автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Создание строительных теплоизоляционных материалов на основе органических волокнистых отходов

Сибирская государственная Автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

На правах рукописи

Туренко Лилия Федоровна

СОЗДАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВОЛОКНИСТЫХ ОТХОДОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия 05.23.08 - Технология и организация промышленного и гражданского строительства

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Одинцов Д.Г.

Омск -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ:

стр.

Оглавление.---------------------------------------------------------------------- 2

Введение --------——-—-—-----------------------------———-------— 5

Глава 1 .Состояние вопроса в области производства волокнистых теплоизоляционных материалов. Цель и задачи исследования - 6

1.1 .Вяжущие для получения теплоизоляционных изделий -—— 6

1.1. ] .Неорганические вяжущие —-................................. 6

1.1.2.Органические вяжущие .........................................12

1.2.Волокнистые материалы --------------------------------------------— 15

1.3.Теплоизоляционные материалы на основе

органичееких волокнистых отходов ----------------------------- 16

1.3.1 Материалы на основе отходов бумажной макулатуры - 16 13.2 ..Материалы на основе отходов растительного сырья — 21 133.Материалы на основе промышленных

волокнистых отходов------—................-———------------- 27

1.3А Материалы на основе смесей отходов различных типов-21

1.4.Повышение эксплуатационных качеств теплоизоляционных

издел ий на основе волокнистых отходов ----------------31

1.4.1 .Снижение горючести материалов...........................32

1 А.2.Повышение биостойкости материалов —------------------36

1.4.3.Гидрофобизация теплоизоляционных материалов

на основе волокнистых отходов ----------------------------- 37

1.4.4.Повышение устойчивости теплоизоляционных материалов к старению ------......................-——- 38

1.5.Вы воды по литературному обзору. Цель и задачи исследования. Общая характеристика работы......................................—— 39

Глава 2. Применяемые материалы. Методики исследования

и расчетов —.................................................—-----42

2.1 .Сырьевые материалы .........................................—-------42

2.1.1. Бумажно-карт онная макулатура ----------------------------- 42

2Л .2.Отходы волокнистых материалов —---------—-------—— 42

2.1.3. Теплоизоляционная масса «Эковата» ---------------------—- 42

2 А А .Теплоизоляционный материал «Полиэтрол»-----■------—— 42

2А .5.Компоненты для приготовления связующих

и модифицирующих добавок ---------------------—---------42

2.2.Методики исследования —--—----------------------------------------- 44

2.2.1 .Определение средней плотности материалов -------—— 44

2.2.2.Влажность лштериалов ----------------------------—------— 44

2.23.Сорбционное увлажнение --------------------------------------- 44

2,2 А .Коэффициент теплопроводности материалов ------------45

2.2.5.Определение прочности на сжатие при 10%-ной

линейной деформации —......................................- 46

2.2.в.Определение предела прочности на сжатие -.............. 47

2.2.1 .Определение предела прочности при изгибе................. 47

2.2Я.Определение степени горючести материалов ............. 48

2.2.9 Микроскопические исследования структуры образцов ~ 48 2.2.10.Контроль морозостойкости при

объемном замораживании -———-----------------—— 48

2.3.Методика расчетов .........—.....................................— 49

Построение экспериментально-статистических моделей зависимостей свойств теплоизоляционных

материалов от технологических факторов --------------------- 49

Глава З.Разработка рецептур теплоизоляционных материалов

основе органических волокнистых отходов ----------- 51

3.1 .Исследование свойств органических волокнистых отходов — 51

3.1.1 Исследование свойств материалов

на основе бумажной макулатуры ————---------— 51

3.1.2 Исследование свойств отходов растительного сырья — 52 3.1.3.Исследование свойств шерстяных отходов .............. 53

