CC BY
80УДК 666.914.4
П.Г. ВАСИЛИК (vasilik@eurohim.ru), Д.С. ГРЕКОВ, инженеры, ЗАО «ЕвроХим-1» (Москва), А.Ф. БУРЬЯНОВ, д-р техн. наук, А.П. ПУСТОВГАР, канд. техн. наук, Московский государственный строительный университет, А.А. ГЛУШКОВ, инженер, Д.А. ДАВЫДОВ, канд. хим. наук, Д.В. НАЗАРОВ, инженер (ООО «Вакер Хеми Рус» Москва)
Современные адгезивы
для производства гипсокартонных листов
Производство гипсокартонных листов (ГКЛ) является динамично развивающейся технологией. Объем их производства, по данным Росстата, за 2012 г. составляет более 258000 тыс. м2. Несмотря на кризисные явления в экономике страны и мира, это на 7,2% больше, чем в 2011 г. Главными трендами развития современной технологии производства ГКЛ являются энергоэффективность и сокращение выбросов СО2. Так как основными источниками повышенного расхода энергии являются технологические процессы, связанные с испарением большого количества воды при сушке ГКЛ, сокращение водогипсового отношения позволит существенно улучшить энергоэффективность производства и снизить экологическое воздействие на окружающую среду.
Традиционно в производственной практике значение водогипсового отношения (В/Г) для придания текучести раствору гипса составляет 0,6—0,7, а для гидратации гипсового вяжущего необходимое водогипсовое отношение не превышает 0,2. Избыточное количество воды удаляется после формования изделия в процессе сушки, что составляет 4,5—7 кг воды с 1 м2 листа. Расход тепловой энергии при сушке может достигать 1500 Дж на 1 кг воды, а выбросы в атмосферу СО2 современного предприятия по производству ГКЛ только в течение суток могут составить 20000—40000 м3. Таким образом, задача снижения водогипсового отношения при производстве ГКЛ является актуальной и позволяет значительно повысить энергоэффективность производства ГКЛ.
Гипсокартонные листы представляют собой композиционный материал, в котором на свойства конечного изделия влияют многочисленные факторы. Гипсовый сердечник ГКЛ имеет пористую структуру, формируемую за счет большого количества вовлеченного воздуха (25—45 об. %), что достигается высоким водогипсовым отношением, использованием специальных воздухо-вовлекающих и/или пенообразующих добавок и технологическим оборудованием.
Основными путями сокращения количества используемой в производственной технологии воды являются снижение водопотребности гипсового вяжущего, достигающееся технологическими приемами при производстве вяжущего — оптимизацией фазового состава, тонины помола, применением гомогенизаторов, в которых происходит искусственное старение [1], а также введением пластифицирующих добавок в процессе производства ГКЛ. Снижению количества гипсового вяжущего и воды затворения также способствует повышение доли воздуха в материале, что дополнительно позволяет снизить плотность сердечника ГКЛ и массу конечного изделия. Последнее весьма актуально и для производителей ГКЛ, и для потребителей.
Стремление снизить массу ГКЛ при сохранении прочностных характеристик готового изделия упира-
ется в ряд физико-механических проблем. Согласно работе [2] прочность пеногипса зависит и от количества пены, и от В/Г. Для вывода теоретической зависимости прочности гипсового камня от его плотности была выдвинута гипотеза: прочность гипсового камня пропорциональна удельному числу контактов кристаллов двугидрата друг с другом. При уменьшении плотности за счет изменения водовяжущего отношения прочность изделия уменьшается по кубической зависимости, а за счет введения пены — по зависимости в степени 2/3.
Снижение плотности сердечника ведет к ухудшению таких параметров, как ползучесть материала, и снижению адгезии гипсового сердечника к картону. При снижении плотности с 1,06—1,07 до 0,85 г/см3 деформация ползучести при изгибе может увеличиться двукратно при одинаковой влажности окружающего воздуха.
