CC BY
0
ISSN 1560-3644 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2024. № 2
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
Научная статья УДК 536.212
http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-2-105-109
Теплоизоляционные материалы на основе вспученного перлитового песка и отходов целлюлозного производства
H.A. Вильбицкая
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Исследованы процессы получения теплоизоляционных материалов на основе природных пород вулканического происхождения - перлита, вермикулита и лигносульфонатов, являющихся вторичным продуктом производства целлюлозы, путем вспенивания полимерного сырья. Проведены исследования сырьевых компонентов методами высушивания, взвешивания, определения вязкости и плотности. Определены оптимальные составы смесей для производства теплоизоляционных материалов на основе вспученного перлитового песка и сульфитно-дрожжевой бражки, которая является отходом производства целлюлозы. Найденные плотность, предел прочности при сжатии и водопоглощение свидетельствуют о достаточно высоких эксплуатационных характеристиках изготовленного материала.
Ключевые слова: вспученный перлитовый песок, лигносульфонаты, сульфитно-спиртовая бражка, теплоизоляционные плиты, полусухой способ формования, безобжиговые теплоизоляционные материалы
Для цитирования: Вильбицкая Н.А. Теплоизоляционные материалы на основе вспученного перлитового песка и отходов целлюлозного производства // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2024. № 2. С. 105-109. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-2-105-109.
Original article
Thermal insulation materials based on expanded perlite sand and pulp production waste
N.A. Vilbitskaya
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. The processes of obtaining thermal insulation materials obtained on the basis of natural rocks of volcanic origin - perlite, vermiculite and lignosulfonates, which are a secondary product of cellulose production obtained by foaming polymer materials, are studied. Studies of raw materials components by methods of drying, weighing, determination of viscosity and density have been carried out. The optimal compositions of raw materials mixtures for the production of thermal insulation materials based on expanded perlite sand and sulfite-yeast mash, which is a waste product of pulp production, have been determined. The density of the products, the compressive strength and water absorption which indicates a sufficiently high performance characteristics of the resulting material.
Keywords: expanded perlite sand, lignosulfonates, sulfite-alcohol mash, thermal insulation boards, semi-dry molding method, non-firing thermal insulation materials
For citation: Vilbitskaya N.A. Thermal insulation materials based on expanded perlite sand and pulp production waste. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2024;(2):105-109. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-2-105-109.
© ЮРГПУ (НПИ), 2024
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
Введение
Выпуск вспученного перлитового песка и изделий на его основе, отличающихся хорошей тепло- и звукоизолирующей способностью, увеличивается с каждым годом. Основным направлением развития промышленности, связанным с производством теплоизоляционных материалов, стало значительное увеличение объемов индустриальных изделий: конструктивно-теплоизоляционных бетонов, заполнителей штукатурных растворов, а также перлитопластобето-нов и т.д. [1-3].
В теплоизоляционных массах в качестве связующего применяют вещества минерального и органического происхождения. Теплоизоляционные изделия, как правило, отличаются большой объемной массой, высокими температурами термообработки и низким коэффициентом конструктивного качества [4]. Наилучшими свойствами обладают изделия, где используются в качестве связующих высокомолекулярные соединения. Эти материалы сочетают в себе высокие теплозащитные свойства с хорошими прочностными и эксплуатационными характеристиками. Однако применение синтетических смол в качестве связующего для вспученного перлитового песка сопряжено с рядом факторов, ограничивающих более широкое применение этих материалов. Основными из них являются высокая стоимость и токсичность.
В то же время существуют производства, органические отходы которых могут быть использованы в качестве связующего. При производстве целлюлозы по сульфитному способу образуется чрезвычайно большое количество отходов, объединенных общим названием лиг-носульфонаты. Они не подлежат сбросу в водоемы, так как при этом погибает флора и фауна. Утилизация данных вторичных продуктов и изготовление на их основе высокоэффективных негорючих теплоизоляционных материалов весьма перспективно.
В соответствии с проектом1 ежегодный объем инвестиций в отрасль увеличится на 13,7 трлн руб., что почти в 2,5 раза выше показателя 2018 г., рост объемов работ составит 11,2 трлн руб. Прогнозируется развитие таких сегментов, как жилищное, транспортное, про-
мышленное и социальное строительство, предполагается разработка программ по сокращению аварийного и ветхого жилищного фонда страны, что потребует обеспечить выпуск эффективных и недорогих теплоизоляционных материалов [5, 6].
Получение таких материалов связано с необходимостью снижения их плотности. Основной способ снижения - это применение связующих, обеспечивающих достаточную прочность изделий при сравнительно небольшом их расходе. В этом отношении представляет интерес получение теплоизоляционных перлитовых изделий с применением сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ).
Для решения поставленных задач исследованы свойства исходных материалов, разработаны составы сырьевых смесей и получены образцы материала в лабораторных и промышленных условиях, проведено определение физико-механических и физико-химических показателей получения образцов.
