Вакуумная теплоизоляционная панель
Полезная модель представляет собой конструкцию вакуумной теплоизоляционной панели на основе диатомита. Панель содержит наружный защитный слой, барьерные слои, выполненные из металлизированного полимерного композита, внутренний мембранный слой из полимерного материала, а также диатомитовый наноструктурный наполнитель, включающий инфракрасный глушитель - диоксид титана. Вакуумная теплоизоляционная панель имеет повышенные теплозащитные свойства и сохраняет высокую герметичность конструкции в течение длительного срока.
Полезная модель относится к конструкционным строительным изделиям, в частности, к теплоизоляционным панелям на основе вакуумированного пористого материала, а именно: диатомита.
Известен теплоизоляционный мат, состоящий из разделенной на отдельные секции оболочки из ткани, заполненной насыпным наполнителем, отличающийся тем, что все секции оболочки заполнены гранулированным пеностеклом без уплотнения (патент РФ 
44699, МПК Е04В 1/76, F16L 59/00, опубл. 27.03.2005).
Это устройство тепловой защиты из пеностекла является универсальным, долговечным, легким и многоразового использования. Пеностекло обладает высокой прочностью 0,7-1,5 МПа. Коэффициент теплопроводности легкого и тяжелого пеностекла равен 0,06-0,08 Вт/(м·К). Так как гранулированное пеностекло изготавливается из отходов бытового и тарного стекла, применение его экономически и социально выгодно. Равномерно распределенная замкнуто-пористая структура делает его негигроскопичным материалом, не теряющим теплоизоляционных свойств во влажных условиях.
Недостатками теплоизоляционного мата является неоднородность структуры, наполнителя и неравномерность физико-химических свойств по его объему, а также недостаточная теплоизоляционная эффективность для многих практических приложений.
Известно вакуумное теплоизоляционное изделие (патент РФ 2144595, МПК Е04В 1/80, F16L 59/06, опубл. 20.01.2000), выполненное в виде вакуумированного плоского корпуса, снабженное промежуточным опорным элементом, основание и крышка корпуса с внутренней стороны снабжены ребрами жесткости, которые своими выступами опираются на промежуточный опорный элемент, помещенный между ними, при этом ребра жесткости крышки корпуса смещены по отношению к ребрам жесткости основания корпуса так, что точки опоры ребер жесткости крышки корпуса на промежуточный опорный элемент располагаются между опорными точками ребер жесткости основания корпуса. Корпус изделия целиком или только по периметру помещен в теплоизоляционный материал, которым также заполнены вдавленные внутрь корпуса выступы. При этом теплоизоляционный материал имеет коэффициент теплопроводности ниже, чем материал корпуса.
Такое вакуумное теплоизоляционное изделие позволяет снизить удельную материалоемкость и обеспечить повышение ее теплоизоляционной эффективности. Однако изделие характеризуется сложной конструкцией, реализация которой связано со значительными технологическими и экономическими затратами.
Известна вакуумированная теплоизоляционная панель, содержащая гибкую оболочку, внутри которой размещен наполнитель, выполненный из многослойного теплоизоляционного материала, включающего алюминиевую фольгу, пластик и бумагу, нарезанного на кусочки размером не более 10 мм, а сама панель изготовлена посредством горячего прессования под давлением непосредственно в гибкой оболочке (патент РФ 106715, МПК F16L 59/00, опубл. 20.07.2011). Наполнитель содержит связующую добавку из полиэтилена, гибкая оболочка выполнена из химически стойкого пластика.
Данная вакуумированная панель имеет низкую теплопроводность, что позволяет использовать ее в строительстве как теплоизоляционные панели, которые имеют малый вес, достаточно высокую прочность и надежность в эксплуатации.
Недостатком панели является технологическая трудность создания регулярного открытого порового пространства теплоизоляционного материала, необходимого для вакуумирования, путем механического измельчения. Кроме того, используемые для изготовления наполнителя материалы (фольга, пластик, бумага) являются плотными и обладают достаточно высокой теплопроводностью. Связующая добавка из полиэтилена также не способствует снижению теплопроводности наполнителя.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является панель, включающая теплоизоляционный слой, размещенный между наружным и внутренним слоями, при этом наружный слой выполнен из декоративного стекла, внутренний слой из латонита, теплоизоляционный слой из вакуумированного наноструктурированного порошка частиц диатомита, при этом все слои соединены полиуретановым клеем по всем поверхностям (патент РФ 98021, МПК Е04С 2/02, опубл. 27.09.2010).
