CC BY
39
УДК 539.52:624.131.541.3 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-4-26-31
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НЕТКАНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Л.Н. Лисиенкова, Л.Ю. Комарова
Рассмотрены перспективы применения нетканых теплоизоляционных материалов. Проведен анализ их качества и факторов, влияющих на структуру и свойства нетканых теплоизоляционных материалов. Показано, что при проектировании конструкций необходимо учитывать изменения структуры и свойств нетканых теплоизоляционных материалов при их циклическом сжатии в процессе эксплуатации.
Ключевые слова: нетканые теплоизоляционные материалы, механические свойства, деформация, циклическое сжатие.
1. Краткий обзор теплоизоляционных материалов. В современных условиях строительная отрасль потребляет большое количество материалов, среди которых важное значение имеют теплоизоляционные материалы, производимые разными способами из различного сырья. Роль теплоизоляции постоянно повышается в связи с общей тенденцией снижения тепловых потерь и экономии энергоресурсов.
В качестве строительных теплоизоляционных материалов используют легкую и мягкую теплоизоляцию, а также тепло- и ветрозащитную, выдерживающую повышенную нагрузку.
В настоящее время на российском рынке строительных материалов широко известны традиционные теплоизоляционные строительные материалы на основе минеральных волокон (ГОСТ 31309-2005), плиты из минеральной ваты с синтетическим связующим (ГОСТ 9573-96), изделия теплоизоляционные из стеклянных штапельных волокон (ГОСТ 10499-95), плиты и изделия теплоизоляционные из пенопласта на основе фенолоформальдегидных смол (ГОСТ 20916-87, ГОСТ 22546-77), изделия теплоизоляционные из пенопласта (ГОСТ 22546-77), маты теплоизоляционные из минеральной ваты вертикально-слоистые (ГОСТ 23307-78), плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на битумном связующем и др. Известны также теплоизоляционные материалы из стекловолокна под маркой 180УЕЯ: строительная теплоизоляция 180УЕЯ, техническая изоляция 1Б0ТЕС - для утепления трубопроводов, воздуховодов, емкостей промышленного назначения, различного технологического оборудования [1].
Традиционные теплоизоляционные материалы (маты, плита, минеральная вата и др.) используются в качестве (ГОСТ 31309-2009):
- ненагружаемой тепловой изоляции (для горизонтальных поверхностей мансардных и чердачных помещений и т.п.) с объемной плотностью не более 75 кг/м3;
- нагружаемой тепловой изоляции в условиях воздействия следующих видов нагрузки: сжатие, растяжение и отрыв слоев.
Теплоизолирующие материалы на основе минеральных волокон имеют существенные недостатки: в процессе эксплуатации могут выделяться вредные пары углеводородов и пыль базальтовых и стеклянных волокон, которые оказывают негативное влияние на слизистые оболочки глаз, органы дыхания и кожные покровы человека [2]. Синтетические связующие, а также компоненты обеспыливающих органических добавок в материалах на основе минеральных волокон тоже отрицательно влияют на окружающую среду. Для упрочнения структуры теплоизолирующих материалов из стеклянных или базальтовых волокон в их состав вводятся фенолоформальдегидные смолы, которые неустойчивы в процессе длительной эксплуатации, выделяют в окружающую среду формальдегид, являющийся токсичным веществом.
2. Перспективы и проблемы применения нетканых теплоизоляционных материалов в строительстве. В последнее десятилетие в строительстве начали применяться нетканые теплоизоляционные материалы, вырабатываемые из синтетических
26
полиэфирных волокон. Область их применения постоянно расширяется: от тепловой изоляции жилых и нежилых построек, трубопроводов до звукопоглощающих и звукоизолирующих конструкций [3, 4]. Этому способствует разнообразие способов производства и формирования волокнистых композиций, возможность создания материалов с пористой структурой, а также их экологическая безопасность [5].
Наиболее крупные российские производители нетканых теплоизоляционных материалов: ООО «Термопол» (г. Москва), ООО «Лит» (г. Переславль-Залесский, Ярославской обл.), ООО «Фабрика нетканых материалов «Весь мир»» (г. Подольск), ОАО «Комитекс» (г. Сыктывкар), ООО «Сибур-Геотекстиль» (г. Сургут), ООО «Номатекс» (Ульяновская обл.), ЗАО «Холтекс-Авто» (г. Москва), ТОО «Инзенская фабрика нетканых материалов» (Ульяновская обл.), ОАО «Дмитровский искусственный мех» (Московская обл.), ЗАО «Туймазытекс» (Республика Башкортостан), ОАО «Нимпротекс» (г. Железногорск, Курская обл.) [7]. На Российском рынке широко представлены различные виды синтетических утеплителей с разными торговыми названиями: синтепон, «Холлофайбер», «Пенофол», «Тинсулейт», «Файбертек», а также «Шелтер», «Изо-софт», «Шерстипон» [2].
