CC BY
55УДК 504.5
А.А. КЕТОВ1, д-р техн. наук, профессор (alexander_ketov@mail.ru); П.А. КЕТОВ1, инженер-эколог; М.П. КРАСНОВСКИХ2, магистр
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29)
2 Пермский государственный национальный исследовательский университет (614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15)
Исследование экологической опасности теплоизоляционного материала эковата
Рассматриваются последствия применения сульфата аммония в качестве антипирена при производстве эковаты. В ходе исследования проведен пиролиз отобранного утеплителя с помощью прибора синхронного термического анализа с одновременным анализом газовых продуктов на масс-спектрометре. Наличие в газообразных продуктах пиролиза аммиака и оксида серы (IV) позволяет предположить, что исходный образец содержит в своем составе ионы аммония и сульфат- или сульфит- ионы. Наиболее вероятным источником этих компонентов в исходном материале может быть сульфат аммония. Количественный анализ на ион аммония проведен спектрофотометрическим методом. Количество выделяющегося в атмосферу помещений аммиака намного превышает допустимые нормы СанПиН.
Ключевые слова: энергосбережение, эковата, сульфат аммония, аммиак, масс-спектрометрия.
A.A. KETOV1, Doctor of Sciences (Engineering) (alexander_ketov@mail.ru); P.A. KETOV1, Engineer-ecologist; M.P. KRASNOVSKIKH2, Master 1Perm National Research Polytechnic University (29 Komsomolsky Avenue, 29614990, Perm, Russian Federation) 2Perm State National Research University ( 15 Bukireva Street, 614990, Perm, Russian Federation)
Research in Ecological Danger of Heat Insulating Material "Ecowool"
Consequences of the use of ammonium sulfate as a fire retardant when producing the ecowool are considered. In the course of the study, the pyrolysis of selected insulation was conducted with the help of the device of synchronous thermal analysis with the simultaneous analysis of gas products by the mass-spectrometer. The availability of ammonia and sulfur oxide (IV) in gaseous products of the pyrolysis makes it possible to assume that the initial sample contains ions of ammonium and ions of sulfate and sulfite in its composition. The most probable source of these components in the initial material can be ammonium sulfate. The quantitative analysis for ammonium ion was conducted by spectrophotometric method. The amount of ammonia released in the atmosphere of premises greatly exceeds the permissible limits of SanPiN. Keywords: energy saving, ecowool, ammonium sulfate, mass-spectrometry.
В современном строительстве одна из основных проблем, с которой сталкиваются строители и проектировщики, — выбор подходящего утеплителя. Возведение практически любых строительных конструкций подразумевает их изоляцию и утепление. Использование энергосберегающих материалов позволяет не только минимизировать тепловые потери, но и уменьшить толщину стен, сократить время их возведения, снизить итоговую стоимость строительства. В настоящее время на рынке представлен широчайший ассортимент материалов, отличающихся между собой качеством, стоимостью, сроком эксплуатации и иными характеристиками. Поэтому выбор теплоизоляции — важный вопрос, к решению которого следует подходить основательно. Каждый из представленных на рынке утеплителей обладает особыми эксплуатационными свойствами, делающими его непохожим на другие. Могут быть разными их форма и внешний вид, сырье, из которого производится утеплитель. Особое распространение последние годы получил такой материал, как эковата. Эковата (целлюлозный утеплитель) — теплоизоляционный материал, изготовленный на основе бумажной и картонной макулатуры. Иногда производители используют помимо вторичной целлюлозы древесные опилки, отходы хлопкового производства, сено.
Теплоизоляционные свойства целлюлозы были известны достаточно давно. Технология производства теплоизоляции из переработанной бумаги была запатентована в Англии в 1893 г., промышленное производство этого материала началось гораздо позже. В 1928 г. в Германии появился первый завод по производству целлюлозного утеплителя, который на тот момент покрывал значительный объем потребности в теплоизоляционном материале, особенно со стороны частных домовладельцев.
Первые выдувные установки для монтажа утеплителя, которые использовались в 1920—1930 гг., представляли собой механические устройства, приводимые в действие с помощью силы рук оператора машины. Применение выдувных машин при монтаже целлюлозного материала значительно ускорило процесс утепления и звукоизоляции строительных конструкций, что отразилось на повышении качества выполнения работ. Велась также работа по усовершенствованию целлюлозного утеплителя, проводились исследования по определению оптимального процентного соотношения соединений в нем.
