ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
HEAT-INSULATING COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к теплоизоляционным материалам, а более конкретно к стеновым конструкционно-теплоизоляционным материалам с повышенной теплозащитой, изготовленным из местных сырьевых материалов, которые могут найти применение в строительстве малоэтажных зданий промышленного и сельскохозяйственного назначения, жилых домов, а также при изготовлении межкомнатных и межквартирных перегородок.
Известно изобретение «Композиция для изготовления архитектурно-строительных изделий» (патент РФ на изобретение №2039721). Материал этих изделий представляет собой композицию, включающую гипс, ортофосфорную кислоту, пигмент и органическую кислоту. В качестве органической кислоты используется 2%-ный водный раствор лимонной кислоты.
Недостаток вышеназванных изделий - высокая стоимость за счет использования ортофосфорной кислоты, а также повышенная плотность изделий, что не позволяет использовать их в качестве теплоизоляционных.
Известны материалы, из которых изготавливают мелкоштучные стеновые блоки, состоящие из гипсового вяжущего и древесного заполнителя («Стеновые материалы и изделия»: Учебное пособие / В.Ф.Завадский, А.Ф.Косач, П.П.Дерябин. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. - 254 с.).
3
Недостатком такого материала является невысокая прочность 2,5-3,5 МПа при повышенной средней плотности - 1100 кг/м.
3
Известен стеновой материал на основе отходов деревообработки и гипсокарбамидного вяжущего (жур. «Известия вузов. Строительство», №12, 1999 г, с.40-43, «Стеновой материал на основе отходов деревообработки и гипсокарбамидного вяжущего»), который принят за прототип заявляемого композиционного материала. Материал содержит древесный заполнитель, а в качестве вяжущего использованы карбамидоформальдегидная смола (КФС) и строительный гипс с добавкой фторангидрита, который позволяет исключить введение отвердителя для КФС. Прочность на сжатие материала по прототипу составляет от 4,3 до 5,6 МПа, средняя плотность - 540-645 кг/м.
Основным недостатком данного материала является его высокая энергоемкость, связанная с тепловой обработкой образцов при температуре 120°С.
Поставлена задача - повысить прочностные характеристики материала с сохранением низкой средней плотности, соответствующей конструкционно-теплоизоляционным материалам, с одновременным снижением энергозатрат на его изготовление.
Технический результат заключается в структурообразовании низинного торфа, выполняющего одновременно функцию и заполнителя, и вяжущего, и в упрочнении материала в процессе сушки.
Заявляемый в качестве изобретения материл, как и прототип, содержит строительный гипс, карбамидоформальдегидную смолу, фторангидрит как отвердитель карбамидоформальдегидной смолы, органический заполнитель и воду. В отличие от прототипа в качестве органического заполнителя он содержит измельченный низинный торф при следующем соотношении компонентов (масс.%): строительный гипс - 32-51, низинный торф - 10,26-24, карбамидоформальдегидная смола - 12,0-12,93, фторангидрит - 2,39-2,58, вода - 24-28.
Оптимальным соотношением компонентов в материале является следующее: строительный гипс - 40%, фторангидрит - 2,56%, карбамидоформальдегидная смола - 12,82%, торф - 17,5%, вода - 27,12%.
Заявляемый композиционный материал предложенного состава из уровня техники не выявлен, что подтверждает его новизну.
Соотношение заявляемой композиции получено в ходе экспериментов при решении задачи, направленной на получение прочного теплоизоляционного материала из отходов и дешевого сырья. Установлено, что при увеличении содержания торфа более 24 масс.% прочностные характеристики материала снижаются за счет уменьшения площади контакта между торфяным и гипсовым вяжущим, а также менее полной обмазки торфяных частиц гипсовым и карбамидным связующим. При увеличении содержания гипсового вяжущего более 51% существенно повышается плотность изделий. Расход карбамидоформальдегидной смолы рассчитывается исходя из содержания серной кислоты во фторангидрите.
Известно, что для склеивания частиц торфа оптимальной является температура 90-100°С.
Это важный фактор, влияющий на процесс формирования структуры торфовяжущего. В зависимости от диапазона температур обработки в торфяном вяжущем развиваются реакции конденсации ароматических веществ (с последующим их спеканием), плавления и размягчения смол, битумов, некоторых водорастворимых соединений и лигнина. При нагревании торфа в стесненных условиях происходит термическое расщепление растительных остатков, выделение органических кислот, поликонденсация образующихся химических соединений и их взаимодействие с лигнином. Это способствует получению прочных изделий, без введения специальных вяжущих.
Повышение температуры до 90-100°С при сушке торфа увеличивает его пластичность при уплотнении, а также снижает коэффициент внешнего трения материала о стенки формы. При этой температуре происходит «упрочнение через разрушение» строительного гипса, при котором частично дегидратированный гипс связывает воду, выделяемую при поликонденсации смолы, интенсифицируя процесс ее отверждения. Дополнительно при этой температуре происходит процесс структурообразования торфяного вяжущего. Торф в заявляемой композиции проявляет два свойства: помимо заполнителя он одновременно является вяжущим.
