Получение изделий с заданной пористостью и высокой воздушностью — это ключевая задача в материаловедении, строительстве, металлургии и производстве композитов. От структуры пор (их размера, формы, открытости или закрытости) зависят теплоизоляционные, механические, акустические и фильтрующие свойства готового продукта. В данной статье мы подробно разберем основные методы поризации, технологические нюансы для разных классов материалов и способы контроля качества пористой структуры.
Классификация основных способов поризации
По информации из технической литературы, всё многообразие способов создания пористости можно подразделить на шесть основных групп. Выбор конкретного метода диктуется типом сырья, требуемыми свойствами изделия и производственными возможностями.
- Вспучивание — основан на выделении газовой фазы в пластично-вязкой массе или её введении извне. Газобразующие агенты: водород, кислород, углекислый газ, пары воды, воздух, изопентан, фреоны и др.
- Пенообразование — создание устойчивой пены из водных растворов ПАВ (поверхностно-активных веществ) и последующее смешивание её с твердой фазой (минеральной или полимерной композицией).
- Высокое водозатворение / Аэрирование — вовлечение большого количества воздуха или газа в смесь при интенсивном перемешивании (взбивание).
- Создание зернистой пористости (механическая диспергация) — формирование пор за счет структуры исходных зерен или наполнителей.
- Получение волокнистого каркаса — образование пористости в системе взаимопереплетенных волокон (стекловата, минеральная вата, керамические волокна).
- Способ выгорающих добавок (порошковая металлургия, керамика) — введение в шихту органических компонентов (полимеры, угля, נסорти, полиэтилена), которые при термической обработке выгорают, оставляя поры.
- Вспучивание минерального и органического сырья при нагревании — использование свойств материалов (вермикулит, перлит, пробка) расширяться при термической обработке.
Технологии для полимерных композиционных материалов (ПКМ)
В производстве изделий из ПКМ (автоклавное и безавтоклавное формование) пористость часто является дефектом, которого стремятся избежать, но для создания пено-полимеров она — цель.
Автоклавное формование
При формовании под высоким давлением в автоклаве поры, возникающие в процессе отверждения, подавляются давлением. Остаточная пористость в таких изделиях, как правило, незначительна. Главные источники нежелательной пористости здесь: вылетучивание летучих компонентов смолы, попадание воздуха при укладке препрегов, неправильный режим нагрева/вакуума.
Методы пенообразования (для пенопластов и синтактических пен)
Технология обычно включает три этапа:
- Приготовление технической пены из водных растворов ПАВ заданной устойчивости и дисперсности.
- Приготовление жидкотекучей композиции, образующей твердую фазу (остов), цементную, гипсовую, полимерную (фенолформальдегидную, уретановую).
- Смешивание пены и композиции до получения однородной пеномассы с заданной пористостью и формование разливом в формы.
По способу создания пеномассы различают:
- Классическое пенообразование (раздельное приготовление пены и массы).
- Аэрирование (вовлечение газа в массу механическим взбиванием).
- Химическое пенообразование (введение газобразующих добавок в массу).
Придание пористости с помощью силоксанов
Современный метод модификации полимерных матриц. Применение силоксанов обычно приводит к образованию сферических пор правильной формы. Более 50% таких пор имеют размер в диапазоне 1000–10000 нм, что позволяет точно управлять газопроницаемостью и адсорбционной способностью материала.
Порошковая металлургия и получение пористых металлов
Методом порошковой металлургии получают высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ) с пористостью 0,75…0,98 и проницаемой ячеистой структурой.
Метод дублирования (репликации) полимерного каркаса
Один из самых эффективных способов получения открытой пористости:
- Берется высокопористый полимер (например, пенополиуретан).
- Он пропитывается суспензией мелкодисперсного металлического порошка.
- Сушка и термическая обработка: выгорание полимерного каркаса и спекание металлического скелета.
Это позволяет полностью воспроизвести архитектуру полимерной пены в металле.
Классификация порошков и смешивание
- Крупные порошки (> 40–50 мкм): классификация ситовым анализом.
- Тонкие порошки: метод воздушной сепарации.
- Смешивание: главная задача — получение однородной по химическому составу шихты. Однородность зависит от способа смешивания, продолжительности, гранулометрического состава и свойств компонентов.
Литьевые методы получения пористых заготовок
Для получения заготовок с заданной пористостью применяют:
- Литье с расходуемым электродом (электрошлаковое, вакуумно-дуговая плавка).
- Непрерывное литье.
- Литье с регулируемой кристаллизацией.
- Индукционная плавка, вакуумно-дуговая плавка (для высококачественных сплавов).
Примечание: Точные методы литья часто нерентабельны при малых объемах производства.
Минеральные и керамические материалы (Бетоны, Керамика, Стекловата)
Газобетоны и пеносиликаты (Аэрирование и пенообразование)
Важнейшая роль в технологии керамических изделий и бетонов на неорганических вяжущих играет расширение строительного материала (увеличение объема). Оно проявляется при взаимодействии:
- Воздушной извести или гипсового вяжущего с водой и алюминиевым порошком (газообразование H₂).