Страны, в которых целлюлозная вата в качестве утеплителя получила наибольшую популярность, — это Канада, США, Финляндия, Германия, Австрия, и очень широко этот материал применяют в Японии.
В СССР целлюлозный теплоизоляционный материал появился в 30-х гг. ХХ века, но наибольшую популярность начал приобретать в 90-е гг. и получил название «эковата» [1, 2] . Популярность утеплителя неуклонно растет [3]. Эковата используется в строительстве различных помещений: жилых домов, промышленных, административных, торговых, сельскохозяйственных зданий; складов, ангаров, гаражей и др. [4]. Что же такое эковата, и почему она становится все популярнее на рынке утеплителей?
По своей структуре эковата легкая, волокнистая и рыхлая. Помимо целлюлозной составляющей, в состав утеплителя входят всевозможные добавки, улучшающие характеристики материала.
Все производители заявляют о хороших противопожарных свойствах эковаты (эталонные показатели: Г2 — умеренно горючая (ГОСТ 30244), В2 (DIN 4102) — умеренно воспламеняемая (ГОСТ 30402), Д2 — умерен-
78
научно-технический и производственный журнал
май 2016
yuJ ®
Results of scientific research
Температура ГС
Рис. 1. Термограмма образца утеплителя № 1 в воздушной атмосфере
но дымообразующая способность (ГОСТ 12.1.044), РП-1 — распространение пламени по поверхности «0» (ГОСТ 30444, ГОСТ Р 51032). Эти свойства достигнуты благодаря добавлению в эковату антипиренов. Большинство источников утверждают, что эковата на 80 % состоит из дробленой газеты, на 12 % — из антипиренов (бура — гидратированный тетраборат натрия) и на 8 % — из антисептика (борная кислота). Используемые бораты являются нетоксичными, нелетучими, безвредными для человека природными компонентами. Благодаря этим добавкам эковата не возгорается и не плавится; без воздействия постороннего источника огня самозатухает, не выделяя токсичных газов. При пожаре она существенно замедляет распространение огня через конструкции. Кроме того, борная кислота способствует устойчивости утеплителя к плесени, микроорганизмам и грызунам.
Однако в последние несколько лет работники природоохранных органов стали фиксировать неоднократные обращения жильцов преимущественно индивидуальной застройки с жалобами на характерный запах аммиака в помещениях, имеющих теплоизоляцию эко-ватой. Химический анализ проб воздуха таких помещений показал значительную концентрацию газообразного аммиака, а образцы теплоизоляции содержали высокую концентрацию ионов аммония.
Экологическая чистота — то, к чему апеллируют производители эковаты, зависит от того, какие химические вещества были применены при изготовлении материала. При выборе эковаты особое внимание следует обратить на то, какие компоненты использованы в ней в качестве антипиренов и антисептиков. Фосфаты и сульфаты аммония характеризуются повышенной вероятностью к попаданию вредных веществ в атмосферу здания. Анализ патентной литературы показал, что для снижения пожарной опасности эковаты в ее состав предлагали вводить различные соединения, такие как силикаты [5] или «угарные» отходы от производства нетканых материалов [6]. В одном из патентов [7] упоминается, что проводились эксперименты с такими антипиренами и антисептиками, как фтористый аммоний, фтористый натрий, диаммонийфосфат, сернокислый аммоний, аммофос и др. Аналогичная картина открывается в интернет-источниках, где на многих сайтах можно найти информацию об использовании сульфата аммония в качестве альтернативы буре и борной кислоте. Например, на сайте http://trizhome.com/ru/articles/tipy-utepliteley (дата обращения: 08.11.2015) указано, что «Для устойчивости к огню и вредителям к целлюлозе добавляют сульфат аммония или буру...»; на сайте http://onfasad.ru/samye-yekologichnye-utepliteli-dlya-der/ (дата обращения: 08.11.2015) утверждается, что «недостатками, которые вызывают утепление деревянного дома эковатой, можно назвать быстрое воспламенение материала. Для проти-
Температура "'С
Рис. 2. Совмещенные кривые ТГ и ионных токов m/z=17 (аммиак) и m/z=64 (оксид серы (IV)
востояния этому в материал добавляют несколько антипиренов. Чаще всего применяется борат или сульфат аммония...» Примеров таких рекомендаций можно найти множество. Суть их сводится к замене более дорогих соединений бора на сравнительно дешевый сульфат аммония. К сожалению, такая замена на практике не является равнозначной. Действительно, из школьного курса химии следует, что сульфат аммония на воздухе, обязательно содержащем пары воды, подвергается гидролизу с образованием газообразного аммиака.
