Перспективы использования композиционных материалов на основе текстильных отходов и вторичных термопластичных полимеров в качестве теплоизоляции Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Е. И. Кордикова, ст. преподаватель;

А. В. Спиглазов, ст. преподаватель; В. П. Ставров, профессор

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕКСТИЛЬНЫХ ОТХОДОВ И ВТОРИЧНЫХ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Opportunity of use of textile withdrawals as far as filler and polypropylene as far as binding for manufacturing of heat-insulating materials is researched. Complex of researches of thermophysical and physical material properties is leaded, and also calculations in analytical system, that showed perspec-tivity of application of researched material as far as heat-insulation materials. The presented results give the chance to estimate behaviour of the material formed of a waste of textiles and a polymeric sacking, at influence of photooxidizing ageing. These data can be used by working out of a design of products, definition of area and conditions of effective application of the specified materials.

Введение. В числе основных требований, предъявляемых к теплоизоляционным материалам и изделиям, - теплопроводность не более

0,175 Вт/(м • °С) при 25°С; средняя плотность не более 600 кг/м2; стабильные физико-механические и теплотехнические свойства; отсутствие выделений токсичных веществ и пыли в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации [1, 2]. Многие полимерные материалы и композиции удовлетворяют этим требованиям, поэтому нашли применение в гражданском и промышленном строительстве для изоляции трубопроводов холодного и горячего водоснабжения, тепловых сетей при надземной и подземной (в каналах и тоннелях) прокладках; технологических трубопроводов [1]. Наряду со стекловатой и полистирольным пенопластом все шире используют вспененный фенопласт, различные композиции на основе термореактивных связующих и наполнителей, в частности стекловолокна, льнокостры, текстильных отходов [2]. В то же время по-прежнему актуальна задача повышения эффективности тепловой изоляции при одновременном снижении ее стоимости.

Основная часть. Оценивали теплофизические свойства и пригодность использования для изготовления теплоизоляционных изделий композиций, полученных путем совмещения бытовых текстильных отходов и полипропиленовой мешковины (по 50 мас. %).

Образцы для определения показателей теплофизических и механических свойств вырезали из плит, изготовленных на экспериментальной установке по методу пласт-формования при режимах, которые указаны в табл. 1.

Определяли плотность, коэффициенты тепло-и температуропроводности, показатели механических свойств - модули упругости и разрушающие напряжения.

Коэффициент теплопроводности определяли по ГОСТ 7076-99 «Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме на приборе ИТС-1» (НПП «Интерприбор», г. Челя-

бинск). Условия соответствуют требованиям к определению теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов.

Таблица 1

Режимы изготовления образцов

Показатель Значение

Пластикация в экструдере

Температура, оС 170-210

Прессование

Давление, МПа 8

Температура формы, оС 20

Время выдержки, мин 5

Охлаждение

Температура, оС 80

Продолжительность, мин 10

Коэффициент теплопроводности вычисляли по формуле

^, ат

где й - толщина образца, м; q - плотность теплового потока, проходящего через образец, Вт/м2; АТ - разность температур между противоположными гранями образца, К.

Коэффициент температуропроводности находили по времени достижения заданной температуры в центре плоского образца, нагреваемого между плоскопараллельными плитами, из соотношения

Н\ \ 4 Т - Т "

а = _^1п “ Т Т {Л ’ п2ґ п Т - Т (ґ)

где к - высота образца, мм; ґ - время достижения заданной температуры в центре образца, с; Т0 - начальная температура образца, °С; Т -температура плит, °С; Т(ґ) - заданная температура в центре образца, °С.

Плотность определяли по результатам измерения массы и объема образцов. Удельную теплоемкость оценивали по свойствам компонентов и составу композиции.

Показатели теплофизических свойств мате- ленности, по мощности теплового излучения

риала связаны известным соотношением с наружной поверхности.

а = —, ср

где а - температуропроводность, м2/с; А - коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К); с -удельная теплоемкость, Дж/(кг • К); р - плотность материала, кг/м3.

Водопоглощение и механические свойства определяли по стандартизованным методикам.

Значения теплофизических и физико-механических свойств представлены в табл. 2.

Таблица 2 Теплофизические и механические свойства материала

Показатель Значение показателя

Плотность, г/см3 1,1

Коэффициент температуропроводности, мм2/с 0,11

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К) 0,165

Модуль упругости, ГПа: - при изгибе 3,8

- при растяжении 2,5

Изгибающее напряжение при разрушении, МПа 41,8

Прочность при разрыве, МПа 19,3

Водопоглощение за 24 ч, % 0,57

Открытая пористость, % 5,0

Анализ структуры материала показал, что пористость материала обусловлена наличием промежутков между волокнами, при этом поры имеют неопределенную форму и образуют систему сообщающихся между собой воздушных плоскостей (рис. 1, а).

Как видно из табл. 2, полученный материал имеет показатели свойств в диапазоне значений, типичных для теплоизоляционных материалов.

Из композиции текстильных и полимерных волокон по методу пласт-формования могут быть изготовлены, например, элементы изоляции труб, размеры и форма которых оптимальна по условиям монтажа и последующей эксплуатации. При этом возможно также создание воздушных промежутков, повышающих теплоизолирующую способность изделий и эффективность конструкции.

По методу конечных элементов рассчитывали толщину и другие геометрические параметры теплоизолирующих элементов для труб диаметром от 75 до 250 мм при температуре теплоносителя 95°С. Теплоизоляционные свойства элементов сравнивали с пенополиуретановой изоляцией труб, используемой в промыш-

а б

Рис. 1. Микрофотографии места разрушения (а) и поверхности образца (б) после старения

Расчетная толщина теплоизолирующего слоя в конструкции, показанной на рис. 2, составляет 20-45 мм в зависимости от диаметра трубы.

