CC BY
58
УДК 674.8
Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 3-4. С. 84-89
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ИЗ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ПОЛИМЕРОВ*
А. И. Криворотова, О. А. Усольцев
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: tkmkai@mail.ru
Приведены результаты разработки теплоизоляционного материала на основе макулатурной массы и бытовых отходов полимеров (полиэфирного волокна из переработанных пластиковых бутылок). Решение поставленной задачи требовало создания транспортабельного теплоизоляционного материала в виде матов на основе измельченного макулатурного сырья, экологически чистого, имеющего низкую усадку, биостойкого, обладающего повышенной прочностью, гигроскопичностью, огнестойкостью, паропроницаемостью, обладающего возможностью использования на горизонтальных, вертикальных и наклонных поверхностях. Представляемая новизна обусловлена в первую очередь составом материала: в качестве связующего материала для макулатурной массы используется полиэфирное волокно. Повышение прочности и формостабильности, снижение усадки достигается за счет полиэфирных волокон. Одновременно решается проблема утилизации макулатурной массы и бытовых отходов полимеров, так как полиэфирное волокно предлагается получать в результате вторичной переработки бытовых отходов полимеров. Разработанный теплоизоляционный материал на основе макулатурной массы и бытовых отходов полимеров обеспечивает возможность использования одного типа теплоизоляции на разных поверхностях, гарантирует экологическую безопасность, имеет низкую усадку в процессе эксплуатации, обладает хорошей паропроницаемостью и по проведенным технико-экономическим расчетам имеет низкую себестоимость, что повышает его конкурентоспособность на рынке теплоизоляционных материалов.
Ключевые слова: теплоизоляция, теплопроводность, макулатурная масса, полиэфирное волокно, состав, формоустойчивость, экологичность.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 3-4, P. 84-89
DEVELOPMENT AND INVESTIGATION OF THE PROPERTIES OF THERMAL INSULATION MATERIAL FROM THE RECYCLED PAPER AND DOMESTIC
WASTE POLYMERS
A. I. Krivorotova, O. A. Usoltsev
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: tkmkai@mail.ru
The article presents the results of the development of a thermal insulation material based on waste paper and household waste polymers (polyester fiber from recycled plastic bottles). The solution of the task posed required the creation of a transportable heat-insulating material in the form of mats based on comminuted waste paper materials, environmentally friendly, low shrinkage, biostable, with increased strength, hygroscopicity, fire resistance, vapor permeability, which can be used on horizontal, vertical and inclined surfaces. The novelty presented is primarily due to the composition of the material: polyester fiber is used as the binding material for the waste paper. Increasing strength and form stability, reducing shrinkage is achieved due to polyester fibers. At the same time, the problem of recycling waste paper and household wastes ofpolymers is solved, since polyester fiber is proposed to be produced as a result of secondary processing of household waste polymers. The developed thermal insulation material based on waste paper and household waste polymers provides the opportunity to use one type of thermal insulation on different surfaces, guarantees environmental safety, has low shrinkage during operation, has good vapor permeability and, according to technical and economic calculations, has a low cost, which increases its competitiveness on the market of thermal insulation materials.
* Исследование выполнено при поддержке краевого государственного автономного учреждения «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» в рамках реализации проекта: «Разработка теплоизоляционного материала из макулатурной массы и бытовых отходов полимеров».
Keywords: thermal insulation, heat conductivity, recycled paper, polyester fiber, composition, shape stability, ecological compatibility.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы использования теплоизоляционных материалов в строительстве обусловлена низкой энергоэффективностью зданий, как строящихся, так и эксплуатируемых. Проблема решается с помощью внутреннего или внешнего утепления. К теплоизоляционным материалам предъявляют жесткие требования, основными из которых являются: высокие теплотехнические характеристики, безопасность, экологичность, долговечность. Область применения теплоизоляции чрезвычайно широка. Широчайший выбор теплоизоляционных материалов, предлагаемый сегодня потребителю, позволяет отобрать наиболее подходящий для решения поставленных задач. Основные проблемы, с которыми сталкивается отечественный потребитель это преобладание на рынке продукции импортного производства и отсутствие универсальных систем внутреннего утепления и утепления фасадов. Существуют различные по форме выпуска теплоизоляционные материалы: в виде гранул, ваты, плит или вспучивающиеся на месте монтажа [1; 8].