Актуальным является вопрос поиска способа усиления прочности адгезии гипсового сердечника и картона при уменьшении плотности ГКЛ. На прочность адгезии влияет большое число факторов, в том числе и тонина помола гипса [3], и структура пор. Так, Б. Маурицио [4] утверждает в своей работе, что кристаллы гипса сцепляются с волокнами внутренней поверхности бумаги. Согласно работе Я.Л. Забежинского, приклеивание осуществляется за счет диффузии гипсового теста в поры картона, а за поддержание необходимой влажности среды на границе гипса и картона, благодаря чему не происходит пересыхания фитильков картона и обезвоживания кристаллов гипса, отвечает клеящее вещество.
Предполагается также, что в процессе сушки ГКЛ происходит миграция геля клеящего вещества, адсорбция последнего на поверхности раздела сердечника и картона с образованием клеевого сцепления. Подтверждением важности миграции воды в процессе производства ГКЛ является и тот факт, что сушка существенно влияет на прочность сцепления картона с гипсом. Ранее доказывалось, что ухудшение качества готового изделия происходит за счет углубления зоны испарения от границы картон—гипс.
Предполагается [5], что ухудшение сцепления картона с гипсовым сердечником при снижении его плотности связано с изменением толщины клеевого слоя в результате увеличения шероховатости и возникновением дефектов и напряжений в клеевой прослойке при сушке ГКЛ. Было также установлено, что небольшая добавка клеящего вещества на основе крахмала, применяемая при производстве ГКЛ, не может обеспечить в достаточной степени сцепления картона с гипсовым сердечником. Если предположить, что все клеящее вещество находится на поверхности раздела между картоном и гипсом, то и в этом случае толщина его составит менее 2 мкм.
¡■Л ®
май 2013
73
Номер смеси Наименование добавки, количество Адгезия картона к гипсу, МПа Время начала схватывания, мин Время конца схватывания, мин Прочность на изгиб по сердечнику, МПа Прочность на изгиб по картону, МПа Прочность при сжатии, МПа Плотность, кг/м3
0 0,16 6 11 4,5 6 13,14 1167
1 Стирол-акриловая дисперсия (в пересчете на сухой остаток), 0,15% 0,19 7 11 - - - -
2 Стирол-акриловая дисперсия (в пересчете на сухой остаток), 0,5% 0,37 7 12 - - - -
3 Винилацетатэтиленовая дисперсия (в пересчете на сухой остаток), 0,15% 0,2 8 13 - - - -
4 Винилацетатэтиленовая дисперсия (в пересчете на сухой остаток), 0,5% 0,23 8 14 - - - -
5 ПВС частично гидролизованный, степень полимеризации -2400, 0,15% 0,31 7 12 5,2 4,2 10,17 1115
6 ПВС частично гидролизованный, степень полимеризации -2400, 0,5% 0,46 10 15 5 5,1 11,9 1033
7 ПВС частично гидролизованный, степень полимеризации -1700, 0,15% 0,2 8 13 5 5,2 10,21 1148
8 ПВС частично гидролизованный, степень полимеризации -1700, 0,5% 0,21 9 16 5,2 6 11,75 1056
9 Полностью гидролизованный ПВС, степень полимеризации -2400, 0,15% 0,2 6 11 5,2 6,94 14,76 1123
10 Полностью гидролизованный ПВС, степень полимеризации -2400, 0,5% 0,3 7 11 5,9 7,25 15,4 1134
11 Полностью гидролизованный ПВС, степень полимеризации -1700, 0,15% 0,31 9 16 4,4 5,3 9,2 1144
12 Полностью гидролизованный ПВС, степень полимеризации -1700, 0,5% 0,41 11 19 4,7 4,2 11,58 1054
13 Лигносульфонат технический, 0,15% 0,2 14 23 5,2 5,2 10,89 1134
14 Лигносульфонат технический, 0,5% 0,28 12 19 3,9 3,9 9,38 1148
15 Крахмал оксидированный, 0,15% 0,16 7 12 6,3 5,4 10,85 1172
16 Крахмал оксидированный, 0,5% 0,18 7 10 5,8 5,3 10,86 1164
В настоящее время наиболее распространенным клеящим веществом в производстве ГКЛ является крахмал, получаемый из кукурузы, картофеля, тапиоки, риса и др.
