Совершенствование системы контроля качества в области экологической безопасности полимерных строительных материалов

Вестник ТГАСУ №3, 2007

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 504.064

Т.П. ЗУБКОВА,

ТГАСУ, Томск

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА В ОБЛАСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В статье рассмотрены проблемы совершенствования системы контроля качества в области экологической безопасности полимерных строительных материалов (ПСМ).

Приведена общая модель процесса контроля экологической безопасности ПСМ, а также модель контроля объекта строительной индустрии.

Обсуждены общая классификация ПСМ и требования качества, предъявляемые к ним.

В настоящее время человечество осознало, что на ведущее место выходит экологическая составляющая стоимости продукта любого труда, а не экономическая, как это было ранее. Из международного стандарта 180 8402 следует, что качество - это способность удовлетворять потребности человека, в том числе и отвечающие экологическим критериям, а также безопасности воздействия на здоровье людей и окружающую среду в целом. Экологическая безопасность полимерного строительного материала, т.е. его экологичность, представляется таким же важным свойством, как тепло- и электропроводность, прочность, температурная устойчивость и т.п.

Контроль качества на предприятии является важнейшим звеном в системе управления производством. Одна из задач контроля - своевременное обнаружение отклонений от запланированного хода организации технологического процесса, а основная цель предупредительно-исправительная, т.е. максимальное предсказание возможных недостатков, а в случае обнаружения -своевременное их исправление. Организованная система контроля является конструктивным инструментом надежной производственной деятельности.

Основными задачами контроля качества полимерных строительных материалов являются:

1) определение фактического состояния ПСМ в данный момент времени;

2) прогнозирование состояния и поведения ПСМ на заданный момент времени;

3) изменение состояния поведения ПСМ при перемене внешних условий;

© Т.П. Зубкова, 2007

4) заблаговременное определение места и причин отклонений эксплуатационных характеристик материала;

5) сбор, передача, обработка информации о состоянии ПСМ;

6) обеспечение устойчивого состояния ПСМ при наступлении предельных значений физических характеристик внешней среды.

Цель настоящей работы состояла в совершенствовании и развитии теоретической и практической составляющих оценки экологичности ПСМ.

Прогнозы производства полимерных материалов для строительства

Производство высокомолекулярных соединений (полимеров) и материалов на их основе перешагнуло за 100 млн т в год [1, 2]. Однако за последнее время практически не появилось принципиально новых типов полимеров в заметных количествах, поэтому и в будущем, не стоит ожидать синтеза таких соединений и осуществления их широкого промышленного производства.

Новые полимерные материалы, будут создаваться под конкретные специальные проблемы народного хозяйства с использованием разнообразных способов физического, химического или радиационно-химического модифицирования (наполнение, пластифицирование, сшивка, прививка, обработка различными видами высокоэнергетического излучения) [1, 3].

Несомненно, что производство полимерных материалов перспективно в настоящее время, и будет оставаться им в будущем, из-за разнообразия физико-химических и эксплуатационных свойств и масштабного использования, практически во всех сферах деятельности человека. Максимальный объем по производству в мировой экономике составляют материалы на основе электроизолирующих полимеров - это полистиролы, поливинилхлориды, полиолефи-ны, материалы и модификаты на их основе. По многим свойствам они превосходят металлы, из-за более низкой плотности, высокой антикоррозийной стойкости, хороших тепло-, звуко-, электроизоляционных свойств и т.д. [4].

В настоящее время, основными потребителями полимерных материалов являются строительная отрасль, транспорт и производство упаковочных материалов [1-3].

Дальнейший прогресс производства полимерных материалов будет обеспечиваться:

- развитием и совершенствованием известных технологий синтеза и переработки;

- разработкой новых процессов производства и способов переработки;

- модифицированием, тем или иным способом масштабно выпускаемых полимеров для придания им специальных свойств [1, 4].

