Битуминозные изоляционные материалы

Битуминозные изоляционные материалы

БИТУМИНОЗНЫЕ И3ОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, коллоидные составы на битуминозном основании, более или менее жидкие в нагретом состоянии и служащие целям электро-, влаго-, газо- и химизоляции. Битуминозные изоляционные материалы называются также мастиками, компаундами, асфальтовыми составами, смолками и т. д., причем терминология эта еще не установилась. Под битуминозным основанием разумеют как естественные асфальтовые минералы или породы (горные смолы и дегти, асфальты, асфальтиты и асфальтовые пиробитумены), так и искусственные асфальтоподобные вещества (дегти, гудроны и пеки), получаемые пиролизом всевозможных органических материалов (каменноугольные, буроугольные, торфяные, сапропелевые, сланцевые, древесные, нефтяные, монтановые, стеариновые, нафтоловые, феноловые, глицериновые, антраценовые, костяные, жиропотовые, целлюлозные, церезиновые и т. д.). Битуминозные основания иногда применяются каждое самостоятельно, но чаще - в различных, нередко весьма сложных, сочетаниях между собой. В последнее десятилетие (в частности трудами Н. Д. Зелинского, Г. Л. Стадникова, А. Н. Саханова, Б. В. Максорова, П. А. Флоренского и др.) выяснены некоторые руководящие начала производства битуминозных изоляционных материалов. Разработка подобных начал становится все более необходимой в виду количественно и качественно повышающихся требований на битуминозные изоляционные материалы, при сложном, иногда трудно соединимом сочетании технических условий на них.

Технические условия на битуминозные изоляционные материалы сводятся к следующим требованиям: 1) Та или другая заданная консистенция при комнатной температуре, от вязко-жидкой до весьма твердой, смотря по случаю применения; оценивается одним из пенетрометров или консистометров. 2)  Температура размягчения, не ниже заданной; определяется, например, по Кремер-Сарнову. 3) Температура плавления, не выше заданной; определяется как точка каплепадения по Уббелоде; кроме того, желательно установить точку застывания по галицийскому способу. 4) Вязкость при заданной температуре, не превосходящая определенной величины; обычно измеряется смоляным вискозиметром Энглера или Редвуда.

Зависимость вязкости некоторых битуминозных изоляционных материалов от температуры

На фиг. 1 представлена зависимость вязкости некоторых битуминозных изоляционных материалов от температуры. 5) Усадка при охлаждении и огустевании, не превышающая заданной величины (в %). 6) Правильность усадки, благоприятствующая сплошному застыванию битуминозных изоляционных материалов, без слепых или замкнутых полостей.

Осевой разрез колбы с затвердевшим битуминозным изоляционным материалом

На фиг. 2 представлен осевой разрез колбы с затвердевшим битуминозным изоляционным материалом; пунктиром показан начальный уровень расплавленной массы (А - правильная усадка вещества при остывании и затвердении; Б, В, Г - неправильная, причем в Б и В показано образование слепых полостей, а в Г - полости закрытой). Возникновению каверн всякого рода благоприятствует, во-первых, такой ход застывания, кривая которого имеет крутой спуск при конце застывания, а во-вторых, резкий скачок наружной температуры при остывании битуминозного изоляционного материала, например, погружение залитого вместилища в холодную воду. С первой причиной необходимо считаться при производстве битуминозных изоляционных материалов, а со второй - при их употреблении. Ход застывания битуминозных изоляционных материалов характеризуется кривой, связывающей объем застывающей массы с ее температурой.