Методика эксперимента
Вспученный перлитовый песок засыпали в лопастную мешалку, добавляя жидкие компоненты и перемешивая их в течение 5-10 минут. Сырьевую смесь помещали в металлическую форму, имеющую в сечении квадрат со стороной 50 мм, высотой 100 мм и запрессовывали с усилием 0,3-0,5 МПа на лабораторном прессе.
При исследовании физико-механических показателей учтены требования ГОСТ 17177-94 «Материалы строительные теплоизоляционные. Методы испытаний».
В ходе эксперимента найдена плотность СДБ, которая составила от 1100 до 1200 кг/м3. Плотность лигносульфонатов определена с помощью ареометра, установлена вязкость раствора, зависящая от концентрации растворенного или диспергированного вещества, так как молекулы растворенного вещества или частицы дисперсной фазы оказывают дополнительное сопротивление течению. Условная вязкость лигносульфонатов зависит от плотности, что является весьма характерным явлением для растворов высокополимеров - с ростом концентрации растворов вязкость растет очень сильно благодаря сетке из молекул, при заданной
1 Стратегия развития строительной отрасли и жилищно-комму-
нального хозяйства Российской Федерации на период до 2030 года
с прогнозом до 2035 года.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
плотности условная вязкость составила 206 с, что связано с количеством сухого вещества в растворе. С повышением температуры сушки содержание сухого вещества уменьшается и сухие остатки, полученные при температуре от 100 до 200 °С водорастворимы, а термообработка при 250 °С придает веществу водостойкость, сухой остаток нерастворим в воде, что имеет решающее значение при отработке температурного режима получения теплоизоляционных изделий. При встряхивании лигносульфо-наты образуют пену. Устойчивость ее измеряется временем существования определенного объема, зависит только от прочности пленок, разделяющих пузырьки газа. Прочность пленки зависит от содержания растворенного высоко-полимера, который в нашем случае является кальциевой солью лигносульфоновых кислот.
Результаты эксперимента по определению высоты пены и пеностойкости показали, что с увеличением плотности вещества растет пеностойкость, но уменьшается высота столба пены. При плотности 1200 кг/м3 лигносульфо-наты полностью утрачивают способность к пе-нообразованию, так как вязкость вещества резко возрастает, а следовательно, увеличиваются силы межмолекулярного сцепления. акси-мальная высота пены достигается при плотности СДБ 1080 кг/м3, а затем высота снижается с увеличением плотности (рис. 1).
1050 1100
Плотность СДБ, т/м3
Рис. 1. Зависимость высоты пены и пеностойкости от плотности сульфитно-дрожжевой бражки Fig. 1. Dependence of foam height and foam resistance on the density of sulfite yeast fermentation
В работе использован вспученный перлитовый песок пород Арагацкого месторождения, который характеризуется малой объемной насыпной массой (OHM) - 50 кг/м3 и большим содержанием мелких фракций (фракция размером менее 0,15 мх10-3 - более 30 %, 0,6-0,35 мх10-3 - менее 40 %), каждая из которых имеет свою объемную насыпную массу [7]. Различия между
минимальной и максимальной массой составляют более 50 % в зависимости от размера фракции, и в итоге объемная насыпная масса вспученного перлитового песка складывается из OHM отдельных фракций.
При разработке составов сырьевых смесей на основе вспученного перлитового песка и связующего учтено, что использование полусухого способа формования изделий сокращает сроки сушки готовых изделий и повышает прочность, при этом сырьевая смесь должна иметь влажность менее 20 % по объему.
Лигносульфонаты, будучи растворами высокополимеров, адсорбируются на поверхности перлитовых зерен, при этом важное значение имеет начальная концентрация раствора, мерой которой может служить плотность вещества. Экспериментальные данные подтвердили, что при прочих равных условиях концентрация и плотность раствора служат основным фактором, определяющим основные свойства материала. Наибольшей прочностью и лучшей водостойкостью обладают образцы, изготовленные на сульфитно-дрожжевой бражке большей плотности, однако применение СДБ большой плотности (1200 кг/м3) затруднительно из-за высокой вязкости, которая усложняет перемешивание. Дальнейшее уменьшение плотности значительно снижает прочность образцов и повышает водопоглощение. Таким образом, установлено, что сульфитно-дрожжевая бражка может быть использована в качестве связующего для теплоизоляционных материалов, при этом оптимальная ее плотность в сырьевой смеси составляет 1120 кг/м3, что позволяет получать достаточно прочные и водостойкие образцы (рис. 2).
Плотность раствора С'ДБ.^кг/м3
—О— Плотность готового образца, кг/м3 —Прочность готового образца, МПа
Рис. 2. Зависимость свойств теплоизоляционного материала от плотности сульфитно-дрожжевой бражки Fig. 2. Dependence of thermal insulation material properties on the density of sulfite yeast fermentation
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
Для эксперимента выбран метод полусухого прессования образцов, проведен ряд опытов для уточнения оптимального соотношения компонентов сырьевой смеси. Дозировка компонентов проведена в массовых частях, неизменным осталось количество вспученного перлитового песка (ВПП) - 100 массовых частей, а переменным было количество связующего. Установлено, что с увеличением связующего от 50 до 150 частей на 100 ВПП увеличивается объемная масса образцов, растет прочность, несколько снижается водопоглощение. Однако при введении 150 частей СДБ весьма затруднено прессование. Сырьевая смесь налипает на стенки формы, при прессовании избыток жидкости вытекает. Снижение содержания СДБ в сырьевой смеси ниже 50 массовых частей приводит к получению сухих, неформуемых смесей. В этой связи выбран состав сырьевой смеси, содержащей 100 массовых частей перлита и от 50 до 150 массовых частей СДБ. Определено, что оптимальное усилие при формовании изделий из полусухой массы проводилось с усилием 0,3-0,5 МПа с коэффициентом уплотнения 2,2.
