CC BY
69
674.81: 692.23
А.В. Ермолина, П.В. Миронов
Сибирский государственный технологический университет
Ермолина Анна Владимировна родилась в 1985 г., окончила в 2008 г. Сибирский государственный гический университет, аспирант кафедры химической технологии древесины и биотехнологии Имеет около 10 печатных работ в области композиционных теплоизоляционных материалов. E-mail: ermolinaav@mail.ru
Миронов Петр Викторович родился в 1950 г., окончил в 1973 г. Красноярский государственный универ ситет, доктор химических наук, профессор, декан факультета переработки природных соединений Сибир ского государственного технологического университета. Имеет около 200 печатных работ в области био технологии, химической переработки растительного сырья, физиологии растений. E-mail: mpv@sibsty.kts.ru
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОЙ ВОЛОКНИСТОЙ МАССЫ
Рассмотрены технологические аспекты производства теплоизоляционного материала на основе древесноволокнистой массы из тарного картона; изучены физико-механические, гигроскопические свойства, теплопроводность, микроструктура.
Ключевые слова: теплоизоляционный материал, вторичная волокнистая масса, коэффициент теплопроводности, плотность, предел прочности, водо- и влагопоглощение.
Производство строительных материалов на основе отходов деревообработки и вторичного сырья - перспективное направление развития производства.
Увеличение спроса на индивидуальное жилье повышает интерес к экологически чистым теплоизоляционным материалам. Такие материалы должны обладать низкой теплопроводностью и оптимальными гигроскопическими свойствами, близкими к свойствам древесины. Кроме того, более удобными при строительстве являются плитные материалы, поскольку они позволяют избежать оседания и слеживания, способны удерживать форму. Таким требованиям отвечают материалы на основе растительного сырья: мягкие древесно-волокнистые плиты «Софтборд» [6], материалы на основе льна «ISOLINA»[10] и натуральной шерсти «Клималан» [9]. Интерес представляют плиты «Софтборд», но их можно производить только в условиях многотоннажного производства. Кроме того, у них минимальная плотность 150 кг/м3 и, следовательно, сравнительно высокая теплопроводность. Теплоизоляционные материалы на основе льна и шерсти имеют достаточно высокую стоимость.
Перспективным является получение плитных теплоизоляционных материалов на основе волокнистой массы, получаемой из тарного картона, что позволяет вторично использовать древесное сырье в условиях даже малых производств.
Цель данных исследований - разработка оптимального состава и способа получения теплоизоляционного материала с использованием вторичного сырья и исследование его свойств.
В качестве основы для теплоизоляционного материала использовали волокнистую массу, полученную из тарного картона путем механического размола,
в качестве связующего на стадии предварительных исследований [8] - карбамидо-формальдегидную смолу, бутадиен-стирольный латекс, поливинилацетатный (ПВА) клей. По результатам исследований был выбран клей ПВА с отвердителем, так как наряду с технологическими достоинствами он относится к наиболее экологически чистым связующим.
Теплопроводность - один из главных показателей теплоизоляционного материала. Она зависит от плотности. Минимальный уровень теплопроводности достигается при плотности от 50 до 75 кг/м [2]. Получение материала низкой (менее 100 кг/м3) плотности - достаточно сложная технологическая задача. Одним из возможных путей ее решения является создание материала с пространственной пористой структурой. С этой целью производилось вспенивание композиции с использованием повехностно-активного вещества (пенообразователя) при интенсивном диспергировании.
Изготовление материала включало в себя ряд операций: размол сырья, обезвоживание волокнистой массы, смешение ингредиентов, формование и сушка плит.
Тарный картон предварительно очищали от посторонних включений, замачивали и затем подвергали механическому размолу в гидроразбивателе. Для обеспечения высокого качества размола концентрацию волокна поддерживали в пределах от 2,0 до 2,5 %, что соответствовало абсолютной влажности 4000...5000 %. Использование волокнистой массы такой влажности не позволяло бы получить материал желаемой структуры в результате большой усадки. Это предопределило необходимость удалять избыточную влагу. Для этого применяли вакуумное обезвоживание. Особенности процесса изучали на экспериментальной установке, состоящей из водо-кольцевого насоса, колбы Бунзена с тубусом и фарфоровой воронки Бюхнера.
