автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Технология получения теплоизоляционных древесных плит

005015206

ЕРМОЛИНА АННА ВЛАДИМИРОВНА

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 MAP 2012

Красноярск-2012

005015206

Работа выполнена в Сибирском государственном технологическом университете на кафедре химической технологии древесины и биотехнологии

Научный руководитель:

- доктор химических наук, профессор Миронов Петр Викторович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, доцент Чистова Наталья Геральдовна

■ кандидат технических наук, доцент Денисов Сергей Викторович

Ведущая организация:

■ ФГБОУ ВПО Уральский государственный лесотехнический университет

Защита диссертации состоится «16 » марта в Ю часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.04 в Сибирском государственном технологическом университете по адресу 660049, г. Красноярск, пр. Мира 82.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « /0 &

Ученый секретарь Диссертационного совета_, _Мелешко А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Энергосбережение в настоящее время является одним из приоритетных направлений. Требования современной нормативной документации по строительной теплофизике направлены на существенное снижение потерь тепла через ограждения зданий и сооружений. Обеспечение необходимых показателей теплового сопротивления предопределяет широкое использование теплоизоляционных материалов. В связи с этим спрос на данный вид материалов постоянно растет, в среднем на 20 % в год.

Повышение требований к экологии жилища стимулирует интерес к созданию безопасных теплоизоляционных материалов из сырья растительного происхождения. Данные материалы благодаря своим гигроскопическим свойствам способствуют поддержанию благоприятных температурно-влажностных условий в помещениях. Перспективным сырьем для производства теплоизоляционных материалов являются отходы деревообрабатывающих производств, а также макулатура. Использование данных видов сырья для производства теплоизоляционных материалов позволит не только удовлетворить возрастающий спрос на теплоизоляционные материалы, но и частично решить проблему использования вторичных ресурсов. Поэтому разработка способа получения эффективного экологически чистого теплоизоляционного материала на основе отходов и вторичного сырья является актуальной задачей.

Цель работы: разработка способа и технологии получения теплоизоляционных древесных плит, обладающих низкой плотностью и теплопроводностью.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать факторы, влияющие на теплопроводность материалов на основе волокон древесины, для создания теплоизоляционных древесных плит с заданными свойствами;

- разработать способ и составы для получения теплоизоляционных материалов на основе различных видов древесных волокнистых продуктов и полимерных связующих веществ;

- исследовать теплофизические, механические и гигроскопические свойства полученных материалов, их огнестойкость и поведение в процессе эксплуатации;

- оценить основные технико-экономические показатели изготовления теплоизоляционных материалов на основе древесных волокон.

Научная новизна:

- определены основные закономерности формирования структуры волокнистых материалов с заданной теплопроводностью на основании предложенной теоретической модели структуры;

- разработан способ получения композиционных теплоизоляционных древесных плит на основе волокон древесины, позволяющий регулировать их плотность и теплопроводность.

Практическая значимость работы:

Разработан способ и технология получения теплоизоляционных древесных плит, которые по теплофизическим и механическим свойствам отвечают требова-

ниям ГОСТ 16381 - 77, а по гигроскопическим - аналогичны показателям натуральной древесины. Отработаны технологические операции производства теплоизоляционных материалов, определены их основные режимные параметры. Исследованы основные свойства полученных теплоизоляционных материалов. Технология производства разработанных плитных материалов может быть реализована в виде малых производств.

Научные положения, выносимые на защиту:

- основные закономерности формирования структуры теплоизоляционных материалов на основе волокон древесины, обеспечивающей требуемые теплофи-зические свойства;

- компонентный состав плитных теплоизоляционных материалов с регулируемой плотностью и теплопроводностью;

- основные технологические операции получения теплоизоляционных материалов.

Апробация работы. Основные научные положения докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2009, 2010 гг.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2009,2010 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 в изданиях рекомендуемых перечнем ВАК, принята 1 заявка на изобретение.

Объем диссертации и ее структура. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка литературы, содержащего 119 наименований, приложений. Основной текст диссертационной работы изложен на 152 страницах, включая 44 рисунка, 58 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен подробный анализ различных теплоизоляционных материалов, применяемых в строительстве. Доказано, что применение теплоизоляционных материалов способствует повышению энергоэффективности зданий и сооружений, а также снижению расхода материалов при строительстве. Больший интерес вызывают материалы, изготавливаемые в форме матов и плит, поскольку в процессе эксплуатации они сохраняют свою стабильную форму, то есть не оседают и не слеживаются. Это обеспечивает универсальность их применения для различных частей зданий.

Анализ литературных источников показал, что перспективным сырьем для производства теплоизоляционных материалов по экономическим и экологиче-

ским показателям, являются волокна древесины и вторичные волокнистые полуфабрикаты, получаемые из макулатуры и картона.

Во второй главе приведены результаты исследования возможности создания теплоизоляционных материалов на основе древесных волокон с требуемыми теплофизическими свойствами.

Одним из основных показателей эффективности теплоизоляционного материала является его коэффициент теплопроводности. Он складывается из следующих четырех составляющих: теплопроводности твердой фазы, образующей каркас материала; газа, содержащегося в порах материала; конвективной и радиационной составляющих. Для получения материалов с низким коэффициентом теплопроводности необходимо, чтобы доли теплопроводности твердой фазы, конвективной и радиационной составляющих общего коэффициента были минимизированы.

На основании проведенного теоретического анализа было установлено, что теплоизоляционный материал с низким коэффициентом теплопроводности может быть получен при выполнении следующих условий: структура материала тонковолокнистая, пористая, с равномерно распределенными несферическими порами, величина которых не превышает 3 мм, плотностью от 50 до 75 кг/м .