bitum izol materialy 3

На фиг. 3 кривые 2 и 3 относятся к застыванию, благоприятному для правильной усадки; кривые 4 и 5 - к застыванию, неблагоприятному для правильной усадки; линия 1 - граница между тем и другим; v1 - объем застывающей массы, v2 - застывшей. 7) Отсутствие хрупкости и та или другая степень эластичности; у состава для разных применений оценивается разными приемами, например, изгибанием слоя на металлическом листе, а также дуктилометрическим способом. 8) Хорошая приставаемость к той поверхности, с которой д. б. связан данный битуминозный состав; определяется при помощи тигля Штрелейна изгибанием слоя на металлическом листе и т. д. 9) Полная негигроскопичность и непроницаемость для воды и для жидкостей, не действующих на данный битуминозный состав, причем влагонепроницаемым д. б. не только самый состав, но и поверхность соприкосновения его с другим телом; испытывается, например, специальным нормированным голландским прибором. 10) Полная газонепроницаемость как состава, так и поверхности соприкосновения его с другим телом. 11) Химическая стойкость в отношении тех или иных разрушающих агентов - кислот, щелочей, солей. 12) Неразрушаемость атмосферными агентами, колебаниями температуры и т. д. 13) Стойкость в отношении низких температур - нерастрескиваемость состава при охлаждении и неотставание его от стенок вместилища. 14) Неизменяемость исходного дисперсного состояния битуминозного коллоида от времени. 15) Удельный вес, не превосходящий заранее заданного предела. 16) Интенсивный цвет и глянцевитый вид поверхности застывания; может объективно оцениваться с помощью хронометрических приборов В. Оствальда. 17) Коэффициент теплового расширения, близкий к заданной величине. 18) Теплопроводность, в одних случаях достаточно большая, а в других, наоборот, достаточно малая. 19) Неомыляемость водами, почвенными, морскими или сточными, при том или другом производстве. 20) Объемное (удельное) электрическое сопротивление, не ниже заданной величины. 21) Поверхностное электрическое сопротивление, не ниже заданной величины. 22) Диэлектрический коэффициент того или другого определенного значения. 23) Малое рассеяние энергии электрического поля, выражаемое коэффициентом мощности, не превосходящим заданной величины. 24) Достаточно большая пробойная электрическая крепость, не ниже заданной. 25) Полная однородность состава, исключающая грубые механические примеси, плохую смешиваемость составных частей, крупнодисперсность коллоидного состава и т. д. 26) Отсутствие запаха, а в большинстве случаев также отсутствие липкости, маркости и т. д. 27) Невыделение неприятных или вредных для здоровья газов и паров. 28) Отсутствие пузырей при плавлении. 29) Способность достаточно долго (например, не менее 8 часов) находиться в расплавленном состоянии без заметного изменения своих свойств, обычно происходящего в присутствии карбенов и карбоидов. 30) Удобство транспортирования, чему способствует отсутствие текучести у твердых и, наоборот, достаточная подвижность у вязко-жидких составов. 31) Способность в случае надобности понижать до заданной температуры свою точку плавления при прибавке соответственных растворителей и затем вновь повышать ее в требуемых пределах после определенного прогрева, причем характер ведущих к этому процессов тоже задается специальными условиями. 32) Достаточная дешевизна состава, не превосходящая в каждом отдельном случае определенной границы, после которой состав, не смотря на свои технические качества, делается экономически неприемлемым. 33) Наличие на внутреннем рынке всего или в крайнем случае важнейшего сырья, потребного для производства данного битуминозного изоляционного материала.

Не все перечисленные условия обязательны в каждом отдельном случае применения, но большинству их битуминозные изоляционные материалы должны удовлетворять для того, чтобы отвечать своему назначению. Между тем вышеуказанные отдельные свойства битуминозных изоляционных материалов нельзя рассматривать как переменные независимые, и, следовательно, заданной системе их значений можно удовлетворить лишь при введении в состав достаточно большого числа соответственно подобранных компонентов битуминозного сплава. При этом компоненты могут входить между собой в химические взаимодействия и тем налагать на свойства состава новые связи. Изучение битуминозных изоляционных материалов далеко еще не закончено; в настоящее время на очереди три крупные задачи: 1) Систематическое исследование свойств основных битуминозных и других вспомогательных ингредиентов, применяемых или применимых в производстве битуминозных изоляционных материалов; тут требуется ввести в круг исследований целый ряд новых видов сырья. 2) Изучение взаимных связей, которым подчинены отдельные характеристики битуминозных изоляционных материалов и их ингредиентов. 3) Изучение химических и физических взаимодействий при различных сочетаниях между собой ингредиентов битуминозных изоляционных материалов.

Классификация битуминозных изоляционных материалов может быть проведена либо по их техническим функциям, либо по способу применения, либо по структуре, либо, наконец, по признакам экономии. Возможна также классификация по составу (например, по битуминозным основаниям); однако в виду сложности последнего и, главное, практической затруднительности в большинстве случаев точно установить состав данного битуминозного изоляционного материала проведение этой классификации встречает большие трудности. Эксплуатационная классификация битуминозных изоляционных материалов по техническим функциям и способу применения представлена на табл. 1.

Эксплуатационная классификация битуминозных изоляционных материалов по техническим функциям и способу применения

Структурная классификация учитывает степень и характер дисперсности битуминозного коллоида, руководствуясь гл. обр. микроскопической картиной при большом увеличении (не менее 1000 раз), но имея также в виду характер поверхности излома или срыва, а равно вид и блеск поверхности застывания. В качестве предварительной схемы м. б. дана табл. 2.