В работе была поставлена задача оценить экологическую опасность образца эковаты, отобранного в одном из коттеджей в Подмосковье. При этом не преследовались цели получения компенсации от производителей и поставщиков исследованного продукта, поэтому не указаны ни производители, ни конкретное место отбора образцов.
В ходе исследования проведен пиролиз отобранного утеплителя с помощью прибора синхронного термического анализа STA 449 F1 производства фирмы NETZSCH (Германия), позволяющего проводить термическое исследование образца с одновременной регистрацией термогравиметрических и калориметрических характеристик. Анализ газовых продуктов проводили на масс-спектрометре QMS 303 CF Aeolos (Германия). Обработку полученных результатов осуществляли на соответствующем приборам программном обеспечении.
Образец массой 7,1 мг нагревали в атмосфере воздуха со скоростью 10 градусов в минуту, параллельно проводя масс-спектрометрический анализ. Термическое разложение эковаты термогравиметрически начинает фиксироваться с температуры 188оС и имеет сложный, многоступенчатый характер с выраженными термическими эффектами (рис. 1).
Результаты фиксации продуктов окислительной высокотемпературной деструкции с помощью масс-спектрометра (рис. 2) показывают, что в ходе пиролиза эковаты образуются соединения со следующими отношениями m/z: аммиак (m/z=17), вода (m/z=18), формальдегид (m/z=30), оксид углерода (IV) (m/z=44), оксид серы (IV) (m/z=64).
Наличие в газообразных продуктах пиролиза аммиака и оксида серы (IV) позволяет предположить, что исходный образец содержит в своем составе ионы аммония и сульфат- или сульфит- ионы. Поэтому наиболее вероятным источником этих компонентов в исходном материале может быть сульфат аммония. Количественный анализ на ион аммония был проведен спектрофотометрическим методом.
Измерение осуществлялось на спектрофотометре «Юнико-1201» по методике выполнения измерений «Содержание аммонийного азота в твердых и жидких отходах производства и потребления, осадках, шламах, активном иле, донных отложениях фотометрическим мето-
®
научно-технический и производственный журнал
май 2016
79
дом» ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.30-02. Концентрация иона аммония в воздушно-сухом образце составила 2,403 мас. %.
Насыпная плотность полученного экземпляра составляла 50 кг/м3, хотя по советам специалистов норма укладки эковаты для стен должна составлять не менее 70 кг на 1 м3 [8]. При требуемом в средней полосе России коэффициенте теплопроводности рекомендуемая толщина теплоизоляции будет не менее 10 см. Тогда при теплоизоляции пола и потолка количество материала будет на каждый квадратный метр жилой площади составлять 100 л х 2 = 200 л, или 10 кг. Значит, количество ионов аммония в этом количестве утеплителя составит 240,3 г. То есть 226,95 г аммиака выделится из данного количества утеплителя за все время гидролиза. Выделение аммиака будет полным вследствие необратимости неравновесного процесса. Расчет производился на 1 м2 жилой площади без учета теплоизоляции стеновых конструкций.
Даже по самым условным подсчетам очевидно, что количество выделяющегося в атмосферу помещений аммиака намного превышает допустимые нормы СанПиН 2.1.2.1002—00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям» (величина ПДК среднесуточная 0,04 мг/м3).
В заключение следует отметить, что при всех достоинствах теплоизоляционного материала эковата, таких как высокие теплоизолирующие свойства, технологичность, дешевизна исходного сырья, простота монтажа, экономичность и безотходность, трудновозгораемость, защита от грибков и грызунов, остается спорным вопрос ее экологической безопасности и безопасности для здоровья человека. Большое внимание при гражданском строительстве необходимо уделять веществам, применяемым в качестве антипиренов и антисептиков в составе эковаты. Недопустимо включать в состав соли аммония, подвергающиеся гидролизу в присутствии влаги воздуха и выделяющие в атмосферу аммиак.
Из практических рекомендаций заказчикам и исполнителям строительства следует во избежание экологических и санитарно-эпидемиологических проблем с будущим жилищем и опасности для здоровья проживающих проводить обязательный анализ образцов экова-ты, предлагаемых к применению на наличие ионов аммония.