С учетом приведенных требований была разработана теоретическая структура теплоизоляционного материала на основе древесных волокон. За структурную единицу была принята отдельная клетка хвойной древесины трахеида (рисунок 1). На основании проведенных расчетов было установлено, что теоретически минимально возможная плотность волокнистого материала составляет 13,43 кг/м . Однако при таком значении плотности величина коэффициента теплопроводности будет большая, ориентировочно более 0,05 Вт/м- °С. Кроме того, при полученной плотности невозможно обеспечить эксплуатационную прочность материала.

Рисунок 1 - Модель структуры волокнистого материала с минимальной

плотностью

Для получения материала с плотностью в диапазоне от 50 до 75 кг/м3, обеспечивающей минимальную теплопроводность, были проведены расчеты по определению необходимого числа древесных волокон в выбранной модели структуры. Установлено, что для получения требуемой плотности необходимо,

чтобы единичная структурная модель содержала от 14 -ти (рисунок 2а) до 22 -х волокон (рисунок 26). При такой модели структуры кроме заданной плотности достигается равномерное распределение мелких пор (размером менее 3 мм), а также образуется тонковолокнистая структура материала.

Рисунок 2 -Модели пористых структур: а -модель материала плотностью 50 кг/м3, б - модель материала плотностью 75 кг/м3.

Технически получение теоретических структур возможно осуществить таким способом, который при протекании физических или химических процессов позволит насыщать теплоизоляционный материал газообразными веществами. Последние, обладая более низкой плотностью и теплопроводностью, позволят регулировать плотность и теплопроводность материала.

На основании анализа, для получения материала, обладающего пористой структурой, был выбран низкотемпературный способ аэрирование. Для его осуществления в состав композиции вводится раствор поверхностно-активных веществ (ПАВ). Смешение компонентов материала должно выполняться в смесителе, который обеспечивает хорошую гомогенизацию массы.

Пористая структура, полученная при использовании ПАВ, является неустойчивой. Для предотвращения разрушения сформированной структуры материала, в состав композиции было предложено вводить связующее вещество.

При введении связующего в массу материала происходит его нанесение на поверхность древесных волокон. Это позволяет образовать физико-химические связи с большой энергией между волокнами древесины. В процессе аэрирования связующее также насыщается воздухом. В результате этого одновременно с образованием каркаса пористой структуры из волокон древесины происходит формирование многочисленных клеевых соединений между волокнами вокруг пор, при отверждении которых и происходит фиксация структуры материала.

Этот механизм подтвержден исследованиями, в которых определялось время разрушения пеноструктуры в зависимости от количества связующего вещества, введенного в композицию (рисунок 3).

а

б

Количество связующего, % ♦ комнатные условия (1=18 °С) ■ при (100±5)°С

Рисунок 3 - Зависимость времени разрушения половины высоты столба пены от количества связующего

Как следует из полученных зависимостей, введение в композицию связующего увеличивает время разрушения, и, как следствие, устойчивость сформированной структуры. Таким образом, введение связующего в композицию будет способствовать уменьшению усадки материала.

В третьей главе приводится описание методик проведения экспериментов, подготовки образцов. Физико-механические испытания и испытания по ускоренному определению сорбционной влажности и водопоглощению проводились по методике ГОСТ 17177 - 94. Класс эмиссии образцов оценивался по ГОСТ 27678 - 88 и ГОСТ 10632 - 2007. Коэффициент теплопроводности определялся методом стационарного теплового потока по ГОСТ 7076 - 99. Определение групп горючести полученных теплоизоляционных материалов проводилось по ГОСТ 12.1.044. - 89.

В четвертой главе приведены результаты исследований по определению состава композиций для изготовления теплоизоляционных материалов, а также технологических параметров их получения.

Для получения теплоизоляционных материалов были отобраны три вида волокнистых наполнителей: древесное волокно; готовый продукт, получаемый на основе макулатуры - «Эковата»; волокнистая масса из тарного картона. А также были отобраны три вида связующих веществ: связующее на основе смолы КФ - МТ - 15, термопластичный клей ПВА, двухупаковочный бутадиен-стирольный латексный клей. Для создания пористой структуры материала в состав композиций вводился раствор синтетического пенообразователя.

В соответствии с испытаниями по определению класса эмиссии образцов, изготовленных с использованием смолы КФ-МТ-15, этот вид связующего был ис-

ключей из дальнейших экспериментов, как не выдержавшее экологических требований.

На основе отобранных ингредиентов были составлены пять вариантов композиций для изготовления волокнистых теплоизоляционных материалов. Исследования проводились методом математического планирования экспериментов с использованием В-3 плана Бокса. В качестве выходных величин были выбраны стандартные физико-механические показатели для теплоизоляционных материалов: плотность материала, прочность на сжатие при 10 % - ной линейной деформации, предел прочности при статическом изгибе. Значения выходных величин были ограничены допустимыми пределами варьирования: плотность от 50 до 75 кг/м3, прочность на сжатие при 10 % - ной линейной деформации - не менее 0,015 МПа, предел прочности при статической изгибе - не менее 0,1 МПа. На основании выполненных экспериментов установлено, что предъявляемым требованиям удовлетворяют материалы, изготавливаемые на основе следующих двух композиций: древесное волокно - клей ПВА, волокнистая масса из тарного картона - клей ПВА.

Для прогнозирования свойств, получаемых плитных материалов в зависимости от соотношения исходных компонентов смесей, были произведены дальнейшие эксперименты. Они проводились с помощью плана для исследования свойств смесей (план Шеффе третьего порядка). Значения исходных компонентов, в пересчете на сухое вещество, их интервалы и уровни варьирования приведены в таблицах 1,2. В качестве критерия для определения уровней варьирования использовался параметр текучесть смеси, который определялся органолеп-тически.

