Разработка древесно-конструкционного материала на основе гипса, пенополиуретана и древесных частиц

УДК 674.816.2/3

Ф. М. Филиппова, Р. Г. Сафин, Э. Р. Хайруллина, Д. Д. Исянгулова

РАЗРАБОТКА ДРЕВЕСНО-КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ГИПСА, ПЕНОПОЛИУРЕТАНА И ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ

Ключевые слова: гипс, древесная стружка, пенополиуретан.

Изучена возможность использования пенополиуретана, в качестве экологически чистого конструкционного материала. Для этой цели использовались добавки: древесная стружка и гипс. В ходе работы обнаружено, что древесная стружка и гипс положительно влияют на свойства пенополиуретана. Древенонаполненный гипсопенополиуретан более устойчив к природным условиям нашего климата.

Keywords: gypsum, wood scrap, foamedpolyurethane.

Possibility of using of polyurethane foam, as environmentally friendly constructional material is studied. For this purpose components were used: wood shaving and plaster. During operation it is revealed that wood shaving and plaster positively influence properties of polyurethane foam. Polyurethane foam,containing plaste and wood shaving is steadier against an environment of our climate.

Пенополиуретан (ППУ) является одним из наиболее распространенных теплоизоляционных материалов, который применяется повсюду. ППУ широко используются в строительстве, быту, медицине и других отраслях промышленности. В строительной индустрии, они находят применение в качестве теплоизоляционных материалов. В медицине ППУ используют для изготовления протезов, в качестве заменителя гигроскопической ваты. Но, несмотря на большую востребованность, этот материал наряду со своими достоинствами, имеет ряд недостатков. Недостатком пенополиуретана является то, что данный вид утеплителя токсичный, и не может похвастаться стойкостью к влиянию ультрафиолета. Более того, тепловые потоки или пары воды тоже могут стать причиной разрушения полимерной структуры. В связи с этим многие ученые борются с вышеперечисленными недостатками с помощью различных добавок. [1,2]

Поскольку древесная стружка является экологически чистым материалом и твердым сорбентом растительного происхождения, его можно использовать в качестве наполнителя для пенополиуретана. [3,5]

Так же пенополиуретан, как нам известно, является легким материалом и для увеличения его веса, а также для снижения стоимости используется гипс.

На сегодняшний день вопрос получения экологически чистого древеснонаполненного гипсо-пенополиуретана, который объединяет в себе все плюсы древесной стружки и гипсостружечной плиты, является наиболее актуальным. [4,6]

Поэтому целью данной работы - является получение материала, а именно жесткого пенополиуретана, и анализ влияния содержания древесной стружки и гипса на эксплуатационные свойства исследуемого объекта.

В ходе исследовательской работы были поставлены следующие задачи:

1. Получение образцов с разным содержанием древесной стружки и гипса, а именно 0%, 5%, 10%, 15% и 20%;

2. Выявления наилучших показателей: определение плотности, предела прочности и сжатия, определение светостойкости, стабильности размеров при заданной температуре и влажности, ускоренные испытания на климатическое старение, определение морозостойкости, влагопоглощения и теплопроводности.

Древеснонаполненный гипсопенополиуретан (ДГППУ) получали по следующей методике : в компонент А (полиол) при постоянном перемешивании вводили расчетные равные количества древесной стружки и гипса, а затем - компонент Б (полиизоциа-нат), и продолжали смешение на больших скоростях. Эта реакционная смесь заливалась в форму, предварительно выстеленной донной бумагой, где, по мере прохождения химической реакции, получали вспененный материал. Полученный таким образом блок перемещался в зал дозревания, где блок выстаивался 1 сутки до полного окончания процесса полимеризации и приобретения им нужного качества.

После того, как были получены все образцы с различным содержанием древесной стружки и гипса, был проведен ряд испытаний образцов на определение плотности. По полученным данным были построены графики зависимости плотностей древеснонаполненных гипсопенополиуретанов от содержания наполнителей. На рис. 1 приведена зависимость плотности образца ДГППУ, размер древесной стружки которого составляет 3,5 мм [5,6].

Исходя из полученных результатов видно, что плотность образцов напрямую зависит от содержания наполнителей, поскольку увеличению содержания наполнителей соответствует повышение плотности, т.е. большей плотностью обладают образцы с содержанием древесной стружки и гипса по 20%.

Далее были определены физико-механические свойства образцов, а именно предел прочности на растяжение и сжатие. Полученные результаты приведены в табл.1.

« 100 г

1- 80 а

£ 60

§ 40 х

5 20 с

Рис. 1 - Зависимость плотности от содержания наполнителя

Таблица 1 - Физико-механические показатели

Содержание наполнителя, % Предел прочности на растяжение, мПа Предел прочности на сжатие, мПа

0 0,09 0,04

5 0,12 0,05

10 0,17 0,09

15 0,19 0,09

20 0,21 0,10

Отсюда можно сделать вывод, что эти показатели увеличиваются на 30 %, по сравнению с не-наполненным ППУ.

