Полы из модифицированных полимерными композициями материалов в сельском строительстве Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 692.5

А.П. ПИЧУГИН, д-р. техн. наук, М.О. БАТИН, В.В. БАНУЛ, инженеры, Новосибирский государственный аграрный университет

Полы из модифицированных полимерными композициями материалов в сельском строительстве

Поверхность полов животноводческих помещений подвержена наряду с механическими воздействиями (удары, истирание, износ, сжатие, изгиб и др.), температурными перепадами и биологическими вредителями, значительному влиянию агрессивной среды (мочевая и гиппуровая кислоты, мочевина, креатинин, амины, аминокислоты; натриевая, кальциевая, калиевая, магниевая и аммонийные соли; соляная, фосфорная, серная кислоты; газообразные продукты — аммиак, сероводород, диоксид углерода и др.). К полам животноводческих зданий предъявляются различные требования, которые на практике очень трудно выполнить при использовании традиционных материалов [1—3].

Детальное обследование состояния полов и других элементов сельскохозяйственных зданий и сооружений показало низкую стойкость в условиях воздействия агрессивной среды животноводческих помещений, подвергнувшихся коррозионному разрушению в результате воздействия паров, углекислого газа, сероводорода и аммиака. В таблице приведены характеристики этой агрессивной среды. В ходе многократных обследований полов, лотков, каналов навозоудаления, стен и других элементов выявили нарушения целостности и повышенного износа, разрушения поверхности стен и конструктивных деталей, стыков, узлов, рамок и заполнений, что приводит к нарушению работы самих зданий и сооружений [1—3].

Экскременты скота содержат различные органические кислоты, но образующийся аммиак обусловливает рост рН, и вся жижа имеет щелочную реакцию. Водородный показатель жидких сред в коровниках и свинарниках составляет 5,5—11,5. Пробы конденсата с внутренней поверхности стенок и элементов инженерных систем имеют величину рН 5—9,5. Вследствие биохимических процессов, протекающих между мочой, навозом, кормами и подстилкой в жидкой среде, образуются различные минеральные и органические вещества, а также газы, растворяемые в воде и конденсационной влаге. Каждая из этих групп представлена многочисленными соединениями. Кроме того, усугубляющим фактором эксплуатации этих объектов является наличие различных минеральных частиц и взвесей, являющихся достаточно интенсивным продуктом разложения и коррозионного воздействия [2].

Состав и свойства воздушной среды зданий и помещений сельскохозяйственного назначения непостоянны в отношении влажности, температуры, скорости движения воздуха и его состава. Для уточнения агрес-

сивной среды исследуемых помещений в соответствии с существующей методикой проводили замеры концентрации аммиака, сероводорода и углекислого газа колориметрическим способом (по окраске индикаторного порошка) с помощью универсального переносного газоанализатора УГ-2. Концентрацию углекислого газа определяли переносным шахтным газоанализатором ШГ-3 по изменению интерференционной картины спектра света, проходящего через определенный объем исследуемого воздуха.

Замеры показали, что концентрация аммиака в осенне-зимний период составляет от 0,007 до 0,074 мг/л, а весной — 0,008—0,064 мг/л. Летом содержание аммиака составляет 0,004—0,052 мг/л. Наибольшее содержание этого газа отмечается в средней и верхней частях помещений. При закрытых дверях и воротах в ночное время осенне-зимнего стойлового периода концентрация аммиака превышает предельно допустимую в 3—8 раза. Содержание сероводорода — от следов до 0,055 мг/л и составляет в среднем 0,035 мг/л. Содержание КИ3 в осенне-зимне-весенний период в воздушной среде составляет до 0,8%.

Длительные наблюдения за микроклиматом помещений показали, что температура и влажность помещений имели следующие значения: t = +3—31оС; ф = 78—99%, что выше регламентируемых нормативных показателей. Причем наибольшие значения относительной влажности внутреннего воздуха отмечались в зимний период и в ночное время. Таким образом, среда помещений животноводческого назначения характеризуется следующими основными факторами: повышенной влажностью воздуха, присутствием в воздухе высокой концентрации аммиака, сероводорода, углекислого газа, а также богатой микрофлоры [3].

