CC BY
35
УДК 674.817-41: 691.115
ПОВЫШЕНИЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ
В. Н. Ермолин1, А. В. Ермолина1
1 ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет, Россия, 660049, Красноярск, пр. Мира, 82
Рассмотрен способ повышения огнестойкости теплоизоляционных плит на основе волокон древесины, который заключается во введении в состав композиции для изготовления материала растворов огнезащитных составов. Подобраны огнезащитные составы, которые позволяют повысить огнестойкость материалов при сохранении требуемых теплоизоляционных свойств. Определены параметры, которые позволяют получить огнестойкий плитный материал с низкой плотностью: начальная влажность волокнистого сырья, концентрация пенообразователя в композиции и содержание огнезащитного препарата.
Ключевые слова: теплоизоляционные плиты, древесное волокно, огнестойкость, огнезащитные составы, теплопроводность, гигроскопичность
The article describes a method for increasing the fireproof of thermal insulation boards based on wood fibers, which consists in the introduction of solutions of fire retardants in material in the course of manufacture. Fire retardant which provide the desired technological properties have been selected. The initial moisture content of the fibrous raw material, which provides a low density of 90% are determined. The optimum concentration of the foaming agent in a composition which provides a a thermally insulating material and high fireproof is from 0,54 to 0.74%, the absorption of the drug the fire retardant from 6,4 to 8 kg / m3. The effect of changes in the properties of fire resistance of insulation boards are studied.
Keywords: thermal insulation boards, wood fiber, fireproof, fire retardant, thermal conductivity, hygroscopicity
ВВЕДЕНИЕ
Существующие в настоящее время строительные нормативные документы предусматривают повышение термического сопротивления ограждающих конструкций и как следствие снижение потерь ими тепла. В результате этого спрос на теплоизоляционные материалы постоянно растет. Однако эксплуатационные требования к таким материалам постоянно ужесточаются, особенно по отношению к экологической безопасности и горючести материалов.
Для снижения потерь тепла через ограждающие конструкции, а следовательно, повышения эффективности теплоизоляционных материалов необходимо, чтобы они имели низкую теплопроводность. В соответствии с ранее проведенными исследованиями (Ермолина, 2013) такая теплопроводность может быть достигнута при тонковолокнистой пористой структуре материала с плотностью от 50 до 75 кг/м3, и с равномерно распределенными несферическими порами, величина которых не превышает 3 мм. Это объясняется тем, что зависимость теплопроводности от плотности носит нелинейный характер. При плотности от 50 до 75 кг/м3 коэффициент теплопроводности имеет минимальное значение. При снижении плотности менее 50 кг/м3 и повышении более 75 кг/м3 коэффициент теплопроводности возрастает. Так происходит потому, что при малой плотности в материале размер пор превышает 3 мм, что вызывает конвективный перенос тепла ^косМоро1е, 1961). При увеличении плотности он
снижается. Дальнейшее увеличение плотности ведет к уменьшению размеров пор и превращению структуры из пористой в монолитную и, как следствие, повышению теплопроводности.
Достижение такой плотности принятым способом изготовления плитных материалов прессованием невозможно. Было доказано (Ермолина, 2013), что получение теплоизоляционного материала с требуемой структурой возможно способом аэрирования, при котором снижение плотности достигается образованием пористой структуры материала, в результате введения в состав композиции поверхностно-активных веществ.
С целью повышения экологической безопасности можно использовать в производстве возобновляемое растительное сырье. Перспективным сырьем является имеющиеся в большом количестве вторичные ресурсы волокнистых материалов, полученные путем размола из кусковых отходов лесопильных производств. Теплоизоляционные материалы на основе данного сырья будут иметь гигроскопические свойства близкие к натуральной древесине, что позволит поддерживать благоприятные температурно-влаж-ностные условия внутри помещений (Салонен, Керо-нен, Лод, 2007).
В соответствии с литературными данными (Ле-онович, 2003), для повышения огнестойкости возможно применять следующие способы: обработка огнезащитными составами готовых плит методом нанесения на поверхность и методом автоклавной про-
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 1 - 2, 2015
питки; нанесение рабочих растворов на поверхность в процессе производства; обработка волокнистого сырья; введение водных растворов антипиренов в композицию в процессе производства. Обработка готовых плит и сырья требует выполнения дополнительных технологических операций. При нанесении огнезащитных составов на поверхность невозможно обеспечить равномерную огнестойкость всей плиты. Таким образом, наиболее удобным способом является введение растворов огнезащитных составов в процессе производства.