Данная панель имеет повышенные декоративные характеристики за счет использования в качестве наружного слоя стекла, обеспечивает повышение защиты вакуумированного утеплителя от повреждений при монтаже в результате применения фиброцементных плит, служащих внутренним основным несущим слоем, и обладает долговечностью и высокой теплоизоляцией благодаря высокой пористости, равной 95%, и низкому коэффициенту теплопроводности применяемого диатомита, равному 0,002 Вт/м·К.
Теплопроводность пористых материалов определяется в предположении аддитивности различных механизмов переноса тепла выражением:
=т+г+к+р
где т, г, к, р - вклад теплопроводности пористой основы; газа, заполняющего поры наполнителя; конвективной составляющей и излучения соответственно. Для вакуумных изоляционных панелей выражение для определения теплопроводности панели примет вид:
=т+р.
Значение составляющей т зависит от кажущейся плотности пористого наполнителя панели и в случае применения диатомита характеризуется конкретным месторождением. Благодаря его высокой пористости, составляющая т имеет достаточно низкое значение. Дальнейшее снижение плотности диатомита с целью уменьшения значений коэффициента его теплопроводности связано с дорогостоящими технологическими процедурами физико-химического модифицирования его структуры и поверхности. Поэтому экономически целесообразнее снижать радиационную составляющую теплопроводности р.
Также эффективность теплоизоляции вакуумной панели и долговечность ее эксплуатации зависит от барьерных свойств оболочки, т.е. газопроницаемости. Несмотря на то, что фиброцементные плиты и полиуретановый клей обладают низкой газонепроницаемостью, они не являются надежными барьерными материалами, достаточными для обеспечения требуемой герметичности корпуса панели в течение длительной эксплуатации.
Поэтому, имея повышенные теплозащитные характеристики в результате использования чистых диатомитов, эта вакуумная панель не обеспечивает полного повышения теплоизоляционных свойств и длительного сохранения герметичности конструкции.
Задачей полезной модели является повышение теплоизоляционных характеристик заявляемой вакуумной панели на основе диатомита и обеспечение длительного сохранения вакуума в ее герметичном корпусе.
Техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является создание вакуумной панели со сниженным лучистым теплообменом диатомитового наполнителя, а также повышение теплоизоляционных свойств и герметичности конструкции панели.
Технический результат по снижению лучистого теплообмена диатомитового наполнителя заявляемой вакуумной теплоизоляционной панели достигается путем применения инфракрасных глушителей, в качестве которых могут использоваться вспученный перлит, сажа, терморасширенный графит, карбид кремния, оксиды металлов: алюминия, железа, марганца, титана, циркония, хрома, - а также соли: силикаты и фосфаты. С этой целью указанные выше инфракрасные глушители и диатомит в заданных пропорциях смешиваются и совместно измельчаются в мельницах различного типа: шаровых, молотковых, бисерных, планетарных, роторных, вихревых, струйных и др. Наиболее предпочтительно механохимическую подготовку наполнителя панели проводить в два этапа. На первом этапе осуществляется грубый размол сырьевых компонентов до порошкового состояния. Второй этап заключается в тонком помоле смесей порошков диатомита и инфракрасных глушителей, как правило, на измельчителях вихревого и струйного типа с аэродинамической классификацией полученных смесей по размеру частиц. При этом размол ведется до создания частиц наполнителя панели размером 50-100 мкм.
Наиболее предпочтительно для уменьшения радиационной составляющей теплопроводности диатомитового наполнителя панели применять оксид титана в виду его эффективности, пожарной безопасности, коммерческой доступности. При этом содержание оксида титана в диатомитовом наполнителе должно составлять от 5% до 20% веса наполнителя.
Технический результат по обеспечению герметичности корпуса заявляемой вакуумной теплоизоляционной панели и длительного сохранения вакуума внутри ее достигается применением высокоэффективных барьерных материалов оболочки панели на основе полимерных композитов.
