CC BY
15УДК 691.175.2
А.Д. КОРНЕЕВ, д-р техн. наук; М.А. ГОНЧАРОВА, д-р техн. наук; Г.А. ШАТАЛОВ, инженер
Липецкий государственный технический университет (398600, Липецк, ул. Московская, 30)
Технология композитной черепицы с теплоизоляцией из наполненного пенополиуретана*
Представлены результаты улучшения строительно-технических свойств наполненных пенополиуретанов с целью применения их в качестве теплоизоляционного слоя в композитной металлочерепице. Показано, что тонкодисперные конвертерные шлаки могут рассматриваться как эффективные наполнители в жестких пенополимерных композициях. Производство кровельных элементов осуществлено в Липецкой области и характеризуется значительным экономическим эффектом.
Ключевые слова: пенополиуретаны, наполнители, композитные кровельные конструкции, металлическая черепица, структура, конвертерные шлаки.
A.D. KORNEEV, Doctor of Technical Sciences, M.A. GONCHAROVA, Doctor of Technical Sciences, G.A. SHATALOV, engineer Lipetsk State Technical University (30, Moskovskaya Street, Lipetsk, 398600, Russian Federation)
Technology of composite tiles with heat insulation made of filled polyurethane foam
Results of the improvement of building and technical properties of filled polyurethane foams with the purpose to use them as a heat-insulating layer of composite metal tiles are presented. It is shown that fine-dispersed converter slags can be considered as effective fillers in hard foam polymer compositions. Production of roofing elements was carried out in the Lipetsk region and is characterized by significant economic effect.
Keywords: polyurethane foams, fillers, composite roofing constructions, metal tile, structure, converter slags.
В последние годы многослойные конструкции и элементы находят все большее применение в строительстве. Их функциональная и экономическая эффективность обусловлена синергетическим сочетанием структур, а также конструкционных и теплоизоляционных свойств используемых материалов, работающих как единое целое.
Кровельные многослойные конструкции используются для зданий и сооружений различного назначения. Их применение решает сразу несколько задач — создание законченного архитектурного образа, обеспечение высоких прочностных и деформационных характеристик при хорошей шумо- и теплоизоляции, позволяет добиться минимизации затрат при монтаже.
Получение многослойной кровельной конструкции, представляющей собой металлическую черепицу и на-
несенный на нее модифицированный жесткий пенополиуретан (ППУ), за единый технологический цикл воспроизводит сложный и трудоемкий комплекс работ и мероприятий по изготовлению качественного кровельного пирога, включая гидро-, паро- и теплоизоляцию. Использование легких, транспортабельных и технологичных кровельных элементов в условиях массового производства создает широкие возможности для индустриального строительства [1].
Пенополиуретаны применяются во всем мире уже на протяжении более чем 80 лет и в настоящее время сохраняют одно из ведущих мест среди теплоизоляционных полимерных материалов. Жесткие пенополиуретаны получили широкое распространение в различных областях строительства за счет низкой теплопроводности, легкости, технологичности. Тем не менее ППУ об-
4 -
3 -
2 ^
3
1 | | 1
2,7
3
3,3
3,6
3,9
4,2
П/Д
Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии от соотношения основных сырьевых компонентов: 1 - андезитовая мука; 2 - известняк; 3 - конвертерный шлак
П/Д
Рис. 2. Зависимость водопоглощения от соотношения компонентов и вида наполнителя: 1 - известняк; 2 - конвертерный шлак; 3 - андезито-вая мука
* Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части (НИР 496).
R
научно-технический и производственный журнал Q'j'prjyfj'ijj^jlj^js 92 март 2014 M ®
Results of scientific research
Пленки
Рис. 3. Микрофотография (увеличение х200) структуры пенополиуретана
Сырьевой компонент Полиизоцианат/Диэтиленгликоль
2,7 3,6 4,5
Полиизоцианат ТДИ-50 33,24 35,64 37,26
Диэтиленгликоль 12,31 9,9 8,28
Триэтаноламин 0,95 0,96 0,96
Диметилкетон 6 6 6
Гидрофобизирующая жидкость 0,5 0,5 0,5
Наполнитель 47 47 47
ладают и недостатками, в том числе высокой стоимостью, горючестью и невысокой прочностью и водостойкостью. Эти проблемы могут быть решены как на стадии подбора сырьевых компонентов, так и в результате наполнения полимерной матрицы минеральными ультрадисперсными наполнителями.
Как известно, структурообразование пенополиме-ров происходит в несколько стадий. Одной из основных стадий является образование форполимера, основанное на реакции между изоцианатами и полиэфирами. Пред-пологается, что полиизоцианат и полиэфиры вступают в реакцию и реакция протекает наиболее полно лишь при определенном соотношении этих компонентов. Отклонение в ту или иную сторону от оптимального соотношения приводит к увеличению непрореагировав-ших веществ и соответственно к изменению качественных характеристик материала.