Применение антипиренов кроме повышения огнестойких свойств теплоизоляционных материалов может привести к изменению технологии их получения и свойств. Изучению этих вопросов и посвящены данные исследования.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Изготовление теплоизоляционных древесных плит осуществлялось на основе следующей композиции: древесное волокно, связующее, раствор пенообразователя. Древесное волокно было получено из щепы при размоле с использованием дефибратора (градус помола 110ДС). В качестве связующего вещества использовался поливинилацетатный клей (клей ПВА) с классом водостойкости D4. Данное связующее было выбрано потому, что оно является экологически чистым (IV класс опасности (ГОСТ 12.1.007 -76..., 1977)), не требует повышенной температуры (более 100 0С) для отверждения и применения дополнительных веществ для осуществления данного процесса. Для создания пористой структуры использовался пенообразователь, имеющий кислую среду.
В соответствии с выбранным способом повышения огнестойкости теплоизоляционных плит, процесс их получения осуществлялся следующим образом. Древесное волокно загружалось в смеситель. Затем вводился водный раствор пенообразователя, связующее вещество и ингредиенты перемешивались до образования равномерной пористой структуры. Далее в композицию вводился раствор огнезащитного препарата и снова производилось перемешивание. Готовая смесь выгружалась в формы с сетчатым дном и направлялась в конвективную сушильную камеру с температурой (100±5) °С. Продолжительность сушки составляла от 6 до 8 часов. Затем материал охлаждался и извлекался из форм.
На этапе подготовительных исследований было выявлена зависимость плотности готовых плит от влажности волокнистого сырья. Установлено, что для получения огнестойких древесных плит с плотностью, которая обеспечивает низкий коэффициент теплопроводности, влажность сырья должна превышать влажность предела насыщения клеточных стенок (то есть более 30 %). Это объясняется тем, что при влажности менее 30 % волокна древесины поглощают влагу из раствора пенообразователя, стремясь достигнуть насыщения своих клеточных стенок. В
результате количество свободной влаги в смеси снижается, что приводит снижению кратности пены и как следствие снижению пористости материала и повышению его плотности.
Для определения необходимой рабочей влажности древесного сырья, были произведены исследования, результаты которых представлены на рисунке 1. Как следует из полученных данных зависимость плотности теплоизоляционного материала от исходной влажности древесных волокон при нормализованной влажности носит нелинейный характер. При влажности от 30 до 90 % плотность готового материала не достигает минимально необходимой плотности 50 кг/ м3. Это объясняется тем, что концентрация раствора пенообразователя, вводимого в композицию в этом случае, позволяет получить высокую кратность пены (отношение объемов полученной пены и исходного раствора), а следовательно, больший объем плиты и соответственно меньшую плотность. При влажности волокнистого сырья 90 % кратность пены снижается, что влечет за собой снижение объема плиты и повышение плотности до требуемых значений. Увеличение влажности более 90 % приводит к уменьшению количества вводимой в смесь воды, а следовательно, повышению концентрации пенообразователя относительно нее, и образованию избытка пены с низким количеством волокон древесины. В результате объем плиты также увеличивается и снижется плотность готового материала. На основании полученного результата для дальнейших экспериментов использовалось сырье с влажностью 90 %.
сп 60
ч С
40
20
30
60
90
100
150
200
Влажность волокнистого сырья, % Рисунок 1 - Зависимость плотности теплоизоляционного материала от исходной влажности волокнистого сырья
При выборе защитных составов, которые предусматривалось использовать для повышения огнестойких свойств теплоизоляционных плит, особое внимание уделялось такой их характеристике, как концентрации водородных ионов (рН вещества). Это обуславливалось тем, что используемое связующее и пенообразователь имеют кислую среду (рН менее 7) и применение щелочных составов вызовет коагуляцию ПВА, разрушение пористой структуры и повышение плотности. С учетом этого, при отборе защитных средств производилась определение их рН потенци-ометрическим способом. Для дальнейших экспериментов отбирались составы с кислой и нейтральной средой, с щелочной - исключались. Таким образом,
0
для повышения огнестойкости теплоизоляционных плит были отобраны следующие составы: огне-, биозащитный препарат ХМББ - 1128 (ГОСТ 28815-96, 2004), обладающий нейтральной средой (рН = 7), Оберег ОБ (ПРОФ) (ООО «Оберег», 2014) - со слабокислой (рН = 5,5).
