CC BY
22
УДК 674.817-41: 691.115
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОН ДРЕВЕСИНЫ
А. В. Ермолина
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира, 82, e-mail: [email protected]
Приведены результаты теоретических исследований формирования структуры теплоизоляционных материалов с заданными свойствами на основе волокон древесины. Рассмотрен способ получения таких теплоизоляционных материалов.
Ключевые слова: теплоизоляционный материал, древесные волокна, теоретическая структура, теплопроводность
The theoretical model of the structure of thermal insulation material based on wood fibers with a density of 50 to 75 kg/m3, which provides reception of material with low thermal conductivity (less than 0,06 W/m-°C) was obtained as a result of theoretical research. Obtaining such a structure by probably the way which allows for uniform pores in the material, and to regulate the density and thermal conductivity. For increase in time of destruction of the material structure and its stability, its fixation with use of adhesive was made.
Key words: thermal insulation material, wood fiber, theoretical structure, thermal conductivity
Рост интереса к малоэтажному домостроению и увеличение темпов его возведения способствует повышению спроса на теплоизоляционные материалы. Обеспечение требований действующих строительных нормативных документов возможно при применении таких материалов, которые обеспечивают минимальные потери тепла через ограждающие конструкции. Вместе с этим, теплоизоляционные материалы должны быть экологически безопасны и не создавать дополнительных источников загрязнения.
Заявленным требованиям могут отвечать материалы на основе растительного сырья. Перспективным сырьем является имеющиеся в большом количестве вторичные ресурсы волокнистых материалов, полученные путем размола или роспуска из кусковых отходов лесопильных производств и макулатуры. Изготовленные из этого виде сырья теплоизоляционные материалы будут иметь гигроскопические свойства близкие к натуральной древесине, что позволит поддерживать благоприятные тем-пературно-влажностные условия внутри помещений.
При создании теплоизоляционных материалов основными свойствами, которые позволяют оценить их эффективность, являются теплофизические. Наиболее полно эффективность характеризует коэффициент теплопроводности. Из литературных источников (Чудновский, 1962; Черепанов, Шамов, 1974; 8косИ^ро1е, 1961) известно, что общий коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов X складывается из теплопроводности твердой фазы, газа, конвекции и радиационного (лучистого) теплообмена.
Под теплопроводностью твердой фазы понимается теплопроводность твердого каркаса, образующего материал, которая зависит от плотности материала и его физического состояния. Газовая составляющая - это теплопроводность газа, содержащего-
ся в порах материала. Соответственно, величина этой составляющей зависит от размера и количества пор, от степени их замкнутости. Существование конвективной составляющей в теплопроводности пористых тел было доказано Скочдополем (8косИ^ро1е, 1961). Им было установлено, что возникновение конвективной составляющей зависит от размеров пор и наблюдается только при размере пор более 3 мм. Величина лучистой составляющей зависит от диаметра пор, поэтому пористый материал с большим количеством мелких ячеек при прочих равных условиях имеет большее сопротивление лучистому теплообмену, чем материал с меньшим количеством более крупных ячеек.
Известно, что газы обладают меньшей теплопроводностью, чем жидкости и твердые тела (Мей-лихов, 1991), поэтому для получения материала с низким коэффициентом теплопроводности необходимо, чтобы доли остальных составляющих общего коэффициента были незначительны.
Исходя из вышеизложенного, при создании теплоизоляционного материала его теплопроводность будет определяться пористостью (плотностью) материала. Так как плотность газов меньше, чем твердых тел, следовательно, при увеличении плотности, частицы твердой фазы становятся ближе друг к другу, снижается пористость материала. В результате теплопроводность материала повышается, так как низкотеплопроводный воздух заменяется более теплопроводной твердой частью материала, то есть проявляется прямо пропорциональная зависимость.
Однако по литературным данным (Бтск, 1930; Дульнев, 1974) известно, что для рыхлых органических волокнистых материалов зависимость теплопроводности от плотности имеет сложный характер: при плотности от 50 до 75 кг/м3 коэффициент теплопроводности имеет минимальное значение. При плотности менее 50 кг/м3 и более 75 кг/м3 коэффициент теплопроводности возрастает. Это
объясняется тем, что при малой плотности велика доля конвективной составляющей в общей теплопроводности материала, при увеличении плотности она снижается, дальнейшее увеличение плотности ведет к возрастанию доли теплопроводности твердой фазы.