Таблица 1 - Исходные данные для композиции с древесное волокно - клей ПВА для плана Шеффе_

Обо-зна-че-ния Уро вни

Варьируемые нижний 0 I 3 2 3 верхний +1

факторы мас.ч / % мае. % мас.ч. /% мае. % мас.ч. /% мае. % мас.ч. /% мае. %

Количество на- х/ 71 10,50 78,89 12,44 86,78 14,65 94,67 17,20

полнителя

Количество воды Х2* 454,67 82,62 504,67 85,20 554,67 87,44 604,67 89,40

Количество свя- Хз" 1 0,10 3 0,34 5 0,61 7 0,94

зующего

Примечание. - содержание фактора выражено в мае. ч.;" - содержание фактора выражено в %.

Таблица 2 - Исходные данные для композиции волокнистая масса из тарного картона - клей ГГВА для плана Шеффе_

Варьируемые факторы Обо-зна-че-ния Уровни

нижний 0 I 3 2 3 верхний +1

мас.ч / % мае. % мас.ч / % мае. % мас.ч / % мае. % мас.ч/ % мае. %

Количество наполнителя х, 50,76 4,89 65,80 8,35 80,84 10,08 95,88 14,03

Количество воды х2 586,68 85,83 720,01 89,82 853,35 92,77 986,68 95,06

Количество связующего Х3 1 0,05 3 0,25 5 0,33 7 0,55

Примечание. - содержание фактора выражено в мае. ч.;" - содержание фактора выражено в %.

Результаты выполненных экспериментов представлены в виде диаграмм «Состав - свойство» (рисунки 5, 6).

/ 94. 67 1 %

т

еж

от

т

-у Ч/У

Л

И

604,67 579.67 55467 579,67 Ш7 479.67 454,67 Количеств Води нося

— 0,0225

604.67 579.67 554,67 529.67 504,67 479.67 45467 Кп/меапдяЫн поен

К,р], мпа

Количество (¡оды, нося

Рисунок 5 - Диаграммы «Состав-свойство» композиции на основе древесного волокна: а - плотность материала, б - прочность на сжатие при 10 %-ной линейной деформации, в - предел прочности на изгиб

986,68 920,02 853,35 786,68 720,01 65135 586,68 986,68 920.02 85335 786,68 720,01 65335 586.68

Котшй/ Ыцтл Ктжтба Шц тсч

98668 920,02 853,35 78668 720.01 65135 58668 Комнеапк! Ьоды, масч

Рисунок 6 - Диаграммы «Состав-свойство» композиции на основе волокнистой массы из тарного картона: а - плотность материала, б - прочность на сжатие при 10 %-ной линейной деформации, в - предел прочности на изгиб

На рисунках 5,6 штриховкой обозначены области варьирования исходных компонентов композиций, которые обеспечивают получение материалов с требуемыми свойствами.

На рисунке 7 приведена принципиальная схема производства теплоизоляционных материалов.

Для отработки режимных параметров производства теплоизоляционных плит были проведены следующие исследования.

Древесное волокно, используемое для производства теплоизоляционных плит, получали путем размола в дефибраторе. После этой операции оно сразу поступало в технологию. Вторичное волокно из тарного картона получали мокрым способом путем механического роспуска в гидроразбивателе. Для обеспечения высокого качества роспуска концентрация волокна составляет от 2 до 2,5 %, что соответствует абсолютной влажности от 4000 до 5000 %. Высокая исходная влажность предопределяет необходимость проведения процедуры вакуумного обезвоживания волокнистой пульпы. Динамика изменения влажности волокнистой пульпы представлена на рисунке 8. Полученные зависимости позволили установить необходимое время вакууммирования массы.

В соответствии с выбранным способом создания теплоизоляционных материалов смешение компонентов смесей осуществлялось в смесителе ленточного типа.

Конвективная сушка Охлаждение

сушильная камера плит

Окончательная _ ■ обработка плит"

установка для

вакуумного обезвоживания

Склад готовой продукции

формы для плит

Рисунок 7 - Принципиальная схема производства теплоизоляционных материалов: - - исходное сырье щепа,---исходное сырье картон

20 30 40 50 60

Продолжительность обезвоживания, с

— слой Я — ^ мм -»—слой 8=10?

-слой мм -•-спой Я 21) мм

Рисунок 8 - Динамика процесса вакуумного обезвоживания

В процессе конвективной сушки изготавливаемых материалов происходит синерзис жидкости из межпорового пространства между волокнами и ее испарение, а так же диффузия воздуха по материалу. В результате этого пористая структура разрушается, что влечет за собой усадку материала, повышение его плотности и теплопроводности. Было исследовано влияние ряда факторов, оп-

ределяющих величину усадки материалов. Определены их значения, при которых усадка материала была минимальной.

Зависимость усадки материала от концентрации пенообразователя представлена на рисунке 9.

4 -

3.5 -

3 --

0,1 0,15 0,2 0,25 0.3 0.35

Концентрация пенообрачователя. °о

Рисунок 9 - Зависимость усадки материала от концентрации пеннобразователя

Для достижения минимальной усадки материала в процессе его конвективной сушки концентрация пенообразователя должна поддерживаться в пределах от 0,25 до 0,27 %.

Отработка режимных параметров процесса сушки теплоизоляционных материалов выполнялась в экспериментальной сушильной установке конвективного типа, которая позволяла регулировать температуру и скорость сушильного агента. Сушка сформованной массы материала выполнялась в специальной форме с сетчатым дном и теплоизолированными боковыми поверхностями, что позволяло имитировать характер процесса в центре древесной плиты.