Поэтому практический интерес представляет нахождение оптимального соотношения компонентов в пено-полимерной смеси. За критерий оптимальности принимались прочность при сжатии и водопоглощение. Определение этих свойств производилось по стандартным методикам. Составы пенополимербетонных смесей приведены в таблице. Зависимости, установленные в результате эксперимента, приведены на рис. 1 и 2. При этом в качестве наполнителей использовались тонкодисперсные известняки, конвертерные шлаки и андезито-вая мука [2].
Вспенивание композиции осуществлялось в закрытой форме, обеспечивающей одинаковые геометрические размеры образцов. Расход общей навески материала определялся из расчета получения материала со средней плотностью 450 кг/м3.
Как показывают результаты эксперимента, прочность ППУ в значительной степени определяется соот-
ношением полиизоцианата (П) и диэтиленгликоля (Д). При этом зависимость прочности от П/Д (см. таблицу) носит экстремальный характер и имеет ярко выраженный оптимум. При увеличении соотношения от 2,7 до 4,1 прочность всех составов возрастает в среднем в два раза. При увеличении расхода полиизоцианата происходит снижение прочности материала, что связано с остатком в составе смеси непрореагировавшего поли-изоцианата.
Максимальное значение прочности при оптимальном соотношении основных компонентов составило для андезитовой муки 3,8 МПа, для молотого известняка 4,2 МПа, для конвертерных шлаков 4,4 МПа.
Зависимость водопоглощения материала по объему от соотношения основных компонентов пенополи-мербетонной смеси полиизоцианата и диэтиленглико-ля носит криволинейный характер (рис. 2). При изменении соотношения от 2,7 до 3,3 водопоглощение материала при использовании разных видов наполнителя изменяется мало. При увеличении расхода полии-зоцианата водопоглощение материала начинает возрастать. Это связано с увеличением доли открытой пористости в материале, что может быть обусловлено несогласованностью процессов вспенивания и отверждения системы.
Таким образом, оптимальным с точки зрения прочности для составов на основе исследуемого полиизоцианата соотношением основных компонентов является П/Д=3,9—4,1. Оптимальным с точки зрения водопоглощения соотношением П/Д является 2,7—3,3. Принимаем состав пенополимера, предназначенного для многослойной кровельной конструкции, с соотношением между полиизоцианатом и диэтиленгликолем, равное 3,3.
,S 5
4
3
о о. т
2
0,9 1,1
Полиизоцианат/Наполнитель
Рис. 4. Исследование прочностных свойств наполненных ППУ: 1 вертерный шлак; 2 - микрокремнезем
Рис. 5. Оборудование для производства наполненного пенополиуретана
кон-
Г^ научно-технический и производственный журнал
v.-Jy^Arb:® март 2014 93
Одним из эффективных способов модификации свойств полимерных материалов является их наполнение [3]. Наполнители, равномерно распределяясь в объеме получающейся композиции, образуют четко выраженную границу раздела с полимерной средой. Введение наполнителей способствует улучшению физико-механических и технологических свойств полимеров, а также увеличению объема материала, т. е. снижению его стоимости [4].
Поэтому в качестве эффективных наполнителей, позволяющих минимизировать недостатки, присущие ППУ, были выбраны отходы металлургической промышленности — микрокремнезем и конвертерные шлаки [5, 6]. Введение гетерогенного наполнителя позволяет компенсировать недостатки полимерной дисперсионной среды. Увеличение прочности наполненного полимера происходит в том случае, если наполнитель прочнее полимера и обеспечивается совместная работа этих компонентов. При этом частицы наполнителя должны находиться в прочном контакте с полимерной матрицей. Обычно минеральный наполнитель является внутриструктурным, он встраивается в элементы ячеистой структуры. Элементарная ячейка пенополиуретана представлена на рис. 3. По правилам Плато наиболее вероятной формой газоструктурных элементов являются двенадцатигранные многогранники пентогональные додекаэдры. В каждом ребре такого многогранника сходятся три пленки, углы между которыми равны 120о. Ребра многогранника характеризуются утолщениями, которые в поперечном сечении имеют форму сферического треугольника (каналы Плато—Гиббса).
Для получения наполненной пенополимерной смеси было решено использовать последовательный способ приготовления, по которому производится первоочередное перемешивание основных компонентов с последующим введением остальных компонентов и наполнителей. Важно, чтобы суммарное время перемешивания первых двух компонентов было достаточным для получения качественной изоляции и не привело к недостаточной продолжительности инкубационного периода.
