автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Теплоизоляционные материалы на основе растительного сырья и органоминеральных поризованных связующих

На правах рукописи

РГБ ОД

- * ячя т-д

СОЛДАТОВ ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ И ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ ПОРИЗОВАННЫХ СВЯЗУЮЩИХ

05.23.05 - строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2000

Работа выполнена в Казанской государственной архитектурно-строительной академии;,

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Л.А.Абдрахманова

Заслуженный деятель науки РФ и РТ, доктор технических наук, профессор В.Г.Хозин

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор В.М.Хрулев

кандидат технических наук, профессор А.Т.Кузнецов

Ведущая организация: ЗапсибНИПИагропром (г.Новосибирск)

Защита состоится 25 декабря 2000 года в 16 00 час. на заседании диссертационного совета К 064.77.01 в Казанской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д.1, ауд.Б-212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГ АСА. Автореферат разослан " Нс\Л-<!уи. С 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

А.М.Сулейманов

Н ЬЗЗ 6 ,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема энергосбережения стала одной из самых актуальных в России, и основной путь экономии топливно-энергетических ресурсов - уменьшение потерь тепла через ограждающие конструкции зданий. Ужесточение требований к их термическому сопротивлению, регламентированных изменением №3 в СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника», вызывает необходимость применения эффективных теплоизоляционных материалов (ТИМ) в сочетании с конструкционными. Экономическая целесообразность диктует производить теплоизоляционные материалы вблизи объектов потребления, чтобы снизить транспортные издержки, а это, в свою очередь, побуждает к вовлечению в производство местного сырья. Таковыми для получения недорогих эффективных утеплителей и конструкционно-теплоизоляционных материалов являются отходы деревообработки (стружка, опилки, кора) и растительные сельскохозяйственные отходы (солома, лузга, костра). Многие из подобных материалов давно известны (арболит, фибролит, страмит, торфоплиты и др.), другие (соломат) разработаны недавно.

Основная проблема - вяжущие (связующие), которые должны быть и технологичными и обеспечивать необходимую прочность, жесткость, водостойкость, негорючесть, нетоксичность при низкой теплопроводности. Универсальных связующих, естественно, нет: минеральные хрупки, тяжелы, нетехнологичны, органические горючи, нетеплостойки, хотя весьма технологичны. Вызывают интерес гибридные связующие, полученные совмещением одновременно твердеющих неорганических вяжущих и полимерных связующих. Другой резерв обеспечения высоких механических показателей с малой теплопроводностью — сочетание тонкой капиллярно-пористой структуры природного растительного материала и крупной «сквозной» пористости волокнистого каркаса из древесной стружки (или рубленой соломы) с ячеистой структурой поризованного связующего, заполняющего эти крупные поры. Создание различных вариантов комбинированных структур и явилось основой настоящего исследования.

Работа выполнялась в рамках межвузовской научно-технической программы "Архитектура и строительство" (1998-1999 г.г. - раздел 2.2.13) по теме "Применение полимеров для получения беспропарочных бетонов, дорожных асфальтобетонов, гидро- и теплоизоляционных материалов».

Цель работы - создание эффективных теплоизоляционных материалов и изделий на основе растительных отходов и гибридных органоминеральных поризованных связующих.

Достижение этой цели предусматривает решение следующих задач:

■ выбор органических компонентов гибридного связующего, оптимизация его составов и определение условий их совместного отверждения и поризации;

■ разработка составов и изучение основных эксплуатационных показателей ТИМ на основе полученных гибридных поризованных связующих и растительных наполнителей;

■ установление основных зависимостей изменения свойств ТИМ на ор-ганоминеральных поризованных связующих от вида, структуры и содержания растительных наполнителей;

И разработка технологических схем получения ТИМ на основе различных типов растительных отходов и гибридных связующих, технических условий и рекомендаций по применению разработанных ТИМ в ограждающих конструкциях.

Научная новизна. Показана возможность создания эффективных теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов на основе растительного сырья и гибридных органоминеральных связующих с комбинированной пористой структурой, основанная на установленных зависимостях свойств от структуры материала, от соотношения "наполнитель - гибридное связующее", химического строения и особенностей вспенивания и отверждения связующего.

Изучено влияние природы неорганического компонента (водных растворов силикатов натрия и гидрозоля оксида алюминия) на формирование модифицированного карбамидоформальдегидного пенопласта. Установлено что использование гидрозолей оксида алюминия с рН = 3-3,5 позволяет увеличить его содержание (до 50 мас.%) в составе карбамидоформальдегидногс связующего, по сравнению с силикатом натрия (до5-7 мас.%).

Предложен метод химического вспенивания гибридного связующего не основе растворимых силикатов натрия и полиизоцианатов, основанный не реакциях взаимодействия изоцианатов и воды в составе жидких стекол с выделением углекислого газа. Показано, что при оптимальном соотношении компонентов, в результате химического взаимодействия полиизоцианатов V, жидкого стекла с образованием полимочевин и поликремниевой кислоты образуется органоминеральный композит со структурой взаимопроникающего типа и высокой водостойкости.