Кроме плотности материала на величину коэффициента теплопроводности оказывает влияние и характеристики структуры материала: размер волокон, его образующих, форма пор, равномерность их распределения. По данным Б.Н. Кауфмана (Кауфман, 1955) зависимость теплопроводности материалов от размеров волокон носит прямо пропорциональный характер: низкий коэффициент теплопроводности может быть получен у тонковолокнистых материалов. В соответствии с произведенными теоретическими исследованиями установлено, что низкий коэффициент теплопроводности достигается при равномерном распределении пор в теплоизоляционном материале, которые имеют несферическую форму.
Таким образом, для получения теплоизоляционного материала, относящийся к классу материалов с низким коэффициентом теплопроводности (менее 0,06 Вт/м-°С (Юхневский, Широкий, 2004)) необходимо, чтобы структура была тонковолокнистая, пористая, с равномерно распределенными несферическими порами, величина которых не превышает 3 мм.
Целью данной статьи являлось разработка теоретических основ формирования структуры теплоизоляционных материалов на основе волокон древесины с требуемыми свойствами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В соответствии с заданными условиями была разработана теоретическая модель структуры теплоизоляционного материала на основе волокон древесины (рис. 1). За структурную единицу была принята отдельная клетка хвойной древесины - трахеида, длина которой равна среднему значению 2,8 мм, радиальный размер - 30,3 мкм, тангенциальный - 30,95 мкм, толщина стенки - 3,7 мкм (Перелыгин, 1954; Москалева, 1957). В таблице 1 приведены исходные данные для построения моделей пористой волокнистой структуры.
Рисунок 1 - Модель структуры волокнистого материала с минимальной плотностью
В соответствии с произведенными расчетами, при нормированной влажности 12 % минимально
возможная плотность волокнистого теплоизоляционного материала составляет 13,43 кг/м3. По известным литературным данным (Чудновский, 1962) коэффициент теплопроводности полученной модели структуры не может быть определен с достаточной точностью, ориентировочно без учета воздействия внешних факторов он будет составлять более 0,06 Вт/м-°С. Это объясняется размером пор в материале, который близок 3 мм. Как отмечалось ранее, это приводит к появлению в материале конвективного переноса тепла, что недопустимо. Кроме того, полученная плотность не позволит обеспечить эксплуатационную прочность материала. Исходя из этого, в соответствии с литературными данными (Бтск, 1930) для дальнейших исследований структуры плотность материала была ограничена пределами от 50 до 75 кг/м3.
Было определено необходимое число древесных волокон, которое должна содержать теоретическая модель, для получения материала в заданных пределах плотностей. В соответствии с проведенными расчетами, для обеспечения плотности материала 50 кг/м3 модель должна содержать 14 волокон древесины (рис. 2 а), плотности 75 кг/м3 - 22 волокна (рис. 2 б). При такой модели структуры кроме достижения оптимальной плотности достигается равномерное распределение мелких пор (размером менее 3 мм) и образуется тонковолокнистая структура материала.
Получение материалов, обладающих рассмотренными теоретическими структурами, технически осуществимо при способе формирования структуры, который в следствие протекания физических или химических процессов позволяет насыщать материал газообразными веществами, обладающими более низкой плотностью и теплопроводностью, и тем самым регулировать его плотность и теплопроводность. Таким способом формирования структуры является поризация, а сформированная структура соответственно пористой.
Таблица 1 - Расчетные данные для построения моделей
Наименование показателя
Значение
Размеры клетки
длина I, м
радиальный а, м
тангенциальный Ь, м
толщина стенки 3, м
Объем клетки Укл, м3
Объем полости клетки Упол, м3
Плотность древесинного вещества
р, кг/м3 (Уголев, 2006)
Масса клетки тш, кг
Масса модели тм, кг
Объем модели Ум, м3
2,80-10"3 30,30-10"6 30,95-10"6 3,70-10-6 2,63-10-12
1.51-10-12
1,46103
1,63-10"9
6.52-10"9 4,85-10"10
Существуют низко- и выскотемператрурные способы создания пористой структуры. При высокотемпературных способах получения газообразные вещества образуются в результате химических реакций, для которых необходима температура (от 300 до 900 0С), превышающая температуру деструкции волокон древесины. При низкотемператур-
ных способах пористая структура может быть получена даже при комнатной температуре. Среди таких способов для получения тонковолокнистых материалов пористой структуры пригодны способы неплотной упаковки и аэрирования.
