автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Оптимизация составов наполненных пенополиуретанов повышенной долговечности

На правах рукописи

(Юорп/'

ПРОСКУРЯКОВА Анастасия Олеговна

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ НАПОЛНЕННЫХ ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВ ПОВЫШЕННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 НОЯ 2014

Воронеж-2014

005555064

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Корнеев Александр Дмитриевич

- Бобрышев Анатолий Николаевич

доктор технических наук, профессор; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный ' университет

архитектуры и строительства», профессор кафедры «Технология строительных материалов и деревообработки»

- Андрианов Константин Анатольевич

кандидат- технических наук, доцент; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет», доцент кафедры «Городское строительство и автомобильные дороги»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится «26» декабря 2014 г. в 10й часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ауд. 3220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского ГАСУ и на сайте http://edu.vgasu.vm.ru/SiteDirectory/DisSov.

Ведущая организация:

Автореферат разослан «24» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Объем производства пенопластов, в частности пенополиуретанов, за последние годы значительно вырос и продолжает расти, что связано с изменением требований к термическому сопротивлению ограждающих конструкций.

Жесткий пенополиуретан обладает уникальным комплексом физико-механических свойств, однако, опыт применения его в строительстве определен сравнительно малой долговечностью. Как правило, в процессе эксплуатации зданий и сооружений приходится не один раз менять теплоизоляционные материалы, которые со временем приходят в негодность. Что приводит к значительным экономическим затратам, а зачастую и вовсе невозможно без демонтажа всей конструкции.

Долговечность конструкции зависит от свойств материалов, используемых в конструкции здания. Срок службы конструкции из ориентированно-стружечных плит составляет около 100 лет. Основу несущей конструкции здания составляет деревянный каркас. Если обеспечены оптимальные эксплуатационные условия, то срок службы деревянных конструкций практически неограничен. Главное условие долговечности -правильное проектирование, строительство и эксплуатация.

Решение проблемы повышения долговечности многослойных панелей с теплоизоляцией из пенополиуретана может быть найдено путем введения функциональных наполнителей в составы традиционных пенополиуретанов. Это позволит целенаправленно изменить процесс структурообразования таких материалов, что положительно скажется на строительно-технических свойствах используемых теплоизоляционных материалов.

Тем более что в качестве наполнителей могут быть использованы отходы металлургического производства, решая тем самым проблему экологической и экономической эффективности строительных композитов.

Таким образом, работа посвящена разработке и оптимизации составов пенополиуретанов повышенной долговечности с использованием наполнителей из тонкомолотых отходов металлургической промышленности.

В соответствии с этим целью диссертационной работы является оптимизация строительно-технических свойств пенополиуретанов с использованием в качестве наполнителей отходов металлургической промышленности для изоляционного слоя в сэндвич панелях.

Для достижения цели данной работы были поставлены следующие задачи:

1) выявить структурообразующую роль наполнителей из отходов металлургической промышленности в составах жестких пенополиуретанов;

2) разработать составы пенополиуретанов и установить зависимости физико-механических свойств жестких пенополиуретанов от степени наполнения композиции;

3) определить долговечность жестких пенополиуретанов, наполненных тонкодисперсными отходами металлургической промышленности;

4) разработать технологический прием введения наполнителя при производстве сэндвич панелей с утеплителем из пенополиуретанов.

Связь работы с научными программами фундаментально-ориентированных и прикладных исследований. Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки России в рамках базовой части НИР № 496 «Свойства и технология эффективных строительных композитов на основе техногенного сырья» (2014....2016 г.г.).

Научная новизна работы. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность использования тонкодисперсных отходов ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» в качестве наполнителей жесткого пенополиуретана.

Сформированы и систематизированы теоретические положения о механизмах участия отходов металлургической промышленности в структурообразовании пенополиуретанов. Наполнители позволяют повысить прочность пенополиуретанов, встраиваясь в узлы, каналы и пленки ячеек, тем самым увеличивая их толщину.

Выявлена структурообразующая роль конвертерного шлака и микрокремнезема в композициях пенополиуретанов, позволяющая повысить долговечность жесткого пенополиуретана, в среднем, до 80 лет.

Выявлены зависимости строительно-технических свойств от степени наполненности пенополиуретановой композиции. Установлено, что оптимальным является наполнение пенополиуретана в количестве 30 % от массы полиизоцианата.

Получены значения физических и эмпирических констант наполненных пенополиуретанов, определяющих их долговечность при разрушении.

Разработана математическая модель, корректно описывающая зависимость значений коэффициента конструктивного качества пенополиуретанов на основе отходов металлургической промышленности от степени их наполнения и соотношения компонентов.

Практическое значение и реализация работы. Получен новый пенополиуретан повышенной долговечности. Данный наполненный пенополиуретан обладает повышенной прочностью и долговечностью (приблизительно в два раза по сравнению с ненаполненным).

