CC BY
214
УДК 674.817-41: 692.23
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПРОДУКТОВ*
© А.В. Ермолина , П.В. Миронов
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия), e-mail: [email protected]
Исследованы свойства пористого материала на основе волокнистой массы, получаемой при вторичной переработке тарного картона. Изучена его структура и показана возможность использования в качестве теплоизоляционного материала. Определены некоторые теплофизические и физико-механические показатели, изучены гигроскопические свойства.
Ключевые слова: теплоизоляционный материал, древесно-волокнистые продукты, волокнистая масса, тарный картон, древесное волокно.
Введение
Рациональное использование природных ресурсов и вторичного сырья для производства полезной продукции остается актуальной проблемой. Помимо этого, в соответствии с федеральной целевой программой «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009-2013 гг.)», повышены требования к экологичности материалов, которые используются в производстве строительных материалов. Это стимулирует разработку, в том числе, и безопасных для человека и окружающей среды теплоизоляционных материалов на основе природных волокнистых продуктов.
В настоящее время в связи с активным развитием малоэтажного домостроения возрастает спрос на теплоизоляционные материалы. Особый интерес представляют те из них, которые обладают низкой теплопроводностью и в то же время оптимальными величинами механической прочности, гигроскопичности и паропроницаемости. Большой интерес представляют большеформатные плиты, или маты, определенной толщины, которые способны удерживать форму, позволяют избежать слеживания и оседания и в связи с этим будут удобны в строительстве.
Широко распространены и применяются теплоизоляционные материалы на основе базальтового волокна, вспененные полиэтилены и пенополистиролы. Технологии изготовления этих материалов отличаются энергоемкостью и сложным технологическим процессом. Данные материалы не связывают влагу и требуют укладки пароизоляции.
В настоящее время на основе волокон древесины изготавливаются широко известные теплоизоляционные материалы, такие как «Эковата» [1], мягкие ДВП «Софтборд» [2], «Древовата» [3], материалы на основе натуральной шерсти «Klimalan» (Клималан) [4] и льна «ISOLINA»[5]. Все они имеют свои особенности. «Эковата» изготавливается на основе макулатурного сырья, к которому предъявляются достаточно высокие требования [3]. При сухом способе укладки «Эковата» сильно пылит, при утеплении сложных поверхностей необходимо дополнительное оборудование и увлажнение. Мягкие ДВП «Софтборд» и «Древовата» могут быть произведены только в условиях многотоннажного индустриального производства. Теплоизоляционные материалы на основе шерсти и льна имеют достаточно высокую стоимость и подвержены биодеструкции.
Цель данного исследования - разработка составов и способов получения пористых теплоизоляционных материалов с использованием природного волокнистого сырья, получаемого из отходов переработки древесины или картона.
* Статья имеет электронный дополнительный материал (приложение), который доступен читателям журнала по адресу http://www.chem.asu.ru/chemwood/volume15/2011_03/1103-197app.pdf.
Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
В качестве основы для получения плитных теплоизоляционных материалов использовалось два вида сырья: древесное волокно, которое было получено мокрым способом размола на дефибраторе, и волокнистая масса, полученная из тарного картона мокрым способом размола на гидроразбивателе.
На основании предварительных экспериментов [6] отобраны общедоступные связующие, оказывающие наименьшее отрицательное воздействие на человека: поливинилацетатный клей ПВА и бутадиен-стирольный латекс. Также были подобраны отвердители и сшивающие агенты, способные выполнять свои функции при комнатной температуре, а в случае применения бутадиен-стирольного латекса - при температуре менее 100 °С. Для клея ПВА в качестве отвердителя использовался КЛЕБИТ 303.5 фирмы «КЛЕЙБЕ-РИТ» в количестве 5% от количества клея; для бутадиен-стирольного каучука брался спиртовый раствор сшивающего агента парадинитрозобензола (ТУ 6-09-3744-76) в количестве 2% от содержания латекса. С целью получения пористых материалов проводилось вспенивание способом интенсивного диспергирования в водной среде композиций волокнистого наполнителя и связующего с использованием поверхностно-активного вещества (пенообразователя).
Эксперименты по разработке оптимального состава материала проводились с использованием симплекс-решетчатого плана (Шеффе) третьего порядка [8]. В качестве выходных величин определялись стандартные физико-механические показатели для теплоизоляционных материалов в соответствии с ГОСТ 1717794 [9]: У! - плотность материала, р, кг/м3; У2 - прочность на сжатие при 10%-ной линейной деформации [о10], МПа; У3 - предел прочности при статическом изгибе [оизг], МПа. Варьируемыми факторами в эксперименте являлись (в пересчете на 1 м3 готового материала): Хі - количество наполнителя в абсолютно сухом состоянии (волокна), кг; Х2 - количество добавляемой воды, л; Х3 - количество связующего, % от Х1.