Структурная классификация битуминозных изоляционных материалов

Функциональный состав битуминозных изоляционных материалов чрезвычайно изменчив, но тем не менее может быть подведен под схему, вытекающую из технической функции битуминозных изоляционных материалов и содержащую сравнительно небольшое число отдельных функциональных ингредиентов. Каждый из ингредиентов может быть представлен различными веществами одной группы, характеризуемой определенной функцией. Носители функций битуминозных изоляционных материалов таковы: 1) битуминозное тело (основание), 2) солеобразователь, 3) мягчитель, 4) гомогенизатор, 5) стабилизатор, 6) наполнитель, 7) краситель, 8) растворитель. Не в каждом битуминозном изоляционном материале обязательно имеются все эти носители функций. Во-первых, некоторые из них м. б. иногда не нужны или вредны (например, наполнитель, краситель и растворитель). Во-вторых, будучи сами коллоидными растворами, некоторые носители функций (например, битуминозное тело, мягчитель и гомогенизатор) могут уже содержать вещества различных функциональных классов в надлежащем соотношении и тогда они несут несколько функций сразу. Так, исключительно высокие качества некоторых природных асфальтовых материалов объясняются гармонии, соотношением в них асфальтенов (битуминозное тело) и тяжелых асфальтовых масел (мягчитель) с нефтяными кислотами и их ангидридами (гомогенизатор и стабилизатор); в асфальтовых породах содержатся кроме того доломиты или известняки, служащие наполнителем и, вероятно, солеобразователем.

1) Битуминозное тело - основной ингредиент всякого битуминозного изоляционного материала. Виды применимых битуминозных тел перечислены выше. Для практических целей признается достаточной классификация битуминозных тел (асфальтов), предложенная Брукманом (см. табл. 3).

Классификация битуминозных тел

Выбор того или другого из битуминозных тел определяется частным назначением битуминозного изоляционного материала. Во многом он зависит также от экономических данных и от возможности иметь по доступной цене другие составные части, способные дать в сочетании с избранным битуминозным телом надлежащий состав. Удачный выбор битуминозного тела для битуминозного изоляционного материала определенного назначения весьма облегчает дальнейшую работу по разработке рецептуры, тогда как неудачный ведет к увеличению числа составных частей. При выборе битуминозного тела необходимо иметь в виду, что большинство битуминозных изоляционных материалов как при производстве, так и в применении требует довольно продолжительного нагрева, например, в течение целого рабочего дня, а между тем длительный подъем температуры ведет к образованию в битуминозных изоляционных материалах так называемого свободного углерода (карбенов и карбоидов), прогрессивно увеличивающего свое содержание в силу автокатализа.

bitum izol materialy 7

Будучи нерастворимыми в битуминозных изоляционных материалах, эти вещества дают взвесь, нарушающую дисперсность коллоидного раствора и вредную для всех свойств битуминозных изоляционных материалов.

bitum izol materialy 8

Как показали исследования Уитенбогаарта в 1922 г., содержание свободного углерода при разных температурах возрастает со временем не одинаково быстро (фиг. 4 - нефтяные остатки, фиг. 5 - твердый пек, фиг. 6 - естественный асфальт), и, следовательно, это обстоятельство д. б. учитываемо при выборе того или другого битуминозного тела.

bitum izol materialy 9

Далее необходимо отметить, что вещества группы 2б (см. табл. 4) обладают наибольшею усадкой, иногда до 40%.

Электрическая крепость битуминозных тел

В связи с различной степенью однородности битуминозных тел различны также их электрические свойства, в частности электрическая крепость; в то время как у группы 1 и 2а она велика и сравнительно устойчива, у группы 2б она значительно меньше и мало устойчива. Неоднородность группы 2б указывает также на большие диэлектрические потери. Наконец, следует отметить плохую смешиваемость каменноугольного пека со многими др. веществами и, напротив, хорошую - пека сланцевого.