///////
Рисунок 2 -Модели пористых структур: а -модель материала плотностью 50 кг/м3, б - модель материала плотностью 75 кг/м3
Способ неплотной упаковки для тонковолокнистых материалов заключается в механическом перевязывании волокон (свойлачивании). Для этого используются волокнистые суспензии низкой концентрации, в процессе удаления влаги из которых способом вакуумного обезвоживания и происходит формирование структуры. Прочность такой структуре придают водородные связи между волокнами, возникающие в процессе сушки. Однако энергия этих связей мала (около 21 кДж/моль), поэтому для придания большей прочности готовым изделиям производится их подпрессовка. Это приводит к увеличению плотности более, чем до 150 кг/м3, и повышению теплопроводности. Также следует отметить, что при взаимодействии с водой водородные связи и материал разрушаются, а в процессе эксплуатации возможность увлажнения не исключена.
В основе способа аэрирования лежит способность поверхностно-активных веществ сорбироваться на поверхности раздела жидкость - воздух и резко снижать поверхностное натяжение на границе раздела. Как известно, молекулы воды полярны. Следовательно, при растворении в ней поверхностно-активные вещества ориентировано адсорбируются на поверхности раздела фаз, повышая вязкость и механическую прочность поверхностных слоев. Максимальная стабильность пены наблюдается при насыщении адсорбционных слоев. В насыщенных пенообразователем растворах быстрое пополнение поверхностного слоя молекулами пенообразователя (при растяжении оболочки пузырька) препятствует увеличению поверхностного натяжения, вызывающего разрыв пузырька (Тихомиров, 1983; Кругляков, 1990). Этим способом можно получать материал с регулируемой пористостью и плотностью, равномерной пористости, высокой замкнутостью пор. В соответствии с этим, для получения материала обладающего пористой структурой из волокон древесины был выбран способ аэрирование.
По литературным данным (Ребиндер, 1938), выделяют три периода «жизни» пористой структуры. В первый период в массе содержится незначительное количество пузырьков воздуха, они отделены друг от друга и могут свободно передви-
гаться. В этот период под действием перемешивания воздушные пузырьки перемещаются все дальше вглубь массы материала. Во второй период происходит насыщение массы воздухом, пузырьки теряют свободу перемещения (Горлов, 1980). Волокна, находящиеся вокруг пузырька, под действием расширяющегося газа деформируются и затем фиксируются в напряженном состоянии. В этот период наблюдается значительное преобладание газа (воздуха) над твердой фазой. В третий период происходит коалесценция структуры (разрушение). Пористая структура является агрегативно неустойчивой, что объясняется наличием избытка поверхностной энергии, пропорциональной поверхности раздела фаз жидкость - газ. Для достижения равновесия происходит постепенная потеря избытка энергии. Это проявляется в процессе выделения избыточной (по отношению к равновесному количеству) жидкости из стенок пор (синерезис) и диффузном переносе газа из более мелких пузырьков в более крупные. Процесс продолжается до достижения минимального значения энергии. Минимальное значение энергии будет достигнуто, когда масса материала разделится на волокно, воду и газ (Тихомиров, 1983; Кругляков, 1990). Это, следовательно, приведет к увеличению коэффициента теплопроводности материала, за счет возрастания доли теплопроводности твердой фазы. Для предотвращения этого явления и фиксации полученной структуры нами было решено вводить связующее вещество.
Процесс фиксации структуры происходит следующим образом. 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.
Для подтверждения высказанного предположения, в соответствии с литературой (Тихомиров, 1983), были проведены исследования по определению стабильности полученной структуры. Она оценивалась по времени разрушения половины высоты столба пены в зависимости от количества введенного связующего вещества. Испытания проводились при комнатной температуре (1 = 18 0С), а так же для моделирования процесса сушки исследовалось поведение структуры при повышенных температурах (100±5) 0С в сушильном шкафу. Результаты приведены на рисунке 3.