3.1.4 .Исследование свойств хлопчатобумажных отходов — 53

3.1.5 .Исследование свойств волокнистых

отходов по.такрилон ширила ---------------------------------- 54

3.1 .б.Свойтства смесей волокнистых отходов----------------— 55

3.2. Вы бор вяжущих для производства

теплоизоляционных материалов----------------------------------- 57

3.2.1 .Неорганические вяжущие----------------—-------------------- 57

Ъ.2.2.Органические вяжущие .......................................... 60

3.2.3.Комплексные вяжущие ------------------------------------------ 61

3.3.Подбор состава наполнителя----------------———------------— 64

3.4.Улучшение эксплуатационных качеств

разработанных материалов -......................................... 76

3.4.1 .Повышение огнестойкости----------------------------------- 77

ЗА.2.Повышение биостойкости---------------------—---------— 82

3.4.3.Снижение сорбционной активности----------------------- 84

3.5.Вы воды по разделу ---------------------------------—----------------- 87

Глава 4.Экспериментально-статистические модели

зависимостей свойств теплоизоляционных материалов

от технологических факторов-------------------------------------89

4.1 .Модели для материалов на основе

магнезиального вяжущего--------------------—-------------------- 89

4.2.Модели для материалов на основе гипса------------------------- 100

4.3.Анализ экспериментально-статистических моделей----------- 106

4.4.Оптимизация состава материалов-----------------------------------------------------112

4.5.Выводы по разделу------------------------------——------------------------------------115

Глава 5.Технология производства теплоизоляционного

материала «Полиэтрол» -------------------------------------------------------------117

5.1 .Характеристика производства -----—----------------------------------------------------------------117

5.1.1 .Характеристика производимой продукции —------------------------117

5.1.2 .Характеристика исходного сырья и материалов ---------------118

5.1.3.Технологический процесс производства «Полиэтрола» - 118 5.1 Л.Нормы расхода основных видов сырья и материалов — 121 5.1.5.Спецификация на основное технологическое

оборудование —-—------------------------------------——— 122

5.1.6 .Контроль производства ——-—-—--------—------------------------122

5.1.1 .Основные правила безопасной эксплуатации

производства------------—--------------————-------------- 122

5.1 Я.Поэ/саро-взрывобезопасные и токсичные свойства

сырья и готового продукта----------------------------------- 122

5.1.9.Принципиальная технологическая схема

производства «Полиэтрола»-----——-----------------— 123

5.1.10.Технико-экономическое обоснование производства «Полиэтрола» ———---------------—————--------—- 124

5.2.Опытные испытания технологии производства ——-......................127

теплоизоляционного материала «Полиэтрол» 5.3.Внедрение технологии производства «Полиэтрола»

в Строительном тресте №4----------------------------------------------------------129

5.3. (.Промышленная технология производства

полиэтролъных плит -----------————-...........— 119

5.3.2.Результаты испытаний промышленных образцов-------133

5.33.Расчет толщины теплоизоляции жилого дома,

утепленного «Полиэтролом»...............................- 134

Глава 6. Технологические особенности применения

волокнистых теплоизоляционных материалов в строительстве - 135

6.1. Применение теплоизоляционных волокнистых

материалов в виде штучных изделий------------------—--------136

6.2. Штукатурные мастичные покрытия на основе органических волокнистых отходов---------------———----------139

6.3. Применение разработанных материалов

в качестве теплоизоляционных засыпок ...................— 140

6.4. Теплоизоляционные материалы на основе

волокнистых органических отходов------------------------------------------------------------141

Основные выводы.............................................—----------------------------144

Список литературы------------------------------------—-----------------— 146

Приложения —-----------------------------------------------------------------— 158

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время большое внимание уделяется повышению теплоизоляционных качеств зданий и сооружений. В новых положениях по теплоизоляции, изложенных в изменениях 3 к СНиП 11-3-79 , значительно повышен коэффициент сопротивления теплопередаче несущих конструкций. Это означает переход к применению достаточно эффективных теплоизоляционных материалов взамен тяжелых засыпок из керамзитобетона, вставок ячеистых бетонов и других подобных малоэффективных изоляционных материалов, применение которых в настоящий период приводит к существенному перерасходу топлива в период эксплуатации.

Согласно установившимся убеждениям, наиболее перспективными являются изделия на основе минеральной ваты и различных пенопластов [1]. Для обеспечения требуемого тештосопротивления стен достаточно слоя этих утеплителей толщиной 50-150мм [2], но следует отметить их высокую стоимость, большие затраты энергии при производстве, а также горючесть большинства пенопластов.