2) Солеобразователь. Битуминозное тело обычно не нейтрально и содержит большее или меньшее количество различных органических кислот в зависимости от происхождения битуминозного тела (сравнительно редко битуминозные тела имеют щелочную реакцию, например, пек каменно- и буроугольный). Кислоты эти отличаются сравнительно низкой температурой плавления, малой твердостью и слабыми механическими свойствами. Поэтому присутствие кислот, полезное для однородности и стойкости состава, ведет к уменьшению прочности его как в химическом, так и в механическом отношении. В некоторых случаях кислотность увеличивают искусственно, вводя в состав смоляные кислоты (например, канифоль и т. п.), гомогенизирующие смесь и увеличивающие ее твердость, но понижающие ее тепловую и химическую стойкость. Омыляемость битуминозных изоляционных материалов, нежелательная в большинстве случаев, совершенно недопустима, когда битуминозные изоляционные материалы могут соприкасаться со щелочными растворами - аммиаком, морского водой, - наконец, с почвенными или сточными водами. Кислотность битуминозного тела, а иногда и готового битуминозного изоляционного материала, устраняется с помощью солеобразователей. Для этого служат разнообразные неорганические и органические основания, соли или эстеры которых способны растворяться в битуминозных изоляционных материалов, и, следовательно, во-первых, не вносят в битуминозных изоляционных материалов неоднородностей, а во-вторых, не удаляют из коллоидного раствора необходимого для его устойчиво-тонкой дисперсности ингредиента, поскольку вышеуказанные соли и эстеры способны сами нести функцию соответствующих им органических кислот. Этому солеобразованию принадлежит в технологии битуминозных изоляционных материалов главенствующее значение, потому что солеобразователь наряду со своей прямой функцией несет еще ряд важных других. Так, соли органических кислот имеют обычно более высокую температуру плавления, большие твердость и механические свойства, нежели соответственные кислоты, так что солеобразованием достигаются качества, которые без этого приема чрезвычайно трудно получить. Затем, эти соли служат катализаторами конденсации и окисления низкомолекулярных веществ, входящих в битуминозные изоляционные материалы, особенно при одновременном продувании воздуха, чем также достигается облагораживание состава. В качестве солеобразователей, как выяснено Б. В. Максоровым в отделе материаловедения Государственного экспериментального электротехнического института, во многих случаях особенно полезны высшие окислы (например, Fe2О3, МnO2, Рb2O3, Рb3O4, РbO2, ВаО2 и т. д.), весьма повышающие у битуминозных тел температуру плавления, вязкость, твердость и механические свойства, тогда как низшие окислы (например, FeO, MgO, PbO, ZnO, CaO и т. д.) и неокисленные металлы (например, Fe, Аl и пр.) гораздо менее энергичны; это объясняется окисляющим действием первых. Для солеобразования применяются иногда едкие щелочи и соли щелочных металлов (например, поташ); однако тут требуется осторожность, т. к. продукты реакции м. б. растворимы в воде. Напротив, поташ и водный аммиак (а в других случаях борная и карболовая кислоты) м. б. ценны, если битуминозные изоляционные материалы применяются в виде водной эмульсии.

3) Мягчитель. Эта функциональная составная часть прибавляется либо для понижения температуры плавления и для уменьшения вязкости в расплавленном состоянии, либо для сообщения битуминозному изоляционному материалу той или другой степени пластичности при обыкновенной температуре. В качестве мягчителей патентная литература указывает вещества разного рода: а) вещества нефтяного характера (парафиновое масло, озокерит и церезин); б) вещества феноловой природы (фенолсодержащие масла, креозот, креолин и пр.); в) растительные масла и их продукты (нелетучие растительные масла, окисленные масла, китайское древесное, хлопковое, рапсовое); г) каучук или гуттаперча, а также так наз. каучуковое масло; д) белки и углеводы (крахмальный клейстер, декстрин, патока, казеин и т. д.); е) животные жиры (ворвань и рыбий жир); ж) глицерин.

4) Гомогенизатор. При введении мягчителя необходимо иметь в виду, что большинство тел этой функции делает дисперсность битуминозных изоляционных материалов более грубой и потому вызывает настоятельную необходимость введения гомогенизатора, посредствующего звена между дисперсной фазой и дисперсной средой. Так, парафинистые вещества плохо смешиваются с одними битуминозными телами и вовсе не смешиваются с другими, например, с каменноугольным пеком. Посредником между теми и другими могут служить иногда вещества терпенового характера и многие растительные смолы, доводящие смесь до тонкой эмульсии. Однако твердые парафины при охлаждении выкристаллизовываются и дают внутри массы характерную кристаллическую сетку, на поверхности - своеобразный рисунок и трещины, а с течением времени - выпотевание. Из числа хороших гомогенизаторов следует отметить для многих случаев сланцевый пек.