Введение в композицию материала отобранных огнезащитных составов будет способствовать увеличению его плотности. Это обусловлено тем, что заметное снижение горючести древесных материалов достигается только при введении значительно количества таких составов (от 10 до 20 % от массы) (Ломакин, 1990). Следовательно, для поддержания плотности теплоизоляционных плит и сохранения низкой теплопроводности, необходимо увеличить пористость структуры. При условии неизменности технологии и состава композиции, который был получен в результате ранее проведенных исследований (Ермолина, 2012), это может быть достигнуто изменением концентрации пенообразователя. На основании этого, были проведены дальнейшие эксперименты по определению оптимального соотношения огнезащитного препарата и пенообразователя в компо-
зиции. Они проводились методом математического планирования на основе плана Ко-2. В качестве варьируемых факторов были выбраны следующие показатели: поглощение огнезащитного средства и концентрация пенообразователя в композиции. В качестве выходных величин определялись плотность материала по ГОСТ 17177 - 94 (Материалы и изделия строительные теплоизоляционные..., 1996) и потеря массы при сжигании по ГОСТ 12.1.044 - 89 (Пожаровзрывоопасность веществ и материалов..., 1991).
Испытания по определению огнестойкости теплоизоляционных плит проводились в испытательной пожарной лаборатории судебно-экспертного учреждения федеральной противопожарной службы по Красноярскому краю. Для исследований использовался прибор ОТМ, состоящий из керамической реакционной камеры, с расположенной снизу газовой горелкой. Температура газообразных продуктов горения составляла (200 ± 5) °С, продолжительность испытания - (300 ± 2) с. Результаты исследований представлены в виде поверхностей отклика на рисунке 2.
а, б - материалы с препаратом ХМББ - 1128; в, г - с препаратом Оберег ОБ (ПРОФ) Рисунок 2 - Результаты экспериментов
Анализ полученных данных экспериментов показал, что наибольшее влияние на значения выходных величин оказывает концентрация пенообразователя в композиции. При лучшем соотношении ингредиентов в композиции теплоизоляционного материала образцы не поддерживали самостоятельного горения, потеря их массы составляла не более 40 % от начальной. После извлечения из испытательной установки такие образцы сохраняли свою форму. Для сравнительной оценки полученных данных была также исследована огнестойкость теплоизоляционного материала, к состав композиции которого не вводились огнезащит-
ные составы. Данные образцы поддерживали самостоятельное горение, потеря их массы составляла более 80 %, после извлечения они рассыпались.
При оптимизации соотношения варьируемых факторов стремились достигнуть следующего: плотность материала должна составлять от 50 до 75 кг/м3, потеря массы при сжигании - менее 60 % от начальной (то есть материал должен относиться к классу «трудногорючие материалы»). Оптимизация проводилась с использованием программы Statgraphics. Для достижения поставленной задачи значения плотности максимизировались, потери массы - минимизировались. В результате было
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 1 - 2, 2015
установлено, что для обоих огнезащитных составов оптимальным является следующее соотношение: концентрация пенообразователя от 0,54 до 0,74 %, поглощение огнезащитного препарата от 6,4 до 8 кг/м3.
Далее нами проводилось исследование влияния изменения огнестойкости плит на их основные свойства при оптимальном соотношении компонентов в композиции. Были исследованы коэффициент теплопроводности и гигроскопичность полученных материалов.
Коэффициент теплопроводности, как уже отмечалось ранее, позволяет более полно оценить эффективность теплоизоляционного материала. Изменение величины коэффициента определялось методом стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым граням образца. Результаты представлены на рисунке 3.
Как следует из полученных данных, повышение огнестойкости теплоизоляционных плит способствует незначительному повышению их коэффициента теплопроводности в результате увеличения плотности. В соответствии с существующей классификацией теплоизоляционных материалов (Юхневский, Широкий, 2004), полученные огнестойкие плиты, как и плиты без обработки, относятся к классу материалов с низкой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности менее 0,06 Вт/мК).
Без ХМББ-1128 Оберег
огнезащитной ОБ(ПРОФ)
обработки
Огнезащитный состав Рисунок 3 - Коэффициент теплопроводности огнестойких теплоизоляционных древесных плит
Для изучения возможности создания благоприятного влажностного режима в помещении при использовании огнестойких плит было проведено исследование их гигроскопических свойств. Оно проводилось путем определения их влагопоглощения. Результаты приведены на рисунке 4.