Как следует из полученных данных (рис. 3) увеличение количества вводимого в композицию связующего способствует повышению времени разрушения половины столба пены, как при комнатных условиях, так и при повышенных температурах, из-за повышения вязкости раствора. Однако при концентрации связующего 7 % и более от объ-
ема раствора происходит стабилизация зависимости. Дальнейшее увеличение концентрации приводит к необоснованному увеличению плотности материала. Следовательно можно сделать вывод о том, что введение связующего позволяет увеличить время разрушения пенного столба. Это обеспечивает временной промежуток для проведения процесса отверждения связующего, при котором сформированная структура остается стабильной.
Рисунок 3 - Зависимость времени разрушения столба пены от количества связующего
ВЫВОДЫ
1. В результате проведенных теоретических исследований была получена теоретическая модель структуры теплоизоляционного материала на основе волокон древесины с плотностью от 50 до 75 кг/м3, которая обеспечивает получение материала с низким коэффициентом теплопроводности (менее 0,06 Вт/м-0С).
2. Получение теоретической структуры возможно низкотемпературным способом аэрирование, который позволяет осуществлять равномерную поризацию материала, а также регулировать его плотность и теплопроводность.
3. Как следует из проведенных экспериментальных исследований для фиксации полученной способом аэрирования структуры теплоизоляционного материала целесообразно использовать связующее вещество, которое увеличивает время ее разрушения, и, как следствие, ее устойчивость.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
Горлов, Ю.П. Технология теплоизоляционных материалов [Текст] : учеб. пособие для вузов / Ю.П. Горлов, А.П. Меркин, А.А. Устенко. - М. : Стройиздат, 1980.
- 399 с.
Дульнев, Г.Н. Теплопроводность смесей и композиционных материалов [Текст] : справочник / Г.Н. Дульнев, Ю.П. Заричняк. - Л. : Энергия, 1974. - 264 с.
Кауфман, Б.Н. Теплопроводность строительных материалов [Текст] / Б.Н. Кауфман. - М. : Госстройиздат, 1955. - 161 с.
Кругляков, П.М. Пены и пенные пленки [Текст] / П.М. Кругляков, Д.Р. Ексерова. - М. : Химия, 1990. -432 с.
Мейлихов, Е.З. Физические величины [Текст] : справочник / Е.З. Мейлихов; под ред. И.С. Григорьева. - М. : Энергоатомиздат, 1991. - 451 с.
Москалева, В.Е. Строение древесины и его изменение при физических и механических воздействиях / В.Е. Москалева - М. : АН СССР,1957. - 165 с.
Перелыгин, Л.М. Строение древесины / Л.М. Перелыгин
- М. : АН СССР,1954. - 200 с.
Ребиндер, П.А. Механические свойства и стабилизующее действие адсорбционных слоев в зависимости от степени их насыщения [Текст] / П.А. Ребиндер, А.А. Трапезников // Журнал физической химии. - 1938. - т. 12, № 5-6. - С.821-838.
Тихомиров, В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения [Текст] / В. К. Тихомиров. - 2-е изд., перераб. - М. : Химия, 1983. - 264 с.
Уголев, Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение [Текст] : учеб. пособие для сред. проф. образования / Б.Н. Уголев. - 2-е изд., стер. - М. : Академия, 2006. -272 с.
Черепанов В. П., Шамов И. В. Теплопроводность газонаполненных пластических масс // Пластические массы. - 1974. - № 10. - С. 53-55.
Чудновский, А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов / А.Ф. Чудиновский - М. : Гос. изд-во физ.- мат. лит., 1962. - 456 с.
Юхневский, П. И. Строительные материалы и изделия : учеб. пособие для вузов / П.И. Юхневский, Г.Т. Широкий - Минск : Технопринт, 2004. - 476 с.
Finck, J.L. Mechanism of heat flow in fibrous materials / J.L. Finck // Bureau of Standards Journal of Research. -Washington, 1930. - № 5. - Р. 973 - 984 с.
Skochdopole, R.E. The thermal conductivity of foamed plastics // Chemical Engineering Progress. - Washington, 1961. - Vol. 57, № 10. - Р. 55-59.
Поступила в редакцию 25 февраля 2013 г. Принята к печати 16 мая 2013 г.