Общая модель процесса контроля экологической безопасности полимерных строительных материалов

Обобщённая схема контроля экологической безопасности производства и использования полимерного строительного материала может быть представлена в виде прямых связей в процессе его изготовления и эксплуатации (рис. 1). На схеме показана цепочка всех превращений, от сырья, до эксплуа-

тации и старения строительного материала, вследствие внешних, экстремальных воздействий и чрезвычайных ситуаций.

I ^ - стадии превращения сырья в материал (или стадии «жизни материала»);

—- необходимые прямые связи (контроль);

_ _- желательные прямые связи.

Рис. 1. Общая модель контроля экологической безопасности процесса получения и использования полимерного строительного материала

Из рисунка видно, что, если анализ качества (или технологический контроль) необходим на стадиях 1 и 3, т.е. при анализе, стандартизации исходного сырья и определении качества готового ПСМ, то на стадиях 2 и 4 ( контроль качества самой технологии и процесса эксплуатации) - он желателен, но не всегда возможен или необходим. Контроль экологичности материала в то же самое время, является совершенно не исключаемым элементом модели, инструментом для установления безопасности и пригодности использования любого из элементов модели на каждой стадии «жизни материала».

Сама тема настоящего исследования (совершенствование системы оценки и прогнозирования экологической безопасности полимерных строительных материалов) входит неотъемлемой частью в весьма актуальную проблему, которую можно определить как «Разработка систем и средств экологического контроля сырья, строительных материалов, технологий и объектов строительной индустрии, включая прилегающую природную и техногенную среду».

В наиболее общем виде это можно проиллюстрировать следующей моделью (рис. 2). Благополучное разрешение указанной выше проблемы, включает комплексную научную, техническую, методическую и метрологическую разработку этапов, обозначенную в этой модели цифрами, как её элементы.

На этапах 1, 2 подразумевается разработка и совершенствование:

- материалов для пробоотбора и пробоотборников из различных сред (газообразных, жидких, твёрдых, в том числе сыпучих дисперсных) в разных температурных режимах (зима-лето, горячие отходящие газы, дымы и т.п.), это различные фильтры, сорбенты, поглотительные трубки и устройства;

- средств пробоотбора: мобильных, переносных автономных и передвижных на станциях мониторинга, а также стационарных;

- устройств и методов ввода проб в аналитическую систему, включая термодесорберы, установки отбора равновесной паровой фазы, устройства прямого ввода, пиролизёры для твёрдых проб и т.п.

Объект исследования - представляет собой сырье, технологию получения, готовый полимерный строительный материал, изделие из ПСМ.

---- - последовательные прямые и обратные связи контроля.

1-7 - этапы экологического контроля объекта.

Рис. 2. Модель экологического контроля объекта строительной индустрии

Смысл следующих этапов подразумевает:

4. Аналитическая система состоящая из подсистем разделения сигналов и детектирования, соединенных последовательно или параллельно. Это могут быть спектральные, электрохимические, оптические приборы, хроматографы, масс-спектрометры и т.п.

5. Математическая компьютерная обработка - имеются ввиду развитие программного обеспечения, расширение возможностей и повышение быстродействия.

6. Интерпретация результатов - подразумевает, в свою очередь, совершенствование систем распознавания образов, расширение баз и библиотек данных, т.е. улучшение достоверности и информативности полученных результатов.

7. Прогнозирование и экологическая оценка - этап, смысл которого в анализе и обратном воздействии на объект исследования с целью предупредить ухудшение или сразу улучшить экологические параметры объекта, будь то сырье, изделие, технология или сам объект строительной индустрии.

Изготовление, применение и переработка полимерных материалов, в том числе и строительных, в первую очередь, связана с загрязнением легколетучими токсичными органическими веществами такой экологически важной геосреды, как атмосферный воздух, и здесь уместно вспомнить, что по определению экологической комиссии ООН загрязнителем считается вещество, если оно встречается в ненадлежащем месте, в ненадлежащее время и в ненадлежащих количествах [4].

Для анализа воздуха в настоящее время применяют различные физикохимические методы: все виды хроматографии, фотометрию, вольт-амперо-метрию, эмиссионный спектральный и атомно-абсорбционный анализы.