Плитные материалы изготавливаются на основе стеклянного шпательного волокна, пенополиэтилена, древесных волокон, смеси макулатуры и древесных волокон, базальтового волокна. Наиболее распространенным материалом данной группы является минеральная вата - волокнистый материал, получаемый из минерального сырья (мергелей, доломитов, базальтов и др.). Минеральная вата имеет высокую пористость и, следовательно, высокие теплоизоляционные свойства. К основным недостаткам следует отнести потерю теплоизолирующих свойств при попадании влаги, и, как следствие, необходимость пароизоляционной и гидроизоляционной пленки при монтаже. Материалы на основе смеси макулатуры и древесного наполнителя экологически чистые и дешевые. Материалы в виде ваты могут изготавливаться на основе макулатурного сырья, древесных волокон. Материалы на основе ваты производятся на основе вторичного древесного волокна (макулатуры) - «Эковата» и отходов лесопильного производства (щепы) - «Древовата». Материалы являются капиллярно-пористыми, поэтому способны легко сорбировать и десорбировать влагу, что позволяет создать и поддерживать благоприятный микроклимат в помещении, кроме того не содержат в своем составе загрязнителей воздуха. Целлюлозные утеплители или эковата - это древесноволокнистые материалы, произведенные методом сухого роспуска вторичного сырья различных сортов макулатуры, с добавлением антипирена и антисептика [7]. Утеплитель получается однородного состава, структура материала тонковолокнистая, макулатура распускается до единичного волокна. Эковата используется для утепления сложных поверхностей, для этого она увлажняется и наносится при помощи выдувной компрессорной или центробежной установки. Утеплитель в виде ваты может использоваться для утепления чердачных перекрытий сухим способом, однако такие материалы сильно пылятся. Основной недостаток это усадка ма-
териала при вертикальном или наклонном утеплении стен, а также усадка и как следствие повышение плотности и теплопроводности при увлажнении материалов при сухом способе укладки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
И ОБСУЖДЕНИЕ
В представленной работе изучается возможность создания плитного теплоизоляционного материала на основе макулатурной массы и вяжущих или связующих веществ различных видов с минимизацией вышеуказанных недостатков. В результате проведенного литературного анализа и патентного поиска установлено: теплоизоляционные материалы на основе макулатуры обладают всеми необходимыми свойствами, предъявляемыми к материалам используемыми для теплоизоляции зданий и сооружений; макулатурная масса полностью подходит в качестве сырья для изготовления теплоизоляционных материалов. Материалы на ее основе получили широкое распространение в теплоизоляции для горизонтальных поверхностей; основным недостатком макулатурной массы при использовании в качестве теплоизолирующего материала является усадка теплоизоляционного слоя с течением времени и невозможность качественного настила на вертикальных и наклонных поверхностях.
По результатам патентного поиска определено, что в Российской Федерации не имеется запатентованной технологии позволяющей изготавливать плитный теплоизоляционный материал на основе измельченной макулатурной массы.
Для исследований использовались: измельченная макулатура (марки МС-7Б - использованные книги, журналы, брошюры, проспекты, каталоги, блокноты и другие виды полиграфической и бумажно-беловой продукции, изготовленные из белой бумаги, без переплётов, обложек и корешков; МС-8В - отходы производства и потребления газет и газетной бумаги) изготовитель ООО <^ООБЕХ»; полиэфирное волокно; натрия тетраборат (бура) марка А ГОСТ 8429-77.