На рисунке 10 представлена зависимость усадки материала от скорости сушильного агента. Наименьшая усадка образцов теплоизоляционного материала (около 7 %) наблюдалась при скорости 2 м/с.

2 2,5 3 3,5 4 4,5

Скорость сушильного агыгга, м/с

Рисунок 10 - Зависимость усадки материала от скорости сушильного агента

При определении температурного режима процесса сушки были учтены следующие ограничения. Максимальная температура процесса ограничивалась температурой стеклования полимера и процесса полимеризации эмульсии по-ливинилацетата - 90 °С. В качестве минимальной была принята температура 40 °С. Меньшие значения температуры сопряжены с излишне большой продолжительностью процесса сушки материала.

На рисунке 11 приведены зависимости величины усадки материалов от температуры процесса сушки. Большая усадка (10 %) наблюдалась при температуре сушильного агента 60 °С, при температуре 90 °С - наименьшая (около 7 %). Это объясняется тем, что скорость полимеризации при более высокой температуре агента сушки выше. При температуре 40 °С усадки у образцов не наблюдалось, так как процесс испарения протекал медленно и процесс отверждения связующего не происходил. Таким образом, рекомендуемая температура сушки теплоизоляционных материалов должна поддерживаться на уровне 90 °С.

Время, мин ♦ 40'С -»-60'С -*-90 °С

Рисунок 11 - Зависимость усадки материала от температуры сушильного агента

С помощью экспериментальной сушильной установки было проведено исследование динамики процесса сушки сформованного плитного материала. На рисунке 12 представлен график процесса сушки. Зависимость носит экспоненциальный характер. Такая зависимость изменения влажности во времени характерна для каппилярнопористых тел.

При отработанных режимных параметрах процесса сушки высушивание материала стандартной толщины 50 мм до эксплуатационной влажности (10 ±12) % может выполняться за 800 мин (около 14 ч).

Время, мин

Рисунок 12 - Кривая процесса сушки плитного теплоизоляционного материала

В пятой главе представлены результаты исследований свойств теплоизоляционных материалов, полученных на основе двух отобранных композиций. Были изучены микроструктура, теплопроводность материала, его гигроскопические, эксплуатационные свойства и определена группа горючести.

На рисунке 13 представлены микрофотографии образцов теплоизоляционных материалов. Было установлено, что структура данных материалов пористая, однородная, тонковолокнистая. Она образована преимущественно единичными волокнами. Поры имеют неправильную форму, их размер не превышает 3 мм. Возможность образования такой структуры, была спрогнозирована во второй главе.

ТМ-1000_2420 2010 0910 I СЗ 5 х200 500 игг ТМ-1000_2434

а б

Рисунок 13- Микроструктура теплоизоляционного материала: а - на основе древесного волокна (х200), б - на основе волокнистой массы из тарного картона (хЗОО)

Для оценки эффективности теплоизоляционных материалов были исследованы коэффициенты их теплопроводности методом стационарного теплового

потока. Установлено, что у материала на основе древесного волокна коэффициент теплопроводности составляет 0,046 Вт/м-°С, у материала на основе волокнистой массы из тарного картона - 0,051 Вт/м-°С. В соответствии с существующей классификацией полученные теплоизоляционные материалы были отнесены к классу материалов с низкой теплопроводностью, то есть их коэффициенты теплопроводности менее 0,06 Вт/м-°С.

Исследованы гигроскопические свойства теплоизоляционных материалов. Были определены водо- и влагопоглощение материалов за 24 ч, а так же предел гигроскопичности при сорбции и десорбции. В таблице 3 приведены результаты определения водо- и влагопоглощения материалов.

Таблица 3 - Водо-, влагопоглощение теплоизоляционных материалов

Композиция Водопоглощение, % по объему Влагопоглощение, %

Древесное волокно - клей ПВА 83,51 10,94

Волокнистая масса из тарного картона -клей ПВА 87,82 11,38

Величина влагопоглощения близка к значению аналогичного показателя у натуральной древесины.

Определение предела гигроскопичности теплоизоляционных материалов проводилось методом длительного выдерживания в гигростатах с известной относительной влажностью воздуха. По результатам экспериментов были построены изотермы сорбции и десорбции (рисунки 14,15).

Влажность воздуха, % ■ Сорбция ♦ Десорбция

Рисунок 14

- Изотермы сорбции и десорбции образцов материала на основе древесного волокна

30,00

1

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 Влажность воздуха, %

Сорбция ♦ Десорбция

Рисунок 15 - Изотермы сорбции и десорбции образцов материала на основе волокнистой массы из тарного картона

Полученные результаты свидетельствуют о том, что даже при длительной выдержке в среде с высокой относительной влажностью (95 %), материалы не достигают предела гигроскопичности, то есть влажности 30 %. При такой абсолютной влажности изменения фазового состояния содержащейся в материалах влаги при отрицательных температурах не происходит. Следовательно, в условиях отрицательных температур разрушение структуры теплоизоляционных материалов, вызванные замораживанием влаги, не произойдет.

Таким образом, капиллярно-пористая структура полученных теплоизоляционных материалов позволяет легко сорбировать и десорбировать влагу при изменении влажности окружающего воздуха.