Результаты исследований представлены на рис. 1, из которого видно, что наиболее интенсивно процесс удаления влаги происходит в первые 10 с, затем он замедляется вне зависимости от толщины слоя материала.
На основе анализа литературных данных [12] для смешивания ингредиентов композиции был выбран смеситель ленточного типа. Смешивание осуществляли изогнутыми по винтовой линии стальными полосами (лентами). Этот тип смесителя позволил получить наиболее гомогенную массу с высокой степенью воздухововле-чения (газосодержания).
Процесс смешения ингредиентов композиции производили следующим образом. Обезвоженную волокнистую массу загружали в смеситель и перемешивали, вносили связующее вещество (ПВА в концентрации 2 %) и раствор пенообразователя. При достижении однородной вспененной консистенции в смесь добавляли от-вердитель, затем материал выливали в форму с сетчатым дном и подвергали конвективной сушке.
Для исследования процесса сушки была сконструирована сушильная установка, состоявшая из осево-центробежного вентилятора с шиберной заслонкой для регулирования скорости агента сушки, калорифера и автоматической системы регулирования температуры воздуха.
Полученный материал имел пористую структуру и большую исходную влажность, поэтому при конвективной сушке возникала его усадка. Известно, что величина усадки пеноматериала зависит от температуры [11] и, как нами было отмечено при проведении предварительных исследований, от скорости циркуляции агента сушки и исходной влажности волокнистой массы. Влияние температуры на усадку связано с протеканием конкурирующих процессов: испарения, изменения адсорбции
5000
0 10 20 30 40 50 60 70
Продолжительность обезвоживания, с
Рис. 1. Динамика процесса обезвоживания теплоизоляционного материала: 1 - толщина слоя 5 мм; 2 - 10; 3 - 15; 4 - 20 мм
пенообразователя, разрушения пеноструктуры, отверждения связующего. С повышением температуры увеличиваются испарение и скорость отверждения связующего вещества, в то же время снижаются адсорбция и стабильность пеноматериала, повышается скорость разрушения пористой структуры. Температура, способствующая протеканию процесса полимеризации с минимальной потерей пористости при высыхании, ограничивается температурой стеклования ПВА, которая составляет 90 °С [1]. На основании экспериментов было установлено, что оптимальная скорость циркуляции воздуха, обеспечивающая высокую скорость высыхания при минимальной усадке, составляет 2 м/с.
Результаты исследований влияния начальной влажности волокнистой массы на усадку при температуре агента сушки 90 °С и скорости его циркуляции 2 м/с приведены в табл. 1.
Как следует из данных табл. 1, начальная влажность волокнистой массы для получения плитного материала с минимальной усадкой находится в пределах от 305 до 351 %. Такая влажность достигнута при продолжительности вакуумного обезвоживания около 70 с (рис. 1).
На рис. 2 представлен график сушки материала толщиной 70 мм. Кривая показывает, что процесс его сушки происходит равномерно по экспоненциальному закону с участком падающей скорости после достижения влажности 100 %. Это свидетельствует о том, что полученный материал имеет капиллярно-пористую структуру [7]. Это подтверждено исследованиями его микроструктуры (рис. 3).
Таблица 1
Начальная влажность волокнистой массы, % Усадка, %
600±7 6,79
471±20 6,07
328±23 5,36
Рис. 2. Кривая сушки при толщине теплоизоляционного материала 70 мм (у = 869,134е-0 0005х; R2 = 0,985)
Тепловую эффективность материала оценивали по коэффициенту теплопроводности, определение которого проводили методом стационарного теплового потока по ГОСТ 7076-99 [3] с помощью прибора ИТП-МГ4 «250» (СКБ «СТРОИПРИБОР») на образцах размерами 250x250x50 мм. При 5 %-й влажности теплопроводность образцов составляла (0,051±0,002) Вт/(м^), что соответствовало требованиям ГОСТ 16381-77 [4].