Одним из основных и наиболее предпочтительных методов анализа загрязненного воздуха является газовая хроматография (ГХ). Первые работы по ГХ-анализу воздушных загрязнений появились немногим более 35 лет назад, и сейчас около 80-85 % всех анализов органических загрязнений воздуха (а так же определение многих неорганических газов и аэрозолей металлов) проводят методом газовой хроматографии [4].

Общие сведения и требования, предъявляемые к полимерным строительным материалам

Строительство относится к наиболее крупным потребителям синтетических полимеров и их применение в этой области человеческой деятельности непрерывно возрастает [1, 7].

Это обусловлено не только физико-химическими и механическими свойствами полимеров, но также и весьма ценными их архитектурно-строительными характеристиками [1, 5].

Важнейшие проблемы современного массового и индивидуального строительства - сокращение сроков возведения зданий и максимальное облегчение конструкций, т.к. применение тяжелых материалов связано с крупными транспортными расходами и необходимостью использования средств механизации. И в этом отношении, основные преимущества полимеров перед другими строительными материалами - большая легкость и удельная прочность [6].

Области применения полимеров в строительстве чрезвычайно разнообразны, перечень основных полимерных материалов, наиболее широко применяемых в строительной индустрии, приведен в табл. 1. [1-4].

Таблица 1

Основные типы полимерных строительных материалов и их использование

Полимерный строительный материал (ПСМ) Основные области использования

Гомогенные конструкционно-функциональные материалы

Полиэтилен (ПЭ) Сополимеры (СПЭ) Листовой или рулонный гидроизоляционный материал; емкости; трубы, переходники, фитили; покрытия на другие строительные материалы

Полипропилен (1111) Трубы сантехнические, панели, емкости, пленки, волокна для ковровых и текстильных строительных материалов

Полиизобутилен (ПИБ) Рулонный и листовой кровельный и гидроизоляционный материал, клей, мастики, герметики

Поливинилхлорид (ПВХ) Дверные и оконные профили, желоба, стояки, панели, пленки трубы, в составе линолиумов и плиток, основа ворсовых покрытий, пленки, погонажные изделия

Продолжение табл. 1

Полимерный строительный материал (ПСМ) Основные области использования

Полистирол (ПС) Декоративные и облицовочные плиты, основы для получения пенопо-листиролов

Сополимеры ПС с бутадиеном и акрилонит-рит-бутадиеном Облицовочный материал, корпуса батарей, емкости, смывные бочки, трубы, корпусы и кожухи, светофоры, пожарные гидранты, дорожные знаки

Полиметилметаакрилат (ПММА) Панели, пропускающие свет, блоки, стержни, трубы, световые купола, бытовые ванны, осветительные приборы, покрытия, модели, шаблоны

Поливинилацетат (ПВА), поливиниловый спирт (ПВС), поливинилбутакрилат (ПВБ) В составе красок, покрытий клеев, шпатлевок, лаков, связующих армированных пластиков, для изготовления рулонного и листового гидроизоляционного материала, устойчивого к действию битума

Полиамиды (ПА) Дверные и оконные детали, пленки, нити или ткани, панели, плиты, цепи, троссы, прокладки, защитные каски

Поликарбонаты (ПК), политерефталат (ПЭТФ) Световые купола, жалюзи, стены душевых кабин, пленки прозрачные, гидроизоляционный листовой и рулонный материал, каски и другие изделия

Фенольные смолкі и материалы на их основе Блоки, панели, стержни, в составе эмалей и клея, в качестве связующего теплоизоляционных плит, фенопласты, биостойкие плиты, фанера

Целлюлоза, нитроцеллюлоза, ацетил- и матил-целлюлоза Пленки, волокна, нитролаки, краски, клеи, облицовочные материалы для зданий, сооружений и мебели

Поликомпонентные конструкционно-с )ункциональные материалы

Пресс-порошки и пресс-волокна на основе связующих и волокнистых наполнителей При изготовлении отделочных изделий, плиток, химстойких труб и вентелей для работы в агрессивных средах