Предложенные составы жестких наполненных пенополиуретанов повышенной долговечности применены в качестве изоляционного слоя в сэндвич панелях для малоэтажного строительства. Из данных панелей построено 26 индивидуальных жилых домов в Липецкой области.

Расширена сырьевая база производства пенополиуретанов благодаря использованию местных отходов металлургической промышленности (микрокремнезем, конвертерный шлак). Улучшена экологическая обстановка региона.

Основные положения диссертационной работы применены в учебном процессе Липецкого государственного технического университета для подготовки студентов специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» по дисциплине «Строительные материалы и изделия», «Технология

строительных изоляционных материалов и изделий», «Химия отходов», «Материаловедение».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечена комплексом исследований с использованием стандартных средств измерений и подтверждается применением вероятностно-статистических методов обработки результатов испытаний, а также опытными испытаниями и их положительными результатами, не противоречащими выводам известных положений, сходимостью результатов испытаний.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2006 г.), на научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета (Липецк, 2009 г.), на III Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона» (Волгоград — Михайловка, 2009 г.), на международной конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» (Липецк, 2009 г.), на научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета (Липецк, 2010 г. и 2012 г.), на V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) (Новосибирск, 2012 г.), на II Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнергоэффсктивные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2012 г.), на областном профильном семинаре «Школа молодых ученых» по проблемам технических наук (Липецк, 2012 г.).

Публикации. По материалам исследований, выполненных в рамках диссертационной работы опубликовано 19 печатных статей, в том числе 3 в ведущем рецензируемом издании.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты экспериментальных исследований процессов структурообразования пенополиуретанов с использованием местных отходов металлургической промышленности (микрокремнезем, конвертерный шлак);

- результаты исследований по определению влияния степени наполнения пенополиуретанов на эксплуатационные свойства и горючесть пенополиуретанов;

- оптимизация составов наполненных пенополиуретанов с улучшенными физнко-механичеекими характеристиками повышенной долговечности;

- технология получения пенополиуретанов с наполнителями и сэндвич панелей с утеплителем из данных наполненных пенополиуретанов оптимального состава.

Объем и структура работы. Диссертационная работа объемом 127 страниц машинописного текста состоит из введения 5 глав, основных выводов и 3 приложений, включает 42 рисунка и 12 таблиц. Список литературы содержит 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту диссертационной работы, приведены ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведен литературный обзор, посвященный изучению высокоэффективных пенополиуретанов и композиционных материалов на основе пенополиуретанов.

Большой вклад в области исследования структуры и свойств теплоизоляционных материалов, а также прогнозирования их долговечности в процессе эксплуатации внесли такие ученые, как: А.А. Берлин, А.Г. Дементьев, В.В. Гурьев, С.Н. Журков, А.Д. Корнеев, В.П. Ярцев, Ю.М. Баженов, Дж. X. Саундерс, Р.А. Андрианов, А.Н. Баратов, В.А. Воробьев, Ю.И. Дергунов, М.Я. Ройтман, И.Г. Романенков, О.Г. Тараканов, Ф.А. Шутов, В.Г. Хозин и многие другие.

Жесткий пенополиуретан широко используется в различных отраслях промышленности благодаря низкому значению коэффициента теплопроводности, широкому диапазону средней плотности, возможности наполнения различными материалами, адаптируемости технологии производства и вероятности переработки разными способами: экструзией, прессованием, литьем, заливкой.

Неоспоримым достоинством пенополиуретанов является то, что процесс получения изделий (напылепие или заливка) протекает в одну стадию. Вспенивание и отверждение пенополимера не требует подвода тепла, т.к. реакция синтеза является экзотермической и протекает при смешении двух и более жидких компонентов, с одновременным сцеплением пенопласта к различным облицовкам, т.к. пенополиуретан обладает хорошей адгезией практически к любым материалам.

Также к достоинствам жестких пенополиуретанов можно отнести возможность выдерживать достаточно большие нагрузки, обладая малой плотностью. При тщательном подборе состава, сырьевых компонентов можно получать пенополиуретаны с различными свойствами.

Жесткие пенополиуретаны являются одними из лучших теплоизоляционных материалов благодаря ячеистой структуре. Исходная теплопроводность не меняется достаточно длительный период времени, так как стенки ячеек имеют низкий коэффициент диффузии.

Условия эксплуатация пенопластов достаточно разнообразны, их применяют для создания лёгких заполнителей силоаых элементов конструкций, изготовления радиотехнических изделий с высокой радиопрозрачностью, получения лёгких и прочных теплоизоляционных покрытий с низкой эффективной теплопроводностью, изготовления эластичных изделий (например, мебель, упаковка), изготовления звукоизолирующих устройств.

Безусловно, пенополиуретан является наиболее широко применяемым теплоизоляционным материалом. Факторами, сдерживающими его потребление, являются сравнительно низкая долговечность и пожароопасность.

Чаще всего, пенополиуретаны относятся к горючим материалам средней воспламеняемости. В зависимости от конкретного назначения полимерных материалов и условий эксплуатации изделий на их основе используют следующие способы снижения горючести: огнезащита с использованием устойчивых к пламени материалов (огнезащитных покрытий); введение наполнителей; введение антипиренов; модификация полимерных материалов.