Изготовление плитного теплоизоляционного материала на основе измельченной макулатурной массы осуществляется с использование каких-либо связующих или вяжущих веществ, которые будут обеспечивать теплоизоляционному материалу формоустойчи-вость и формостабильность.
Для исследований были выбраны несколько видов клеев, полимерных материалов и гипсовое вяжущее.
Клеевые составы для изготовления плитного материала были отобраны по принципу обеспечения экологической чистоты готовой продукции на их основе и возможности легкого смешивания с макулатурной массой. Таким образом, для исследования были выбраны полиуретановый клей и поливинилацетатная дисперсия. Образцы материалов, полученных на основе всех используемых видов клеевых составов, не удовлетворяли требованиям по формоустойчивости готовой плиты. Образцы быстро расслаивались, не имели прочности и не держали заданную форму.
В результате было принято решение отказаться от использования клеевых составов и продолжить работу с другими связующими и вяжущими веществами.
Следующим связующим компонентом при изготовлении теплоизоляционной плиты на основе макулатурной массы было выбрано гипсовое вяжущее. Проведенные предварительные эксперименты показали удовлетворительную формоустойчивость образцов готового теплоизоляционного материала на его основе. При этом отмечалось, что с увеличением содержания гипсового вяжущего в готовом изделии происходит увеличение формоустойчивости образца. Коэффициент теплопроводности, измеренный на приборе ИТП-МГ4, составил 0,055 Вт/м-°С при плотности плиты 55 кг/м3, что соответствует требованиям предъявляемым к теплоизоляционным материалам.
Дальнейшие эксперименты по разработке плитного теплоизоляционного материала проводились с использованием полимерных волокон различных видов. В результате проведенного предварительного эксперимента наиболее качественный материал, отвечающий всем требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам, был получен на основе полиэфирного волокна. Используемое полиэфирное волокно было изготовлено путем переработки бытовых отходов полимеров (пластиковых бутылок).
С целью подбора компонентного состава теплоизоляционного материала, отвечающего всем необходимым требованиям, был проведен патентный поиск.
Композиция, представленная в работе [2], применяемая в качестве теплоизоляционного материала и состоящая из борной кислоты 10-14; буры 6-10; хлорида цинка 0,1-0,5; бумажной макулатуры остальное имеет недостатки характеризующиеся отсутствием стабильной формы готового изделия, необходимостью создания ограждающих строительных конструкций, потерей теплоизоляционных свойств из-за усадки композиции. Теплоизоляционный материал для гражданского и промышленного строительства включает естественное древесное волокно, полученное путем дефибраторного размола, борную кислоту в качестве антипирена и тетраборат натрия в качестве антисептика [3]. В его состав включено жидкое стекло в качестве структурообразователя, при следующем соотношении компонентов, мас. ч. (по абс. сух. вещ.): древесное волокно, полученное путем дефибраторно-го размола - 100, борная кислота - 10-18, тетраборат натрия (бура) - 8-12, жидкое стекло - 1-5. В качестве антипирена дополнительно использован фосфор-азотсодержащий компонент в виде амидофосфата или аммония фосфорнокислого двузамещенного с содержанием, мас. ч. (по абс. сух. вещ.) - 3-7. Достигаемый при использовании изобретения технический результат заключается в том, что процессы пропаривания и размола древесного волокна при дефибраторном размоле происходят в одном агрегате.
Следующее изобретение относится к производству теплоизоляционных материалов типа ваты, предназначенных для использования как в строительных конструкциях, так и для теплоизоляции различных
установок. Теплоизоляционный материал типа ваты, содержит волокнистый компонент, антипирен и антисептик, в качестве волокнистого компонента использовано натуральное древесное волокно. Состав материала, мас. %: антипирен (борная кислота) 10,5-11,5; антисептик (бура) 5,5-6,5; древесное волокно - остальное [4].