Из полученных данных следует, что влагопогло-щение огнестойких плит превышает аналогичный показатель у неогнестойких на величину не более 5 %. Это происходит потому, что используемые огнезащитные составы содержат в своем составе вещества, которые обладают повышенной гигроскопичностью. Большее увеличение влажности наблюдается у плит, в состав которых входит препарат Оберег ОБ (ПРОФ). Полученные зависимости (рисунок 4) свидетельствуют о том, что введение антипиренов в теплоизоляци-
онные плиты повышает их гигроскопичность, но не существенно. По величине этого показателя такие плиты остаются близкими к значениям натуральной древесины.
Продолжительность выдержки, суток
-♦-ХМББ-1128 -в-Оберег ОБ (ПРОФ) -±-Без огнезащитной обработки
Рисунок 4 - Влагопоглощение теплоизоляционных плит
ВЫВОДЫ
1 Экспериментально доказана возможность повышения огнестойкости теплоизоляционных древесных плит. Наиболее рациональным технологическим способом повышения является введение водных растворов в композицию в процессе производства. При выборе защитных средств следует учитывать рН этих средств и веществ, входящих в состав композиции материала.
2 Для достижения плотности плит, которая обеспечивает их низкую теплопроводность, рабочая влажность волокнистого сырья должна составлять 90%.
3 На основании экспериментальных исследований было установлено, что наибольшая огнестойкость теплоизоляционных плит при условии неизменности технологии и состава композиции достигается при концентрации пенообразователя в композиции от 0,54 до 0,74 % и поглощении огнезащитного препарата от 6,4 до 8 кг/м3.
4 Коэффициент теплопроводности огнестойких теплоизоляционных плит составляет от 0,042 до 0,043 Вт/мК. При существующей классификации такие материалы относятся к классу материалов с низкой теплопроводностью (менее 0,06 Вт/м0С).
5 Предел гигроскопичности полученных плит близок к значению аналогичного показателя натуральной древесины.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ГОСТ 12.1.044 - 89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов: номенклатура показателей и методы их определения. - Введ. 01.01.91. - М.: Стандартинформ, 2006. - 108 с.
ГОСТ 12.1.007 - 76. Вредные вещества: классификация и общие требования безопасности. - Введ.01.01.77. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - 4 с. ГОСТ 17177 - 94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные : методы испытаний. - Взамен ГОСТ 17177 - 87; введ. 01.04.96. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 40 с.
ГОСТ 28815 - 96. Растворы водные защитных средств для древесины. Технические условия. - Взамен ГОСТ
28815 - 90; введ. 01.01.97. - Минск: ИПК Изд-во стандартов, 2004. - 21 с.
Ермолина, А. В. Технология получения теплоизоляционных древесных плит [Текст] : диссертация канд. техн. наук: 05.21.05: защищена 16.03.12 / А. В. Ермолина; СибГТУ. - Красноярск, 2012. - 152 с.
Ермолина, А. В. Формирование структуры теплоизоляционных материалов на основе волокон древесины [Текст] / А. В. Ермолина // Хвойные бореальной зоны. - 2013. -№ 1-2. - С. 168-171.
Леонович, А. А. Физико-химические основы образования древесных плит [Текст] / А. А. Леонович. - СПб.: Хи-миздат, 2003. - 192 с.
Ломакин, А. Д. Защита древесины и древесных материалов [Текст] / А. Д. Ломакин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. -256 с.
ООО «Завод противопожарного оборудования «ОБЕРЕГ» [Электронный ресурс]. - Новосибирск; 2014. -Режим доступа: http://zpo - оbereg.ru /catalog/ ognezashchita _ sostavy/ ognebiozashchitnaya-propitka-obereg-ob-prof/. Салонен, К. Проектирование деревянного здания павильонного типа [Текст] / К. Салонен, А. Керонен, Т. Лод; пер. с фин. З. С. Тесленко. - Хельсинки: Вуд Фокус, 2007. -143 с.
Юхневский, П. И. Строительные материалы и изделия [Текст]: учеб. пособие для вузов / П. И. Юхневский, Г. Т. Широкий. - Минск: Технопринт, 2004. - 476 с.
Работа выполнена в рамках государственного задания на выполнение НИР №2014/2014
Поступила в редакцию 03.11.14 Принята к печати 20.12.14