Эксплуатационные характеристики полученных теплоизоляционных материалов оценивались в соответствии с расчетом сопротивления паропроница-нию. Расчеты выполнены для условий г. Красноярска, для конструкции стены, представляющую собой сэндвич-панель, состоящую из двух плит ОБВ, толщиной 10 мм, теплоизоляционной древесной плиты, изготовленной из предлагаемых нами композиций, толщиной 130 мм. Установлено, что количество влаги, которое может сконденсироваться в такой стене в зимний период составит около 2,45 кг/м2. Количество влаги, которое способно удалиться через эту стену в весенне-летний период - 4,8 кг/м2. Следовательно, при эксплуатации стены такой конструкции накопление в ней избыточной влаги и разрушение, вызываемое воздействием отрицательных температур, не произойдет.

Группа горючести теплоизоляционных материалов является одним из показателей, определяющих их эксплуатационные свойства. Для их обеспечения необходимо, чтобы материалы относились к группе трудногорючих. Испытания по определению огнестойкости материалов оценивались по величине потери массы образцов при сжигании, а так же по времени достижения ими максимальной температуры при горении. На основании выполненных экспериментов установлено, что даже поверхностная обработка теплоизоляционной плиты ог-

незащитным составом позволяет перевести ее в группу трудногорючих материалов.

В шестой главе приведен расчет затрат на производство теплоизоляционных древесных плит. В расчетах были учтены только затраты на сырье, материалы и энергию. Для теплоизоляционных материалов, изготавливаемых из древесного волокна, получаемого из собственных древесных отходов предприятия в виде щепы, затраты составят 458,53 руб. за 1м3. Для теплоизоляционных материалов на основе волокнистой массы из тарного картона - 1039,89 руб. за 1м3. Таким образом, экономически более выгодно изготавливать древесные теплоизоляционные плиты на основе древесного волокна.

Общие выводы и рекомендации

1 Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения древесных теплоизоляционных плит с низкой теплопроводностью. Это достижимо при создании пористой структуры материала, с тонковолокнистой твердой фазой, образующей его каркас и равномерно распределенными мелкими несферическими порами, размер которых не должен превышать 3 мм.

2 Плотность волокнистых теплоизоляционных материалов, обеспечивающая минимальный коэффициент теплопроводности составляет от 50 до 75 кг/м3. Получение материала такой плотности возможно способом аэрирования, с использованием поверхностно-активных пенообразователей. Для стабилизации полученной пористой структуры необходимо использовать полимерные связующие вещества.

3 На основании экспериментальных исследований установлены составы композиций, обеспечивающих получение теплоизоляционных материалов с требуемыми свойствами. Для плит, изготавливаемых на основе древесного волокна, соотношение исходных компонентов материала должно выдерживаться в следующих диапазонах: волокнистый наполнитель - от 11 до 14 мае. %, связующее вещество (клей ПВА) - от 0,1 до 0,3 мае. %, отвердитель - 0,01 мас.%, вода - 85 до 89 мае. %, пенообразователь - 0,01 мас.%. Для плит, изготавливаемых на основе волокнистой массы из тарного картона соотношения компонентов следующее: волокнистый наполнитель - от 10 до 14 мае. %, связующее вещество - 0,2 до 0,5 мае. %, отвердитель - 0,01 мас.%, вода - от 85 до 89 мае. %, пенообразователь - 0,01 мас.%.

4 Разработана принципиальная технологическая схема производства теплоизоляционных древесных плит. Отработаны режимы подготовки волокнистых наполнителей для изготовления материалов. Установлено, что минимальное разрушение структуры и усадка изготавливаемых теплоизоляционных материалов обеспечиваются при концентрации пенообразователя в композиции от 0,25 до 0,27 %. Отработаны режимные параметры процесса конвективной сушки материалов, которые должны поддерживаться в следующих пределах: скорость агента сушки - 2 м/с, температура - 90 °С, минимальная продолжительность сушки до эксплуатационной влажности (10 ±12) % около 14 ч.

5 Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала на основе древесного волокна составляет 0,046 Вт/м-°С, на основе волокнистой массы из тарного картона - 0,051 Вт/м-°С. При существующей классификации такие материалы относятся к классу материалов с низкой теплопроводностью (менее 0,06 Вт/м-°С).

6 Прочность теплоизоляционных материалов по ГОСТ 17177 - 94 на сжатие при 10 % -ной линейной деформации - от 0,02 до 0,03 МПа, при изгибе - от 0,1 до 0,2 МПа.

7 Величина водо- и влагопоглощения теплоизоляционных материалов за 24 ч составляют соответственно 85 % и 11%. Величина влагопоглощения близка к значению аналогичного показателя у натуральной древесины. Предел гигроскопичности теплоизоляционных материалов при сорбции составляет 22 %, при десорбции - 26 %. При такой абсолютной влажности при отрицательных температурах изменения фазового состояния содержащейся в материалах влаги не происходит.

8 При эксплуатации теплоизоляционных материалов в составе ограждающей конструкции толщиной 150 мм (две наружные плиты OSB по 10 мм и 130 мм теплоизоляционного материала внутри) в условиях г. Красноярска образующаяся за зимний период в стене конденсационная влага полностью удаляется за весенне-летний период. Следовательно, накопление влаги в ограждающей конструкции не происходит.

9 Затраты на производство теплоизоляционных древесных плит на основе древесного волокна, с учетом затрат на сырье, материалы, тепловую и электрическую энергию, составляет 458,53 руб. за 1 м3 плит.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1 Ермолина, А. В., Миронов, П. В. Теплоизоляционный материал на основе древесно-волокнистых продуктов [Текст] / А. В. Ермолина, П. В. Миронов // Химия растительного сырья. - 2011.-№3.-С.197-200.

2 Ермолина, А. В., Миронов, П. В. Получение и свойства теплоизоляционного материала на основе вторичной волокнистой массы [Текст] / А. В. Ермолина, П. В. Миронов // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. — 2011. — №4.— С. 109-114.