Наиболее близким к разрабатываемому материалу является композиция эковата-2, содержащая, мас. %, угарные отходы производства нетканых материалов, войлочных изделий и строительной пакли 20-30, измельченную картонно-бумажную макулатуру 50-60, борную кислоту 10, буру 10 [5]. Недостатком является использование угарных отходов в виде хлопковых, вискозных, синтетических, шерстяных и льняных волосовин, которые следует смешивать в одинаковых пропорциях, а также низкая прочность на разрыв, изготовленных из нее теплоизоляционных материалов.
С целью определения количественного содержания компонентного состава был проведен ряд экспериментов по исследованию свойств теплоизоляционного материала в зависимости от соотношения компонентов. Соотношение компонентов полиэфирное волокно/макулатурное волокно изменялось от 50/50 до 10/90. В каждом образце в качестве антипирена использовалась борная кислота в количестве 10 %, в качестве антисептика - тетраборат натрия (бура) в количестве от 5 %. Полученный материал исследовался на следующие показатели: плотность, коэффициент теплопроводности, водопоглощение, влагопог-лощение.
На рис. 1 представлено изменение плотности изготовляемого материала от соотношения компонентов. С увеличением содержания макулатурного волокна в материале образцов наблюдается увеличение плотности от 35 до 62 кг/м3. Одновременно можно отметить снижение формоустойчивости образцов. Чем меньше содержание полиэфирного волокна, тем меньше формоустойчивость образцов. При соотношении 90/10 образец имеет рыхлую неоднородную не-сформированную структуру.
На рис. 2 представлено изменение коэффициента теплопроводности в зависимости от соотношения компонентов. Как видно из представленной гистограммы с увеличением содержания макулатурной массы коэффициент теплопроводности увеличивается. Следует отметить, что данное увеличение от соотношения компонентов 50/50 до 20/80 составляет 0,003 Вт/м-С°, при этом изменение в 0,002 Вт/м-С° дает изменение соотношения компонентов от 20/80 до 10/90. При этом, как отмечено выше, образец с соотношением компонентов 10/90 не обладает требуемой формо-устойчивостью.
Показатель водопоглощения теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое поглощает сухой материал при выдерживании в воде, отнесённым к массе сухого материала. Следует обратить внимание, что водопоглощение теплоизоляционных материалов отечественного и зарубежного производства определяется по разным методикам.
70
60
"is 50
£
40
О
30
20
10
0
62
49 эг>
41
Зэ
50/50
20/80
10/90
40/60 30/70
Соотношение компонентов
Рис. 1. Плотность разработанного теплоизоляционного материала в зависимости от компонентного состава
О
н
m
о в
о &
о
т
о
«
30/70
Соотношение компонентов
Рис. 2. Коэффициент теплопроводности разработанного теплоизоляционного материала в зависимости от компонентного состава
Значительно снизить водопоглощение минерало-ватных и стекловолокнистых теплоизоляционных материалов позволяет их гидрофобизация, например, путём введения кремнийорганических добавок. Продукция иностранных производителей, поставляемая на наш рынок, является гидрофобизированной, а отечественная, за небольшим исключением, является негидрофобизированной. Водопоглощение теплоизоляционных материалов зависит от их структуры: при закрытой пористости (пеностекло, пенопласты) оно сравнительно невелико, при открытой, сообщающейся пористости может достигать от 400 до 600 %. Для минеральной ваты характерно высокое водопоглоще-ние, достигающее при погружении в воду до 600 %. Водопоглощение за 24 часа для гидрофобизирован-ных минераловатных плит составляет 30 % (по массе).
На рис. 3 представлено водопоглощение образцов в зависимости от исходного соотношения компонентов. Испытания показателя водопоглощения проводились непосредственным погружением образцов в воду. Как видно из гистограммы все образцы обладают
значительным показателем водопоглощения за 24 ч. С увеличением содержания макулатурного волокна в плите водопоглощение образцов возрастает. Это связано с высокой гидроскопичностью измельченной макулатурной массы. Полиэфирное волокно обладает меньшей гидроскопичностью и смачиваемостью, и даже способностью отталкивать от себя воду. Следует также отметить, что, несмотря на значительные показатели водопоглощения, высыхание материала при комнатной температуре происходит в течение 20-24 ч, при этом разработанный материал сохраняет все исходные свойства. Отмечается только незначительная усадка, которая в зависимости от толщины предлагаемого теплоизоляционного материала составляет от 0,3 до 0,7 %.