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций работь: обеспечивается достаточным объемом экспериментальных данных, полученных современными методами исследований, корреляцией результатов, полученных независимыми методами.

Практическое значение работы Разработаны новые ТИМ на основе растительных отходов и органоминеральных поризованных связующих, отличающиеся сочетанием положительных свойств материалов с органически-

ми и неорганическими связующими. Определены основные технологические режимы получения ТИМ. Предложен способ получения ТИМ на основе растительных отходов, исключающий операцию сушки и сокращающий технологический цикл производства. Разработаны два варианта технологических схем производства плит из материалов с комбинированной пористой структурой.

Реализация работы. Результаты научных исследований использованы при разработке проекта Технических условий на "Плиты теплоизоляционные на основе растительного наполнителя и органоминерального связующего" и составлении технологических инструкций по применению плит в различных вариантах конструкций. Выполнены дипломные проекты по теме диссертации. На открытом конкурсе на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ в 2000 году работа отмечена медалью. Разработки экспонировались на 8 республиканских, региональных и международных тематических выставках по стройиндустрии и ресурсо-энергосберегающим технологиям.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на НТК «Проблемы энерго-и ресурсосбережения и охраны окружающей среды» (Ижевск, 1998), на Всероссийской НТК «Композиционные материалы в авиастроении и народном хозяйстве» (Казань, 1999), на У и У1 академических чтениях "Современные проблемы строительного материаловедения" (Воронеж, 1999, Иваново, 2000), на УТ1 международной конференции по химии и физико-химии олигомеров (Пермь, 2000), на международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии производства строительных материалов" (Новосибирск, 2000 г.), на международной НТК «Проблемы строительного материаловедения и новые технологии» (Белгород, 2000), на международных семинарах «Энергосберегающие технологии в строительстве» (Казань, 1999, 2000), на отчетных республиканских научно-технических конференциях КГАСА (Казань, 19982000). По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, подана заявка на получение патента № 2000121815/04(022984) с приоритетом от 15.08.2000.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 145 наименований, и приложений. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, включает 19 таблиц, 39 рисунков.

Первая глава посвящена обзору существующих в настоящее время ТИМ с использованием растительного сырья,, анализу технологий изготовления изделий на их основе. Рассмотрены вопросы формирования и комбинирования пористой структуры таких материалов и обоснованы цели и задачи исследования.

Вторая глава содержит характеристику объектов исследования, методику приготовления образцов, описание методов исследований и аппаратуры. В качестве растительных наполнителей использовалась древесная стружка фракций 10-5 и 5-2,5 мм и рубленая солома длиной 20-30 мм. Компонентами гибридных связующих служили жидкое натриевое стекло (ГОСТ 13078-81), гидрозоль оксида алюминия (ТУ 2145-00513002578-92), карбамидоформаль-дегидная смола марки КФЖ (ГОСТ 14231-88)и полиизоцианат марки Б (ТУ 13-03-78222701-92). Для решения поставленных задач в работе применены стандартные методы испытаний ТИМ, для изучения механизмов взаимодействия компонентов и процессов структурообразования использованы методы инфракрасной спектроскопии, оптической микроскопии, импульсного ЯМР и другие.

Третья и четвертая главы - экспериментально-теоретические - содержат разработку оптимальных составов органоминеральных связующих и получению на их основе композиций с использованием в качестве наполнителя растительного сырья, выбору наиболее эффективных способов формирования ТИМ и изучению пористой структуры полученных материалов.

Пятая глава содержит различные варианты технологических схем, рекомендации по производству ТИМ на основе растительного сырья с органо-минеральным связующим и расчеты расхода сырьевых материалов, показатели технико-экономической эффективности новых ТИМ.

Приложение содержит проект ТУ «Плиты теплоизоляционные на основе растительного наполнителя и органоминерального связующего» и технологические инструкции по применению материала в различных конструкциях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Определяющим компонентом связующих во всех случаях было жидко« стекло, в первую очередь, для обеспечения негорючести и биостойкости материалов. Как связующее, само жидкое стекло, в принципе, может быть также поризовано, но при высоких температурах (порядка 500 °С), что неприемлем« в композициях с растительным наполнителем.

В связи с этим, были подобраны модификаторы жидкого стекла, кото рые способствуют получению поризованной структуры при невысоких тем пературах. Это возможно осуществить следующими способами:

- предварительным получением вспененного связующего, смешение? его с наполнителем, а затем отверждением его в среде наполнителя;

- смешением связующего с наполнителем, а затем его вспенивание ] отверждение непосредственно в среде наполнителя.

Основываясь на анализе имеющихся данных по модификации жидкого стекла, в качестве второго компонента связующего выбраны полимерные и олигомерные продукты, способные к поризации по этим двум вариантам.