3 Ермолина, А. В., Миронов, П. В. Состав для получения теплоизоляционных материалов на основе древесных волокон [Текст] / А. В. Ермолина, П. В. Миронов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : всероссийская научно-практическая конференция : сб. ст. студентов и молодых ученых, т. 1. - Красноярск : СибГТУ, 2009. - С. 278-281.

4 Ермолина, А. В., Миронов, П. В. Теплоизоляционные материалы на основе синтетического связующего и волокнистых продуктов переработки древесины [Текст] / А. В. Ермолина, П. В. Миронов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : всероссийская научно-практическая конференция : сб. ст. студентов и молодых ученых, т. 1. - Красноярск: СибГТУ, 2009. - С. 281-283.

5 Ермолина, А. В., Миронов, П. В. Исследование физико-механических свойств теплоизоляционных материалов на основе древесноволокнистых продуктов [Текст] / А. В. Ермолина, П. В. Миронов // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения : сб. ст. по материалам всероссийской научно-практической конференции, т. 2. - Красноярск : СибГТУ, 2010. - С. 175-180.

6 Миронов, П. В., Ермолина, А. В. Теплоизоляционные материалы: поро-пласты на основе синтетического связующего и волокнистых продуктов переработки древесины [Текст] / П. В. Миронов, А. В. Ермолина // Актуальные проблемы лесного комплекса / под. ред. Е. А. Памфилова : сб. науч. трудов по итогам международной научно-технической конференции, вып. 24. - Брянск : БГИТА, 2009. - С. 120-123.

7 Ермолина, А. В., Миронов, П. В., Бывшев, А. В. Получение теплоизоляционного плитного материала на основе древесного волокна [Текст] / А. В. Ермолина, П. В. Миронов, А. В. Бывшев // Актуальные проблемы лесного комплекса / под. ред. Е. А. Памфилова : сб. науч. трудов по итогам международной научно-технической конференции, вып. 25. - Брянск : БГИТА, 2010. - С. 186-189.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660049, г.Красноярск, пр. Мира, 82, Сибирский государственный технологический университет, ученому секретарю диссертационного совета.

Подписано в печать 07.02.2012. Формат 60x84 1/16. Усл. печ.1,0. Изд. №4/1. Заказ № 1389. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82 факс (391) 211-97-25, тел. (391) 227-69-91

61 12-5/1911

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Ермолина Анна Владимировна

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.х.н., профессор Миронов П.В.

Красноярск 2012

Содержание

Введение.......................................................................................................................4

Введение.......................................................................................................................4

1 Современные теплоизоляционные материалы и перспективы их развития......7

1.1 Анализ особенностей теплоизоляционных материалов и их использование в строительстве........................................................................7

1.2 Способы получения теплоизоляционных материалов................................17

1.3 Сырье для производства теплоизоляционных материалов........................23

1.4 Выводы.............................................................................................................27

2 Создание волокнистых материалов с требуемыми теплофизическим свойствами.....29

2.1 Теоретические предпосылки формирования структуры волокнистых материалов...............................................................................................................29

2.2 Формирование пористой структуры волокнистого материала..................39

2.3 Выводы.............................................................................................................50

3 Методы исследования состава композиции и технологии получения теплоизоляционных древесных плит......................................................................51

3.1 Исходные материалы и их характеристика..................................................51

3.2 Методы и средства контроля.........................................................................52

4 Экспериментальные исследования состава теплоизоляционных материалов.................................................................................................................70

4.1 Постановка задачи..........................................................................................70

4.2 Выбор связующих веществ и определение их токсических свойств........70

4.3 Определение состава композиций теплоизоляционных материалов........73

4.4 Исследование технологических факторов получения

теплоизоляционных материалов.........................................................................97

4.5 Технология получения теплоизоляционных материалов............................109

4.6 Выводы...........................................................................................................112

5 Исследование свойств теплоизоляционных материалов на основе древесных

волокон......................................................................................................................114

5.1 Исследования микроструктуры материалов...................................................114

5.2 Определение теплофизических характеристик материалов....................116

5.3 Определение водо-, влагопоглощения материалов...................................116

5.4 Определение гигроскопичности материалов.............................................118

5.5 Расчет возможности конденсации влаги....................................................121

5.6 Определение группы горючести теплоизоляционных материалов.........132

5.7 Выводы........................................................................................................... 133

6 Расчет затрат на производство теплоизоляционных материалов...................135

6.1 Составление плана производства................................................................135

6.2 План материально-технического обеспечения..........................................136

6.3 План по затратам на производство продукции..........................................138

Основные выводы........................................ ...........................................................140

Список использованных источников....................................................................142

Приложение 1..........................................................................................................153

Приложение 2..........................................................................................................167

Приложение 3..........................................................................................................173

Введение

Актуальность темы. Энергосбережение в настоящее время является одним из приоритетных направлений. Требования современной нормативной документации по строительной теплофизике направлены на существенное снижение потерь тепла через ограждения зданий и сооружений. Обеспечение необходимых показателей теплового сопротивления предопределяет широкое использование теплоизоляционных материалов. В связи с этим спрос на данный вид материалов постоянно растет, в среднем на 20 % в год.

Повышение требований к экологии жилища стимулирует интерес к созданию безопасных теплоизоляционных материалов из сырья растительного происхождения. Данные материалы благодаря своим гигроскопическим свойствам способствуют поддержанию благоприятных температурно-влажностных условий в помещениях. Перспективным сырьем для производства теплоизоляционных материалов являются отходы деревообрабатывающих производств, а также макулатура. Использование данных видов сырья для производства теплоизоляционных материалов позволит не только удовлетворить возрастающий спрос на теплоизоляционные материалы, но и частично решить проблему использования вторичных ресурсов. Поэтому разработка способа получения эффективного экологически чистого теплоизоляционного материала на основе отходов и вторичного сырья является актуальной задачей.