Следующим показателем, определяемым для разрабатываемого теплоизоляционного материала, было выбрано влагопоглощение. Обратным понятием вла-гопоглощения является влагопроводность. Влажност-ный режим теплоизоляционного ограждения тесно связан с теплотехническим и имеет санитарно-гигиеническое значение. Высокая влажность внут-
ренней поверхности ограждения делает помещение антисанитарным и недолговечным. Одной из причин появления влаги в ограждениях является конденсация ее из атмосферного воздуха. В зданиях зимой водяной пар диффундирует через стены от внутренней стороны к наружной, а в летнее время от наружной - к внутренней. Возможна конденсация пара в стенах ограждения. Кроме этого, влагопоглощение косвенно характеризует паропроницаемость материала. Паропроницаемость теплоизоляции - это свойство материала пропускать сквозь всю его толщину водяной пар при наличии перепадов давления и температуры. Влагопоглощение образцов определялось путем их обработки насыщенным паром в течение 2 часов.
На рис. 4 представлено влагопоглощение разработанного теплоизоляционного материала в зависимости от соотношения компонентов. С увеличением количества макулатурного волокна в материале влаго-поглощение возрастает, тем не менее, остается ниже влагопоглощения минераловатных плит (0,5 %). Таким образом, разработанный материал не будет нуж-
даться в дополнительной пароизоляции, так как он практически не впитывает влагу из воздуха.
Дополнительно в данной работе разработанный теплоизоляционный материал был исследован на показатель морозостойкости. Морозостойкость - способность материала в насыщенном состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции, однако, данные по морозостойкости не приводятся в ГОСТ или ТУ. Образцы материала были подвержены обработке циклами замораживания-оттаивания. Материал выдержал 50 циклов без видимых признаков разрушения.
В результате проведенных исследований был сделан следующий вывод: материал, отвечающий всем требованиям, получается при следующем соотношении компонентов: полиэфирное волокно/ макулатурное волокно - 30/70 и 20/80. Образцы с данным соотношением компонентов обладают низкими показателями плотности, коэффициента теплопроводности и влаго-поглощения, имеют высокую формоустойчивость.
40/60 30/70 20/80
Соотношение компонентов
Рис. 3. Водопоглощение разработанного теплоизоляционного материала в зависимости от компонентного состава
40/60 J0/70 20/80
Соотношение компонентов
Рис. 4. Влагопоглощение разработанного теплоизоляционного материала в зависимости от компонентного состава
Предлагаемый состав теплоизоляционного материала, содержащий измельченную бумажную макулатуру, борную кислоту, буру, и полиэфирное волокно представлен в таблице [6].