Слоисто-волокнистые материалы: полимеры Для изготовления панелей, плиток, прозрачных куполов и оболочек, перекрытий, облицовочной плитки, емкостей, цистерн для ГСМ, окон, дверей, ворот, мебели

Окончание табл. 1

Полимерный строительный материал (ПСМ) Основные области использования

Полимербетоны При изготовлении крупноразмерных сборных элементов, деталей стен и перил, санитарнотехнических изделий

Тепло- и звукоизоляционные материалы

Тепло и поропласты (вспененные пластмассы). Тепло- и звукоизоляционные материалы, герметизация стыков, утеплитель

Сотопласты В самонесущих и навесных конструкциях, средний слой в 3-х слой-ных панелях

Древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты В качестве тепло- и звукоизоляционных материалов

Теплоизоляционные полимербетоны В качестве внутреннего слоя в легких навесных стеновых панелях, ограждающих конструкциях

Стекло- и минераловолокнистые плиты на синтетических связующих Для тепловой изоляции конструкций (стен, полов, перегородок), образования и трубопроводов

Известны случаи опытного строительства зданий полностью из полимерных материалов, однако такие здания не получили пока заметного распространения из-за относительно высокой стоимости полимеров, отсутствия приемлемых для массового строительства оптимальных архитектурных, конструктивных и технологических решений, а самое главное, из-за отсутствия детальной проработки вопроса экологической безопасности таких сооружений для здоровья самого человека и состояния окружающей природной среды [7, 8].

Наиболее широко полимеры используются для покрытия полов, разнообразных отделочных работ, герметизации, гидроизоляции, теплоизоляции, а также производства труб и другого санитарно-технического оборудования. Кроме того, из полимеров изготовляют стеновые панели и перегородки, элементы кровельных покрытий (в том числе светопрозрачных), оконные переплеты, двери, объемные санитарно-технические кабины, пневматические (надувные) строительные конструкции, павильоны, киоски, домики для туристов, полярников и т.д. и т.п. [8].

Общие требования, которые предъявляют к ПСМ независимо от области конкретного применения - экологичность, возможность использования в современных наукоемких технологиях строительства, простота обработки и экономическая эффективность [1, 9].

Главное архитектурно-строительное требование к отделочным материалам - достаточный ассортимент и соответствие требуемым физико-механическим показателям и эстетическим художественно-декоративным характери-

стикам [9, 10]. Материалы для ограждающих конструкций должны обладать высокой механической прочностью, атмосферной и гидростойкостью, низким коэффициентом теплопроводности, а светопрозрачные ограждения, кроме того, - высоким коэффициентом светопропускания. Материалы для интерьера должны удовлетворять специальным экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям (т.е. отсутствие выделения токсичных летучих веществ и зарядов статического электричества), последнее требование обязательно предъявляют к материалам, которые при эксплуатации подвергаются трению (материалы и изделия для покрытия полов) [9].

Полимерные материалы (пластмассы, композиты, пластики) - это соединения определенного химического строения, получаемые из мономеров, олигомеров, полимеров, с введением при изготовлении изделий разнообразных ингредиентов для направленного придания требуемых свойств [1-3, 6]. В соответствии с этим, в ПСМ входят одновременно или в различных сочетаниях: связующие (полимерная матрица), наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, сшивающие агенты (отвердители), структуро- и поро-образователи, смазки, антипирены, антистатики, антимикробные и другие компоненты, позволяющие формировать и придавать специфические свойства композиции или приготовленному из неё изделию [11].

Классифицируя полимеры и ПСМ по областям их конкретного применения, исследователь зачастую сталкивается с трудностями, связанными с тем, что один и тот же материал может быть отнесен к разным группам. Так, сотопласты - это теплоизоляционные, звукоизоляционные и одновременно конструкционные материалы, а краски - это отделочные и антикоррозийные материалы. Вследствие этого, в описании свойств полимерных строительных материалов появляются вынужденные повторы [1, 2].

