Izolacja - jest to sposób zabezpieczenia dwóch sąsiadujących układów, elementów itp. w celu utrudnienia wzajemnego oddziaływania. Rozróżniamy izolacje:

• elektryczne - zapobiegające przepływowi ładunków elektrycznych

• wodochronne - zapobiegające przepływowi wody, wilgoci i pary wodnej

• termiczne - utrudniające wymianę ciepła - zob. izolator ciepła

• akustyczne - obniżają natężenie dźwięków określonej częstotliwości oraz tłumią dźwięki niepożądane.

• Przeciw drganiowe - ograniczają wpływ drgań na elementy budynku, maszyn itp.

• chemoodporne - zabezpieczają element przed reakcją chemiczną z otoczeniem.

1. Materiały termoizolacyjne

Podstawowym miernikiem przydatności materiałów do celów izolacyjnych jest wartość ich współczynników przewodności cieplnej. Niemal idealnym izolatorem jest powietrze, ale tylko w stanie absolutnego spoczynku. Dlatego wymagane jest aby warstwa powietrza była możliwie cienka, w takim bowiem wypadku wymiana ciepła odbywa się tylko poprzez przewodzenie a nie konwekcję, która powoduje że wymiana ciepła następuje o wiele szybciej. Dlatego dobrze jest, jeśli materiały izolacyjne posiadają budowę porowatą. Powietrze uwięzione w porach znacznie polepsza ich własności izolacyjne, przy tym im mniejsze i liczniejsze pory tym lepiej.

Materiały do izolacji ciepłochronnych

Materiały włókniste

a) przędza szklana - składa się z luźno rozłożonych długich i cienkich włókien o grubości do 35 mikrometrów. Ma kolor biały połyskujący, jest odporna chemicznie i mechanicznie a jej włókna elastyczne niepalne i odporne na temperaturę do 450^oC Włókna sie są również higroskopijne i nie ulegają gniciu. Podstawowym surowcem do jej wyrobu jest szkło wapniowo-sodowe.

Jest stosowana jako samodzielny materiał do izolacji urządzeń cieplnych pracujących w temperaturze od -20^oC do +450^oC, ale przede wszystkim jest stosowana jako półfabrykat do wyrobu mat, płyt oraz otulin.

b) wełna szklana - jest produkowana z tego samego surowca co przędza szklana, jednak jej włókna są krótkie od 5 do 20 mm i dowolnie ułożone, poskręcane tworząc watę. Jej właściwości są zbliżone do przędzy, lecz ma niższy ciężar właściwy. Stosuje się ją podobnie jak przędzę.

c) wełna mineralna żużlowa oraz bazaltowa - składa się cienkich, poplątanych nitek utrzymywanych metodą rozdmuchiwania roztopionych żużli albo bazaltu. Ciężar właściwy jest około dwa razy większy niż wełny szklanej. Jej zakres pracy sięga 600^oC, ale jej wada jest znaczna nasiąkliwość, więc nie należy ją stosować w warunkach styczności z wodą lub odpowiednio ją zabezpieczyć.

d) wyroby z azbestu - z włókien azbestowych wykonuje sie maty, sznury , wełny, taśmy, filce. Sznury azbestowe mają zastosowanie przy izolacji rurociągów o średnicy do 50 mm narażonych na drgania lub wstrząsy, oraz innych, często wymienianych instalacji. Materace z włókien azbestowych zaś izolują armatury urządzeń cieplnych i niektóre części turbin. Zakres pracy to ok. 300^oC

Materiały sypkie (proszkowe)

a) Masa izolacyjna okrzemkowa - jest mieszanina sproszkowanych ziemi okrzemkowej, glinki szamotowej oraz inne domieszki. Po zarobieniu z wodą tworzy plastyczny materiał, który po wyschnięciu staje się porowaty. Zakres stosowania to maksimum 50^oC ale jeśli dodatkiem jest azbest temperatura powierzchni izolowanej instalacji może mieć nawet do 600^oC.

b) Masa krzemionkowa - jej własności i zastosowanie w izolacji rurociągów i innych części instalacji są podobne jak poprzednim wypadku, jednak surowcem do jej produkcji jest ziemia krzemionkowa, glinka oraz włókna organiczne lub nieorganiczne

Materiały ceramiczne

Ceramiką nazywamy tworzywa i wyroby otrzymywane w wyniku wypalenia odpowiednio uformowanej gliny. Obecnie przez ceramikę rozumie się także wszystkie tworzywa i wyroby nieorganiczno-niemetaliczne, w trakcie otrzymywania których istotnym procesem jest obróbka cieplna, np. spiekanie lub prażenie.