Свойства образцов в значительной мере зависят от объемной насыпной массы вспученного перлитового песка. Образцы объемной массой 90-115 кг/м3 обладают хорошими прочностными показателями и водостойкостью, в то время как мелкие фракции, объемная масса которых 50-75 кг/м3, практически непригодны к использованию в разрабатываемых сырьевых смесях. Проведено определение оптимальной температуры сушки образцов. Для этой цели отформованные образцы помещали в сушильный шкаф при температурах от 50 до 300 °С с интервалом 50 °С и высушивали. Установлено, что образцы приобретают водостойкость лишь при температуре термообработки 250 °С. Параллельно с определением температуры сушки определено время, необходимое на прогрев образца, испарение влаги и образование водостойкого соединения СДБ. Для этого образцы выдерживали в термокамере при температуре 250 °С от 1 до 5 часов.
Заключение
Изготовление теплоизоляционных материалов на основе вспученного перлитового песка и сульфитно-дрожжевой бражки - отхода, получаемого в больших количествах, является весьма перспективным направлением [8]. Разработана технология получения сравнительно легких и прочных изделий, которые имеют эксплуатационные свойства, необходимые для эффективных теплоизоляционных материалов.
Список источников
1. Алексеева Л., Нациевский С. Мировой опыт применения теплоизоляции на основе вспученного перлита // Капитальное строительствово. 2002. №8. С. 42-46.
2. Использование горнопромышленных отходов для получения вспененных теплоизоляционных материалов / О.В. Суворова, Н.К. Манакова, Д.В. Макаров, Н.М. Кулькова // Минералогия техногенеза. 2017. № 18. С. 163-173.
3. Сулейманова Л.А., Ищенко K.M. Теплоизоляционные материалы. Формованные теплоизоляционные материалы с использованием вспученного перлитового песка и отходов его производства. Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. 148 с.
4. Дудар МИ. Перлит - технологичный материал в производстве изделий и строительстве современных зданий // Строительные материалы и изделия. 2005. № 6. С. 31-32
5. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных материалов: учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1980. 399 с.
6. Мантуров З.А. Безобжиговый теплоизоляционный материал на основе безводных силикат-натриевых композиций с заполнителем из перлита: сб. науч. тр. Sworld. 2013. Т.35, № 4. С. 32-35.
7. Алексеева Л.В. Технологические особенности производства вспученного перлита из сырья различных месторождений // Строительные материалы и изделия. 2005. № 6. С. 25-29.
8. Алексеева Л.В. Перспективы производства и применения вспученного перлита как заполнителя для легких бетонов // Строительные материалы. 2006. №6. С. 74-77.
References
1. Alekseeva L., Natsievskiy S. World experience of application of thermal insulation on the basis of expanded perlite. Kapitalnoe building. 2002;(8):42-46. (In Russ.)
2. Suvorova O.V., Manakova N.K., Makarov D.V., Kulkova N.M. Use of mining wastes for production of foamed thermal insulation materials / // Mineralogy of technogenesis. 2017;(18):163-173. (In Russ.)
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
3. Suleymanova L.A., Ischenko K.M. Thermal insulation materials. Moulded thermal insulation materials with the use of expanded perlite sand and wastes of its production. Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG; 2012. 148 p.
4. Dudar M.I. Perlite - technological material in the manufacture of products and construction of modern buildings. Building materials and products. 2005;(6):31-32
5. Gorlov Yu.P. Technology of Heat Insulating Materials. Textbook for Universities. Moscow: Stroyizdat; 1980. 399 p.
6. Manturov Z.A. Fire-free thermal insulation material based on anhydrous sodium silicate compositions with perlite aggregate. Collection of scientific papers Sworld. 2013;35(4):32-35. (In Russ.)
7. Alekseeva L.V. Technological features of production of expanded perlite from raw materials of different deposits. Building materials and products. 2005;(6):25-29. (In Russ.)
8. Alekseeva L.V. Prospects of production and application of expanded perlite as an aggregate for lightweight concrete. Building materials. 2006;(6):74-77. (In Russ.)
Сведения об авторах
Вильбщкая Наталья Анатольевна^- канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общеинженерные дисциплины», vilbis@yandex.ru
Information about the authors
Natalia A. Vilbitskaya - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department «Fundamental engineering education», odejnaya@rambler.ru
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 23.04.2024; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 07.05.2024; принята к публикации / acceptedfor publication 14.05.2024.