Модификация полимеров является достаточно дорогостоящим и трудоемким методом, поэтому на практике чаще всего используют первые три способа.

Введение негорючих неорганических наполнителей позволяет снизить количество горючей составляющей материала. С целью снижения пожарной опасности и улучшения физико-механических свойств пенополиуретана, а также повышения долговечности перспективным является введение минеральных наполнителей, таких как отходы металлургического производства: микрокремнезем и конвертерный шлак.

При производстве композиционных материалов на основе пенополиуретанов сохраняется основной технологический принцип и оборудование, используемое при производстве пенополиуретанов, но вводится дополнительная операция — смачивание наполнителя полимерной композицией.

Во второй главе приведены характеристики исходных материалов, способ получения композиционного материала на основе пенополиуретана, описаны оборудование и методы исследования.

В качестве сырьевых материалов применялись двухкомпонентная система марки ТИМПОЛ — 210, предназначенная для изготовления периодическим способом сэндвич панелей для производства изотермических фургонов транспортных средств, вагонов-рефрижераторов, для строительства зданий, павильонов, промышленных низкотемпературных морозильных камер и других изделий теплоизоляционного назначения. Пенополиуретан, получаемый из компонентов данной системы, отличается хорошим отверждением, низкой теплопроводностью, а также равномерным распределением плотности по объему изделия.

Система марки ТИМПОЛ - 210 состоит из полиольного компонента (компонент «А») марки «Тимпол А-210» и полиизоцианата (компонент «Б») -полимерный дифенилметандиизоцианат. Рекомендуемое соотношение компонента «А» к компоненту «Б» - 100 : 160. Характеристика данных материалов приведена в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики компонентов «А» и «Б»

Показатель Компонент «А» Компонент «Б»

Гидроксильное число, мг КОН/г 250...330 -

Содержание N00 групп, % - 31

Шотность, г/см"1 (25 °С) 1,15 1,23

Вязкость, МПа-с (25 °С) 350 200

Стабильность при хранении, мес. 3 б

Температура хранения, °С 15...25 15...25

Наполнители: 1) конвертерный шлак представляет собой отход сталеплавильного производства темно-серого цвета и имеющий пористую структуру. Химический состав

конвертерного шлака колеблется в довольно широких пределах, %: FeO - 8,0...21,1; Si02 - 12,7... 17,0; СаО - 40,0...54,2; MgO - 1,9... 12,6; А1203 - 1,7...8,3; МпО - 0,5...2,6; S02 - 0,03—0,19; Р205 - 0,06...0,94. Размер частиц наполнителя не превышает 0,3 мм и в процессе образования пенопласта встраивается в его структуру, является внугриструкгурным.

2) микрокремнезем, представляет собой отход выплавки ферросилиция и его сплавов. После окисления и конденсации некоторая часть моноокиси кремния образует чрезвычайно мелкий продукт в виде шарообразных частиц с высоким содержанием аморфного кремнезема. Химический состав микрокремнезема представлен следующими оксидами, %: Si02 - 90...92; А1203 - 0,68; Fe203 - 0,69; СаО - 0,85; MgO - 1,01; Na20 - 0,61; К20 - 1,23; С - 0,98; S - 0,26. Плотность микрокремнезема в неуплотненном состоянии составляет 130.. .350 кг/м3, в уплотненном - 480.. .720 кг/м3, а при нахождении материала в виде суспензии - 1320... 1440 кг/м3. При этом в зависимости от дисперсности и степени уплотненности данный отход может обладать площадью поверхности, определяемой по воздухопроницаемости, от 13000 до 30000 м2/кг.

3) силикагель, представляет собой высушенный гель, образующийся из перенасыщенных растворов кремниевых кислот (nSi02-mH20) при pH > 5...6. Получается при подкислении растворов силикатов щелочных металлов с последующей промывкой и высушиванием образовавшегося геля. Для наполнения пенополиуретана использовался силикагель в виде шаровидных гранул размером до 1,5 мм с удельной поверхностью 102... 103 м/г. Силикагель является практически чистым кремнеземом. Он применен в качестве наполнителя для получения сравнительных характеристик с микрокремнеземом.

Исследование свойств пенополиуретанов и наполнителей осуществлялось в соответствии с методиками действующих нормативно-технических документов.

Обработка результатов экспериментов проведена на базе современных статистических методов с использованием прикладных программ.

Третья глава посвящена исследованию свойств пенополиуретанов, наполненных микрокремнеземом, силикагелем и конвертерным шлаком.

Оптимизация составов пенополиуретанов проводилась по показателю коэффициента конструктивного качества - важный показатель композиционного материала, характеризующий его технико-экономические качества. Оптимальными считаются те составы, которые имеют наименьшее значение средней плотности при достаточной прочности.