Была отработана технология устройства решетчатых полов с изготовлением решеток 1x0,5 м из предварительно модифицированной полимерными композициями древесины для различных половозрастных групп крупного рогатого скота. Пооперационный набор выполняемых действий не отличается от работ, выполняемых из обычной немодифицированной древесины, за исключением сборочных операций, так как крепление отдельных планок необходимо осуществлять в предварительно просверленные отверстия шурупами или са-морезами.

С целью повышения динамической прочности была разработана технология армирования решеток, что позволило увеличить срок службы с 3—4 мес до 5—7 лет.

Экскременты Содержание, %

Вода Сухие органические вещества Азот Калий Магний Фосфорная кислота Кальций Серная кислота

Твердые 84,37 14,66 0,29 0,1 0,13 0,17 0,34 0,04

Жидкие 94,89 3 0,58 0,49 0,4 Следы 0,01 0,13

80

август 2012

®

Разработан технологический регламент и конструктивное решение станков и групповых помещений для различных половозрастных групп животных с устройством решеток из модифицированной древесины.

Свойства древесины лиственных пород, считающихся непригодными для строительства, могут быть значительно улучшены путем модифицирования синтетическими полимерами, низкомолекулярными органическими и минеральными веществами. Сущность модифицирования состоит в том, что натуральная древесина березы или осины пропитывается мономером или низковязким олигомером, который затем отвержда-ется под действием тепла, химических реагентов или ионизирующих излучений. По этим технологическим принципам различают термохимический и радиационно-химический методы модифицирования древесины [3—4].

Для модифицирования древесины используют фе-нолоальдегидные, аминоальдегидные, фурановые, полиакриловые, полиэфирные, кремнийорганические и другие полимеры (олигомеры), органические мономеры — стирол, метилметакрилат, акридонитрил, мочевину, а также минеральные вещества — серу, бишофит, хлорид магния, кремнефтористый аммоний. Наиболее важная особенность модифицирования заключается в том, что модификатор не просто заполняет свободные пространства в древесине, а взаимодействует с ее компонентами. В результате ограничиваются или полностью устраняются набухание, усушка, коробление, растрескивание, загнивание, возгорание и другие отрицательные свойства древесины.

После модифицирования повышаются прочность, твердость, износостойкость, химическое сопротивление, но в то же время сохраняются достаточно невысокая плотность, теплофизические показатели материала. Эффект модифицирования во многом зависит от свойств исходной древесины, ее породы, строения, влажности, плотности, но не всегда свойства натуральной и модифицированной древесины прямо связаны между собой, например конечная плотность и прочность не пропорциональны начальным показателям. Отсюда следует, что наибольший эффект модифицирования ожидается в случаях, когда исходным материалом служит древесина с низкими показателями физико-механических свойств, т. е. древесина малоценных мягких лиственных пород, не имеющая достаточно широкого технического применения [3].

Результаты модифицирования зависят еще и от особенностей модификатора, его состава, способа введения в древесину, реакции отверждения. Низковязкие мономеры ценны тем, что сравнительно легко проникают не только в полости клеток, но и в межклеточные пространства и субмикроскопические промежутки клеточных стенок, а иногда и в межмолекулярные пространства и могут химически соединяться с веществами древесины. В отличие от мономеров синтетические олигомеры более вязки, проникают в древесину на меньшую глубину, требуют вакуумирования и последующего давления на импрегнант для ускорения пропитки. Но при этом отверждаются быстрее, чем мономеры, с меньшей затратой энергии и образуют более стойкие и прочные продукты отверждения, что весьма ценно для модифицирования. Поэтому в практической технологии предпочтение отдается олигомерам — фенолоспир-там, водоразбавляемым карбамидным смолам, фурано-вым олигомерам. Для этих модификаторов разработаны простые и эффективные способы пропитки древесины лиственных пород. Широкое распространение получили фенолоспирты, представляющие собой начальные продукты конденсации фенола с формальдегидом, синтезируемые в щелочной среде. Они имеют небольшую

вязкость 12—20 с по вискозиметру ВЗ-4, содержат 48— 50% сухого остатка, 2—3% фенола. В процессе отверждения в структуре древесины указанные компоненты реагируют между собой так, что в конечном продукте — модифицированной древесине содержание токсичных веществ незначительно и не превышает нормативных показателей [4].