Важными показателями качества при утеплении является способность материалов при монтаже и в процессе эксплуатации быстро восстанавливать свою первоначальную форму, сохраняя постоянную толщину, что важно для теплоизоляции.
Коэффициент теплопроводности материалов при температуре 25оС является важнейшей характеристикой при выборе материала. Эффективными считаются материалы, у которых значение коэффициента теплопроводности ниже 0,04 Вт/(м- К) для условий эксплуатации в нагруженной ограждающей конструкции. В то время как, для кирпича этот показатель составляет 0,5 Вт/(м- К).
В зависимости от условий эксплуатации нетканых теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях определяют следующие показатели свойств материалов (ГОСТ 31309-2005): сжимаемость при удельной нагрузке 2000 Па, упругость (способность материала восстанавливать форму после снятия нагрузки), прочность на сжатие при 10%-ной деформации, предел прочности при растяжении, прочность на отрыв слоев, паропроницаемость, водостойкость, теплопроводность изделий при температурах 25оС и 10оС.
Требования по теплопроводности изделий при разных условиях эксплуатации приведены в СНиП 23-02-2003 «Тепловая изоляция зданий», а пожарно-технические характеристики (группа горючести, группа воспламеняемости, группа дымообразующей способности) - в документе НПБ 244-97 «Нормы пожарной безопасности».
В работах [2, 6] исследовались свойства нетканых полотен «Холлофайбер» марок 500 и 1000, значения коэффициента теплопроводности которых составляют 0,0390,041 Вт/(м-К). Важно отметить, что полиэфирные волокна в открытом огне оплавляются, а при удалении открытого пламени самозатухают. Размягчаются полиэфирные волокна при температуре 180-300оС, а воспламеняются при температуре 450-485оС.
Нетканые теплоизоляционные материалы имеют перспективное развитие и применение в коттеджном, дачном и ангарном строительстве. Такие материалы рекомендуются для применения в каркасных ограждающих конструкциях и в качестве теплоизоляции вертикальных, горизонтальных и наклонных поверхностей, для изоляции перекрытий при укладке материала сверху. Нетканые полотна изготавливаются различными способами из полимерных волокон и имеют различную структуру и свойства [5].
Механические свойства нетканых теплоизоляционных полотен характеризуют упругостью и сжимаемостью. Эти показатели зависят от состава и структуры готового материала [7]. Изменение деформации материала в процессе эксплуатации строительных конструкций приводит к изменению геометрических, механических и теплофизи-ческих свойств. Основным видом деформации нетканых теплоизоляционных материалов при эксплуатации является деформация сжатия. Однако такая группа свойств нетканых теплоизоляционных материалов изучена недостаточно. Например, о формовоч-
ной способности нетканых материалов информации практически нет. Отсутствуют исследования о закономерностях изменения деформации нетканых теплоизоляционных материалов при действии влаги, температуры и давления. Нет теоретического обоснования и рекомендаций по рациональному выбору современных нетканых теплоизоляционных материалов из синтетических волокон с учетом конкретных условий эксплуатации.
Эффективное применение нетканых теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях возможно при знании закономерностей изменения теплофизиче-ских, структурных и физико-механических характеристик материалов от воздействия факторов монтажа и эксплуатации изделий.
В данной работе целью исследования являлась разработка методов и средств исследования деформации нетканых теплоизоляционных материалов при циклическом сжатии.
В задачи нашего исследования входило обоснование метода и приборного оснащения для оценки деформации нетканых материалов в условиях циклического сжатия, разработка практических рекомендаций для применения полученных результатов.
3. Обоснование методов исследования. Анализ факторов, влияющих на структуру и свойства нетканых теплоизоляционных материалов. В процессе жизненного цикла нетканые материалы испытывают различные внешние воздействия, действие которых приводит к изменению исходных свойств материалов.
Основные факторы, действующие на материалы при монтаже и эксплуатации строительных конструкций - время, механическое и тепловое воздействие, влага. Деформация сжатия материалов может приводить к изменению структуры материалов вследствие смещения структурных элементов. В результате будут изменяться: геометрические (толщина, плотность), физические (теплозащитные свойства) и механические (жесткость, упругость) свойства.
Основными эксплуатационными факторами, действующими на материалы являются механические нагрузки. Во время эксплуатации изделий также существует вероятность воздействия на материалы внешних факторов, которые не предусмотрены условиями эксплуатации (случайные). Сила, действующая на материал при монтаже и эксплуатации конструкции, может быть статической или динамической. К динамическим действиям относится вибрация и удар. При этом воздействие сжимающих усилий может иметь циклический характер, когда нагрузка чередуется с отдыхом материалов. Величина силового давления, как правило, не превышает или существенно меньше предельных значений прочности материала (разрывной нагрузки).