K.K.K. = ( Rio%/ Pm) * 100 ;

где Rio% - предел прочности при сжатии при 10%-ной деформации, МПа;

рш - средняя плотность, кг/м3; 100 - введенный для удобства множитель

При планировании эксперимента в качестве варьируемых факторов были приняты: расход конвертерного шлака, микрокремнезема и силикагеля. Для обеспечения более точного описания поверхностей откликов свойств пенополиуретана в зависимости от

варьируемых факторов в виде полиномов второй степени было применено ортогональное центральное композиционное планирование.

Таблица 2

Условия планирования эксперимента

Варьируемые факторы Матем. символ Средн. знач. фактора Интервал варьирования Значения факторов на уровнях

+1 -1 +1,414 -1,414

Расход наполнителя XI 50,00 30,00 80,00 20,0 0 92,42 7,58

Соотношение компонента А и компонента Б Х2 0,6 0,1 0,7 0,5 0,725 0,475

Матрица планирования экспериментов с указанием натуральных величин варьируемых факторов представлена в табл. 3.

Таблица 3

Матрица планирования эксперимента

№ опыта Кодифицированные факторы и их значения

XI Х2 Количество наполнителя, % от массы полимера Соотношение компонента «А» и компонента «Б»

1 +1 +1 80,00 0,70

2 +1 -1 80,00 0,50

3 -1 +1 20,00 0,70

4 -1 -1 20,00 0,50

5 -1,414 0 7,58 0,60

6 +1,414 0 92,42 0,60

1 0 -1,414 50,00 0,46

8 0 +1,414 50,00 0,74

9 0 0 50,00 0,60

На основе полученных результатов получены следующие уравнения регрессии «коэффициент конструктивного качества» (после проверки значимости коэффициентов уравнения по критерию Стьюдента) для пенополиуретанов наполненных:

- микрокремнеземом

К.к.к. „икХхь х2, х3) = 665,0 + 16,5 х2+ 20,2 х,2 + 46,1х22

- силикагелем

К.к.к. СШ1..(Х1, х2, х3) = 655,0 + 15,3 х2 + 12,6 х,2 + 52,4 х22

- конвертерным шлаком

К.к.к.кшХхь х2, х3) = 688,0 + 20,7 х2+ 15,2 х,2 + 48,6 х22

По результатам полученных уравнений были построены поверхности отклика (рис. 1).

и МО-МО "6» МО

■ ню ел)

Рис. 1 — Поверхность отклика «коэффициент конструктивного качества» образцов

пенополиуретана, наполненного: микрокремнеземом, б) конвертерным шлаком,в) силикагелем.

При переходе от кодированных факторов к натуральным, найдено оптимальное соотношение компонента А к компоненту Б, которое составляет 100 : 160.

В ходе исследования наполненных пенополиуретанов была проведена серия экспериментов для определения физико-механических свойств материала, содержащего в своем составе микрокремнезем, конвертерный шлак и силикагель в качестве наполнителей. Введение наполнителя осуществлялось с целью повышения конструктивных качеств пенопласта и снижения его горючести. Образцы пенополиуретана изготавливались с различным содержанием наполнителей.

Конвертерный шлак и силикагель равномерно распределяются в полимерной матрице. За счет адсорбции наполнителями полимера происходит стягивание полимера к каналам Плато-Гиббса, что приводит к увеличению их толщины и, как следствие, повышению плотности и прочности пенополиуретана. Частицы микрокремнезема являются настолько тонкодисперсными (удельная поверхность до 30000 м2/кг), что располагаются не только в узлах и каналах Плато-Гиббса, но и в пленках ячеек. Об этом свидетельствуют результаты микроскопического исследования (рис. 2). "ТЙ® б)

Рис. 2 - Пенополиуретан (увеличение -х 200) а) без наполнителя б) с 20%-ым содержанием конвертерного шлака в) с 20%-ым содержанием микрокремнезема г) с 20%-ым содержанием силикагеля

Наполнитель вводился в полиольный компонент, и после тщательного перемешивания производилось смешение с полиизоциантом. Для определения физико-механических свойств наполненных пенополиуретанов в ходе исследования была проведена серия экспериментов.

Исследуемый интервал наполнения лежит в пределах от 5 до 100 % от массы полиизоцианата, т.к. необходимо, чтобы получаемый пенополиуретан был конкурентоспособным. А дальнейшее увеличение содержания наполнителя наряду с повышением прочностных характеристик приводит к увеличению средней плотности и коэффициента теплопроводности.

Основные зависимости свойств наполненных пенополиуретанов от содержания наполнителя представлены на рис. 3 ... 6.