Вместе с тем, существует еще одна проблема - проблема городских отходов, которые не находят дальнейшего применения и засоряют окружающую среду. Значительную часть отходов составляют волокнистые материалы, которые могут быть использованы в производстве эффективных утеплителей.

Известно, что волокнистые материалы, благодаря своей высокой пористости, обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, кроме того, они легко перерабатываются в изделия и устойчивы к деформационным воздействиям [3]. По оценке специалистов, лучшими являются теплоизоляционные материалы со средней плотностью 100-200 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности 0,05-0,07 Вт/мК [4]. При использовании более легких материалов в процессе их эксплуатации возникает значительное переуплотнение слоя утеплителя [5]. К заполнителям в трехслойных панелях из коммерческих соображений предъявляются следующие дополнительные требования: применение местных материалов, низкая цена, экологичность и т.п. На основе органических волокнистых отходов в любом регионе можно получить изделия, удовлетворяющие всем перечисленным требованиям.

В последнее время ведется целенаправленная работа по рациональному использованию сырья и материалов, по сокращению их потерь и утилизации отходов. Все большее внимание уделяется производству строительных материалов из отходов различных производств [6]. Выработаны некоторые основные принципы подобных технологий [7]. Применение городских волокнистых отходов для теплоизоляции практикуется как в нашей стране, так и за рубежом. Например, в Англии в качестве теплоизоляции строители все чаще используют бумагу, картон, ветошь и другое вторсырье [8].Основными преиму-

ществами материалов на основе волокнистых отходов являются их доступность, низкая стоимость, достаточная эффективность, обычно несложные технологии изготовления. Производство этих материалов вдвойне выгодно с экологической точки зрения, так как решается проблема утилизации отходов и в то же время получаются экологически чистые материалы без больших энергетических затрат.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ПРОИЗВОДСТВА ВОЛОКНИСТЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. ВЯЖУЩИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Применение органических волокнистых материалов без связующих, в виде теплоизоляционных засыпок, нецелесообразно. Такие засыпки эффективны только на начальном этапе эксплуатации. Они очень неустойчивы по форме и проницаемы для жидких и газовых сред, а также в большой степени подвержены биологическому воздействию. Поэтому необходимо включать волокна в матрицу связующего [3].

Все вяжущие, применяемые для теплоизоляции, можно разделить по типу основного компонента на две группы: неорганические и органические. Причем в последнее время неорганические вяжущие часто для повышения качества модифицируют органическими компонентами[9].К настоящему моменту накоплен обширный материал о вяжущих, применяемых для производства теплоизоляционных изделий, который далеко выходит за рамки данного обзора. Поэт ому мы ограничились кратким описанием тех видов вяжущих и способов их применения, которые имели непосредственное отношение к экспериментальной части нашей работы.

1.1.1. Неорганические вяжущие

Главными преимуществами материалов этого типа являются доступность, низкая стоимость, а также хорошая защита волокнистого наполнителя от разрушающих воздействий. Изделия на основе связанных минеральными вяжущими растительных волокон являются одними из первых композитов, полученных человеком. Подобные материалы находят применение и сегодня, но чаще в качестве конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий Наиболее часто применяемые вяжущие этой группы: гипс, цемент, известь., жидкое стекло, магнезиальное вяжущее и т.п. Иногда для снижения значений плотности и теплопроводности вяжущие используются во вспененном состоянии.