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНОГО

СВЯЗУЮЩЕГО

При первом способе создания комбинированной пористой структуры ТИМ, то есть при совмещении предварительно подготовленной пены на основе органоминерального связующего с растительным наполнителем и последующем отверждении, выбраны карбамидоформальдегидные смолы (КФС). Они являются традиционными связующими веществами в материалах на основе древесных наполнителей, например в ДСП.

В качестве поризованного связующего использована модифицированная жидким стеклом карбамидоформальдегидная смола. Сложность таких систем состоит в том, что увеличение рН за счет жидкого стекла препятствует реакции поликонденсации КФС. Величина рН системы должна находится в пределах 4-5. Стабильную тройную систему КФС - ЖС - катализатор, в качестве которого впервые использована 1-оксиэтилидендифосфоновая кислота, удалось получить только до 7-10 мас.% жидкого стекла в составе КФС.

Оптимальные составы модифицированного карбамидоформальдегидно-го пенопласта получены при сочетании наибольшей кратности пены (7-9), наибольшего времени гелеобразования (7-14 мин.), наименьшей усадки пены (20-40 %) и наименьшей плотности (100-150 кг/м3).

Другая проблема при использовании КФС - это усадка при отверждении. При смешении вспененного связующего и древесных стружек происходит интенсивное поглощение жидкой фазы пены микропорами наполнителя в результате капиллярного подсоса, тем самым, ее разрушение. Максимальная прочность ТИМ достигается при влажности стружек 40-45%. В связи с этим, применялось предварительное увлажнение древесных стружек водным раствором катализатора отверждения.

С использованием смесевого связующего получены образцы ТИМ на основе древесных стружек фракций 10-5мм и 5-2,5мм при разных соотношениях связующее : наполнитель. Данные по эксплуатационным свойствам ТИМ со средней плотностью -250 кг/м3 представлены в табл.1. Применение наполнителя более крупной фракции (10-5 мм) приводит к снижению в 3 раза величины сорбционного увлажнения и почти в 2 раза коэффициента теплопроводности, что обусловлено характером образующейся ячеистой структуры пенопласта в пространстве между частицами наполнителя.

Однако, при малых количествах неорганической части связующего невозможно получить достаточно высокие показатели механических свойств материала. В связи с этим, была предпринята попытка поиска новой минеральной составляющей, обладающей рН< 7, содержание которой в органоми-нералыюй системе могло бы быть выше. К ним относятся гидрозоли кислотной формы, в частности, гидрозоль оксида алюминия, имеющий низкий показатель рН (до 3-3,5). В работе получены смесевые связующие на основе КФС и гидрозоля оксида алюминия марки «Силином АЛ-30», стабилизированного ионами СГ и который оказался катализатором отверждения КФС. В области концентраций 40-60 мас.ч. гидрозоля на 100 мае. ч. КФС наблюдается минимальное значение усадки и оптимум свойств (рис.1).

4.

3. 2.

1-

0,45 0,4 С 0,35

„ 0,3 £

§0,25

I 0,2

р, кг/м

0,05 - 0

(

\ ■¡4

3

>2

1 ' 1 -1-1-!-

•290

250

■210

170и

.40

■30

•20

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 "Силином АЛ-30", мас.ч.

Рис.1. Концентрационные зависимости объемной усадки (1). плотности (2), прочности на сжатие при 10%-ной деформации (3) и сорбцион-ного увлажнения (4' пенопласта на основ« КФС и «Силинох АЛ-30»

На основе древесных стружек и смесевого связующего получен ТИМ свойства которого представлены также в табл.1.

Из данных табл.1 следует, что величина прочности образцов состава почти в 3 раза выше, чем у образцов,-полученных на основе смолы, модифк цированной жидким стеклом (состав 2), и характеризуется более низким знг чением коэффициента теплопроводности.

Таким образом, изменяя природу неорганического компонента ев; зующего, можно значительно (почти на порядок) увеличить его содержание смеси и, тем самым, добиться возрастания важных эксплуатационных показ! телей ТИМ,

Таблица 1

Свойства оптимальных составов ТИМ на основе растительного сырья и модифицированного карбамидоформальдегидного пенопласта

Состав, (мас.%) Р, кг/м3 Ксж, при 10%-ной деформации, МПа ^изг, Мпа Сорбцион-ное увлажнение, % за 24 часа к Вт/мК при (25±5) °С Горючесть

1.Стружка Фр. 10-5 мм. (54), КФС (33), ЖС (2), ПАВ, вода, кислота. 250 0,5 0,5 0,8 0,061 ТГ

2.Стружка Фр. 5-2,5 мм (58), КФС (30), ЖС (2), ПАВ, вода, кислота 250 0,4 0,5 2,5 0,110 ТГ

3.Стружка Фр 5-2,5 мм (38), КФС (36), АЛ 30 (18), ПАВ, вода, кислота 300 1,4 1,0 2,0 0,068 ТГ