Таблица 2
Показатель Значение показателя
Плотность, кг/м3 69,20
Прочность на сжатие при 10 %-й линейной деформации, МПа 0,03
Предел прочности при статической изгибе, МПа 0,13
Влагопоглощение за 24 ч, % 10,9±0,6
« « , % от объема 85,7±6,7
Предел гигроскопичности, % 26,9
Определение физико-механических свойств, водо- и влагопоглощения материала проводили в соответствии с ГОСТ 17177-94 [5]. Так же был определен предел его гигроскопичности (табл. 2).
Полученные показатели физико-механических свойств свидетельствуют о том, что новый материал обладает высокими эксплуатационными свойствами, что позволяет прогнозировать возможность его длительной эксплуатации, а по влаго-поглощению он близок к натуральной древесине, что будет способствовать созданию благоприятного микроклимата в помещении.
Выводы
1. Разработан состав теплоизоляционного материала на основе волокнистого сырья, получаемого при вторичной переработке тарного картона.
2. Разработан способ получения плитного теплоизоляционного материала; предложены способы подготовки сырья, диспергирования компонентов композиции, формования и сушки.
3. На основании изучения свойств нового теплоизоляционного материала установлено, что он перспективен для использования в качестве утеплителя в малоэтажном строительстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ВильнавЖ.Ж. Клеевые соединения. М.: Техносфера, 2007. 384 с.
2. Гнип И.Я., Кершулис В.И., Веялис С.А. Теплофизические свойства эковаты // Строительные материалы. 2000. № 11. С. 25-27.
3. ГОСТ 7076-99. Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. Взамен ГОСТ 7076-87; введ. 01.04.2000. М.: Изд-во стандартов, 2000. 13 с.
4. ГОСТ 16381-77. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация и общие технические требования. Взамен ГОСТ 16381-70; введ. с 30.12.76. М.: Изд-во стандартов, 1979.4 с.
5. ГОСТ 17177-94. Материалы и изделия стороительные теплоизоляционные. Методы испытаний. Взамен ГОСТ 17177-87; введ. 01.04.1996. М.: Изд-во стандартов, 1996. 40 с.
6. Древесноволокнистая плита «Софтборд» - многофункциональный изоляционный материал для домостроения / В. И. Бирюков [и др.] // Деревообраб. пром-сть. 2008. № 2. С. 2-4.
7. ЛыковА.В. Теория сушки. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1968. 471 с.
8. Миронов П.В., Ермолина А.В. Теплоизоляционные материалы: поропласты на основе синтетического связующего и волокнистых продуктов переработки древесины // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Брянск, 2009. Вып. 24. С. 120-123.
9. ООО «Инновационные технологии» / Центр информационных технологий ООО «Инновационные технологии». Красноярск: D&G, 2010. Режим доступа: http://www.inn-t.ru/izol_mat_klim.html
10. ООО «Райв-импорт» / Центр информационных технологий ООО «Райв-импорт». СПб: Планета SEO, 2009. Режим доступа: http://www.rive-import.ru/content/view/15/33/
11. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. М.: Химия, 1983. 264 с.
12. Штербачек З., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности/Пер. с чешского; под ред. И.С. Павлушенко. Л.: Госхимиздат, 1963. 416 с.
A. V. Ermolina, P. V. Mironov Siberian State Technological University
Production and Properties of Heat-insulating Material Based on Secondary Fiber
Technological aspects of heat-insulting material production based on wooden fiber from container board are considered. Physical-mechanical, hygroscopic properties, heat conductivity and microstructure are studied.
Keywords: heat-insulating material, secondary fiber, heat conductivity coefficient, density, ultimate strength, water and moisture absorption.