Цель работы: разработка способа и технологии получения теплоизоляционных древесных плит, обладающих низкой плотностью и теплопроводностью.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать факторы, влияющие на теплопроводность материалов на основе волокон древесины, для создания теплоизоляционных древесных плит с заданными свойствами;

- разработать способ и составы для получения теплоизоляционных материалов на основе различных видов древесных волокнистых продуктов и полимерных связующих веществ;

- исследовать теплофизические, механические и гигроскопические свойства полученных материалов, их огнестойкость и поведение в процессе эксплуатации;

- оценить основные технико-экономические показатели изготовления теплоизоляционных материалов на основе древесных волокон.

Научная новизна:

- определены основные закономерности формирования структуры волокнистых материалов с заданной теплопроводностью на основании предложенной теоретической модели структуры;

- разработан способ получения композиционных теплоизоляционных древесных плит на основе волокон древесины, позволяющий регулировать их плотность и теплопроводность.

Практическая значимость работы:

Разработан способ и технология получения теплоизоляционных древесных плит, которые по теплофизическим и механическим свойствам отвечают требованиям ГОСТ 16381 - 77, а по гигроскопическим - аналогичны показателям натуральной древесины. Отработаны технологические операции производства теплоизоляционных материалов, определены их основные режимные параметры. Исследованы основные свойства полученных теплоизоляционных материалов. Технология производства разработанных плитных материалов может быть реализована в виде малых производств.

Научные положения, выносимые на защиту:

- основные закономерности формирования структуры теплоизоляционных материалов на основе волокон древесины, обеспечивающей требуемые теплофизические свойства;

- компонентный состав плитных теплоизоляционных материалов с регулируемой плотностью и теплопроводностью;

- основные технологические операции получения теплоизоляционных материалов.

Апробация работы. Основные научные положения докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2009, 2010 гг.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2009,2010 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 в изданиях рекомендуемых перечнем ВАК, принята 1 заявка на изобретение.

Объем диссертации и ее структура. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка литературы, содержащего 119 наименований, приложений. Основной текст диссертационной работы изложен на 152 страницах, включая 44 рисунка, 58 таблиц.

1 Современные теплоизоляционные материалы и перспективы их развития

1.1 Анализ особенностей теплоизоляционных материалов и их использование в строительстве

Большая часть территории России расположена в северных широтах, что предполагает холодные продолжительные зимы. В связи с этим на единицу жилой площади у нас расходуется в 2-3 раза больше тепловой энергии, чем в странах Европы. Проблема экономии энергии, а следовательно, и повышения эксплуатационных характеристик зданий - актуальная задача, требующая скорейшего решения [1].

В соответствии со СНиП II - 3 - 79* [2] в таблице 1.1 приведены минимальные значения сопротивления теплопередаче, которые должны обеспечиваться при строительстве зданий и сооружений.

Таблица 1.1 - Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций

Здания и помещения Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, не менее, м2-°С/Вт

стен покрытий и перекрытий над проездами покрытий чердачных, над холодными подпольями и подвалами окон и балконных дверей

жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты 2.1-5,6 1.2-3,2 3.2-8,2 1,8-5,3 2.8-7,3 1,6-4,6 0.30 - 0.80 0,30-0,80

общественные, кроме указанных выше, административные и бытовые, за исключением помещений с влажным или мокрым режимом 1.6-4,8 1,0-3,0 2.4 - 6,4 1,6-5,1 2.0-5,5 1,4-4,4 0.30 - 0.80 0,30-0,80

производственные с сухим и нормальным режимами 1,4-3,4 0,8-2,3 2,0-4.5 1,4-3,6 1.4-3,4 1,2-2,7 0.20 - 0.45 0,20 - 0,45

Примечание. В числителе указаны значения сопротивления теплопередаче для здании высотой более трех этажей, в знаменателе - для зданий высотой до трех этажей со стенами из мелкоштучных материалов, а также реконструируемых и капитально ремонтируемых независимо от этажности.

Для обеспечения приведенных значений сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций (таблица 1.1) для г. Красноярска, в соответствии со СНиП 23 - 01 - 99 [3], толщина стен из кирпича должна быть не менее 2160 мм, бетона - 1800 мм, древесины - 330 мм. Такие конструкции материалоемки.

Снижение расхода строительных материалов, а так же снижение массы ограждающих конструкций, можно достигнуть путем повышения энергоэффективности ограждающих конструкций. Одним из наиболее эффективных способов повышения энергоэффективности конструкций, при соблюдении значений сопротивления теплопередачи, является сокращение потерь тепла [4]. С этой целью необходимо применять теплоизоляционные материалы с коэффициентом теплопроводности, который от 3 до 8 раз меньше, чем у кирпича, бетона и древесины.

Однако при стремлении к экономии энергии не следует забывать о таком понятии как «экология помещения», которое включает в себя такие понятия как «микроклимат помещения» и «загрязняющие факторы». Под микроклиматом помещения понимается состояние внутренней среды помещения, характеризуемое следующими показателями: температурой воздуха, скоростью движения и относительной влажностью воздуха. К загрязняющим факторам относят комплекс выделений вредных веществ и их воздействие на состояние организма человека[5].