Ни для кого не секрет, что ППУ - это материал, который очень хорошо впитывает влагу, которая в последующем играет роль деструктирующего агента конечного продукта. А поскольку данный вид ДГППУ планируется использовать как конструкционный материал, то необходимо протестировать полученные образцы на водопоглощение. Испытания образцов на водопоглощение проводилось согласно ГОСТ 12730.3-78 [9]. Результаты тестирования приведены на рис. 2.

^---- 0%

5% 10% 15% 20%

0 2 4 6

10 12 14 Время, сутки

Рис. 2 - Зависимость водопоглощения от содержания наполнителя

По графикам (рис.2) видно, что содержание древесной стружки и гипса напрямую влияет на водо-поглощение. По сравнению с образцом, содержащим 5% наполнителя, образец без наполнителя впитывает влагу в 1,5 раза больше, что говорит о том, что полученные нами образцы более стойки к воздействию воды.

Испытание образцов на морозостойкость определялось согласно ГОСТ Р ЕН 12091-2010 [8] после экспериментов по водопоглощению. Образцы, насыщенные водой, помещали в морозильную камеру, через час извлекали и выдерживали в воде комнатной температуры. Продолжительность испытаний составляла, в среднем, 30 циклов замораживания и оттаивания.

По завершении испытаний на замораживание и оттаивание дефектов на образцах, то есть разрушений, вздутий, трещин, не выявлено.

Далее дополнительно были проведены ускоренные испытания на климатическое старение (ГОСТ 9.707-81) [10]. Суть исследований на климатическое старение в том, что свойства конструкционного материала должны оставаться неизменными, вне зависимости от воздействия какой-либо температуры. Результаты испытаний приведены в табл.2.

Таблица 2 - Испытания на климатическое старение

\ Температура, X 0С Содержание \ наполнителя \ воздействие положительной температуры воздействие отрицательной температуры

до испытания, Х0 200 400 600 80° до испытания-, Х0 300

0 % масса, г 3,82 3,80 3,77 3,70 3,64 3,79 3,77

3,80 3,79 3,74 3,71 3,66 3,74 3,72

3,81 3,80 3,76 3,73 3,69 3,76 3,74

3,80 3,78 3,75 3,73 3,70 3,75 3,71

3,80 3,79 3,77 3,74 3,71 3,76 3,72

5 % масса, г 3,45 3,43 3,40 3,38 3,34 3,39 3,38

3,44 3,42 3,39 3,37 3,35 3,41 3,43

3,46 3,44 3,41 3,38 3,33 3,42 3,41

3,45 3,44 3,42 3,39 3,35 3,43 3,41

3,46 3,45 3,43 3,40 3,37 3,41 3,42

10 % масса, г 2,10 1,90 1,87 1,87 1,85 1,88 1,91

2,00 1,90 1,88 1,86 1,84 1,90 1,92

2,10 2,15 1,98 1,95 1,92 1,89 1,85

2,12 2,09 2,06 2,02 1,99 1,91 1,92

2,05 2,03 1,99 1,95 1,92 1,90 1,87

15 % масса, г 5,42 5,41 5,32 5,22 5,12 5,33 5,32

5,41 5,39 5,35 5,31 5,28 5,28 5,30

5,42 5,38 5,31 5,28 5,23 5,30 5,31

5,40 5,37 5,34 5,31 5,29 5,32 5,31

5,41 5,38 5,36 5,33 5,30 5,31 5,30

20% масса,г 7,12 7,08 6,86 6,54 6,09 6,19 6,12

7,11 7,03 6,95 6,84 6,57 6,11 6,12

7,12 7,06 7,01 6,91 6,82 6,16 6,15

7,10 7,07 7,03 6,94 6,79 6,15 6,12

7,09 7,05 7,01 6,91 6,81 6,12 6,09

Как видно из таблицы, у образцов после выдержки при высоких температурах и после выдержки при максимально низкой температуре, -30оС, изменений и дефектов обнаружено не было. Более того, все физико-механические показатели данных образцов до и после испытания практически дублировались.

8

Более того, все ППУ подвергаются деструкции под длительным действием солнечных лучей, то было решено провести ряд экспериментов на светостойкость. Исследование проводили следующим образом: образцы размером 100*100 мм расположили на предметном столе, так что бы попадали лучи солнца на образцы лицевой поверхностью к источнику излучения. Выдерживали образцы не менее 6 часов. По окончании испытания рабочую часть образца сравнили с образцом, не подвергавшемся испытаниям.

По окончании эксперимента были получены следующие результаты: для всех образцов, кроме образца с содержанием стружки и гипса по 10%, характерно пожелтение. В то время как образец с 10-ти процентным содержанием практически не меняет цвет, что указывает на то, что по истечении времени исследуемый материал не потеряет своих свойств, как теплофизических, так и физико-механических.