Оптимальным составом композиции считали такой, при котором достигались минимальная плотность и теплопроводность при удовлетворительных значениях механической прочности.
Композиции с лучшими значениями показателей по результатам экспериментов представлены в таблице 1.
Как следует из приведенных результатов, композиции с использованием в качестве связующего бутадиен-стирольного латекса имеют несколько большую плотность, чем композиции с использованием по-ливинилацетата (ПВА). Более высокую прочность на сжатие при 10%-ной линейной деформации демонстрируют композиции с наполнителем из волокнистой массы. Предел прочности при статическом изгибе, как правило, зависит от плотности материала. Однако с возрастанием плотности материала увеличивается и его теплопроводность [1]. Использование бутадиен-стирольного латекса в качестве связующего требует более значительных материальных затрат (высокая стоимость применяемого сшивающего агента). Таким образом, оптимальными по физико-механическим показателям и с точки зрения экономической эффективности являются композиции с клеем ПВА в качестве связующего (композиции №2 и 4). Наибольший интерес представляет композиция с наполнителем из волокнистой массы, так как это позволит вторично использовать скапливающийся в больших количествах тарный картон.
Далее проводились исследования свойств выбранной композиции.
Одним из главных показателей теплоизоляционного материала является коэффициент теплопроводности. Этот показатель определялся в соответствии с ГОСТ 7076-99 [10] методом стационарного теплового потока с помощью прибора ИТП - МГ 4 «Поток» (СКБ СТРОЙПРИБОР). Величина теплопроводности для композиции с оптимальным соотношением компонентов составляет 0,051±0,002 Вт/м К при влажности 5%, что соответствует требованиям ГОСТ 16381-77 [11].
Образцы полученного теплоизоляционного материала исследовались в соответствии с ГОСТ 1717794 на водо- и влагопоглощение в течение 24 ч. Влагопоглощение образцов составляет 10,94±0,56%. Водо-поглощение образцов в процентах от объема производилось в соответствии с ГОСТ по формуле:
к = -100, (1)
У-Ре
где т1 - масса образцов в абсолютно сухом состоянии, г; т2 - масса образцов после испытания, г; V - объем образца, см3; рв - плотность воды, г/см3.
Водопоглощение материала составило 85,65±6,72% от объема.
Для определения гигроскопичности теплоизоляционного материала выбранной композиции была получена изотерма десорбции воды методом длительного выдерживания в гигростатах с известной относительной влажностью воздуха [12]. Изотерма десорбции полученного материала на основе волокнистой массы и ПВА в качестве связующего приведена на рисунке.
Таблица 1. Результаты экспериментов
№ п/п Композиция Выходные величины по ГОСТ 17177-94
плотность, р, кг/м3 прочность на сжатие при 10%-ной линейной деформации [а10], МПа предел прочности при статическом изгибе [аизг], МПа
1 Древесное волокно - бутадиен- 100,3 0,019 0,139
стирольныи латекс
2 Древесное волокно - ПВА 81,1 0,015 0,229
3 Волокнистая масса - бутадиен- 99,1 0,022 0,149
стирольный латекс
4 Волокнистая масса - ПВА 69,2 0,028 0,125
Изотерма десорбции теплоизоляционного материала на основе волокнистой массы и ПВА
Кроме того, проводились исследования микроструктуры образцов теплоизоляционного материала с помощью оптического микроскопа и цифровой фотокамеры. Микрофотографии срезов образцов, полученных с использованием волокнистой массы и древесного волокна, приведены в электронном дополнительном материале к статье (см. приложение).
Обсуждение результатов
В работе исследованы возможные варианты композиций для изготовления плитного теплоизоляционного материала. Критерием для отбора оптимального, в рамках исследования, состава являлось получение материала с плотностью меньшей, чем у существующих аналогов, и приемлемыми физикомеханическими показателями, что важно в процессе строительства.
Из представленных вариантов (табл. 1) наиболее соответствует критерию отбора композиция №4 (волокнистая масса - ПВА). В таблице 2 приведен состав оптимальной композиции для получения 1 м3 готового материала. Полученные значения плотности и теплопроводности теплоизоляционного материала соответствуют предъявляемым требованиям.
Известно, что теплопроводность воздуха ~ 0,02 Вт/мК, воды - 0,58 Вт/мК, древесины (сырье для производства картона) ~ 0,2 Вт/м К. Теплопроводность полученного материала составила
0,051±0,002 Вт/мК (при влажности 5%). Следовательно, благодаря однородной пористой структуре (см. приложение) даже с учетом влажности, удалось получить материал с достаточно низкой теплопроводностью.