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО СВЯЗУЮЩЕГО ПОЛИИЗОЦИАНАТ - ЖИДКОЕ СТЕКЛО

Для реализации второго способа создания пористой структуры связующего, путем предварительного смешения компонентов и последующего вспенивания и отверждения в среде наполнителя, в качестве модификатора жидкого стекла использованы полиизоцианаты (ПИЦ) с молекулярной массой 1050-1200. Анализ литературных данных показал, что композиционные материалы на основе жидкого стекла и полиизоцианатов с высокими физико-механическими показателями используются в различных отраслях техники. Они классифицированы в литературе как полимерсиликатные, представляющие собой продукты с взаимопроникающими, химически связанными, полимерными структурами - органической и неорганической.

Использование изоцианатов в качестве модификаторов жидких стекол связано с наличием в них ЫСО-групп с высокой степенью ненасыщенности, способных реагировать с соединениями, содержащими подвижный атом водорода. Нас привлекло в этих композициях следующее:

- во-первых, возможность взаимодействия изоцианатных групп с молекулами воды (экзотермическая реакция) с выделением углекислого газа, который может быть ответственным за вспенивание связующего:

1). 2 О = С - Я -Ы = С =0 + Н20

->0 = С=К-К-ЬШ-С0-КН-Е-К = С = 0 + С02Т

- во-вторых, присоединение изоцианата к силикатной частице, проходящее в несколько этапов и на границе раздела фаз, дающее также в составе продукта реакции углекислый газ и водостойкие полимочевины:

2). К.-N00 + ХО-вЫ -» К-МХ-СО-СЖг

3). 11-№(-С0-08Ы + Н20 Я - N11 - СОСЖ = + ХОН

4). Я-Ш-СОС^з + Н20 Л-Ш-СООН + НО-81 = -»

+ со2Т

5). II-N00 + Я-Ш2 -» К-Ш-СО-Ш-Я

- в третьих, возможная поликонденсация жидких стекол:

6). =вЮН + ОН' -> =810' + Н20

7). нвЮ" + НО - з =81-0-81= + ОН'

- в-четвертых, присутствие углекислого газа способствует отверждению жидких стекол:

8). Х20 • 8Ю2 + С02 +2Н20 -» Х2С03 + Б^ОЩ, Технологическими преимуществами таких материалов являются следующие:

- наличие воды в составе раствора силиката натрия (до 60 мас.%) исключает необходимость дополнительного введения в состав композиции воды, необходимой для протекания реакций, ответственных за вспенивание связующегс (реакции 1,4);

- химическое связывание воды (реакции 1, 3, 4, 8) в процессе формованш позволяет исключить операцию сушки ТИМ, которая всегда имеет место ] случае использования в качестве связующего жидкого стекла и приводит I усадочным явлениям и снижению механической прочности композита;

- возможность образования полимочевин (реакция 5), характеризующих^ высокой водостойкостью, является весьма полезной для получения эффек тивных ТИМ на основе растительного сырья.

- снижение рН за счет связывания КтаОН (реакция 8) исключает «высолооб разование» при контакте материала с атмосферой, как это имеет место в сл> чае использования чистого жидкого стекла.

Следует отметить, что при изучении композиционных материалов н основе ПИЦ и жидкого стекла возможность вспенивания этой органомине ральной композиции до сих пор не рассматривалась. В связи с этим, на пер вом этапе проведен подбор оптимального состава пенопласта на основе жид кого стекла и ПИЦ варьированием их соотношения, а также содержания к;

и

тализатора отверждения, в качестве которого использована смесь оснований Манниха (третичных аминов).

В качестве параметров, характеризующих процесс пенообразования, выбраны кратность свободного вспенивания, время подъема пены, плотность образцов, потеря массы при формировании пенопласта.

На рис.2 представлена зависимость максимальной кратности свободного вспенивания от содержания жидкого стекла в ПИЦ при разном содержании катализатора (цифры на кривых соответствуют содержанию катализатора в масс.% в ПИЦ). Изменение времени подъема пены дано на рис.3. Примерно до 80 мас.ч жидкого стекла в смеси оно возрастает. Потеря массы при формировании композита связана, в первую очередь, с выделением С02 (рис.4). До 40 - 70 мас.ч. жидкого стекла потери массы стабильны и составляют порядка 4% во всех случаях. Плотность полученных образцов представлена на рис.5. Она изменяется от 60 до 600кг/м3 с ростом содержания жидкого стекла, что вполне закономерно, т.к. в пенопласте увеличивается содержание поликремниевой кислоты.