Микроклимат в помещении влияет на самочувствие и работоспособность. При благоприятном микроклимате улучшается самочувствие и повышается работоспособность, при неблагоприятном - соответственно, она снижается, и может развиться так называемый «синдром нездорового здания» (СНЗ), сопровождающийся раздражением слизистых оболочек, усталостью, сухостью кожи, головными болями, проблемами с концентрацией внимания[5,6]. Для создания благоприятного микроклимата необходимо, чтобы температура воздуха в помещении в зимний период колебалась в пределах от 18 до 24 °С, в летний -от 20 до 28 °С; влажность воздуха, препятствующая развитию бактерий, виру-

сов, грибков и т.п. - в пределах от 30 до 60 %; скорость воздуха должна составлять 0,2 м/с[7]. Предъявляемые к уровню влажности требования подтверждаются исследованиями Государственного исследовательского института УТТ (Финляндия) [8], представленные на рисунке 1.1. Сужение клина означает уменьшение вредного воздействия фактора.

Относительная влажность

Рисунок 1.1 - Влияние относительной влажности воздуха на здоровье человека

В соответствии с федеральной целевой программой «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009 - 2013 годы)» [9], с целью снижения количества и воздействия загрязняющих факторов были повышены требования к экологичности сырья, которое используется в производстве строительных материалов. Поэтому перспективным направлением является разработка теплоизоляционных материалов, для производства которых используются безопасные для человека и окружающей среды синтезированные продукты и продукты природного происхождения.

В настоящее время в области теплоизоляционных материалов происходит их специализация, то есть для утепления определенных участков зданий и сооружений используются определенные виды материалов. При строительстве все боль-

шее распространение имеют трехслойные конструкции стен, в которых предусмотрено применение эффективных утеплителей в качестве среднего слоя между несущей (или самонесущей) стеной и защитно-декоративным покрытием [4,10].

При выборе теплоизоляционных материалов нельзя не учитывать баланс увлажнения и высыхания материалов. На современном этапе при выборе материалов ориентируются на то, чтобы снизить поступление влаги путем герметизации и уменьшения паропроницаемости, защиты от проникновения дождевой воды и ее поглощения и т. п. Но строительные конструкции несовершенны, поэтому увлажнение будет происходить. Кроме того, возможно разрушение гидроизоляции водопроводов, оконные проемы могут иметь неплотности и т. д. Также нельзя забывать о влаговыделениях в помещениях, обусловленных жизнедеятельностью людей (таблица 1.2) [11,12]. Поэтому больше внимания следует уделять величинам водо- и влагопоглощения материалов, а так же на величину десорбции ими влаги.

Таблица 1.2 - Источники влаговыделений в зданиях и их интенсивность

Источник Интенсивность выделения влаги, л/сут

Люди (выделение пара одним человеком) 0, 75 (сидя) 1,2 (в среднем) до 5 (тяжелая работа)

Увлажнители воздуха от 2 до 20 и более

Горячая ванна от 2 до 20 и более

Мытье полов и т. п. 0,2

Мытье посуды 0,5

Приготовление еды на 4 человека от 0,9 до 2 (3 при учете газа)

Холодильник с автоматическим оттаиванием 0,5

Умывание/мытье рук (на 1 человека) 0,2-0,4

Душ (на 1 человека) 0,5

Ванна (на 1 человека) 0,1 и более

Сезонная влагоотдача (или новые строительные материалы) от 3 до 8 (зависит от конструкций здания)

Комнатные растения / домашние животные от 0,2 до 0,5 (пять растений или одна собака)

В настоящее время существуют различные по форме выпуска теплоизоляционные материалы: вспучивающиеся на месте монтажа[13, 14, 15], в виде гра-нул[16, 17, 18], ваты и плит. Материалы в виде ваты могут изготавливаться на

основе макулатурного сырья[19, 20, 21], древесных волокон[22]. Плитные материалы изготавливаются на основе базальтового волокна[23, 24], стеклянного шпательного волокна[25], пенополистирола[26,27,28], пенополиэтилена [29], древесных волокон (мягкие ДВП) [30, 31], смеси макулатуры и древесных волокон [32], гидролизного лигнина [33, 34, 35, 36, 37], на основе натуральной шерсти [38] и льна [39]. У перечисленных типов теплоизолирующих материалов есть особенности.

Теплоизоляционные материалы, вспучивающиеся на месте монта-жа[13,14,15], могут применяться при каркасной технологии строительства. Они могут изготавливаться на основе полистирола, полиуретана, фенолоформальде-гидных, поливинилхлоридных, карбамидоформальдегидных смол. Вспучивание материала происходит при смешивании основы с водой и пенообразующими и прочими добавками в пеногенераторе, затем пена нагнетается в полость ограждающих конструкций или наносится на их горизонтальную поверхность слоем необходимой толщины и в результате естественной сушки превращается в по-ропласт, при этом происходит дополнительное увлажнение строительной конструкции. Полученный материал имеет низкую плотность (от 8 до 25 кг/м ) и соответственно низкую прочность. Со временем у таких материалов может происходить усадка. Водопоглощение материала за 24 часа составляет от 10 до 15 %. В этом случае в результате сезонных колебаний будет происходить конденсации влаги на границе «несущая стена - теплоизоляционный материал». При отрицательных температурах эта влага может кристаллизоваться и вызвать разрушение теплоизоляционного материала и несущей конструкции. Это приведет к повышению коэффициента теплопроводности. Данные о величине вла-гопоглощения таких материалов отсутствуют, можно только предполагать, что, в соответствии с величиной водопоглощения, оно составляет около 1 %, а следовательно, влага из внутренних помещений не сорбируется, и в здании при отсутствии вентиляционного оборудования влажность будет превышать допустимые пределы, соответствующие благоприятному микроклимату. Поэтому мате-