Барьерные материалы, изготовленные из природных материалов и обычных пластических масс, либо не технологичны, либо не достигают необходимого барьерного эффекта по газопроницаемости и проникновению паров воды. Алюминиевая фольга, которая удобна в обработке и использовании в различных приложениях, а также обладает практически полным барьером для газов, нежелательна во многих теплоизоляционных материалах из-за высокой теплопроводности алюминия.
В качестве барьерных материалов заявляемой вакуумной теплоизоляционной панели предлагается использовать многослойные полимерные композиты.
Примерный вариант многослойного барьерного композита может включать последовательно следующие компоненты: наружный слой из полиэтилентерефталата (ПЭТФ); слой алюминия, полученный методом газофазной металлизации субстрата ПЭТФ; адгезив, как правило, на полиуретановой (ПУ) основе; слой ПЭТФ; слой алюминия; адгезив ПУ; слой ПЭТФ; слой алюминия; адгезив ПУ и, наконец, внутренний слой полиэтилена низкой или высокой плотности. Чем тоньше металлизированный слои, тем легче панель и меньше ее теплопроводность из-за мостиков холода металлов, напыляемых на субстрат ПЭТФ. Однако толщина металлизированного слоя алюминия не должна быть меньше 100-150 мкм, так как в этом случае возрастает вероятность его механического повреждения. Такой многослойный барьерный композит характеризуется суточным проницанием паров воды 0.003-0.005 г·м -2 и кислорода 0.001-0.002 см3m-2 , что позволяет вакуумным теплоизоляционным панелям сохранять теплозащитные свойства (теплопроводность 0,001-0,006 Вт/м·К) свыше 50 лет.
Технологический внутренний мембранный слой, расположенный между барьерным слоем и наполнителем, служит для формообразования панели и прессования порошка диатомита. Размер пор этого слоя должен быть меньше размера частиц диатомита, т.е. 5-30 мкм, что позволяет в процессе производства панели полностью заполнить под давлением внутреннее пространство мембранного слоя диатомитом, а затем создать в нем вакуум без потери теплоизоляционного материала наполнителя.
Также оболочка панели включает наружный защитный слой из твердого материала, например, стекловолокна, пластика АБС, полиэтилена низкого давления с твердым покрытием и т.п., который выполняет защитную функцию от атмосферных и других внешних воздействий, возникающих при транспортировке и монтаже, а также может служить несущей конструкцией, позволяющей выдерживать атмосферное давление.
На чертеже показан вариант заявляемой вакуумной теплоизоляционной панели на основе диатомита, содержащей:
1 - внешний декоративный защитный слой с твердым покрытием;
2 - барьерный слой на основе металлизированных полимерных композитов;
3 - внутренний мембранный слой из полимерного материала;
4 - наполнитель из диатомитового порошка с инфракрасным глушителем.
Внешний слой 1 придает заявляемой теплозащитной панели привлекательный декоративный вид, а также устойчивость к атмосферным воздействиям и механическим повреждениям. Средний композитный барьерный слой 2 представляет собой ламинат с несколькими полимерными пленками, покрытыми алюминием или другими плотными материалами, обладающими низкой проницаемостью как для газов, так и для паров воды. Внутренний мембранный слой 3 служит формообразующей емкостью, содержащей теплоизоляционный наполнитель вакуумной панели.
Диатомитовый наполнитель 4 с инфракрасным глушителем - диоксидом титана эффективно обеспечивает необходимое сопротивление теплопередаче.
Таким образом, предлагаемая вакуумная теплоизоляционная панель имеет повышение теплозащитные характеристики, характеризуемые высокой теплопроводностью и сохраняемые в течение длительного времени.
Вакуумная теплоизоляционная панель, содержащая наполнитель на основе вакуумированного наноструктурного порошка частиц диатомита, размещенного внутри защитного и барьерного слоев, отличающаяся тем, что барьерный слой выполнен из металлизированного полимерного композита; между барьерным слоем и диатомитовым наполнителем находится полимерный мембранный слой, а частицы диатомита содержат инфракрасный глушитель - диоксид титана в количестве от 5% до 20% от веса наполнителя.