Таким образом, оптимальным для получения пенопласта является соотношение ПИЦ : ЖС 1 : 0,7, а содержание катализатора в составе ПИЦ 2 масс.%, исходя из наибольшего времени подъема пены. При таком соотношении компонентов наблюдается максимальная степень отверждения композиций. Об этом свидетельствуют данные по растворимости в воде (растворение отсутствует), по изменению рН водной вытяжки отвержденных образцов (среда нейтральная). Изучение степени раскрытия изоцианатных групп, проведенных методом ИК-спектроскопии, и молекулярной подвижности композитов (времен поперечной релаксации Т2) по данным импульсного метода ЯМР подтверждают преимущественное протекание реакций взаимодействия изоцианатных и силикатных групп при оптимальном соотношении компонентов.

Наблюдение исследуемых образцов в оптическом микроскопе показало, что сформированный пенопласт при оптимальном соотношении компонентов образует ячеистую структуру с размером пор от 0,2 до 1,0 мм. Меж-поровые перегородки образованы однородным органосиликатным материалом.

На основе оптимальных составов поризованного гибридного связующего получен ТИМ с использованием в качестве растительного наполнителя рубленой соломы. Использована следующая методика введения компонентов: предварительно растительный наполнитель смешивается с жидким стеклом, а затем вводится ПИЦ, и последующее формирование пенопласта происходит непосредственно в среде наполнителя, как на его поверхности, так и в межволокнистом пространстве.

.25

§20-к

5 5

\ i

Ч

-□—о—в, --1-4-г-1

20

60 100 140 жидкое стекло, мае. ч.

180

и 180

i 140

«

§100

>а §

60

20

1 j

3

т

--- ■ | " 1 5

20 60 100 140 жидкое стекло, мае. ч.

Рис.2. Зависимость кратности вспенивания от содержания ЖС в ПИЦ

Рис.3. Зависимость времени подъеме пены от содержания ЖС в ПИЦ

oN

5

1

i 2

20 60 100 140 180 жидкое стекло, мас.ч.

Рис.4. Зависимость потери массы при формировании пенопласта от содержания ЖС в ПИЦ

700

S 600

vr>

г 500

400

г, 300

о

в н 200

о Pi с 100

1 г \

Г/ 'оД!

А

J-r- 1

1 -1

20 60 100 140 18С жидкое стекло, мас.ч

Рис.5. Зависимость плотности пенс пласта от содержания ЖС в ПИЦ

Эксплуатационные свойства образцов ТИМ представлены в табл. 2 сравнении со свойствами ТИМ, полученными с соответствующим содержат ем «чистого» жидкого стекла (составы 2 и 4).

Условия формования ТИМ в присутствии ПИЦ гораздо менее энергое» ки. Процесс отверждения является экзотермическим, поэтому технологии! ский цикл формования изделия длится всего 15-20 мин., при этом получает! материал с отпускной влажностью 5-7%, то есть происходит связывание почт 25 масс.% свободной воды в ходе реакции, потери массы составляют всего 5 масс.%. Усадка практически не наблюдается. В случае использования чисто] жидкого стекла получение материала возможно или только при высоких те]

пературах (состав 4) или при длительной сушке при комнатной температуре (состав 2). При использовании смесевого поризованного связующего возможно получение высокопрочного материала (состав 3), который может быть отнесен к конструкционно-теплоизоляционным с низкой сорбционной влажностью и достаточным для эффективной теплоизоляции коэффициентом теплопроводности (1=0,076 Вт/м'К).

Таблица 2

Свойства оптимальных составов ТИМ на основе рубленой соломы, ПИЦ и жидкого стекла

Показатели Солома:ПИЦ:Ж.С., (мас.ч.)

Состав 1 Состав 2 Состав 3 Состав 4

65:24:11 65:—:35 15:59:26 15:—:85

Плотность, кг/м3 320 250 500 230

Прочность на сжатие при 10%-ной деформации, МПа 0,8 0,5 2,9 2,2

Прочность при изгибе, МПа 1.5 0,45 4,2 1,8

Водопоглощение, % за 24 ч. 12 18 13 17

Сорбционное увлажнение, % за 24 часа 2Д 2,5 0,7 2,5

Прочность на сжатие после сорбционного увлажнения, МПа 0,7 0,4 2,8 2,0

Влажность, % 5 7 3 9

Коэффициент теплопроводности, Вт/м К при (25 ±5)°С 0,056 0,053 0,076 0,096

Горючесть ТГ ТГ ТГ ТГ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ

РАЗРАБОТАННЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Разработаны различные варианты технологий производства теплоизоляционных изделий с использованием рубленой соломы и древесных стружек на органоминеральных связующих. При использовании рубленой соломы и модифицированного жидким стеклом полиизоцианата из технологической линии исключается операция сушки, что приводит к сокращению продолжительности цикла и снижению металлоемкости технологической линии. Процесс получения изделий в виде плит и блоков является менее энергоемким, чем на чистом жидком стекле.