содержание наполнителя. *

—•— Микроиремиг'ем —Сипииагель — Конвертерный шллк

Рис. 3 - Влияние содержания наполнителя на среднюю плотность

—Микрокремнезем —Силикагель Конвертерный шлак

30 40 50 60 70 Содержание наполнителя, %

Рис. 4 - Влияние содержания наполнителя на прочность при 10% деформации

0,75

|

g 0,65

I

|0,55

jf 0,45 i

0,25

о ю го во 4о ьи ьо /и во уо 100 Содержание наполнителя, %

—Мниронремнезем —»—Силикагель Конвертерный шлак

Рис. 5 - Влияние содержания наполнителя на коэффициент конструктивного качества

10 20 ЗО 40 50 60 70 80 90 100 Содержание наполнителя, %

♦ Микрокремнезем —■—Силикагело —*—Конвертерный шлак

Рис. 6 - Влияние содержания наполнителя на коэффициент теплопроводности

Анализ зависимостей физико-механические характеристик от степени наполнения пенополиуретана (рис. 3...6) показывает, что по мере увеличения содержания наполнителей возрастают показатели средней плотности. При этом при наполнении до 30 % значения средней плотности приблизительно одинаковы для пенополиуретанов с применением всех трех наполнителей. Дальнейшее же увеличение наполнения приводит к более резкому повышению значения средней плотности у пенополиуретанов, наполненных силикагелем. Это, по-видимому, связано с тем, что силикагель обладает высокими показателями удельной поверхности. На поверхности данного наполнителя адсорбируется значительное количество полимера. Происходит стягивание дисперсионной среды к каналам Плато-Гиббса, их толщина увеличивается (рис. 7) и, как следствие, повышается средняя плотность. Размеры ячеек уменьшаются с 0,08...0,35 мм (в пенополиуретане без наполнителя) до 0,05...0,19 мм (в пенополиуретане с наполнителем в количестве 100 % от массы полиизоцианата), а толщина тяжей увеличивается соответственно с 0,012. ..0,020 мм до 0,017. ..0,028 мм.

Введение микрокремнезема и конвертерного шлака приводит к менее значительному по сравнению с силикагелем увеличению средней плотности. При этом прочностные показатели у пенополиуретанов наполненных силикагелем несколько ниже, чем при наполнении их микрокремнеземом и конвертерным шлаком. По-видимому, это связано с тем, что при наполнении свыше 30 % наблюдается рост дополнительных газовых включений размером 0,05.. .0,17 мм (рис. 8).

Это связано с тем, что наполнитель обладает пороудерживающей способностью. Резкое увеличение прочности образцов пенополиуретанов с наполнением до 30 % от массы полиизоцианата объясняется менее дефектной структурой, по сравнению с более наполненными образцами. Известно, что прочностные характеристики выше у материалов с более однородной структурой, т.к. при приложении нагрузки обладают более однородным полем напряжений. Также прочность пенополиуретанов зависит от толщины и прочности межпоровых перегородок.

У всех пенополиуретанов по мере наполнения монотонно возрастал коэффициент теплопроводности.

„от . Рис. 7 - Микроснимки пенополиуретана

«Ирг ¿"¿Ж (увеличение - х 300)

а) без наполнителя с 30 %-ым содержанием б) микрокремнезема

в) силикагеля

г) конвертерного шлака со 100 %-ым содержанием д) микрокремнезема

^ШяшВН е) силикагеля

ж) конвертерного шлака

Можно сделать вывод о том, что оптимальным содержанием является содержание наполнителей в количестве 30 %, о чем свидетельствует наибольшее значение коэффициента конструктивного качества. При таком наполнении пенополиуретаны обладают следующими характеристиками:

Таблица 4

Пенополиуретаны с 30 % содержанием наполнителей

Наполнитель Средняя плотность, кг/м3 Прочность при 10 % деформации, МПа Водопогло-щение по объему, % Коэффициент теплопроводности, Вт/м,0С

Без наполнителя 33,93 0,100 3,70 0,018

Микрокремнезем 43,01 0,286 1,67 0,026

Силикагель 42,75 0,280 1,74 0,024

Конвертерный шлак 42,59 0,293 1,71 0,028

Испытания на горючесть проводились по следующей методике. Для испытания выпиливали из отвержденного пенополиуретана 3 образца размером 40x40x40 мм. Подготовленные образцы выдерживают в вентилируемом сушильном шкафу при температуре (60 ± 5) °С не менее 20 ч, затем охлаждают до температуры окружающей среды, не вынимая их из шкафа. После чего образцы подвергались воздействию открытого пламени, в результате чего происходило их

возгорание. Затем удалялся источник пламени и фиксировалось время самозатухания образцов.

Под воздействием открытого пламени происходило возгорание образов. Но после отключения источника пламени образцы самозатухали. При этом время горения снижалось с 45,3 до 8,7 с для образцов из пенополиуретана наполненного микрокремнеземом и с 45,3 до 9,1 с - для образцов с конвертерным шлаком при увеличении количества наполнителя с 0 до 100 %.

Образцы с силикагелем при воздействии пламенем покрывались негорючей и неплавой коркой, которая препятствовала дальнейшему горению. Время самозатухания образцов пенополиуретана с силикагелем снизилось с 45,3 до 4,0 с, а с конвертерным шлаком до 9,1 с.