Многократно повторяющиеся циклические нагрузки приводят к изменению структуры, что в свою очередь влияет на свойства материалов и их систем. Возникающая деформация сжатия элементов структуры нетканого материала будет обуславливать изменение геометрических, механических и теплофизических характеристик (толщина, плотность, жесткость). Характер действия эксплуатационных нагрузок на нетканый материал зависит от типа и линейных размеров строительной конструкции.
При сжатии в большей степени подвержены структурным изменениям нетканые объемные материалы, которые применяются в качестве теплоизоляционных. Сжатие относится к основным видам деформации тепло- и удар изоляционных материалов. Изменение толщины объемных нетканых материалов приводит к изменению эргономических показателей изделий. Эффективность нетканых материалов зависит сохранения толщины и упругих свойств при сжатии в процессе эксплуатации. Величины давления, при которых начинается ухудшение механических свойств волокон при сжатии в массе: хлопковое волокно - 981 102 МПа, полиэфирные волокна - 1962-102 МПа, вискозные и полиамидные волокна - 14715-102 МПа [8].
При воздействии сжимающих усилий возможны изменения толщина и кон-формации макромолекул и надмолекулярных образований в объемных нетканых материалах [9]. На изменение структуры и свойств влияют условия сжатия (рис. 1). В усло-
виях свободного сжатия в объемных нетканых материалах происходит увеличение площади поперечного сечения и уменьшение объема, что связано со сближением, распрямлением, смятием волокон. Уменьшение объема материала при сжатии приводит к снижению пористости и увеличению средней плотности материала.
а
б
Рис. 1. Схема деформации материалов в различных условиях сжатия: а — свободного, б — стесненного
Нетканые материалы подвергаются действию циклических сжимающих усилий на всех стадиях жизненного цикла: хранение, транспортировка, монтаж, эксплуатация, уход. При этом величина данных усилий не превышает 5 - 20 % от предельной прочности материала.
Наиболее важную роль для нетканых материалов имеют физические (теплозащитные свойства, теплоемкость) и механические (каркасность) свойства. Теплофизиче-ские свойства нетканых материалов во многом зависят от толщины, объемной плотности, которые изменяются при воздействии сжимающих усилий [10].
Объемные нетканые полотна, сжимаются даже под действием небольших по величине нагрузок. По данным работы [11] наиболее интенсивное изменение толщины, а, соответственно и пористости в высокообъемных волокнистых материалах происходят в диапазоне значений от 0,1 до 1,0 КПа. В научно-технической литературе сведений об исследованиях свойств нетканых материалов при действии сжимающих усилий практически нет.
Результаты исследования, приведенные в работе [12], позволяют сделать вывод, что силовое давление, оказываемое на материал, приводит к ухудшению его теплозащитных свойств. Степень снижения теплового сопротивления утеплителей зависит от величины давления и исходной плотности материала.
Недооценка влияния изменения толщины материалов на теплофизические свойства может привести к искажению действительных значений теплового сопротивления нетканых теплоизоляционных материалов при эксплуатации [13]. Если при проектировании конструкции использовать значения теплового сопротивления нетканых материалов в исходном (несжатом) виде, то во время эксплуатации изделия реальное значение теплового сопротивления строительной системы может быть в несколько раз ниже, чем требуемое. Поэтому при проектировании конструкций необходимо учитывать изменения структуры и свойств нетканых теплоизоляционных материалов при сжатии в процессе эксплуатации.
Список литературы
1. Смирнов Т.В. Строительные нетканые теплоизоляционные материалы на основе минеральных волокон // Нетканые материалы. 2009. № 1 (6). С. 1-6.
2. Мухамеджанов Г.К. Нетканые теплоизоляционные строительные материалы и изделия // Полимерные материалы. 2013. С. 26-29.
3. Hanisch V., Kolkmann A., Roye A., Gries T. Influence of machine settings on mechanical performance of yarn and textile structures // Proceedings of ICTRC 2006 1st International RILEM Symposium on Textile Reinforced Concrete, 2006.
4. Hanisch V., Kolkmann A., Roye A., Gries T. Yarn and textile structures for concrete reinforcements in proceedings: FERRO8, Bangkok, 2006.
5. Тюменев Ю.Я., Мухамеджанов Г.К. Актуальные вопросы терминологии, классификации и оценки качества нетканых материалов // Актуальные проблемы и направления развития материаловедения изделий сервиса, текстильной и легкой промышленности: научное издание / под ред. проф. Ю.Я. Тюменева. М.: ФГОУ ВПО «РГУТиС», 2010. С. 263-273.
6. Трещалина А.В. Совершенствование методов расчета и оценки свойств нетканых текстильных материалов теплоизоляционного назначения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Кострома, 2009. 16 с.