Дан расчет расхода компонентов сырья на 1 куб. м изделия. Представлены оптимальные режимы смешения, вспенивания, отверждения композиции для получения ТИМ (время , температура, давление). Определены параметры получения прочных конструкционно-теплоизоляционных материалов с плотностью 400-700 кг/м3 путем повышения давления формования от 0,1 до 0,6 МПа или увеличением содержания смесевого связующего в композиции.

Сравнение материалов на основе древесных стружек и рубленой соломы с поризованными органоминеральными связующими на основе жидкого стекла с известными ТИМ на основе растительного сырья (арболит, фибролит) выявляет их преимущества по водостойкости, негорючести, и теплозащитным свойствам (табл. 3).

Таблица 3

Основные строительно-технические свойства теплоизоляционных материалов

Материал Плотность, кг/м3 Прочность на сжатие при 10%-ной деформации, МПа Прочность на изгиб, МПа Сорбци-онное увлажнение, % за 24 ч. Горючесть X, Вт/мК при (25 ±5) °С

ТИМ на основе стружек Фр 10-5 и (КФС+АЛ-30) 250-350 1,0-1,4 0,6-1,0 2 ТГ 0,060-0,068

ТИМ на основе рубленой соломы и (ПИЦ+ЖС) 200-500 0,7-5,6 0,6-4,2 0,7-2,1 ТГ 0,052-0,076

Соломат 150-300 0,3-0,8 0,17-0,7 4,2 ТГ 0,050-0,062

Арболит 400-500 0,5-1,5 0,4-1,2 10-15 ТГ 0,080-0,095

Фибролит на цементном вяжущем 400-500 0,5-3,0 0,4-1,2 5 НГ 0,090-0,100

Газобетон (ЗЯБ, г. Наб.Челны) 350-450 1-1,8 0,3-0,35 НГ 0,081-0,095

Пенобетон ' 400 1,0 0,3 - НГ 0,110

Пенополиуретан ПУ-101 100-200 0,2-2,5 0,4-1,1 0,3 Г 0,036-0,052

Пеноизол 8-20 0,007-0,01 - 10-20 Г 0,035-0,04:

Так как при высоком содержании связующего, по существу получены органические пенопласты, армированные древесными наполнителями разной природы, сравнение их с соответствующими органическими пенопластами (жесткий пенополиуретан и пеноизол) показывает их значительно более высокую прочность, пониженную гигроскопичность и более высокую стойкость к воздействию огня (табл.3).

Известные теплоизоляционно-конструкционные материалы ячеистой структуры (газобетон, пенобетон) значительно уступают разработанным в работе по теплозащитным характеристикам и гигроскопичности (табл.3).

Таким образом, будучи трудногорючими, достаточно водостойкими, относительно прочными и, в то же время, с эффективными теплоизолирующими свойствами разработанные материалы могут быть рекомендованы к применению для теплоизоляции зданий.

Разработан проект Технических условий на «Плиты теплоизоляционные на основе растительного наполнителя и органоминерального связующего» и составлены технологические инструкции по применению и монтажу плит в разных вариантах ограждающих конструкций.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны составы и технология изготовления теплоизоляционных материалов с комбинированной пористой структурой на основе растительного сырья и гибридных органоминеральных вспененных связующих. Предложены связующие на основе жидкого стекла и органических компонентов - карбами-доформальдегидных смол и низкомолекулярных полиизоцианатов.

2. Установлено, что стабильную тройную систему КФС-ЖС-катализатор возможно получить при содержании жидкого стекла 7-10 мас.ч. на 100 мас.ч. смолы. Рассмотрены варианты смешения вспененного связующего и наполнителя, показана необходимость предварительного увлажнения наполнителя. Показано, что при использовании в качестве наполнителя древесных стружек крупных фракций (10-5 мм) и модифицированного поризованного связующего достигается повышение механических и теплотехнических свойств ТИМ в 1,5-2 раза по сравнению с композицией на древесной стружке фракции (52,5мм).

3. Показано, что при использовании в связующем минеральной составляющей кислотной формы (с рН не более 3-3,5) можно значительно увеличить ее содержание в смеси. Введение гидрозоля оксида алюминия в состав пены на основе карбамидоформальдегидной смолы в количестве до 50-70 мас.ч. позволило в 3 раза увеличить механические свойства пористого материала на основе древесных стружек, КФС и жидкого стекла при неизменной плотности.

4. На основе анализа возможных химических взаимодействий в системе растворимые силикаты натрия - органические полиизоцианаты предложен

способ химического вспенивания гибридного связующего и разработана те> нология получения на его основе ТИМ с комбинированной (волокнисто- яче! стой) пористой структурой путем проведения реакций отверждения и вспеш вания связующего непосредственно в объеме наполнителя - рубленой соломь приводящая к исключению из технологического цикла операции сушки.

5. Выявлена зависимость условий вспенивания и отверждения гибри; ного связующего на основе жидкого стекла и ПИЦ от соотношения компоне! тов и условий совмещения. Установлено, что оптимальным соотношение ПИЦ - жидкое стекло является 1-0,7. Показано, что при этом образуется вза! мопроникающая структура органоминерального композита в результате npi имущественного протекания реакций взаимодействия изоцианатов и воднь силикатов натрия с образованием полимочевин и поликремниевой кислоты.