На основании экспериментальных данных было сделано предположение о возможности применения вышеуказанных наполненных пенополиуретанов в качестве теплоизоляционного слоя в сэндвич панелях, теплопроводах, холодильных установках, утеплителей стен фундамента и покрытий.

Кроме того, определены значения эмпирических коэффициентов пенополиуретанов при поперечном изгибе. Современные представления о физике и механике разрушения твердых тел основываются на положениях кинетической концепции прочности, согласно которой разрушение обусловлено термофлуктуационным характером разрыва межатомных или межмолекулярных связей в материале. Под действием нагрузки, вследствие разрыва связей, образуются микротрещины и происходит разрушение материала.

Испытания образцов пенополиуретанов при поперечном изгибе проводились в режиме заданных постоянных напряжений и температур. По результатам испытаний образцов пенополиуретанов построены зависимости (рис. 9), представленные в полулогарифмических координатах - о. Данные зависимости носят название «обратного пучка», они имеют линейный характер и образуют семейства веерообразных прямых, сходящихся в одну точку при больших значениях долговечности и малых значениях о.

Задаваясь значениями напряжений (не менее трех) перестраивали зависимость из координат «нагрузка - время до разрушения» в координаты 1/Т.

[1]») 18, [с]

[2]а),6

•й, М

О2 0.3 0.4 0.5 б [МПа]

0,1 0.2 0.3 0,4 0,5 в [МПа]

0.1 0,2 0,3 0.4 0,5 6 [МПа]

Л1 Г1

/ А

)'Г\

1 ; 1 > 1т

• 0,300 > 0375 ■ 0.400 ' 01450

2 3 4 Ю3/Т [1/К]

• 290 <■313 «333 «343

---> 1 !- —

/1

' 1

/)|

Ч 1 1 71

//

• 0,300 » 0,375 » 0,400 ■ 0.450

б) •8. И

г ' < ю'/тп/к]

' 0,300 . 0,375 1 0,400 . 0.450

1 2 3 4 ЮУТ[1/К]

Рис. 9 - Зависимости времени до разрушения от напряжения (1а, 2а, За), температуры (16, 26, 36); эффективной энергии активации от напряжения (в) при поперечном изгибе пенополиуретана без наполнителя [1], пенополиуретана, наполненного конвертерным шлаком [2] и пенополиуретана, наполненного

микрокремнеземом [3].

Четвертая глава посвящена разработке стенового ограждения с изоляцией из пенополиуретана оптимального состава для строительства быстровозводимых зданий в Липецком регионе и прогнозированию долговечности наполненного пенополиуретана в конструкции сэндвич панели.

Выявлено, что несущая способность конструкции кровли из сэндвич панелей при действии изгибающего момента использована на 82 %, т.е. запас прочности составляет 18 %. Также определена долговечность трехслойной стеновой панели с утеплителем из наполненного пенополиуретана. При определении долговечности за максимальную

температуру эксплуатации принималась температура Т = 40 °С. Для расчета использовалось уравнение "обратного пучка" (формула Журкова С.Н.), значения эмпирических коэффициентов представлены в таблице 5.

Для ненаполненного пенополиуретана:

1$т = 1& тт +

и,

ЯТ У

13 + К-160+1100-4,91 • 0,05) / 8,31 ■ 0,313] • (270/313 - 1) = 9,09

Для пенополиуретана, наполненного конвертерным шлаком:

\%т = +

ят

14 + [(-149+1064-4,91 0,05) / 8,31 0,313] (272/313 - 1) = 9,38

Для пенополиуретана, наполненного микрокремнеземом:

\%т=\%тт +

ЯТ [т

14 + [(-138+872-4,91-0,05)/8,31-0,313]-(253/313 - 1) = 9,43

Таблица 5

Эмпирические коэффициенты и прогнозируемая долговечность пенополиуретанов

Тип пенополиуретана Эмпирические коэффициенты Долговечность

Vе т т, К- и0, кДж/моль % кДж'(моль-МПа) т, с Количество лет

Пенополиуретан без наполнителя 10" 270 -196 -1100 109,09 39,01

Пенополиуретан, наполненный конвертерным шлаком ю14 272 -170 -1064 109,38 76,07

Пенополиуретан, наполненный микрокремнеземом 10й 253 -152 -872 Ш9,43 85,35

Прогнозируемая долговечность наполненных пенополиуретанов увеличивается приблизительно в два раза. Прогнозируемый срок службы ненаполненного пенополиуретана составляет 40 лет, пенополиуретана, наполненного конвертерным шлаком - около 75 лет, микрокремнеземом приблизительно 85 лет.

В пятой главе приведена практическая реализация исследования.

При производстве сэндвич панелей с сердечником из наполненного пенополиуретана используется дополнительная емкость для наполнителей, а также была модернизирована заливочная головка (дополнительный трубопровод для тонкодисперсных наполнителей).