Ich podstawową cechą szczególnie użyteczną w przemyśle chemicznym jest ich odporność na działanie agresywnego środowiska (np. szkło trawią jedynie kwas fluorowodorowy oraz stężone zasady, sodowa i potasowa). Ponadto mogą działać w wysokich temperaturach, znajdują wiec zastosowanie do sporządzania płytek ochronnych pieców, palenisk, niektórych reaktorów. Wadą ich jest mała przewodność cieplna oraz spore zmiany objętości w zależności od temperatury.

Do termoizolatorów ceramicznych zalicza się materiały termalitowe w formie płyt, otulin lub cegieł, powstałych z ziemi okrzemkowej i glinki przez wypalanie. Cegły są stosowane do obudowy dużych zbiorników, pieców, a otuliny w formie przeciętych wzdłuż osi cylindrów do izolacji rurociągów. Maksymalna temperatura pracy to przeszło 600^oC.

Wyroby z korka

Powstają one z kory dębu korkowego. Korek jest jednym z najdłużej stosowanych materiałów izolacyjnych. Wyrabia się z niego płyty lub stosuje w postaci granulek, tzw. śrutu, który zwykle poddaje się ekspandowaniu, inaczej mówiąc puchnie on w temp. Ok. 350^oC Staje się on dzięki temu lżejszy i bardziej porowaty. Płyty korkowe stanowią izolacje cieplną oraz akustyczną różnego rodzaju urządzeń, jednak jego wadą jest palność i maks temp pracy 120^oC

Lekkie betony izolacyjne

Rozróżnia się gazo- i pianobetony. Mają skład podobny do zwykłych betonów czy cementów ale zawierają dodatkowo środek spulchniający lub gazotwórczy, nadający im porowatą strukturę. Właściwie nie mają one zastosowania w izolacji instalacji czy aparatów chemicznych, ale wspominam o nich, ponieważ wykonuje się z nich np. izolujące ścianki kanałów, w których kładzione są rurociągi.

Inne materiały

Pianki poliuretanowe - są to pianki powstałe z poliuretanów, stosuje się je w budownictwie, jak np. przy izolacji wymienianych okien, ale także w obudowach instalacji które pracują w zakresie od -40 do 120^oC

Folia aluminiowa (alfol) - wykorzystuje się cienkie arkusze pofałdowanej folii, między jej warstwami znajdują się więc małe przegrody zawierające powietrze. Ponadto folia odbija promieniowanie cieplne co wydatnie obniża utratę ciepła. Jest także odporna na działanie wody, nienasiąkliwa, niehigroskopijna i może być stosowana w temperaturze do 350^oC Jest to więc doskonały materiał stosowany do instalacji, gdzie stosuje się parę wodną.

W podobny sposób jak folię aluminiową wykorzystuje się karbowane płyty z tworzyw sztucznych, takich jak PCW.

Styropian - jest stosowany do ochrony budynków przed zimnem, jest to spieniony polistyren. Używa sie go w postaci płyt, ale można z niego wykonać także bardziej złożone kształty. W przypadku przemysłu chemicznego wykonuje się z niego otuliny urządzeń chłodniczych.

2. Materiały elektroizolacyjne

Tworzywa sztuczne

Obecnie większość izolacji kabli i przewodów wykonuje się obecnie z polipropylenu, polietylenu czy polichlorku winylu. Niektóre tworzywa sztuczne wykazują właściwości termokurczliwe. Otuliny z tych materiałów po nałożeniu na przewód i ogrzaniu tworzą szczelnie przywierającą otoczkę.

Ponadto należy wymienić sztuczne włókna, takie jak kewar, czy nylon używane jako oprzęd do kabli, przewodów.

Chyba najczęściej spotykaną w życiu codziennym, ale również częstą w przemyśle, jest grupa elektroizolatorów jakimi są pochodne kauczuku, inaczej gumy. Wykonuje sie z nich otuliny, otoczki, warstwy rozdzielające. W zależności od rodzaju kauczuki są bardziej lub mniej reaktywne i podatne na wysoką temperaturę, przykłady pojawią się przy materiałach uszczelniających.

3. Materiały do wyrobu uszczelnień

Tworzywa sztuczne

Tworzywa termoplastyczne- mięknące pod wpływem temperatury, co pozwala na ich łatwe modelowanie

Poliolefiny - stanowią produkt polimeryzacji nienasyconych węglowodorów alifatycznych. Główne znaczenie mają polietylen i polipropylen.