6. Создание ТИМ на основе рубленой соломы и силикатизоцианатно1 связующего возможно в широкой области плотностей (от 200-600кг/м3) с Bí сокими механическими показателями и низким значением коэффициента те] лопроводности при варьировании соотношения компонентов и давления фо мования. Химическое связывание воды в процессе порообразования и отве ждения композита снижает усадку при формовании практически до нуля.

7. Предложены варианты технологических схем производства теплоиз ляционных плит из растительных отходов и гибридных органоминеральнь связующих. Разработаны проект ТУ на новый теплоизоляционный материал рекомендации к его применению в ограждающих конструкциях.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Солдатов Д.А., Хозин В.Г. Теплоизоляционные материалы на осно растительного наполнителя //Материалы НТК «Проблемы энерг ресурсосбережения и охраны окружающей среды», Ижевск, 1998.- С.34-35.

2. Хозин В.Г., Солдатов Д.А., Петров А.Н., Абдрахманова Л.А. Каркг но-волокнистые композиты для теплоизоляции в строительстве //Изв. вуз( Строительство, 1999, №8.-С.41-43.

3. Солдатов Д.А,, Петров А.Н., Абдрахманова Л.А., Хозин В.Г. Вод стойкие ТИМ на основе отходов растительного сырья //Межд. сборник на\ ных трудов «Эффективные материалы и технологии в сельском строителы ве», Новосибирск, 1999,-С. 120-123.

4. Солдатов Д.А., Петров А.Н., Абдрахманова Л.А., Хозин В.Г. Mexai ческие свойства композиционного материала на основе рубленой соло! //Матер. Всеросс. НТК «Композиционные материалы в авиастроении и нар< ном хозяйстве», Казань, 1999-Ч.1.-С.47-48.

5. Солдатов Д.А., Абдрахманова Л.А., Петров А.Н., Хозин В.Г. Негор чие теплоизоляционные материалы на основе растительного сырья //Матер

академических чтений «Современные проблемы строительного материаловедения», Воронеж, 1999.-С.438-439.

6. Солдатов Д.А., Соловьева И.В., Абдрахманова Л.А., Хозин ВГ. Конструкционно-теплоизоляционные материалы на основе растительных отходов и поризованного связующего //Матер. У1 академических чтений «Современные проблемы строительного материаловедения», Иваново, 2000.-С.466-470.

7. Солдатов Д.А., Абдрахманова Л.А., Хозин В.Г. Конструкционно-теплоизоляционные материалы на основе растительного сырья //Труды НТК «Современные строительные материалы», Новосибирск, 2000. -С.37-38.

8. Солдатов Д.А., Абдрахманова Л.А., Хозин В.Г. Модифицированное связующее на основе карбамидоформальдегидных смол для теплоизоляцио-ных материалов из отходов деревообработки //Матер, межд. НТК «Проблемы строительного материаловедения и новые технологии», ч.2, г. Белгород, 2000, С. 374-378.

9. Солдатов Д.А. Конструкционно-теплоизоляционные материалы на основе растительного сырья //Матер. 51 республиканской научной конф. (сборник научных трудов аспирантов). Казань, 2000.- С.35-37.

Соискатель

Д.А.Солдатов

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ (аналитический обзор).

1.1. Технологические и эксплуатационно-технические свойства ТИМ из отходов растительного сырья.

1.2. Теоретические представления о формировании структуры и свойств строительных материалов из растительных отходов и жидких связующих.;.

1.3. Пути создания комбинированной пористой структуры в ТИМ.

1.4. Обоснование цели и задач исследования.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Характеристика объектов исследования.

2.2. Методика приготовления образцов.

2.3. Методы исследования и аппаратура.

3. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНОГО СВЯЗУЮЩЕГО.

3.1. Модификация карбамидоформальдегидной смолы жидким стеклом.

3.2. Структура и свойства ТИМ с древесным наполнителем и поризованным модифицированным карбамидоформальдегидным связующим.

3.3. Модификация карбамидоформальдегидной смолы алюмозолями.

4. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО СВЯЗУЮЩЕГО ПОЛИИЗОЦИАНАТ -ЖИДКОЕ СТЕКЛО.

4.1. Подбор оптимального состава смесевого связующего.

4.2. Формирование структуры пенопласта на основе ПИЦ и жидкого стекла.

4.3. ТИМ на основе рубленой соломы и органоминерального связующего.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И РЕКОМЕНДАЩИ ПО

ПРОИЗВОДСТВУ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

5.1. Технологические схемы получения ТИМ.

5.1.1. Производство теплоизоляционных плит на основе модифицированной карбамидоформальдегидной смолы и древесных стружек.