Поставленные задачи по увеличению объемов жилья и снижению его стоимости возможны только с участием производственных комплексов, включающих в себя как

индустрию производства изделий, так и технологию их возведения. В основу этой концепции легли следующие положения: быстрое возведение, снижение затрат как при строительстве, так и при эксплуатации, возможность изменения объемно-планировочных решений, снижение толщины стен за счет применения современных теплоизоляционных Рис. 10 - Быстровозводимый материалов, создания конструктивной безопасности индивидуальный жилой дом жилого дома и т.д. При этом конструктивные расчеты

панелей выполнены на низком уровне, а их экспериментальные исследования отсутствуют.

При определении прочностных свойств панелей установлено, что испытываемая сэндвич панель с сердечником из наполненного пенополиуретана выдерживает в качестве стеновой панели 20320 кг, а в качестве панели перекрытия - 771,4 кг/м2.

Также приведены конструктивные особенности проектирования жилых домов из сэндвич панелей с теплоизоляцией из пенополиуретана наполненного отходами металлургической промышленности: микрокремнеземом и конвертерным шлаком.

Кроме того, использование отходов металлургической промышленности позволяет увеличить срок службы конструкций из сэндвич панелей, т.к. пенополиуретан гораздо быстрее, чем ориентированно-стружечная плита приходит в негодность. Это приводит к большим экономическим затратам, потому что замена утеплителя просто невозможна без демонтажа конструкций. Экономический эффект применения наполненного пенополиуретана в трехслойных панелей складывается из стоимости демонтажа одноквартирного жилого дома, стоимости материалов и монтажа нового дома и составляет в среднем 32 тыс. руб. за 1 м2.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлена структурообразующая роль наполнителей из отходов металлургической промышленности в составах жестких пенополиуретанов. Наполнитель встраивается в узлы и каналы Плато-Гиббса, а в случае микрокремнезема и в пленки ячеек пенополиуретана, тем самым увеличивая их толщину.

2. Исследованы зависимости физико-механических свойств жестких пенополиуретанов от степени наполнения композиции. Установлено, что увеличение количества наполнения приводит к повышению показателей прочности, средней плотности и теплопроводности.

3. Разработаны составы пенополиуретановых композиций с оптимальными строительно-техническими свойствами. Оптимальное содержание отходов металлургической промышленности в пенополиуретане в количестве 30 % от массы полимера. При таком содержании микрокремнезема и конвертерного шлака прочность при 10 %-ой деформации получаемых композитов повышается более чем в 2 раза и

снижается водопоглощение также более чем в 2 раза. Коэффициент теплопроводности пенополиуретанов увеличивается незначительно.

4. Прогнозируемая долговечность пенополиуретанов, наполненных отходами металлургической промышленности возросла приблизительно в 2 раза по сравнению с ненаполненными и составила: для пенополиуретанов, наполненных конвертерным шлаком 75 лет, микрокремнеземом - около 85 лет.

5. Разработан технологический прием введения наполнителя при производстве сэндвич панелей с утеплителем из пенополиуретанов и проекты жилых домов из сэндвич панелей с теплоизоляцией из пенополиуретана наполненного отходами металлургической промышленности: микрокремнеземом и конвертерным шлаком.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ:

1. Корнеев, А.Д. Композиционный материал на основе пенополиуретана с использованием микрокремнезема / А.Д. Корнеев, А.О. Проскурякова II Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. - 2011. — Вып. 24 (43). - С. 72 -76. (Лично автором выполнено 2,5 с.)

2. Проскурякова, А.О. Композиционные материалы на основе пенополиуретана с использованием кремнеземсодержащих наполнителей / АО. Проскурякова,

A.Д. Корнеев, ГА. Шаталов II Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. - 2012. - Вып.27 (46). - С. 73 - 77. (Лично автором выполнено 2 с.)

3. Проскурякова, А.О. Сэндвич-панели с утеплителем из наполненного пенополиуретана для малоэтажного строительства / А.О. Проскурякова, А.Д. Корнеев, ГА. Шаталов // Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер. : Стр-во и архит. -2013. - Вып. 32 (51). - С. 71 — 75. (Лично автором выполнено 2 с.)

Публикации в других изданиях:

4. Корнеев, А.Д. Выбор оптимального конструктивного решения кровли общественного здания / А.Д. Корнеев, A.B. Копейкин, А.О. Проскурякова,

B.Г. Соловьев // Сборник трудов. Строительное материаловедение - теория и практика. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. М. - 2006. - С. 354 -355. (Лично автором выполнено 0,75 с.)

5. Гончарова, МЛ Составы сухих строительных смесей с использованием отходов металлургической промышленности / М.А. Гончарова, A.B. Копейкин, А.О. Проскурякова, КА. Корнеев // Сборник статей научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», посвященной 50-летию Липецкого государственного университета. Липецк. - 2006. -

C. 12-14. (Лично автором выполнено 0,75 с.)

6. Корнеев, А.Д. Установление причин проминания кровли торгового центра / А.Д. Корнеев, A.B. Копейкин, А.О. Проскурякова, В.Г. Соловьев И Сборник статей

научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», посвященной 50-летию Липецкого государственного университета. Липецк: ЛГТУ. - 2006. - С. 120 - 122. (Лично автором выполнено 0,5 с.)