Polietylen - w zależności od metody otrzymywania (wysoko, czy niskociśnieniowej) różni się nieco właściwościami. Można przyjąć, że zakres jego pracy wynosi do około 100 C Gęstość jego jest minimalnie mniejsza od wody. W temperaturze pokojowej jest odporny na działanie większości czynników chemicznych. Pod wpływem benzenu i czterochlorku węgla ulega tylko lekkiemu pęcznieniu.

Polipropylen - ma nieco większą gęstość od polietylenu, a zakres jego pracy wynosi do 150 C. Jednak w porównaniu z polietylenem jest bardziej wrażliwy na czynniki utleniające.

Polichlorek winylu (PCW) - jego zastosowanie w zakresie uszczelnień jest bardzo szerokie, ale głownie wyrabia się z niego elementy pomocnicze. Mięknie w już temperaturze 50 C, ale jest bardzo trwały i odporny chemicznie. Dlatego uszczelki i aparatury zawierające PCW są szeroko stosowane w sprzęcie działającym w temperaturze pokojowej.

Z tych polimerów wykonuje się m. in. otoczki na sprężyny oraz mieszki; np. sprężyny w otoczce polipropylenowej, przeznaczone są do stosowania w kwasach, wodorotlenkach, stężonych roztworach soli.

Poliformaldehyd - jest stosowany do otrzymywania pierścieni ślizgowych. Są one równie odporne na ścieranie jak metale, ale ulegają działaniu kwasów i zasad. Ma małą chłonność wodną, małe wahania rozmiarów w zależności od wilgotności, czy temperatury, odporny na temperatury od minus 25 do plus 150 stopni.

Poliamidy- mają zastosowanie podobne do poliformaldehydu, jednak w znacznie większym stopniu chłoną wilgoć. Mają znaczna odporność na ściskanie rozciąganie zginanie ścieranie i mały współczynnik tarcia. Stosuje się je m. in. jako elementy uszczelniające części ruchomych w chłodziarkach.

Bardzo wiele rodzajów termoplastów znajduje zastosowanie przy wyrobie uszczelnień czołowych, ślizgowych, przede wszystkim w instalacjach niskociśnieniowych. Ich głównym atutem jest wspomniana łatwość otrzymywania, modelowania i względnie niska cena. Ich wadą są z kolei mały współczynnik przewodności cieplnej oraz często duża rozszeżalność temperaturowa. Niektóre z nich są także palne.

Tworzywa termo- i chemoutwardzalne

Są to tworzywa sztuczne bardzo odporne na ścieranie. Czasem stosuje się w odniesieniu do nich nazwę żywice. Stosuje się je do nasycania pierścieni grafitowych oraz prasowanych pierścieni ślizgowych. Wykorzystuje się tworzywa fenolowo-formaldehydowe, silikonowe. Te ostatnie są stosunkowo proste w produkcji i pozwalają na formowanie złożonych kształtów. Ponadto spotyka się tworzywa furfurylowe, epoksydowe wzmocnione włóknami, tkaninami, proszkami, których rodzaj i sposób wykonania jest zwykle chroniony patentem i tajemnicą danego wytwórcy. Szczególnie wytrzymałe są tworzywa wzmacniane włóknem szklanym.

Tworzywa sztuczne specjalne

W przypadku uszczelnień nazwa ta dotyczy głownie tworzyw fluorowych należące do plastomerów i elastomerów. Najważniejszym z nich jest

Politetrafluoroetylen Teflon, czasem Tarflen - wprost niezastąpione tworzywo zachowujące swe właściwości w szerokim zakresie temperatur od -200 do 250 stopni. Ma bardzo mały współczynnik tarcia statycznego i dynamicznego. Jest bardzo odporny na czynniki agresywne. Nie ulega pęcznieniu w stosowanych rozpuszczalnikach. Jest niepalny, nie absorbuje wody i nie jest on przez nią zwilżany. Często stosuje się teflon w kompozycjach z innymi materiałami, np. spieki metaliczno-teflonowe.

Tworzywa fluorowe są stosowane w instalacjach w których ciśnienie nie przekracza 10 bar. W elementach ruchomych należy zwrócić uwagę na ograniczenia jakie wynikają z małej przewodności cieplnej teflonu.

Dla wyższych obciążeń stosuje się tworzywa węglowo-grafitowe o których teraz krótko powiem.

Tworzywa z tzw. węgla uszlachetnionego - obejmują wyroby grafitowe bądź grafitowane. Ich produkcja jest złożona co wpływa na ich wysoką cenę mimo względnie taniego surowca. Do ich zalet należy wysoka przewodność cieplna, odporność na prawie wszystkie nieutleniające czynniki chemiczne, duża odporność na odkształcenia, szczególnie w wyższych temperaturach, samosmarność w przypadku tworzyw grafitowych, odporności na wysokie temperatury i gwałtowne jej zmiany.