5.1.2. Технологическая схема производства ТИМ на основе полиизоцианата с использованием рубленой соломы.

5.2. Сравнительная технико-экономическая эффективность производства разработанных ТИМ.

В последние годы в России, как это уже ранее случилось в промышленно развитых странах, резко возросла доля затрат на энергоносители в промышленности и коммунальном хозяйстве. Поэтому проблема энергосбережения стала одной из самых актуальных. Основной путь экономии топливно-энергетических ресурсов - уменьшение потерь тепла через ограждающие конструкции гражданских и промышленных зданий.

Как показали расчеты, потеря тепла в зданиях и сооружениях состоит из потерь через окна - 17%, через чердак и перекрытия - 18%, через наружные стены - 15%, на отопление и вентиляцию - 32%. Поскольку затраты на энергосбережение в 2-3 раза более эффективны, чем на развитие энергетического комплекса, то ориентация на сокращение топливно-энергетических затрат является оправданной [1-4].

Снижение энергозатрат на отопление связано с повышением термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью теплоизоляционных материалов (ТИМ). Подсчитано, что 1м теплоизоляции может обеспечить экономию 1,4-1,6т условного топлива в год.

Ужесточение требований к термическому сопротивлению ограждающих конструкций зданий, регламентированных изменением №3 в СниП П-3-79** «Строительная теплотехника», вызывает необходимость применения эффективных ТИМ в сочетании с прочными и долговечными конструктивными материалами.

Эффективность современных строительных ТИМ обеспечивается следующими факторами: средней плотностью теплоизолирующего материала не более 200 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности менее 0,060 Вт/м' К; минимальными затратами энергии и сырья на производство самих ТИМ; сроком окупаемости их применения в конструкциях не превышающим 5-10 лет; наличием доступного местного сырья для производства ТИМ, так как из-за низкой средней плотности их экономически невыгодно перевозить на большие расстояния.

Объем выпуска ТИМ на душу населения в России в 5-7 раз ниже, чем в промышленно развитых странах (сравнительные данные представлены в табл.).

Таблица

Объем выпуска ТИМ в разных странах

Страны о Объем выпуска ТИМ на 1тыс. жителей, м всего волокнистых

США 496 238

Швеция 600 270

Финляндия 416 200

Япония 350 200

Россия 87 62

Татарстан также ощущает дефицит в ТИМ, ввиду слабого собственного производства (кроме пенополистирола и ППУ). Поэтому разработка ТИМ с вовлечением местного сырья является актуальной научно-технической проблемой. Для получения недорогих утеплителей и легких стеновых материалов могут служить отходы деревообрабатывающих предприятий и перерабатывающих производств сельского хозяйства. Однако, известные материалы на основе растительного сырья (фибролит, арболит, ДВП) пока не удовлетворяют требованиям для эффективных ТИМ, кроме того, остаются пока нерешенными вопросы повышения водостойкости одних, негорючести других и для тех и других - сочетание достаточной механической прочности с высокими теплозащитными показателями.

Целью работы является - создание эффективных теплоизоляционных материалов и изделий на основе растительных отходов и гибридных органоминеральных поризованных связующих.

При этом необходимо решить следующие задачи: выбор органических компонентов гибридного связующего, оптимизация его составов и определение условий их совместного отверждения и поризации; разработка составов и изучение основных эксплуатационных показателей ТИМ на основе полученных гибридных поризованных связующих и растительных наполнителей; установление основных зависимостей изменения свойств ТИМ на органоминеральных поризованных связующих от вида, структуры и содержания растительных наполнителей; разработка технологических схем получения ТИМ на основе различных типов растительных отходов и гибридных связующих, технических условий и рекомендаций по применению разработанных ТИМ в ограждающих конструкциях.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса по технологии изготовления ТИМ на основе растительного сырья, обзору существующих в настоящее время ТИМ с использованием растительного сырья, рассмотрению вопросов формирования и комбинирования пористой структуры таких материалов и обоснованию выбранного направления исследований. 7

Вторая глава содержит характеристику объектов и методов исследований.

Для выполнения поставленных задач в работе использованы стандартные методы испытаний ТИМ, для изучения процессов структурообразования методы инфракрасной спектроскопии, оптической микроскопии, импульсного ЯМР и др.

Третья и четвертая главы содержат экспериментально-теоретическую часть по разработке оптимальных составов органо-минеральных связующих и получению на их основе композиций с использованием в качестве наполнителя растительного сырья, выбору наиболее эффективных способов формирования и изучению пористой структуры полученных материалов.

Пятая глава содержит различные варианты технологических схем, рекомендации по производству ТИМ на основе растительного сырья с органоминеральным связующим и сравнительную технико-экономическую оценку ТИМ.

Приложение содержит проект ТУ «Плиты теплоизоляционные на основе растительного наполнителя и органоминерального связующего» и технологические инструкции по применению материала в различных ограждающих конструкциях.