Энергосберегающая сэндвич – конструкция из слоистого пластика Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691

Г.П. Пономарёва, А.А. Артёменко, О.М. Сладков

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СЭНДВИЧ -

КОНСТРУКЦИЯ ИЗ СЛОИСТОГО ПЛАСТИКА

Представлена конструкция тепловой сэндвич-панели из слоистого полимерного композиционного материала на основе пенополиуретана и базальтопластика, между слоями которого размещены нагревательные элементы. Использование базальтового волокна в качестве наружных слоев и среднего пенополиуретанового слоя позволяет создать слоистые полимерные композиционные материалы, обладающие комплексом улучшенных свойств, одним из которых является возможность обогрева внутреннего пространства. Показаны результаты экспериментальных исследований и обоснована целесообразность композиции.

Сэндвич-панель, пенополиуретан, базальтопластик, базальтовая ткань, эпоксидосодержащая смола, углеродная нить, теплоизоляция, электронагревание.

G.P. Ponomaryova, A.A. Artyomenko, О.М. Sladkov

LAYERED PLASTIC ENERGY-EFFICIENT CONSTRUCTION

The authors present a construction of a thermal sandwich-panel from a layered polymeric composite material on the basis of foampolyurethants and basalt-plastik where there are layers of heating elements between them. Basalt fiber as external layers and average foampolyurethants layer allow to create the layered polymeric composite materials possessing a complex of improved properties, one

of which is the opportunity of heating the internal space. Results of experimental researches are shown and the expediency of a composition is proved.

Sandwich-panel, foampolyurethants, basaltplastik, basalt fabric, pitch, carbon string, thermal isolation, electro heating.

Важной задачей для исследователей и разработчиков в области строительной индустрии является создание новых материалов, отвечающих требованиям современного строительства, в том числе и объектов сельскохозяйственного назначения. К основным требованиям относятся экономичность, энергоемкость, пожаробезопасность, материалоемкость. В настоящее время широко применяются композиционные материалы на полимерной основе. С созданием облегченных и прочных конструкций значительно ширится и область применения композиционных материалов. Значительный интерес вызывают многослойные пластики, выполненные из легких материалов с высокими техническими характеристиками.

Многослойные пластики или сэндвич-структуры состоят из нескольких слоев, образующих единое целое. Чаще всего в строительной промышленности используются трехслойные сэндвич-структуры или сэндвич-панели. В подобных конструкциях средний слой служит тепло-изолятором или звукопоглотителем, поэтому в качестве сердцевины используются материалы, имеющие низкий коэффициент теплопроводности и высокую степень поглощения звука, при этом они должны быть легкими и одновременно прочными. Прочность конструкции, её устойчивость и внешний вид придают наружные облицовочные слои и поэтому материал наружных слоев должен иметь высокие прочностные характеристики и высокие потребительские свойства.

95% всех сэндвич-панелей, производимых за рубежом, имеют наполнители из пенополиуретана (ППУ). Пенополиуретан является неплавкой термореактивной пластической массой с ячеистой структурой. 97% объема занимают полости и поры, заполненные газом фторхлорметаном с низкой теплопроводностью [2]. Такая структура придает материалу механическую прочность.

Основными достоинствами ППУ является низкий коэффициент теплопроводности, высокая химическая стойкость. ППУ не подвержен гниению, воздействию грызунов, работоспособен в большом интервале температур, выдерживает высокие механические нагрузки. Срок службы ППУ составляет 10 лет без потери теплоизолирующей способности и последующие пять лет эта потеря составляет не более 5%. Механические характеристики ППУ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-механические характеристики пенополиуретана [2]

Свойства Показатель

Плотность, кг/м3 40-120

Прочность при сжатии при 10%-ной деформации, МПа 0,2

Прочность на изгиб (при прогибе 13 мм), МПа 0,5

Адгезионная прочность, МПа 0,3

Содержание закрытых ячеек, % 97

Огнестойкость (отрезок горения), мм 125

Теплопроводность, Вт/мчК 0,029

В большинстве случаев облицовочные слои сэндвич-панелей выполняют из холоднокатаной оцинкованной стали с полимерным покрытием. В настоящей работе рассматривается возможность использования в качестве облицовочных слоев базальтопластика - это несколько слоев базальтовой ткани, пропитанной эпоксидосодержащей смолой.

Физическое совмещение полимерной матрицы пенополиуретана и базальтопластика (БП) представляет интерес для исследователей, а использование базальтовых волокнистых материалов в целом на современном этапе является перспективным направлением в получении композитов. Повышенный интерес к базальтовому волокну объясняется комплексом его уникальных свойств (низкий коэффициент теплопроводности, высокая водо- и паростой-кость, высокий коэффициент звукопоглощения, большой интервал температуры эксплуатации, высокая прочность и термовиброустойчивость) [3]. Механические характеристики базальтопластика приведены в табл. 2.