Список литературы
1. Иванов Г.В. Новый экологически чистый теплоизоляционный материал — эковата // Строительные материалы. 1995. № 1. С. 21.
2. Гнип И.Я., Кершулис В.И., Веялис С.А. Теплотехнические свойства эковаты // Строительные материалы. 2000. № 11. С. 25—27.
3. Майсурадзе Н.В., Трофимова Н.А., Петухова А.Г. Исследование теплофизических свойств эковаты в ограждающих конструкциях // Строительные материалы. 2009. № 8. С. 48-49.
4. Фриштер В. Эковата — эффективная теплоизоляция для комфортного и доступного жилья. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXIвека. 2008. № 1. С. 28.
5. Патент РФ 2501761. Теплоизоляционный материал и способ его изготовления / Васильев В.В., Багаев А.А., Быстрова В.В., Маркова Н.П., Петухов Н.И. Заявл. 13.04.2012. Опубл. 20.12.2013.
6. Патент РФ 2083524. Сырьевая смесь «Эковата-2» / Данковцев В.Т., Окунев Ю.П. Заявл. 25.09.1995. Опубл. 10.07.1997.
7. Патент РФ 2149148. Теплоизоляционный материал / Бирюков В.И., Данилов В.В., Пашков Н.М. Заявл. 06.03.1998. Опубл. 20.05.2000.
8. Мошкова Е.А., Туева Т.В. Исследование зависимости теплопроводности эковаты от плотности // Архитектура. Строительство. Образование. 2015. № 2. С. 180-183.
References
1. Ivanov G.V. New environmentally friendly heat-insulating material — ecocotton wool. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 1995. No. 1, pp. 21. (In Russian).
2. Gnip I.Ya., Kershulis V.I., Veyalis S.A. Heattechnical properties ofecocotton wool. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2000. No. 11, pp. 25—27. (In Russian).
3. Maysuradze N.V., Trofimova N.A., Petukhova A.G. Research of heatphysical properties of ecocotton wool in the protecting designs. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 8, pp. 48—49. (In Russian).
4. Frishter V. Ecocotton wool — effective thermal insulation for comfortable and affordable housing. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologii XXI veka. 2008. No. 1, pp. 28. (In Russian).
5. Patent RF 2501761. Teploizolyatsionnyi material i sposob ego izgotovleniya [Heat-insulating material and way of its production]. Vasil'ev V.V., Bagaev A.A., Bystrova V.V., Markova N.P., Petukhov N.I. Declared 13.04.2012. Published 20.12.2013. (In Russian).
6. Patent RF 2083524. Syr'evaya smes' «Ekovata-2» [Raw mix «Ekovata-2»]. Dankovtsev V.T., Okunev Yu.P. Declared 25.09.1995. Published 10.07.1997. (In Russian).
7. Patent RF 2149148. Teploizolyatsionnyi material [Thermal insulation material]. Biryukov V.I., Danilov V.V., Pashkov N.M. Declared. 06.03.1998. Published 20.05.2000. (In Russian).
8. Moshkova E.A., Tueva T.V. Research of dependence of heat conductivity of ecocotton wool on density. Arkhitektura. Stroitel'stvo. Obrazovanie. 2015. No. 2, pp. 180—183. (In Russian).
В.И. Корнеев, П.В. Зозуля
СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ СОСТАВ, СВОЙСТВА
М.: РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ«, 2010.-320 с.
Изложены основы современных представлений о сухих строительных смесях и растворе*.
Приведены основные определения и классификации сухих смесей. Охарактеризованы составляющие: вяжущие, заполнители наполнители, функциональные добавки. Показана методика проектирования составов. Описаны основные группы CGC, их состав и свойства. В приложении даны основные применяемые термины и определения, наиболее употребляемые единицы измерения, перечень российских и зарубежных стандартов и др.
Допущено учебно-методическим объединением в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов».
Стоимость одного экземпляра 900 р. без учета доставки По вопросам приобретения книги обращаться по тел./факсу: (499) 976-22-08, 976-20-36 E-mail: mail@rifsm.ru
Подписано в печать 18.05.2016 Отпечатано в ООО «Полиграфическая компания ЛЕВКО» Набрано и сверстано
^^ Москва, Холодильный пер., д. 3, кор. 1, стр. 3 в РИФ «Стройматериалы»
Печать офсетная Верстка Д. Алексеев,
Общий тираж 5000 зкз. Н. Молоканова