При повышении содержания торфа в материале, как показали исследования, с 10,26 до 24,0 масс.% происходит повышение прочности при низкой средней плотности, что не является очевидным и подтверждает соответствие критерию «изобретательский уровень», поскольку повышение прочности не приводит к повышению средней плотности, хотя все компоненты, входящие в состав материала, обладают вяжущими свойствами. Это связанно с уменьшением расхода строительного гипса в системе; с проявлением вяжущих свойств торфа при тепловой обработке; с процессом поликонденсации КФС. Дальнейшее снижение прочности при расходе торфа более 24% связано с тем, что при высоком содержании частицы торфа недостаточно склеиваются между собой и с полимерным связующим (КФС). При этом повышенный расход полимерного связующего напрямую связан с повышением расхода отвердителя (фторангидрита), что приводит к повышению плотности и снижению прочности изделий.
3
3
Известны материалы как с использованием гипсового вяжущего (например, композиции по патентам РФ на изобретение №2188805, №2182567), так и торфяного вяжущего (например, изобретение по патенту РФ №2273620). Первые обладают повышенной прочностью и плотностью (до 1300 кг/м), вторые - пониженной прочностью и плотностью (средняя плотность - 150-200 кг/м, прочность при сжатии - 1,55-1,92 МПа).
Известны гипсоторфяные теплоизоляционные материалы без использования полимерного связующего, в которых торф играет роль заполнителя (Завадский В.Ф. Стеновые материалы и изделия: Учебное пособие / В.Ф.Завадский. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. - 182-187 с.). Известны торфяные композиции, в которых низинный торф является заполнителем (патенты РФ на изобретение №833920, №1759813). В заявляемой композиции, как было показано выше, торф является одновременно и заполнителем, и вяжущим.
Процесс приготовления теплоизоляционного композиционного материала состоит из следующих операций: дозирование компонентов, их смешивание, формование и сушка. Смешивание происходит путем раздельного перемешивания компонентов: заполнителя, строительного гипса и воды, отвердителя и смолы. В качестве карбамидоформальдегидной смолы может быть использована, например, карбамидоформальдегидная малотоксичная смола КФМТ-15. После получения однородной массы все компоненты перемешиваются до получения удобоукладываемой смеси. Формование изделий проводится методом трамбования с последующей тепловой обработкой при 90-100°С и в естественных условиях твердения. Изделия по прототипу подвергают тепловой сушке в течение 4 часов при 120°С, что требует больших затрат энергии, чем для изделий заявляемой композиции.
Для определения оптимального расхода вяжущего при формовании теплоизоляционного материала было изготовлено несколько серий опытных образцов размером 4×4×4 см с различным содержанием вяжущего в пределах заявляемого изобретения. Опытные образцы формовались методом трамбования, извлекались из форм после пятнадцатиминутной выдержки и подвергались сушке с последующим хранением при комнатной температуре на воздухе.
сж
3
Основные физико-механические характеристики заявляемого теплоизоляционного композиционного материала для 5 составов приведены в таблице 1, где R - прочность материала на сжатие, МПа; ρ - плотность материала, кг/м, ФТА - фторангидрит, КФС - карбамидоформальдегидная смола. Составы №1 и №5 выходят за пределы заявляемой композиции.
Таблица 1
Основные физико-механические характеристики теплоизоляционного композиционного материала
№
Соотношение компонентов, масс.%
Основные показатели
Гипс
ФТА
Торф
КФС
Вода
R<sub>сж</sub>, МПа
ρ, кг/м<sup>3</sup>
1
55,24
1,38
1,38
7,0
35,0
4,8
1200
2
51,0
2,39
10,26
12,0
24,35
5,3
750
3
40,0
2,56
17,5
12,82
27,12
7,2
630
4
32,49
2,58
24,0
12,93
28,0
6,5
520
5
32,12
2,56
26,0
12,82
26,5
4,0
510
3
Основные физико-механические характеристики композиции по прототипу составляют: прочность - 4,3…5,6 МПа; плотность - 540…645 кг/м.
Как видно из приведенных данных в таблице 1, прочность заявляемого композиционного материала выше (составы №2-4), чем у прототипа, при сохранении низких показателей средней плотности, которые соответствуют показателям плотности прототипа (и даже ниже, например, для состава №4 в таблице 1).
3
Для состава №2 средняя плотность заявляемой композиции выше, чем у прототипа, однако, ниже средней плотности, установленной для конструкционно-теплоизоляционных материалов, т.е. ниже 900 кг/м.
Результаты испытаний свидетельствуют, что предложенные строительные изделия могут быть использованы при возведении стен в строительстве жилых зданий для межкомнатных и межквартирных перегородок и обладают достаточно высокими прочностными и теплоизоляционными свойствами.