5) Стабилизатор. Образовавшийся коллоидный раствор м. б. малоустойчив и с течением времени, иногда весьма скоро, утрачивает свою тонкую дисперсность и створаживается. Задержка этого процесса постарения битуминозного изоляционного материала достигается прибавкой небольшого количества какого-либо защитного коллоида, который и служит стабилизатором. В качестве стабилизатора для раствора асфальтенов в растворителях предельного ряда указан, например, каучук.

6) Наполнитель. Он несет гл. обр. функцию отяжелителя, уменьшая в битуминозных изоляционных материалах содержание сравнительно ценных битуминозных веществ за счет введения каких-либо дешевых материалов. Очевидно, цель м. б. тут достигнута лишь при достаточно большом содержании наполнителя, например, порядка 50%. Наполнителями чаще всего бывают какие-нибудь инертные вещества, минеральные или органические, не входящие в реакцию ни с одним из компонентов смеси, но иногда наполнитель не остается инертным и совмещает свою функцию с функцией тел других назначений, например, мягчителей, солеобразователей и пр., причем в таком случае дешевизна наполнителя уже не играет роли. Кроме того, патентная литература весьма часто называет всякое добавляемое вещество, функция которого не ясна изобретателю, наполнителем. Вот список наполнителей, подобранный из патентных заявок: песок, каолин, глина, стеклянный порошок, измельченный гранит, кизельгур, тальк, асбест, шлаковая мука, слюда и в  частности биотит, роговая обманка, мыльный камень, силикат и алюминат кальция, цемент, мел, измельченный мрамор, гипс, негашеная известь, магнезия, углекислый магний, уксуснокислый алюминий, железный блеск, железная сметана, медная окалина, растворимое стекло, сажа, графит, сера, волокнистые материалы в роде древесины, и др., кожа, целлюлоза, крахмальный клейстер, патока, фосфорнокислый натрий и декстрин, казеин, каучук, - наконец, ископаемые смолы - янтарь и копалы. Как видно из списка, часть названных здесь веществ с большим основанием следовало бы разнести по другим группам; тела же действительно инертные д. б. применяемы с осторожностью, потому что они вносят в битуминозные изоляционные материалы неоднородность, понижают механическую прочность и лишь кажущимся образом повышают температуру плавления и твердость, тогда как действительное увеличение вязкости и удельного веса почти всегда оказывается неполезным.

7) Краситель. Битуминозные тела обладают чаще всего темным цветом, от коричневого и светло-бурого до черно-бурого, который не м. б. изменен по произволу и обычно не нуждается в изменении. Поэтому назначение красителя, применяемого, впрочем, редко, заключается гл. обр. в углублении черного тона. Красителями м. б. в некоторых случаях: графит, сажа, каменноугольные краски. Во многих случаях к углублению тона ведет солеобразование.

8) Растворитель. Способы употребления битуминозных изоляционных материалов бывают самые различные: а) заливка вполне готовым составом, имеющим по остывании потребную твердость и прочие свойства; б) заливка или пропитка легкоплавким и мало вязким составом, повышающим при дальнейшем прогреве температуру плавления, вязкость и твердость, причем не происходит существенной потери битуминозного изоляционного материала через испарение; в) пропитка и наводка расплавленным или холодным составом, получающим при последующем прогреве твердость отчасти вследствие испарения некоторых составных частей; г) наконец, пропитка или наводка холодным битуминозным изоляционным материалом, приобретающим при последующем нагреве, или с течением времени без него, некоторую твердость от испарения составных частей. В случае (а) растворителя не требуется; в случае (б) применяется растворитель, образующий в битуминозном изоляционном материале при последующем прогреве твердые тела через конденсацию и полимеризацию; та же цель м. б. достигаема также посредством продолжающегося солеобразования. Случай (в) осуществляется с помощью растворителя, часть которого образует твердое тело, как в (б), а другая часть испаряется. Наконец, в случае (г) растворитель испаряется нацело - битуминозные эмульсии и лакообразные составы, переходящие при весьма малой вязкости в асфальтовые лаки. Сложный состав битуминозных изоляционных материалов делает необходимым применять растворители с большой осторожностью, т. к. одни составные части могут оказаться лиофильными в отношении к данному растворителю, а другие - лиофобными, и процесс растворения поведет за собою коагуляцию битуминозных изоляционных материалов. Так, асфальтены лиофобны в отношении растворителей алифатического и нафтенового ряда и лиофильны в отношении ароматических и галоидозамещенных ароматических соединений, тогда как парафины ведут себя обратно. В таких случаях наиболее выгодным бывает применение сложных растворителей или, лучше, последовательное прибавление отдельных растворителей, например, бензола и бензина. Выгодны также растворители терпеновые.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.