7. Копейкин, A.B. Проблемы при эксплуатации теплопроводов с пенополиуретановой изоляцией и защитной полиэтиленовой оболочкой / A.B. Копейкин, А.О. Проскурякова, К.А. Корнеев // Сборник статей научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», посвященной 50-летию Липецкого государственного университета. Липецк: ЛГТУ. - 2006. - С. 133 - 136. (Лично автором выполнено 1,5 с.)

8. Шорстов, A.M. Технологические особенности производства пенополимербетонных композитов на основе полиизоцианатов / A.M. Шорстов, А.Д. Корнеев, А.О. Проскурякова // Международная научно-техническая конференция «Композиционные строительные материалы. Теория и практика». Пенза. - 2006. -С. 311-313. (Лично автором выполнено 0,5 с.)

9. Корнеев, А.Д. Прогнозирование межремонтных сроков службы кровельной теплоизоляции в условиях листопрокатного производства / А.Д. Корнеев, А.О. Проскурякова, C.B. Перекатов, И.В. Папин, О.И. Лифинцев // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. Кровельные и изоляционные материалы. - 2007. - №3. - С. 56 - 57. (Лично автором выполнено 0,15 с.)

Ю.Проскурякова, А.О. Производство сэндвич панелей с утеплителем из пенополиуретана / А.О. Проскурякова, К.А. Корнеев, С.А. Ишевский, Е.В. Крынин // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции, г.Волгоград- г.Михайловка, Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т. Волгоград: ВолгГАСУ. - 2009. - С. 115. (Лично автором выполнено 0,25 с.)

И.Проскурякова, А.О. Производство сэндвич-панелей с утеплителем из пенополиуретана / А.О. Проскурякова, К.А. Корнеев II Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. Липецк. - 2009 - С. 116 - 117. (Лично автором выполнено 0,75 с.)

12. Корнеев, А.Д. Быстрозозводимые здания из сэндвич панелей / А.Д. Корнеев, А,О, Проскурякова, С.А, ЙшевекиЙ, Е.В. Крынйн И Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре. Сборник статей международной конференции. Липецк: ЛГТУ. - 2009. - С. 45 - 47. (Лично автором выполнено 0,75 с.)

13. Шаталов, Г.А. Конструктивное решение стенового ограждения здания / Г.А. Шаталов, А.Д. Корнеев, A.C. Бочарников, А.О. Проскурякова // Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре. Сборник статей международной конференции. Липецк: ЛГТУ - 2009. - С.135 - 136. (Лично автором выполнено 0,5 с.)

14. Проскурякова, А.О. Сэндвич панели для малоэтажного жилья / А.О. Проскурякова // Школа молодых ученых по техническим наукам: материалы областного профильного семинара. Липецк: Издательство ЛГТУ. - 2009. - С. 49 - 51.

15. Проскурякова, А.О. Сэндвич панели с утеплителем из пенополиуретана для строительства малоэтажных зданий / А.О. Проскурякова, А.Д. Корнеев // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. Липецк. - 2010. - С. 229. (Лично автором выполнено 0,5 с.)

16. Проскурякова, А.О. Исследование работы сэндвич панели с утеплителем из пенополиуретана / А.О. Проскурякова, Г.А. Шаталов, Ф.Н. Корвяков // Сборник научных трудов по материалам II Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона». -Саратов. - 2012. - С. 62 - 65. (Лично автором выполнено 1,5 с.)

17. Проскурякова, А.О. Испытания сэндвич панелей с утеплителем из наполненного пенополиуретана кратковременной нагрузкой / А.О. Проскурякова // «Школа молодых ученых» по проблемам технических наук: материалы областного профильного семинара. - Липецк.-2012.-С. 119- 122.

18. Корнеев, А.Д. Наполненный пенополиуретан с улучшенными эксплуатационными свойствами / А.Д. Корнеев, А.О. Проскурякова // Вестник центрального регионального отделения. Материалы Академических научных чтений «Проблемы архитектуры, градостроительства в социально-экономическом развитии регионов». - Тамбов - Воронеж. - 2012. - Выпуск 11 (к 20-летию РААСН). - С.227 -230. (Лично автором выполнено 2 с.)

19. Проскурякова, А.О. Экспериментальное исследование работы сэндвич панели с утеплителем из пенополиуретана в качестве плиты перекрытия / А.О. Проскурякова, М.А. Ачкасов // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. Часть 1. Липецк. - 2012. - С. 173 - 175. (Лично автором выполнено 1 с.)

Проскурякова Анастасия Олеговна

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ НАПОЛНЕННЫХ ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВ ПОВЫШЕННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Подписано в печать 20.10.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Объем 1,0 п. л. Тираж 120 экз. Заказ № 527.

Полиграфическое подразделение Издательства Липецкого государственного технического университета. 398600, Липецк, ул. Московская, 30.