Таблица 2

Физико-механические свойства базальтопластика [3]

Свойства Показатель

Плотность, г/см3 1,8

Разрушающее напряжение, МПа при

растяжении 430

изгибе 560

сжатии 440

Модуль упругости при растяжении, ГПа 390

Теплопроводность, Вт/мчК 0,02326

Коэффициент звукопоглощения, Гц 100-8000

Соединение ППУ и базальтопластика осуществляется за счет адгезивных свойств смолы. Кроме того, между слоями базальтовой ткани с одной стороны размещены в определенном порядке нити из токопроводящего углеродного волокна. При пропускании электрического тока углеродные волокна нагреваются, нагревая базальтопластик обращенного внутрь замкнутого пространства, в результате чего панель выполняет функцию нагревательного элемента с распределенной поверхностью обогрева.

Таким образом, получена сэндвич-панель, выполняющая функции строительной конструкции и электронагревателя внутреннего объема помещения. Для обогрева помещения нет необходимости все строение возводить из подобных конструкций, достаточно в определенных местах несколько традиционных панелей заменить на обогреваемую панель. Такие изделия могут найти широкое применение в сельскохозяйственном строительстве, а также в строительстве складских и бытовых помещений, где отсутствует централизованное теплоснабжение. Получены экспериментальные образцы и проведены исследования прочностных и тепловых характеристик. Сравнительные результаты существующих сэндвич-структур и предлагаемой конструкции слоистого композита приведены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства сэндвич-структур

Состав сэндвич-структуры Прочность при сжатии, МПа Прочность сцепления при равномерном отрыве, МПа Прочность при изгибе, МПа Теплопроводность, Вт/м. кв. К

ППС + сталь 0,2 0,2 0,18 0,041

Мин. плита + сталь 0,25 0,2 0,1 0,048

ППУ + сталь 0,3 0,25 0,35 0,025

ППУ + БП 0,4 0,3 0,9 0,020

Примечание: ППУ - пенополиуретан, БП - базальтопластик, ППС - пенополистирол

Экспериментальные образцы размерами 1000x1000x60 мм показали, что при напряжении питания U = 12 В токе в цепи J = 10 А электрическая мощность составляет 120 Вт. Такие характеристики позволяют гарантировать электробезопасность конструкции, а ее питание обеспечивать от аккумулятора или солнечных батарей. Кроме того, применение углеродных волокон в качестве обогревательных элементов ранее затруднялось из-за невозможности обеспечения надежного контакта между ними и токопроводящими медными или алюминиевыми проводами. В настоящей конструкции эта проблема решена - разработана недорогая технология меднения углеродных волокон, что позволяет использовать пайку [4].

Таким образом, предлагаемая структура сэндвич-панели, выполняющая функции строительной конструкции и теплового источника, обладает высокими прочностными характеристиками, высокой энергосберегающей характеристикой и низким энергопотреблением. Экспериментальные данные свидетельствуют о целесообразности использования такой конструкции. Кроме того, подобные конструкции можно изготавливать не только плоскими, но и криволинейными в виде скорлуп, что позволяет расширить область их применения, например, для обогрева труб при транспортировке по ним нефтепродуктов, газа, воды и т.д.

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник по композиционным материалам: в 2 кн. / под ред. Дж. Любина; пер. с англ. Ф.Б. Геллера, М.М. Гельмонта; под ред. Б.Э. Геллера. М.: Машиностроение, 1988. Кн. 2. 488 с.

2. Абрамов С.А. Полиуретаны фирмы ООО «Эластокам» для применения в строительстве, производстве сэндвич-панелей в автомобильной и мебельной промышленности / С.А. Абрамов / Пластические массы. 2007. № 9. С. 3-7.

3. Огарышев С.И. Базальтовое волокно - ценный материал из природного камня / С.И. Огарышев // Базальтовая вата: история и современность: сб. материалов. Пермь, 2003. С. 85-89.

4. Борисова Н.В. Разработка конструкции электронагревательных устройств на основе углеродных волокон / Н.В. Борисова, О.М. Сладков, А.А. Артеменко // Химические волокна. 2007. № 1. С. 36-38.

Пономарёва Г алина Павловна - Ponomaryova Galina Pavlovna -

кандидат технических наук, доцент кафедры Candidate of Technical Sciences,

«Начертательная геометрия. Assistant Professor of the Department

Инженерная графика» Энгельсского of «Descriptive Geometry. Engineering

технологического института (филиала) Graphics» of Engels Institute

Саратовского государственного of Technology (branch)

технического университета of Saratov State Technical University

Артёменко Александр Александрович - Artyomenko Aleksandr Aleksandrovich -

доктор технических наук, профессор, Doctor of Technical Sciences, Professor,

заведующий кафедрой «Материаловедение» Head of the Department of «Materials Science»

Энгельсского технологического института of Engels Institute of Technology (branch)

(филиала) Саратовского государственного of Saratov State Technical University

технического университета

Сладков Олег Михайлович - Sladkov Oleg Mikhaylovich -

кандидат технических наук, доцент кафедры Candidate of Technical Sciences,

«Химическая технология» Энгельсского Assistant Professor

технологического института (филиала) of the Department of «Chemical Technology»

Саратовского государственного of Engels Institute of Technology (branch)

технического университета of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 22.06.09, принята к опубликованию 14.01.10