Было предложено большое количество технических решений по замене крахмала, имеющего в том числе и пищевую ценность, другими материалами. Так, в работах А.П. Лукоянова [6] предлагается использовать комплексные соли лигносульфонатов. В патенте СССР SU 1188139 описан способ производства гипсокартонного листа путем смешивания гипсового вяжущего, добавки, воды, сульфитно-дрожжевой бражки и пенообразователя, формования из полученной массы гипсокартонных листов и сушки, отличающийся тем, что с целью повышения прочности при сохранении объемной массы гипсовое вяжущее смешивают с добавкой сульфата марганца в количестве 0,5—5 мас.%, затем с водой, содержащей сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ) в количестве 0,4—1,7 мас.% от массы вяжущего. Сульфат марганца и СДБ образуют прочный комплексный гель, обладающий хорошей адгезией как к гипсу, так и к картону. В результате происходит увеличение прочностных характеристик всего изделия. Сульфат марганца также ускоряет время схватывания гипсового теста за счет одноименного с гипсом аниона, что позволяет увеличить скорость конвейера схватывания. Сокращение сушки изделия происходит в результате
уменьшения воды затворения гипсового вяжущего. Количественное сокращение воды не указано, но указано время сокращения сушки на 9,38—14,75%.
Патент Канады СА1211480 описывает способ производства гипсокартонных листов (ГКЛ) с использованием пены из водного раствора поливинилового спирта. Эта пена вносится в формовочную массу, которую распределяют между двумя бумажными наружными листами и позволяют ей застыть. В дальнейшей реализации к формовочной массе добавляют эмульсию, состоящую из асфальта и воска. При этом поливиниловый спирт из пенообразующей смеси взаимодействует с асфальтово-восковой эмульсией, улучшая водостойкость получаемого гипсокартонного листа.
Изучение влияния современных адгезионных добавок на прочность сцепления сердечника с картоном остается актуальным в свете чрезвычайно высокой зависимости качества выпускаемого ГКЛ от внешних факторов. Так, например, современные заводы, имеющие возможность использовать на одной линии производства ГКЛ полугидрат с различных установок по варке гипса, при работе на гипсовом камне из разных источников отмечают, что качество приклейки (при сохранении рецептур и режимов сушки) может сильно отличаться в зависимости от типа агрегата по обезвоживанию гипса. Это было замечено и при попытке внедрения новых типов пластификаторов: уменьшение В/Г привело к умень-
74
май 2013
шению объема формовочной массы, увеличению объема пеномассы со снижением плотности готового продукта и, как следствие, падению прочности сцепления сердечника с картоном. Все это говорит о низком запасе адгезии, получаемой при использовании традиционного крахмала.
Как показывают многочисленные исследования в области производства сухих строительных смесей и более ранние исследования в области полимербето-нов, при низких значениях объемного соотношения полимер/вяжущее (ниже 0,1) при создании матрицы материала полимерные пленки дислоцируются в основном в узлах микротрещин и крупных порах. Соответственно со снижением плотности и увеличением дефектности материала возрастает и роль полимерного связующего. С заменой традиционного крахмала на полимерное связующее возможно создание полимергипсовых плит с плотностью значительно ниже 0,6 кг/см3 без потери эксплуатационных характеристик, без внесения существенных изменений в технологию производства и значительного удорожания готового изделия.
В работе было изучено влияние различных типов доступных полимерных промышленных продуктов, применяемых в смежных областях производства строительных материалов, на адгезию гипс/картон. С этой целью полугидрат смешивали с дисперсиями полимеров и заливали в формы (40x40x160 мм), в которые был предварительно помещен картон. Через 2 ч выдерживания в нормальных условиях осуществлялась сушка в теплом шкафу при температуре 60оС до постоянной массы. После охлаждения исследовалась адгезия, прочность при изгибе и сжатии. Кроме того, проверялось и воздействие на гидратацию — отслеживались начало и конец схватывания.
В качестве гипсового вяжущего использовался гипс полугидрат марки Г5 по ГОСТ 125—79 производства ООО «Волма-Воскресенск».