7. Серебрякова И.Н. Исследование механических свойств нетканых полотен / Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности». 2012. №3. С. 8-11.
8. Куличенко А.В. Разработка моделей и экспериментальных методов изучения воздухопроницаемости текстильных материалов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.19.01 / Куличенко Анатолий Васильевич. СПб.: СПГУДТ, 2005. 340 с.
9. Киселев A.M. Математическое моделирование процесса сжатия волокнистых материалов в массе // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2010. №5 (326). С. 14-17.
10. Трещалина А.В., Тюменев Ю.Я., Трещалин М.Ю. Определение эффективного коэффициента теплопроводности нетканого материала // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, № 4. 2007. С. 11 - 14.
11. Жихарев А.П. Развитие научных основ и разработка методов оценки качества материалов для изделий легкой промышленности при силовых, температурных и влажностных воздействиях: дис. ... д-ра. техн. наук: 05.19.01 / Жихарев Александр Павлович. М.: МГУДТ, 2005. 374 с.
12. Бринк И.Ю., Сергеенко С.Н., Рукавишников А.С. Закономерности кинетики сжатия объемного несвязного утеплителя // Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности». 2007. №4. С. 69-74.
13. Тюменев Ю.Я., Трещалин М.Ю., Трещалина А.В. К вопросу о проектировании теплоизоляционных нетканых материалов для объектов коммунального хозяйства // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2007. № 3. С. 14 - 18.
Лисиенкова Любовь Николаевна, д-р техн. наук, профессор, lisienko-valn@,mail.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУМГСУ),
Комарова Людмила Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет
PROSPECTS FOR THE USE OF NON-WOVEN THERMAL INSULATION MATERIALS
L.H. Lisienkova, L.Yu. Komarova
The article covers the prospects for the use of nonwoven heat-insulation materials in construction. The analysis offactors affecting the structure and properties of nonwoven heat-insulation materials is carried out. It is shown that when designing constructions, it is necessary to consider changes in the structure and properties of non-woven thermal insulation materials during their cyclic compression for the period of exploitation.
Key words: nonwoven heat-insulation materials, deformation, cyclic compression.
Lisienkova Lyubov Nikolaevna, doctor of technical sciences, professor, lisienko-valn@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU),
Komarova Lyudmila Yurievna, candidate of technical sciences, docent, luknew @yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 539.52:624.131.541.3 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-4-31-38
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО СЖАТИЯ
Л.Н. Лисиенкова, Л.Ю. Комарова, Н.Е. Проскуряков
Разработаны метод и средства исследования деформации нетканых теплоизоляционных строительных материалов. Исследованы показатели деформации материалов в различных условиях циклического сжатия, установлены параметры и режимы испытаний. Показаны конструкция и принцип работы устройства для циклического сжатия. Представлен метод исследования деформации материалов при различных параметрах сжатия, приведены результаты экспериментальных испытаний образцов нетканых теплоизоляционных материалов. Отмечено, что метод циклического сжатия позволяет прогнозировать поведение нетканых теплоизоляционных материалов в процессах монтажа и эксплуатации изделий. Перспективное применение метода заключается в исследовании закономерностей изменения теплопроводности материалов в условиях циклического сжатия.
Ключевые слова: нетканые теплоизоляционные материалы, деформация, циклическое сжатие.
1. Обоснование показателей и методов оценки деформации материалов при сжатии. В настоящее время для определения свойств материалов при сжатии используют стандартные и оригинальные методики, приборы и установки.
К недостаткам известных методов и средств оценки деформации материалов при сжатии следует отнести: одноцикловое воздействие, условия испытаний не моделируют реальные; применимость методов и приборов для конкретного вида материалов; сложность и громоздкость конструкций испытательной аппаратуры; не универсальность (не могут моделировать условия производства и эксплуатации).
Полуцикловые характеристики свойств материалов при сжатии (предел прочности, деформация при разрушении, модуль упругости, жесткость при сжатии) определяют в основном при испытании проб на разрывных машинах, с разрушением образца [1]. Эти методы применимы для твердых, монолитных материалов, но они не могут адекватно оценить деформацию объемных нетканых материалов. Одноцикловые характеристики свойств материалов позволяют оценить упругость материалов при сжатии. Для проведения полуцикловых и одноцикловых испытаний на сжатие применяют различные траверсы, устанавливаемые на верхнем и нижнем штоках разрывной машины, или другие механизмы, снабженные измерительными устройствами [2].
Толщину волокнистых материалов обычно измеряют на толщиномере при величине сжимающего усилия F = 0,2...100 сН. Поэтому экспериментально определенная толщина h, мм материала будет отличаться от фактической толщины в исходном несжатом состоянии на некоторую величину Д^ Величина Дh зависит от свойств материала и сжимающего усилия [3].
