Перспективы применения вторичных полиэфирных волокон для производства тепло - и звукоизоляционных материалов

УДК 629.4.042

В.С. СЕМЕНОВ, канд. техн. наук

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Перспективы применения вторичных полиэфирных волокон для производства тепло- и звукоизоляционных материалов

Рассмотрены перспективы применения продукта переработки изношенных автомобильных шин - вторичных полиэфирных волокон текстильного корда - в качестве сырья для получения эффективных тепло- и звукоизоляционных материалов. Изготовлены образцы и определены основные свойства теплоизоляционных материалов на основе вторичных полиэфирных волокон с различной средней плотностью - 50; 75 и 100 кг/м3, установлены зависимости влияния расхода связующего на основные свойства материала. Приведены результаты исследования звукоизолирующей способности разработанных материалов. Проанализирована экономическая целесообразность применения вторичных полиэфирных волокон для производства тепло- и звукоизоляционных материалов. Получены полужесткие тепло-и звукоизоляционные материалы со средней плотностью 50-100 кг/м3, коэффициентом теплопроводности 0,041-0,048 Вт/(м°С), водопоглощением по массе 24-39%, нормальным коэффициентом звукопоглощения в диапазоне 500-4000 Гц - 0,2-0,97 при прогнозируемой себестоимости материала в 3-5 раз ниже стоимости традиционных теплоизоляционных материалов.

Ключевые слова: теплоизоляционный материал, звукоизоляционный материал, текстильный корд, полиэфирное волокно, вторичное сырье.

V.S. SEMENOV, Candidate of Sciences (Engineering) (science-isa@yandex.ru),

T.A. ROZOVSKAYA, Candidate of Sciences (Engineering) (tamara.roz@yandex.ru),

A.Yu. GUBSKIY, Engineer

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Prospects of Using Recycled Polyester Fibers for Manufacturing Heat- and Sound Insulation Materials

The article considers the prospects of the use of recycled polyester fibers (textile tire cord fibers from waste automobile tires) as a raw material for the production of effective thermal and acoustic insulation materials. The research works have been carried out in accordance with standard test methods. The basic properties of insulation materials with recycled polyester fibers (with average density values of 50 kg/m3, 75 kg/m3 and 100 kg/m3) have been studied; the influence of the binder amount on the basic properties of the materials has been studied as well. The results of study of the sound-insulating ability of the developed materials are given. The economic expediency of the use of recycled polyester fibers for the production of thermal and acoustic insulation materials has been analyzed. The semi-rigid thermal and acoustic insulation materials with the average density of 50-100 kg/m3, the thermal conductivity coefficient of 0.041-0.048 W/(m°C), the water absorption (by mass) of 24-39%, the normal sound absorption coefficient of 0.2-0.97 (within the range of 500-4000 Hz) were obtained, and the predicted material cost is by 3-5 times less than the cost of traditional insulating materials. Keywords: thermal insulation material, acoustic insulation material, textile tire cord fibers, polyester fibers, recycled raw materials.

Энергосбережение и повышение энергетической эффективности зданий и сооружений — одно из основных направлений развития строительной науки. Этим фактом обусловлен широкий выбор теплоизоляционных материалов на строительном рынке, который в настоящее время представлен в основном изделиями из минерального волокна, ячеистыми пластмассами, пеностеклом, материалами на основе древесного сырья, ячеистыми бетонами.