Рецептура клея
Компонент Соотношение, масс. %
Борная кислота 2-3
Бура 2-3
Полиэфирное волокно 15-40
Бумажная макулатура остальное
В результате проведенных исследований было установлено: плотность разработанного теплоизоляционного материала в зависимости от соотношения компонентов составляет от 35 до 62 кг/м3; с увеличением содержания макулатурного волокна коэффициент теплопроводности увеличивается, водопоглощение и влагопоглощение возрастают; наилучшими показателями физико-механических свойств, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам, обладает материал изготовленных на основе макулатурной массы и полиэфирного волокна с соотношением компонентов 20/80 и 30/70; рекомендуемый к изготовлению теплоизоляционный материал имеет следующие характеристики: плотность 50±5 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,042 Вт/м-С°, водопоглощение за 24 часа - 300±50 %, влагопоглощение за 2 часа - 0,34±0,02 %, морозостойкость - не менее 50 циклов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанный теплоизоляционный материал на основе макулатурной массы и бытовых отходов полимеров (полиэфирного волокна из переработанных пластиковых бутылок) решает задачу создания транспортабельного теплоизоляционного материала в виде матов на основе измельченного макулатурного сырья, экологически чистого, имеющего низкую усадку, биостойкого, обладающего повышенной прочностью, гигроскопичностью, огнестойкостью, паропроницае-мостью, обладающего возможностью использования на горизонтальных, вертикальных и наклонных поверхностях. Поставленная задача решена тем, что в теплоизоляционном материале на основе измельченной макулатурной массы, полиэфирного волокна и добавок, в качестве связующего компонента использовано полиэфирное волокно при следующем соотношении компонентов (мас. %): борная кислота 10; бура 5; полиэфирное волокно 20-30, макулатурная масса 80-70.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Горлов Ю. П., Меркин А. П., Устенко А. А. Технология теплоизоляционных материалов : учеб. пособие для вузов. М. : Стройиздат, 1980. 399 с.
2. Патент РФ №2037294, A01F25/14. Теплоизоляционный материал и способ его получения / Елисеев А. Д. Опубл. 19.06.1995.
3. Патент РФ №2501761, C04B 28/26. Теплоизоляционный материал и способ его изготовления / Васильев В. В. Опубл. 20.12.2013.
4. Патент РФ № 2149148, C04B18/24. Теплоизоляционный материал / Бирюков В. И. Опубл. 20.05.2000.
5. Патент РФ № 2083524, C04B 30/02. Теплоизоляционный материал / Даковцев В. Т.
6. Патент РФ № 2622654. Теплоизоляционный материал / ФГБОУ ВО «СибГУ им. М. Ф. Решетнева / А. И. Криворотова, О. А. Усольцев, заявл. 13.07.2015, № 2015128404, опубл. 19.06.2017 Бюл. № 17 МПК С08Ь 97/02 (2006.01)
7. Ekovilla [Электронный ресурс]. М.; 2011. URL: http://www.ekovilla.com.ru (дата обращения: 15.10.2017).
8. Юнизол [Электронный ресурс]. Studio7. Киев, 2011. URL: http://unisol.com.ua (дата обращения: 15.10.2017).
REFERENCES
1. Gorlov Yu. P., Merkin A. P., Ustenko A. A. Tekhnologiya teploizolyatsionnykh materialov : ucheb. posobiye dlya vuzov. M. : Stroyizdat, 1980. 399 s.
2. Patent RF №2037294, A01F25/14. Teploizolyat-sionnyy material i sposob ego polucheniya / Eliseyev A. D. Opubl. 19.06.1995.
3. Patent RF №2501761, C04B 28/26. Teploizolyat-sionnyy material i sposob ego izgotovleniya / Vasil'-yev V. V. Opubl. 20.12.2013.
4. Patent RF № 2149148, C04B18/24. Teploizolyat-sionnyy material / Biryukov V. I. Opubl. 20.05.2000.
5. Patent RF № 2083524, C04B 30/02. Teploizolyat-sionnyy material / Dakovtsev V. T.
6. Patent RF № 2622654. Teploizolyatsionnyy material / FGBOU VO «SibGU im. M. F. Reshetneva / A. I. Krivorotova, O. A. Usol'tsev, zayavl. 13.07.2015, № 2015128404, opubl. 19.06.2017 Byul. № 17 MPK S08L 97/02 (2006.01)
7. Ekovilla [Elektronnyy resurs]. M., 2011. URL: http:// www.ekovilla.com.ru (data obrashcheniya: 15.10.2017).
8. Yunizol [Elektronnyy resurs]. Studio7. Kiyev, 2011. URL: http://unisol.com.ua (data obrashcheniya: 15.10.2017).
© Криворотова А. И., Усольцев О. А., 2017
Поступила в редакцию 31.05.2017 Принята к печати 20.11.2017