а) Изделия на основе гипсового вяжущего. Широкое применение в строительстве находят различные гипсоволокнистые плиты. В качестве волокнистого наполнителя применяют различные материалы: органические волокна, минеральную и стекловату и т.д. В работе [10] приведены свойства гипсо вол о к' н истых плит на основе целлюлозных и стеклянных волокон, а также древесных опилок. Органические материалы вводятся в количестве до 15%масс., а стеклянные волокна - до 5%масс. При этом прочность на изгиб (стюг) плит увеличивается с повышением содержания волокон и уменьшается с увеличением содержания опилок. Оптимальным является введение смеси 7,5% целлюлозных волокон и 7,5%. опилок или смеси 5% стекловолокна и 10% опилок от массы гипса. Для получения гипсоволокнистых плит применяют три способа приготовления формовочной массы: 1) приготовление шлама вяжущего с добавками, затем, при постепенном перемешивании введение волокон; 2) получение пульпы, содержащей волокнистую добавку, затем введение вяжущего; 3) смешение сухих волокон и вяжущего и затворение смеси водой. Очевидно, что все вышеперечисленные способы могут применяться для получения наполненных волокнами изделий и при работе с другими гидравлическими вяжущими. Ассортимент гипсоволокнитых изделий довольно широк: это и плиты различной плотности и штукатурные составы и т.д. Например, широко используется изоляционный штукатурный состав на основе гипсового вяжущего с волокнистыми и пористыми наполнителями [11], (см. пункт 1 табл. 1). Кроме гипсового вяжущего, для производства теплоизоляционных материалов применяют фосфогипс- отход производства фосфорной кислоты и гажу- смесь гипса с карбонатом кальция, кремнеземом и глинистой субстанцией. По своей прочности изделия на фосфогипсе обычно уступают, а на гаже превосходят гипсовые [11]. Гипсоволокнистые материалы имеют довольно высокие , по современным требованиям к теплоизоляции, значения средней плотности и теплопроводности. При вспенивании гипсового вяжущего происходит значительное снижение этих характеристик. К настоящему моменту накоплен большой материал, касающийся получения пеногипса. Вспенивание производится как механическим путем при перемешивании рабочего раствора пенообразователя, так и при помощи специальных газообразующих реагентов, вспучивающих сырьевую массу. В качестве газообразователей часто применяются системы металл/кислота или металл/щелочь. Большое внимание, прежде всего, уделяется выбору поверхностно-активной стабилизирующей добавки (ПАВ). В работе [12] исследованы несколько видов широко используемых поверхностно-активных добавок. Лучшие результаты дало применение попутного продукта нефтеперерабатывающей промышленности (Б-3). Для получения изделий с хорошими свойствами достаточно добавки этого ПАВ в количестве 0,1% от массы гипса. Эффективны также ПАВ на основе крем11 ийорганических полимеров. Стабильные пены с равномерно распределенными микроскопическими пузырьками получены при помощи спе-

циальио синтезированных ПАВ на основе натриевых и алюминиевых солей п-алкоксиэтиловых эфиров [13]. Оптимально введение ПАВ на стадии приготовления формовочной смеси, т.е. в виде раствора с частью воды затворения. При »спепивании гипсового вяжущего происходит значительное снижение его прочности - на 30-40%. Для увеличения прочности применяют специальные пластифицирующие добавки, например (С-3) - продукт конденсации натриевых солей су л ь ф о н а фте новы х кислот с формальдегидом [14]. Для повышения качества получаемых изделий гипсовое вяжущее часто модифицируют различными полимерными добавками. Так, в сырьевую смесь на основе пеногипса, вспениваемого выделяющимся при взаимодействии цинка и уксусной кислоты водородом, вводят добавку латекса. При этом существенно снижаются плотность, теплопроводность и гигроскопичность готовых изделий [15]. В изделия на основе пеногипса и волокнистой массы часто вводят модифицирующие добавки синтетических смол, чаще всего карбамидо-формальдегидных, а также водные дисперсии ПВА [16]. Применение специальных добавок существенно усложняет составление рецептур эффективных гипсовых изделий, так как при этом необходимо учитывать возможные химические взаимодействия между всеми компонентами. Это положение иллюстрирует статья [17]. Здесь для вспенивания гипсовой композиции, модифицированной латексом БК и карбамидо-формальдегидной смолой, применялась орто-фосфорная кислота. Однако, взаимодействуя с содержащимся в гипсе карбонатом кальция, эта кислота препятствовала отверждению смолы. Поэтому авторам пришлось перейти к другой вспенивающей добавке на основе щавелевой кислоты. Для получения различных пеногипсовых изделий применяют гипс марок Г2-Г13. Обычно содержание модифицирующей д