Используемый в качестве связующего клей ПВА относится к 4-му классу опасности «малоопасное вещество» по ГОСТ 12.1.007-76 [13], пожаро- и взрывобезопасен, является достаточно стабильным при использовании по назначению, процесс разложения отсутствует. Таким образом, материал при использовании в качестве связующего ПВА отвечает современным требованиям экологической безопасности.
Таблица 2. Состав композиции в расчете на 1 м3 готовой плиты
Состав композиции Соотношение компонентов, мас.%
Наполнитель в абсолютно сухом состоянии 10,56-10,71
Связующее 0,35-1,72
Добавляемая вода 87,25-88,54
Отвердитель КЛЕБИТ 303.5 0,02-0,09
Пенообразователь 0,37-0,38
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Относительная влажность воздуха,%
В состав композиции могут быть дополнительно введены добавки, снижающие горючесть материала (антипирены) и повышающие его биостойкость.
По величине водо- и влагопоглощения исследуемый материал близок к значениям натуральной древесины. В соответствии с изотермой сорбции (рис.) материал способен, аналогично древесным и целлюлозным материалам, увлажняться и высыхать в зависимости от влажности воздуха, создавая благоприятный микроклимат. Низкая влажность при относительной высоких значениях влажности воздуха свидетельствует о том, что при отрицательных температурах теплопроводность материала не будет значительно увеличиваться [14]. Это очень важно, поскольку теплоизоляционный материал предполагает использование его в условиях низких зимних температур и перепада влажности внутри и снаружи здания.
Выводы
На основании проведенных исследований получена оптимальная по составу композиция теплоизоляционного материала на основе волокнистой массы и ПВА в качестве связующего, соответствующая показателям ГОСТ 16381-77. Материал имеет однородную пористую структуру. При оптимальном соотношении компонентов плотность материала составила р = 69,2 кг/м3, прочность на сжатие при 10%-ной линейной деформации - [с!0] = 0,028 МПа, предел прочности при статической изгибе - [Сщг] = 0,125 МПа.
Теплопроводность составила (0,051±0,002), что соответствует как требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам нормативными документами, так и экологическим требованиям [11]. Гигроскопические свойства полученного материала (в расчете на единицу массы) близки аналогичным свойствам древесины.
Таким образом, полученный материал является перспективным для его использования в качестве утеплителя в щитовых конструкциях в малоэтажном строительстве.
Электронный дополнительный материал
В качестве приложения к статье в электронном дополнительном материале (http://www.chem.asu.ru/ chemwood/volume15/2011_03/1103-197app.pdf) приведены фотографии, характеризующий микроструктуру теплоизоляционных материалов, обсуждаемых в статье.
Список литературы
1. Гнип И.Я., Кершулис В.И., Веялис С.А. Теплофизические свойства эковаты // Строительные материалы. 2000. №11. С. 25-27.
2. Бирюков В.И., Данилов В.В., Смирнов И.Н. Древесноволокнистая плита «Софтборд» - многофункциональный изоляционный материал для домостроения // Деревообрабатывающая промышленность. 2008. №2. С. 2-4.
3. Патент №2149148 (РФ). Теплоизоляционный материал / В.И. Бирюков, В.В. Данилов, Н.М. Пашков / заявл. 06.03.1998; опубл. 20.05.2000. 7 с.
4. ООО «Инновационные технологии». Красноярск, 2010. [Электронный ресурс] ЦКЪ: http://www.inn-t.ru/ izol_mat_klim.html.
5. ООО «Райв-импорт». СПб., 2009. [Электронный ресурс] ЦКЬ: http://www.rive-import.ru/content/view/15/33/.
6. Миронов П.В., Ермолина А.В. Теплоизоляционные материалы: поропласты на основе синтетического связующего и волокнистых продуктов переработки древесины // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. трудов по итогам междунар. науч.-техн. конф. Вып. 24. Брянск, 2009. С. 120-123.
7. Вильнав Ж.-Ж. Клеевые соединения : пер. с фр. М., 2007. 384 с.
8. Ермолина А.В., Миронов П.В., Бывшев А.В. Получение теплоизоляционного плитного материала на основе древесного волокна // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. трудов по итогам междунар. науч.-техн. конф. Вып. 25. Брянск, 2010. С. 186-189.
9. ГОСТ 17177-94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний. М., 1996. 40 с.
10. ГОСТ 7076-99. Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического
сопротивления при стационарном тепловом режиме. М., 2000. 13 с.
11. ГОСТ 16381-77. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация и общие технические требования. М., 1979. 4 с.
12. ГОСТ 24816-81*. Материалы строительные. Метод определения сорбционной влажности. М., 1982. 5 с.
13. ГОСТ 12.1.007-76*. ССБТ. Вредные вещества. М., 1977. 8 с.
14. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) : учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М., 1982. 415 с.
Поступило в редакцию 17 сентября 2010 г.
После переработки 6 мая 2011 г.