Подготовка низковязких водоразбавляемых модификаторов типа фенолоспиртов заключается в разбавлении олигомеров водой (в случае использования фено-лоспиртов, карбамидной смолы) или в растворении малолетучими растворителями (в случае использования фурановых олигомеров и фенольных смол для изготовления пластиков). Модификатор разбавляется до условной вязкости 11—15 с по вискозиметру ВЗ-4 при температуре 20оС.

Однако при всей технологичности и сложившейся практике использования фенолоспиртов (ФС) они обладают некоторыми недостатками, к которым прежде всего следует отнести большой разброс и неоднородность свойств, низкие показатели прочности, возможности неполного отверждения и, как следствие, выход свободного фенола и формальдегида наружу. Поэтому были использованы дополнительные мероприятия по введению в пропиточные композиции наноразмерных составов — кремнезоля и жидкого стекла.

Кремнезоль (КЗ) представляет собой 30% коллоидный раствор жидкой дисперсионной среды с твердой дисперсной фазой — частицами размерами от 1 до 100 нм, вследствие чего обладающими большой удельной поверхностью. Кремнезоль стабилизирован щелочью, поэтому имеет водородный показатель рН=10,2— 10,4; плотность кремнезоля 1200—1250 кг/м3, вязкость по вискозиметру ВЗ-4 составляет 12—15 с.

Введение этих компонентов позволило обеспечить достаточно высокую степень отверждения при пониженных по сравнению с моносоставами температуре, придать модифицируемой древесине повышенную прочность, что особенно важно для планок решетчатых полов, и повысить общую сопротивляемость материала агрессивному воздействию коррозионных сред.

Для сохранения длительное время в рабочем положении армирующих решеток и увеличения их коррозионной стойкости были рекомендованы операции по нанесению полиэтилена низкого давления в качестве материала, способного защитить металл от негативного проявления агрессивной эксплуатационной среды. Отработаны технологические режимы нанесения в электростатическом поле порошковых покрытий на металлические поверхности, что позволило существенно повысить стойкость и долговечность защищаемых элементов и рабочие органы решетчатых полов [4].

Для производственных условий наиболее предпочтительным является газопламенный способ напыления покрытий, заключающийся в формировании на поверхности изделий слоя частиц напыляемого материала, обладающего достаточным запасом тепловой и кинетической энергии в результате взаимодействия со струей газового пламени. Газопламенное напыление представляет собой процесс следующих физико-химических взаимодействий в многофазной системе:

— химическое взаимодействие в системе горючий газ-окислитель, в результате которого выделяется определяемое составом газовой смеси количество энергии, сопровождаемое значительным повышением температуры в зоне реакции, образованием продуктов горения, повышением давления и скорости их перемещения в направлении движения фронта пламени;

— взаимодействие продуктов горения с частицами напыляемого материала, получающее определенное количество тепловой и кинетической энергии;

¡■Л ®

август 2012

81

— переход кинетической энергии движения напыляемых частиц в работу деформации при их механическом контакте с напыляемой поверхностью.

Количественные и качественные характеристики указанных взаимодействий определяют свойства формируемых газопламенных покрытий. В качестве горючего газа использован технический ацетилен и технический пропан, а в качестве напыляемого материала применяли полимеры, у которых температура плавления меньше температуры разложения.

Исследование прочности сцепления полимерных газопламенных покрытий показало, что наибольшая адгезия достигается напылением порошков с размерами частиц от 75 до 250 мкм, что объясняется меньшей подверженности повышенной термоокислительной деструкции, приводящей к попаданию не полностью сгоревших частиц непосредственно в зону контакта полимера и напыляемой поверхности сцепления. При оплавлении крупных и мелких частиц их нагрев происходит неравномерно: крупные частицы не успевают полностью расплавиться, а мелкие сгорают, что приводит к дефектам в напыляемом покрытии; возникновению внутренних напряжений, появлению трещин и снижению адгезионной прочности соединения [3, 4].