- Цемента с пенообразующими добавками (пенообразование).
Керамика: выгорающие добавки и вспучивание сырья
- Выгорающие добавки: в шихту вводят опилки, торф, полистироловые гранулы, угля. При обжиге они удаляются, образуя поры;
- Вспучивание сырья: вермикулит, перлит, натуральная пробка при нагревании (пробка — в бескислородной среде) расширяются в разы за счет внутреннего давления паров/газов.
- Прямое спекание дисперсий керамических волокон или применение связующих для создания волокнисто-ячеистых структур.
Производство стекловаты и изделий
Технологическая цепочка формирует специфическую волокнисто-капиллярную пористость:
- Варка стекломассы в ванных печах при 1300–1400 °C.
- Изготовление стекловолокна (выдувание или центрифугирование).
- Формование матов/плат и полимеризация связующего.
Комбинированные структуры пористости
Для достижения уникальных комплексов свойств (например, высокой прочности при низкой плотности) создают комбинированные структуры с двумя и более видами пористости:
- Волокнисто-ячеистая.
- Зернисто-ячеистая.
- Волокнисто-ячеисто-капиллярная.
В таких материалах общая пористость складывается из пористости зерен/волокон и пористости связующего/матрицы.
Ключевые технологические параметры управления пористостью
Получение оптимальных значений пористости сводится к решению технологической задачи по выбору:
- Основных и связующих компонентов (вяжущие, наполнители, ПАВ, газогенераторы).
- Способов получения пористости (из 6 основных групп).
- Технологических параметров (температура, давление, время, вязкость массы, скорость смешивания).
Влияние вязкости и поверхностного натяжения
Для получения крупной пористости и воздушности критически важна вязкость системы на момент формирования пор:
- Слишком низкая вязкость — пузырьки сольются (коалесценция) и всплывут (крупные макро-дефекты).
- Слишком высокая вязкость — пузырьки не смогут расшириться, пористость будет мелкой и замкнутой.
- Оптимум: вязкость, обеспечивающая устойчивость пены/пеномассы до момента застывания/отверждения (геляции).
Гигроскопичность и эксплуатационные свойства
Необходимо помнить о связи пористости и гигроскопичности. Гигроскопичность — свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из воздуха.
- Влажность стеновых материалов в эксплуатации: 5–7%.
- Воздушно-сухая древесина: 12–18%.
- Открытая пористость и коэффициент газопроницаемости определяют поглотительную способность и долговечность (морозостойкость).
Практическая обработка наполнителей для повышения воздушности
Для минеральных наполнителей (вермикулит, перлит) и органических (пробка) применяются способы активации поверхности перед вспучиванием или формованием:
- Прокаливание при 220 °C (удаление адсорбированной влаги, изменение структуры).
- Обработка ПАВ: канифоль, СДБ (сульфонат дибутила), хозяйственное мыло. Это снижает поверхностное натяжение и улучшает смачивание/распределение в матрице.
Типичные проблемы и рекомендации по устранению дефектов
| Проблема | Возможная причина | Решение |
|---|---|---|
| Неравномерная пористость (градиент по сечению) | Недостаточное смешивание, быстрая геляция на краях, сегрегация пены | Оптимизация реологии массы, использование замедлителей отверждения, улучшение гидравлики смесителя |
| Замкнутая пористость вместо открытой (или наоборот) | Не тот тип газогенератора/ПАВ, неверный режим температуры | Подбор ПАВ с нужным HLB, использование выгорающих добавок для связки пор, контроль температуры вспучивания |
| Обвал пеномассы (схлопывание пор) | Низкая вязкость матрицы, нестабильная пена, вибрация при заливке | |
| Пористость в ПКМ (дефект) | Воздух в препреге, вылетучивание смолы, утечка вакуума | Дегазация смолы, контроль вакуумных мешков, оптимизация режима нагрева (рампы) |
Получение крупной пористости и высокой воздушности — это всегда баланс между термодинамикой (поверхностное натяжение, давление газа) и кинетикой (вязкость, скорость застывания/спекания).
Главные принципы успеха:
- Четкий выбор метода поризации под конкретную матрицу (полимер, металл, керамика, минерал).
- Точный контроль реологических свойств системы в момент формирования пор.
- Использование модификаторов границы раздела (ПАВ, силоксаны) для стабилизации геометрии пор.
- Учет эксплуатационных нагрузок: открытая пористость дает легкость и теплоизоляцию, но требует гидрофобизации; замкнутая — дает водонепроницаемость и жесткость.
Современные аддитивные технологии (3D-печать) и методы направленного замораживания/сублимации открывают новые горизонты для создания иерархических пористых структур с заданной архитектурой на микро- и наноуровне, что является перспективным направлением развития данной области.