бензол, ксилол и пр.
Наиболее распространенным видом синтетического связующего в производстве минераловатных изделий являются фенолформальдегидные смолы, в частности термореактивные феноло-спирты. А в последнее время все большее применение находят и карбамидные смолы.
Фенолоспирты представляют собой водорастворимые фенолформальдегидные поликонденсационные смолы. Фенольные смолы переходят в твердое нерастворимое (резитное) состояние при температуре 160—170°С в течение 10—30 мин во время проникновения горячего газообразного теплоносителя через толщу минераловатного ковра. Время отверждения фенолоспиртов сокращается по мере увеличения их концентрации в водном растворе.
Формальдегидные смолы обладают большинством необходимых качеств хорошего связующего, за исключением токсичности, хрупкости отвержденных пленок, относительно быстрого старения.
Карбамидные смолы дешевле фенолоспиртов, имеют высокую адгезию к волокну, не горят, позволяют получать минераловатные изделия с хорошими эксплуатационными качествами. Температура перехода их в твердое состояние 130—140°С. Однако более широкое использование сдерживается нестабильностью их свойств, что обусловливает значительные колебания физико-механических характеристик готовых изделий при одних и тех же технологических режимах. Кроме того, они весьма чувствительны к режимам тепловой обработки и недостаточно водостойки. Сохраняемость их в неотвержденном жидком состоянии невелика.
В последние годы у нас в стране и за рубежом все шире применяют многокомпонентные связующие, представляющие собой композиции смол с различными пластификаторами, повышающими эластичность минераловатных изделий. Именно благодаря применению связующих композиций с такими свойствами можно получать различные минераловатные изделия с более низкими показателями средней плотности и коэффициента теплопроводности, чем у исходной минеральной ваты.
В СССР нашли применение битумно-бентонитовые и крахмально-бентонитовые композиции, смеси фснолоспиртов с пластификаторами, например с поливинилацетатной эмульсией, уменьшающих хрупкость отвержденных пленок связующего.
В США получили распространение карбамидные и алкидные смолы, композиции, состоящие из 45—65 ч. по массе алкидной смолы, 30—50 ч. по массе мочевино-боратного продукта конденсации и 3—7 ч. по массе фенолформальдегидной смолы. В ФРГ применяют двухкомпонентные связующие, состоящие из фенолоспиртов и поливинилацетатной эмульсии или эмульсола. Во Франции в качестве связующего распространены производные целлюлозы.
Существует несколько способов введения связующих веществ при производстве минераловатных изделий: пульверизацией; проливом с последующим отжимом и вакуумированием; получением гидромасс (мокрый способ).
По способу пульверизации раствор или эмульсию связующего в виде аэрозоля наносят на минеральную вату в камере волокноосаждення (рис. 3.68). Связующее распыляют с помощью форсунок, через паровой коллектор центробежно-дутьевой установки или через полый вал центрифуги. В последних двух случаях связующее распределяется более равномерно: чем выше степень распыления, тем более равномерно связующее покроет отдельные волокна, тем выше качество сцепления.
Однако ввиду больших потерь связующего при применении этого способа он является рентабельным только при изготовлении мягких, полужест-ких плит и рулонного материала с низкой средней плотностью.
Ведутся разработки по усовершенствованию этой технологической операции. Так, фирмами «Земак» (ПНР) и «Юнгерс» (Швеция) сконструированы узлы, работающие под давлением более 6 МПа, что повышает качество получаемой продукции и значительно уменьшает расход дефицитных фенолоспиртов. Наличие 6—8 форсунок с самоочищающимися соплами, изготовленными из износоустойчивого материала, обеспечивает равномерное нанесение связующего. Для придания плитам гидрофобных свойств в этом же месте устанавливают форсунки для распыления температуростойкого масла.
При проливе с отжимом и вакуумированием связующее в виде непрерывной плоской струи падает на движущийся минераловатный ковер (рис. 3.69). Далее ковер доуплотняют, отжимают и вакуумируют, в результате чего оптимизируется влажность материала.
Излишек связующего после попадания в бассейн снова перекачивается в поливочную ванну с желобом.
Достоинства способа: более высокая прочность по сравнению с аэрозольным введением связующего (в 2—3 раза), меньшие потери связующего. Недостатки: повышение средней плотности изделий, влажности ковра (70—80 % массы), необходимость использования сложных технологических приемов для удаления влаги (вакуумирование, прессование, отжим и пр.), а также необходимость сушки. Способ применяют для получения жестких и твердых минераловатных плит.
При получении гидромасс различают два способа формования минераловатных изделий: подпрессовки и отливки (рис. 3.70). В обоих случаях непропитанный минераловатный ковер из камеры волокноосаждения попадает в смеситель, куда подают раствор связующего. Перемешанную минеральную вату с раствором связующего и другими компонентами раскладывают слоем на непрерывно движущийся конвейер, после чего подвергают вакуумированию и термообработке.
Главная отличительная черта методов — разница в соотношении твердая фаза: жидкость. Способ подпрессовки позволяет использовать гидромассы с соотношением минеральной ваты к раствору от 1:3 до 1:10, литьевая технология требует несколько большего расхода связующего.
Способ подпрессовки позволяет получать минераловатные изделия с более высокими технико-экономическими показателями, чем способ отливки. Плиты, полученные из гидромасс, характеризуются повышенной жесткостью и прочностью при сжатии.
Недостатки способа: повышенная влажность ковра, необходимость вакуумирования, повышенная энерго- и металлоемкость, измельчение ваты в процессе ее перемешивания, сравнительно невысокая прочность на изгиб.