В работе использовали различные методы оценки адгезии покрытий: отрыв индентора от покрытия нормально приложенной нагрузкой, сдвиг покрытия. На адгезионные свойства оказывают существенное влияние добавки наноразмерных наполнителей и композиций, изменяющие процесс структурообразования покрытий, поэтому были опробованы некоторые добавки для предварительной обработки покрываемых поверхностей. Введение наноразмерных компонентов в композиционные полимерные материалы способствовало изменению адгезионных свойств поверхности наполнителя и подложки на границе раздела фаз и их усилению совместного влияния при формировании композиционного покрытия. Так, для модифицированных нанодо-бавками полимерных покрытий прочность при отрыве составляла 1,9—2,8 МПа, в то время как для обычных монопокрытий этот показатель не превышал 1,3 МПа. Проведенные испытания покрытий показали высокую стойкость термопластичных полимерных материалов в условиях воздействия коррозионных сред животноводческих помещений [4—6].

Внедрение полов из модифицированной древесины показало, что такие полы стойкие к коррозионной среде животноводческих ферм, долговечные и физиологически приемлемые, так как не создают травмирующих повреждений ни копытному рогу, ни кожно-шерстному покрову животных. Экономический эффект от внедрения определяется кратностью замены аналогичных полов из обычной древесины по сравнению со сроком нормальной работы пола из модифицированной древесины. По данным обследования таких полов срок их функционирования составляет не менее 7—10 лет, что в 4—5 раз выше долговечности традиционных полов. Для широкого распространения данных прогрессивных полов в практику была сделана оценка не только состояния и технологической приемлемости полов в течение длительной эксплуатации, но и осуществлены экологическая, зоогигиеническая, медико-биологическая, санитарно-гигиеническая, зооветеринарная и теплотехническая оценки. Важнейшим этапом полномасштабного внедрения новых видов полов с использованием полимерных связующих и нанодобавок является определение влияния данных полов на жизнеобеспечение сельскохозяйственных животных, их продуктивность, качество продукции животноводства и возможные отклонения от стандартных или требуемых условий содержания. Эти вопросы также были детально рассмотрены

и дали положительные результаты, которые легли в основу разработки нормативной документации, экспериментальных и типовых проектов животноводческих помещений [5, 6].

Ключевые слова: полы животноводческих комплексов, модифицированная древесина, полимеры, нанодобавки-модификаторы.

Список литературы

1. Пичугин А.П. Полы животноводческих помещений и пути повышения их эффективности // Строительные материалы. 200. № 3. С. 14-15.

2. Пичугин А.П. Ремонт производственных сельскохозяйственных зданий. М.: Стройиздат, 1984. 112 с.

3. Пичугин А.П. Типы покрытий полов с/х и производственных помещений и возможности повышения их долговечности: В сб. научн. тр. НГАУ. Новосибирск: НГАУ, 2009. С. 34-46.

4. Пичугин А.П., Городецкий С.А., Бареев В.И. Коррозионно-стойкие материалы для защиты полов и инженерных систем сельскохозяйственных зданий и сооружений. Новосибирск: НГАУ, 2010. 142 с.

5. Пичугин А.П., Митина Л.А., Дзю И.М., Сестерова Т.Ю. Оценка качества состояния пола животноводческих помещений // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2002. № 11. С. 17.

6. Кононенко В.А., Клыпута Г.Н., Митина Л.А., Пичу-гин А.П. Экономические и экологические аспекты эксплуатации сельских зданий в Сибири: В между-нар. сб. научн. тр. «Материалы и изделия для ремонта и строительства». Новосибирск: НГАУ, 2006. С. 180-185.

ОСЕННИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ ФОРУМ

■ 7-9 ноября 2012 Я

г. СУРГУТ

шшштшшш-^шш

Строительство и проектирование Строительные и отделочные материалы Инструмент и оборудование Энергоснабжение. Теплоснабжение. Водоснабжение Экологическая безопасность. Защита окружающей среды Умный Дом Дизайн и оформление интерьера Загородное строительство Благоустройство территорий, землепользование Спецодежда. Средства защиты Финансовый сектор. Риалтэкспо

LГ ТЕЛ:(3462] 32-34-53; 52-00-40; 32-90-60. WWW.YUGC0NT.RU;EXP0@lWSMfllL.RU Д

82

август 2012

®