Wykonuje się z tych tworzyw materiały uszczelniające połączenia ruchome, działające pod dużym obciążeniem. Stosuje się także materiały mieszane - grafitowe nasycane żywicami, bądź polimerami. Inną grupą są materiały grafitowe nasycane metalami. Różnią się one własnościami w zależności od syciwa, jednak ogólnie nasycanie zwiększa odporność na ściskanie i współczynnik przewodności cieplnej. Tworzywa z węgla uszlachetnionego nasycone metalami pracują w różnych ośrodkach korozyjnych.

Do nasycania stosuje się również sole boranowe i fosforanowe, które obniżają podatność na utlenianie, a także sole dające podczas termicznego utwardzania węgliki, co zwiększa ich odporność na temperaturę, wytrzymałość oraz czyni je całkowicie nieprzepuszczalnymi.

Wspomniałem o węglikach więc przejdę teraz do materiałów określanych czasem ogólnie ceramiką.

Spiekane tlenki metali - są to głównie tlenki glinu, berylu, cyrkonu, oraz toru. Są one bardzo odporne na działanie agresywnych substancji chemicznych (wszystkie kwasy organiczne i nieorganiczne) oraz na ścieranie. Największe zastosowanie znajduje korund czyli tlenek glinu, który służy do wyrobu łożysk, czy choćby zwyczajnego papieru ściernego. Tlenki tworzą styki uszczelniające np. w pompach wirnikowych. Ze względu na wysoką temperaturę topnienia, wytwarza się je poprzez spiekanie sproszkowanych tlenków. Po tym procesie dalsza obróbka nie jest możliwa, jedynie można stosować szlifowanie i docieranie. Pierścienie korundowe często stosuje się w parze z pierścieniem teflonowym lub rzadziej grafitowym.

Porcelana - w ośrodkach agresywnych chemicznie stosuje się także tworzywa ceramiczne takie jak porcelana oraz steatyt. Tworzywa te ustępują pod względem właściwości fizyko-chemicznych korundowi i nie ma tak szerokiego zastosowania, ale także są często stosowane w uszczelnieniach przeznaczonych do instalacji pracujących z kwasami.

Spośród różnych gatunków porcelany stosuje się w tej dziedzinie głownie porcelanę twardą wyrabianą z kaolinu skalenia i kwarcu. Jest ona twardsza od stali, mało wrażliwa na wysokie temperatury i odporna na działanie czynników chemicznych. Atakują ją głownie stężone alkalia oraz w podwyższonej temperaturze stężone kwasy utleniające.

Steatyt wyrabia się z talku z dodatkiem magnezytu i gliny poprzez prasowanie pod wysokim ciśnieniem. Posiada właściwości podobne do porcelany, zawartość bardzo miękkiego talku sprawia że właściwości ścierne ma podobne do grafitu.

Cermetale - nazywa się tak spiekane lub prasowane na gorąco wyroby z tworzyw ceramicznych i metali. Technologia ich otrzymywania jest kosztowna i są stosowane rzadko, są jednak bardzo żywotne i szczelniejsze od porcelany. Do ich wyrobu stosuje się wspomniane materiały ceramiczne oraz nikiel, wolfram, molibden, nikiel oraz ich węgliki.

Węgliki metali - nieorganiczne związki metalu z węglem, bardzo twarde, kruche, odporne na temperaturę. Stosuje się je w zakresie podobnym jak porcelanę, czy tlenki metali.

Inną, niezwykle ważną grupą materiałów uszczelniających stanowią materiały gumowe. Wykonuje się z nich uszczelnienia tulejek, wymienników ciepła, elementów ruchomych tłoków i wirników, mieszadeł, a także elementy tłumiące drgania.

Istnieje bardzo wiele rodzajów kauczuku, będący podstawą do otrzymywania materiałów gumowych. Do wyrobu uszczelnień stosuje się głównie akrylonitrylowy, neoprenowy, poliuretanowy, fluorowy. Podobne wskazania dotyczą zastosowania ich jako elektroizolatory.

Wspomnę jeszcze tylko o tym, ze na dobór materiału uszczelniającego, czy izolującego wpływ mają nie tylko warunki pracy, koszty, ale także materiał stanowiący podłoże, jego reaktywność z materiałem uszczelniającym, zachowanie pod wpływem zwiększonej temperatury itp.

---