Завершающим этапом в исследовании свойств полученного конструкционного материала являлось измерение теплопроводности, которое проводилось согласно ГОСТ 7076-99 [11]. На рис. 3 приведена зависимость коэффициента теплопроводности от содержания наполнителей в материале.

0,05

н S о

5

а s е е

о

о

6

S н

CJ

О

Ч « о * в S

о Ъ

С И

о Ч С о н

0,04

0,0

Рис. 3 - Зависимость теплопроводности от содержания наполнителя

Исходя из приведенного графика, выявлено, что наилучшую теплопроводность имеют образцы с содержанием древесной стружки и гипса по 15% и 20%. Это говорит о том, что данные материалы могут быть использованы в качестве как конструкционных, так и теплоизоляционных материалов.

Таким образом, в результате проделанной работы, были получены и определены эксплуатационные свойства древеснонаполненного гипсопенопо-лиуретана. Полученные данные подтверждают, что такие наполнители, как древесная стружка и гипс, благоприятно влияют на свойства пенополиуретана: повышаются плотность, светостойкость, физико-

механические показатели, устойчивость к замораживанию и климатическому старению.

Древеснонаполненный гипсопенополиуретан может показать себя как достойный строительный материал, он имеет легкий вес, хорошие теплоизоляционные свойства, не разрушается, не поражается грибком и гнилью, имеет нейтральный запах, экологически безопасен, не оказывает вредного влияния на физиологию человека.

3

7

Литература

Желваков Е.М., Ефремов А.И. и др. Эффективность применения пенополиуретанов в теплоэнергетике. Пенополиуретан. № 6, 2002.

Лазутин М.,Оттенс А.,, Келлер П.Тепловая изоляция из жесткого ППУ: основные свойства и применение в строительстве. Пенополиуретан. № 1(10) 2004. Левашко Л.И. Изучение свойств теплоизоляционных материалов на основе отходов деревообработки [Текст] / Левашко Л.И., Байгильдеева Е.И., Игнатьева Г.И. //Вестник Казанского Технологического университета.

- 2013. - Т.16. - В.2. - С.79-82.

Сафин Р.Г. Производство пористого теплоизоляционного материала на основе отходов деревообработки и пенополиуретана [Текст] / Сафин Р.Г., Левашко Л.И., Байгильдеева Е.И. // Деревообрабатывающая промышленность. - 2013. - т. 1. - С.15-18. Игнатьева Г. И. Изучение свойств теплоизоляционных материалов на основе отходов деревообработки / Г.И.Игнатьева, Ф.М.Филиппова, Е.И.Байгильдеева, Л.И. Левашко // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т16. - № 2. - С. 79-82. Сафин Р. Г. Производство поризованной древесно-цементной смеси / Р.Г. Сафин, В.В. Степанов, Э.Р. Хайруллина, Ф.Ф. Шаяхметов // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16. - №13.

- С. 84-86.

Сафин Р.Г. Использование отходов лесозаготовок и деревообработки для производства теплоизоляционного материала / Сафин Р.Г., Петров В.И., Игнатьева Г.И., Степанов В.В., Халитов Р.А. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2012. -№ 3-4. - С. 94-100.

8. ГОСТ Р ЕН 12091-2010. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения морозостойкости. - Введ. 01.01.2010. М.: Изд-во стандартов, 2010. - 10 с.

9. ГОСТ 12730.3-78. Метод определения водопоглоще-ния.- Введ. 22.12.78. М.: Изд-во стандартов, 1978. - 4 с.

10. ГОСТ 9.707-81. Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на климатическое старение. -Введ. 25.12.1981. М.: Изд-во стандартов, 1981. - 81 с.

11. ГОСТ 7076-99. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме.- Введ. 20.05.99. М.: Изд-во стандартов, 1999. - 6 с.

© Ф. М. Филиппова - кандидат химических наук доцент, кафедра переработки древесных материалов, КНИТУ, faridah@rambler.ru; Р. Г. Сафин - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Переработка древесных материалов», КНИТУ, safin_rg@kstu.ru; Э. Р. Хайруллина - аспирант, ассистент, кафедра переработки древесных материалов, КНИТУ, endzhe_31@mail.ru; Д. Д. Исянгулова - магистрант, кафедра переработки древесных материалов, КНИТУ, hakimullina_dily@mail.ru.

© F. M. Filippova - Candidate of Chemistry associate professor, chair of processing of wood materials, KNRTU, faridah@rambler.ru; R. G. Safin - Doctor of Engineering, professor, head of the department of processing of wood materials, KNRTU, safin_rg@kstu.ru; E. R. Khayrullina - graduate student, assistant, chair of processing of wood materials, KNRTU, endzhe_31@mail.ru; D. D. Isyangulova - undergraduate, chair of processing of wood materials, KNRTU, hakimullina_dily@mail.ru.