Исследования проводились при постоянном В/Г соотношении 0,6. Дозировка полимерных дисперсий в экспериментальных составах и результаты экспериментальных исследований представлены в таблице.
Выбор марок винилацетат-этилен и стирол-акрилатных дисперсий основывался на рекомендациях производителя — Wacker Chemie. ПВС были изучены более широко. В работе использовались образцы продуктов фирмы CCP различной степени полимеризации и гидролиза.
Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют сделать вывод о влиянии типа полимерной дисперсии на такие свойства ГКЛ, как адгезионная прочность склейки гипс-картон, параметры плотности и прочности. Наиболее перспективными материалами для замены крахмала на другие виды полимерных дисперсий являются стирол-акриловые дисперсии и высоковязкие марки ПВС различной степени гидролиза.
Результаты исследования показали, что использование небольших дозировок данных полимеров вместо крахмала в производстве ГКЛ позволяет значительно увеличить прочность изделия, адгезию слоев гипс-картон с одновременным уменьшением плотности ГКЛ без изменения технологии производства и технологического регламента. Это предполагает проведение дальнейших экспериментальных исследований с целью определения механизмов действия введения полимерных дисперсий на физико-механические свойства ГКЛ.
Ключевые слова: гипсокартон, гипсокартонные плиты, адгезия гипсового сердечника к картону, поливиниловый спирт, стирол-акриловая дисперсия.
Список литературы
1. Ветегрове Х. Гомогенизатор Claudius Peters — гипсовая технология для снижения затрат и повышения качества // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 7-9.
2. Сапелин Н.А., Бурьянов А.Ф., Бортников А.В. Зависимость прочности бетонов на основе неорганических вяжущих от объемной массы // Строительные материалы. 2001. № 6. С. 36-38.
3. Гончар В.Ф., Бортников В.Г., Бурьянов А.Ф. Домол гипсового вяжущего — эффективный технологический прием в производстве гипсокартонных листов // Сборник трудов ВНИИСТРОМ. Вып. № 52. М. 1984. С. 89-95.
4. Маурицио Б. Применение современных разжижите-лей при производстве гипсокартона. Материалы V международной научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий», Казань, 2010. С. 183-189.
5. Лукоянов А.П., Долгарев А.В., Варламов В.П., Бортников В.Г. Замена крахмала в производстве гипсо-картонных листов комплексными солями лигно-сульфонатов // Сборник трудов ВНИИСТРОМ. Вып. № 60. 1987. С. 45-51.
6. Лукоянов А.П., Долгарев А.В., Варламов В.П., Бортников В.Г. Замена крахмала в производстве гипсо-картонных листов комплексными солями лигно-сульфонатов // Сборник трудов ВНИИСТРОМ. Вып. № 60. 1987. С. 127-133.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
объявляет прием студентов для обучения:
• по направлению подготовки «Химическая технология» (240100) по профилю «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов» бакалавр-инженер (срок обучения 4 года) и магистр (срок обучения 6 лет);
• по направлению подготовки «Строительство» (270800) по профилю «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» бакалавр-инженер (срок обучения 4 года).
Профессиональную подготовку специалистов осуществляет кафедра технологии строительных вяжущих веществ, материалов и изделий. Кафедра была организована в 1921 г.
По окончании института выпускники рекомендуются для работы на инженерных должностях в качестве технологов широкого профиля на промышленных предприятиях, в проектных и научно-исследовательских организациях строительной индустрии: заводах по производству портландцемента и других вяжущих веществ, домостроительных комбинатах, заводах бетонных и железобетонных изделий, предприятиях по производству строительных материалов и изделий, сухих строительных смесей и др.
Условия приема:
зачисление по результатам ЕГЭ (по направлению 240100 - русский язык, химия, математика); (по направлению 270800 - русский язык, физика, математика).
Срок подачи документов:
на дневное отделение с 20 июня по 25 июля 2013 г.; на заочное отделение с 20 июня по 30 сентября 2013 г.
Подробная информация о приеме на сайте института:
www.technolog.edu.ru (раздел «Поступающим»).
Контакты приемной комиссии:
(812) 316-13-12; abitur@technolog.edu.ru
май 2013
75