Проведенные исследования зависимости функциональных свойств ППУ от влажности наполнителей показали, что с увеличением влажности происходит повышение доли открытых пор, укрупнение размеров ячеек, что приводит к ухудшению теплоизоляционных свойств. Поэтому в составы вводили только сухой наполнитель, удельная поверхность которого составляла от 300 до 350 м2/кг (рис. 4).
Таким образом, пенополиуретаны, имеющие в своем составе более 40% тонкодисперсных наполнителей, характеризуются прочностью более 5 МПа, коэффициентом теплопроводности 0,06—0,08 Вт/(м-°С).
При напылении пенополиуретана в качестве перемешивающего компонента используется сжатый воздух от компрессора. В пистолет-распылитель поступают сырьевые компоненты, а через верхний канал подводится воздух (рис. 5). В смесительной камере происходит перемешивание компонентов и из выходного сопла аэрозольным факелом выдается смесь, которую оператор направляет на металлическую поверхность. Пенополиуретановые компоненты обладают высокой адгезией к самым различным материалам, при этом геометрия поверхности значения не имеет.
Технология многослойной кровельной черепицы внедрена на двух предприятиях Липецкой области с общим экономическим эффектом 1,5 млн р. [7, 8].
Список литературы
1. Гнип И.Я., Вайткулис С., Веялис С. Прогностическая оценка деформации ползучести полистирольного пенопласта (EPS) при постоянном сжатии // Строительные материалы. 2013. № 7. С. 47—54.
2. Корнеев А.Д., Проскурякова А.О. Композиционный материал на основе пенполиуретана с использованием микрокремнезема // Вестник ВолгГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. 2011.Вып. 24 (43). С. 72-76.
3. Корнеев А.Д., Проскурякова А.О. Наполненный пенополиуретан с улучшенными эксплуатационными свойствами // Вестник ЦРО РААСН. Тамбов-Воронеж, 2012. С. 227-231.
4. Гончарова М.А. Системы твердения и строительные композиты на основе конвертерных шлаков. Монография. Воронеж: ВГАСУ, 2012. 136 с.
5. Проскурякова А.О., Корнеев А.Д., Шаталов Г.А. Сэндвич-панели с утеплением из наполненного пенополиуретана для малоэтажного строительства // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Строительство и архитектура. 2013. Вып. 32(51). С. 71-76.
6. Гончарова М.А., Чернышов Е.М. Формирование систем твердения композитов на основе техногенного сырья // Строительные материалы. 2013. № 5. С. 60-64.
7. Патент РФ 2452829. Металлочерепица/ Шаталов Г.А. // Заявл. 13.08.2010 г. Опубл. 10.06.2012 г. Бюл. № 16.
8. Патент РФ 2378071. Линия и способ изготовления и монтажа металллочерепицы / Шаталов Г.А. // Заявл. 20.07.2009 г. Опубл. 10.01.2010 г. Бюл. № 1.
References
1. GnipI.Ya., Vaytkulis S., Veyalis S. The predictive assessment of deformation of creep of polystyrene polyfoam (EPS) at continuous compression. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 7, рp. 47-54 (In Russian).
2. Korneev A.D. Proskuryakova A.O. Composite material on a basis polyurethan foam with microsilicon dioxide use. Vestnik VolgGASU. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura. 2011. Release 24 (43), рр. 72-76 (In Russian).
3. Korneev A.D. Proskuryakova A.O. The filled polyurethane foam with the improved operational. Vestnik TsRO RAASN. Tambov-Voronezh properties, 2012, рр. 227231 (In Russian).
4. Goncharova M. A. Sistemy tverdeniya i stroitel'nye kom-pozity na osnove konverternykh shlakov. [Systems of curing and construction composites on the basis of converter slags]. Voronezh: VGASU, 2012. 136 p. (In Russian).
5. Proskuryakova A.O. Korneev A.D. Shatalov G.A. Sendvich-paneli with warming from the filled polyurethane foam for low construction. Vestnik VolgGASU. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura. 2013. No. 32 (51), рp. 71-76 (In Russian).
6. Goncharova M. A. Chernyshov E.M. Formation of systems of curing of composites on the basis of technogenic raw materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 5, рp. 60-64 (In Russian).
7. Patent RF 2452829. Metallocherepitsa [Metallocherke-pitsa]. Shatalov G.A. Declared 13.08.2010. Published 10.06.2012. Bulletin No. 16 (In Russian).
8. Patent Russian Federation 2378071. Liniya i sposob izgo-tovleniya i montazha metalllocherepitsy [Line and way izgotovlenkiya and installation Metalllochekrepitsa]. Shatalov G.A. Declared 20.07.2009. Published 10.01.2010. Bulletin No. 1 (In Russian).
94
научно-технический и производственный журнал
март 2014
jVJ ®