Рис. 2. Теплоизоляция трубы:

1 - теплоизоляционный кожух;

2 - воздушная прослойка; 3 - труба

Теплоизоляционные элементы труб, получаемые по методу пласт-формования из бытовых отходов текстиля и полипропилена, имеют себестоимость не более 2500 руб. за 1 кг в изделии, поэтому вполне конкурентоспособны.

Композиционный материал (КМ) получали путем прессования (пласт-формования) пласти-цированной композиции из разволокненных текстильных отходов и полипропиленовой мешковины. Комплексное климатическое воздействие на материал моделировали путем фотостарения в условиях облучения ртутно-кварцевой лампой. Испытания проводили в климатической испытательной камере «Рейкой».

Образцы экспонировали на расстоянии 400 мм от источника излучения при включенной приточновытяжной вентиляции.

Климатический режим светотеплового старения: температура в климатической камере -(50 ± 2)°С; относительная влажность воздуха -(б0 ± 2)%; режим облучения - УФ - 61,4 Вт/м2, ИК - 454 Вт/м2, видимый диапазон - 512 Вт/м2; временной интервал - 1464 ч (2 мес.).

Стойкость КМ к воздействию излучения оценивали по результатам визуального осмотра поверхности и изменению показателей физико-механических свойств - плотности, разрушающих напряжений при растяжении и изгибе и модулей упругости при растяжении и изгибе, а также влагопоглощения экспонированных образцов.

А

Коэффициент старения вычисляли по следующей формуле:

*=В,

В

где В\ и В - показатели свойств соответственно после и до воздействия внешнего фактора.

Энергию активации термоокислительной деструкции находили по результатам термогравиметрического анализа образцов в воздушной среде в динамическом режиме на дериватогра-фе системы Паулик-Паулик-Эрдей (тип ОД-103 фирмы «МОМ»). Скорость линейного повышения температуры до 500°С составляла 5°С/мин. Навеска 200 мг. Эффективную энергию активации рассчитывали по кривым потери массы, построенным путем двойного логарифмирования, удовлетворяющим уравнению [3]:

1п1п

100

100 - Ат

__д_

ЯТ

1п

ААТ

Относительное снижение большинства исследованных показателей свойств КМ не превышает 10%.

Таблица 3

Показатели свойств материала

Показатель Значения показателя свойств

до старения Б после старения Д

Плотность, кг/м3 1011 1002

Разрушающее напряжение, МПа: - при изгибе 37,43 36,06

- при растяжении 18,8 12,3

Модуль упругости, ГПа: - при растяжении 1,41 1,3

- при изгибе 2,5 2,21

Энергия активации термоокислительной деструкции, кДж/моль 47,8 46,3

где Ат - потеря массы образца, %; Ед - энергия активации термоокислительной деструкции, кДж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль • К); Т - абсолютная температура, К; А - предэкспоненциальный множитель; АТ - разность температур, соответствующая Ат, К; Рнагр - скорость нагрева, К.

Энергию активации определяли по углу на, ,, 100 клона линейной зависимости 1п1п

100 -Ат

от 1 / Т по формуле

Ед = Л£а.

В каждом случае проверяли линейность зависимости в диапазоне температур 290-390°С. Погрешность оценки эффективной энергии активации процесса деструкции находилась в пределах 5%. В табл. 3 представлены результаты определения основных эксплуатационных характеристик материала.

Полученные значения плотности практически не изменяются после ускоренного старения в течение 2 мес. Коэффициенты снижения характеристик в этом случае практически равны единице.

Модуль упругости и прочность при изгибе в результате воздействия почти не изменились и имеют значения, близкие к исходным. Модуль упругости и прочность при растяжении изменились значительнее - на 11,6 и 34,5% соответственно. Изменения прочностных характеристик связаны, очевидно, с более интенсивными разрушениями тканого наполнителя, особенно в поверхностных слоях. Об этом свидетельствуют исследования микроструктуры поверхностного слоя и мест разрушения образцов после ускоренного старения (рис. 2).

На основании этого можно сделать вывод о том, что процесс фотостарения не приводит к существенному снижению основных физикомеханических свойств и энергии активации термоокислительной деструкции КМ, а исследуемый композиционный материал достаточно стабилен в условиях фотостарения.

Заключение. Материалы, получаемые из бытовых отходов текстиля и полимеров, удовлетворяют требованиям к теплоизоляционным материалам. Эффективность теплоизоляционных элементов труб может быть повышена за счет создания воздушных промежутков, например ячеистой структуры изделия. Показана достаточная стабильность композиционного материала, получаемого из отходов текстиля и полипропиленовой мешковины, в условиях фотоокисли-тельного старения. Полученные данные могут быть использованы при разработке конструкции изделий и определении области и условий их эффективного применения.

Исследования выполнены по заданию 4.03 ГНТП «Ресурсосбережение-2010».

Литература

1. Основы технологии отделочных, тепло- и гидроизоляционных материалов / В. Д. Глухов-ский [и др.]. - Киев: Буд1вельник, 1986. - 320 с.

2. Горлов, Ю. П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий / Ю. П. Горлов. - М.: Высш. шк., 1989. - 384 с.

3. Райх, Л. Динамический гравиметрический анализ при деструкции полимеров / Л. Райх, Д. Леви // Новое в методах исследования полимеров: сб. переводов и обзоров из иностранной периодической литературы / под ред. З. А. Роговина. - М.: Мир, 1968. -С. 148-199.