Необходимо отметить особенности поведения ПСМ в условиях эксплуатации, поэтому в соответсвии с СанПиН 2.1.2.729-99 к ним предъявляются повышенные требования безопасности: это деформационно-прочностные характеристики (конструкционные свойства), устойчивость к действию тепла (температуроустойчивость), агрессивных сред (кислот и щелочей - химстой-кость), а также и специальные требования (например, вибростойкость, шумоподавление, ударостойкость и т.п.) [9, 10].

Обобщая вышеизложенное, следует подчеркнуть, что право каждого гражданина на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и возмещение ущерба закреплено в Конституции РФ, а в Федеральном законе «Об охране окружающей среды» закреплен принцип научно-обоснованного сочетания экологических и экономических интересов, поэтому совершенствование систем контроля качества в области экологической безопасности является важнейшей задачей как для производителей ПСМ [12], так и для потребителей.

Библиографический список

1. Новиков, В.У. Полимерные материалы для строительства: справочник / В.У. Новиков. -

М. : Высш. школа, 1995. - 448 с.

Вестник ТГАСУ №3, 2007

203

2. Липатов, Ю.С. Справочник по химии полимеров / Ю.С. Липатов, А.Е. Нестеров, Т.М. Гриценко. - Киев : Наукова думка, 1971. - 534 с.

3. Композиционные материалы: справочник / под. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М. : Машиностроение, 1990. - 512 с.

4. Другов, Ю.С. Газохроматографический анализ загрязненного воздуха / Ю.С. Другов, В.Г. Березкин. - М. : Химия, 1981. - 256 с.

5. Хрулёв, В.М. Производство конструкций из дерева и пластмасс / В.М. Хрулев. - М. : Высш. школа, 1989. - 231 с.

6. Симонов, В.А. Анализ воздушной среды при переработке полимерных материалов / В. А. Симонов, Е.В. Нехорошева, Н.А. Заворовская. - Л. : Химия, 1988. - 224 с.

7. Муравьева, С.И. Справочник по контролю вредных веществ в воздухе / С.И. Муравьева, Н.И. Казина, Е.К. Прохорова. - М. : Химия, 1988. - 320 с.

8. Композиционные материалы: справочник / под. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М. : Машиностроение, 1990. - 512 с.

9. Соломатов, В.И. Полимерные композиционные материалы в строительстве / В.И. Соло-матов, А.И. Бобрышев, К.Г. Химмлер. - М. : Стройиздат, 1988.- 309 с.

10. СанПиН 2.1.2.729-99 Полимерные и полимерсодержащие строительные материалы, изделия и конструкции. - М. : Минздрав России, 1999. - 12 с.

11. Симонов-Емельянов, И. Д. Принципы создания и переработки полимерных композиционных материалов дисперсной структуры / И. Д. Симонов-Емельянов // Пластмассы. 2005. - № 1. - С. 11-16.

12. Зубкова, Т.П. Экологический контроль в управлении окружающей средой в деятельности предприятия / Т.П. Зубкова // Мат. 6 Межд. науч. конф. «Экология и безопасность жизнедеятельности». - Пенза, 2007. - С. 117-119.

T.P. ZUBKOVA

THE DEVELOPMENT OF QUALITY CONTROL OF ECOLOGICAL SAFETY OF POLYMER BUILDING MATERIALS

The problems of development of quality control system dealing with the ecological safety of polymer building materials (PBM) were considered in the paper. The basic model of ecological safety control of PBM and the model of control of building industry object were presented. General classification of PBM and demands of quality control to PBM were discussed.

УДК 691.175.2

В. Ф. ЖЕЛТОБРЮХОВ, докт. техн. наук, профессор,

М. С. БЕЛКИНА, аспирант,

ВГТУ, Волгоград

РАЗРАБОТКА СОСТАВА ЛАКОКРАСОЧНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ВОЛГОГРАДСКОГО ОАО «ХИМПРОМ»

В данной работе приведены результаты исследований разработки лакокрасочного материала, в частности эмали, из отходов химических производств ВОАО «Химпром». Полученная в результате испытаний эмаль обладает улучшенными технологическими

© В.Ф. Желтобрюхов, М.С. Белкина, 2007