Перечисленные материалы имеют как преимущества, так и недостатки. Теплоизоляция должна быть в первую очередь безопасной, негорючей, иметь заданную эксплуатационную стойкость в конструкции [1]. Этим требованиям вполне соответствуют изделия на основе минерального волокна, обладающие рядом положительных свойств — низкой средней плотностью и теплопроводностью, химической стойкостью, сохраняемостью геометрических размеров в течение всего срока эксплуатации (для жестких плит). В то же время ми-нераловатные изделия имеют высокую гигроскопичность и содержат токсичные вещества — термореактивное связующее. К недостаткам минеральной ваты также можно отнести достаточно высокую стоимость. Доля ячеистых пластмасс на российском рынке составляет 18—22% [2]. К ним относятся пенополистирол, пенопо-лиэтилен, пенополипропилен, пенополиуретаны. К достоинствам этих материалов можно отнести низкую среднюю плотность и теплопроводность, эксплуатаци-

онную стойкость, а к недостаткам — горючесть, высокое дымообразование и токсичность при горении, ограниченный диапазон рабочей температуры [2]. Ячеистые бетоны, имеющие среднюю плотность не ниже 250—300 кг/м3, менее эффективны по сравнению с минераловатными изделиями и ячеистыми пластмассами. Теплоизоляционные материалы на основе растительного сырья отличаются высокими водопоглощением и гигроскопичностью, горючестью Г2—Г3. Наиболее оптимальным по теплофизическим и эксплуатационным свойствам, а также наиболее экологичным теплоизоляционным материалом может считаться пеностекло, обладающее, однако, высокой стоимостью [3, 4].

Таблица 1

Показатель Стекловата Каменная вата ПЭ волокна

Средний диаметр волокна, мкм 4-12 4-12 10-20

Средняя длина волокна, мм 15-40 16 5-15

Насыпная плотность, кг/м3 15-65 20-80 40-100

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) 0,035-0,05 0,038-0,047 0,038-0,048

fj научно-технический и производственный журнал

M   июнь 2016

Рис. 1. Микрофотографии полиэфирных волокон

Рис. 2. Теплоизоляция на основе вторичных полиэфирных волокон: а - внешний вид вторичных ПЭ волокон; б - образец теплоизоляционного материала на их основе; в, г - определение физико-механических характеристик образцов

В последнее время на рынке появляются и новые теплоизоляционные материалы, к которым относятся, например, материалы на основе полиэфирных волокон [5], поставляемые в виде плит или рулонов. Они изготавливаются из спиралевидного пустотелого волокна, обладающего повышенной упругостью и состоящего из 100% полиэстера. Сырьем для производства полиэфирных утеплителей служит полиэтилентерефталат (ПЭТ). Данный вид утеплителя характеризуется низкой средней плотностью (10—30 кг/м3), низким коэффициентом теплопроводности (0,033 Вт/(м-°С)), хорошими звуко-изоляционными свойствами, химической стойкостью, устойчивостью к биовредителям, отсутствием эмиссии микроволокон и токсичных веществ в процес-

се эксплуатации, прогнозируемой долговечностью до 50 лет (Полиэфирный утеплитель. URL: http://www. favoright.ru/catalog/teploizolyacionnye_mater/poliefirniy_ uteplitel/). Снижение пожарной опасности утеплителей на основе полиэфирных волокон обеспечивается обработкой антипиренами. Такой теплоизоляционный материал пользуется спросом, представлен на российском рынке одной-двумя торговыми марками, имеет стоимость порядка 3 тыс. р./м3.

Между тем существует достаточно обширная сырьевая база производства таких материалов, представленная вторичным полиэфирным волокном, полученным при утилизации автомобильных шин. Есть различные системы утилизации шин, однако средний мировой уровень их переработки не превышает 20—25% [6]. В РФ ежегодно образуется порядка 850 тыс. т изношенных шин, при этом только 17% от этого объема перерабатывается, а 20% сжигается [7, 8]. Наиболее перспективным и экологичным способом утилизации является механическая переработка шин, в результате которой получают резиновую крошку, металлический и текстильный корд.

Резиновая крошка находит широкое применение в различных отраслях промышленности [9, 10], в том числе для изготовления кровельных материалов, материала для покрытия спортивных и детских площадок, в качестве добавки при изготовлении новых шин и др. Металлический корд может быть переработан или использован в качестве фибры для бетонов. Текстильный корд в данный момент не находит применения в промышленности, спрос на этот отход практически отсутствует.

Таким образом, перспективным представляется применение для производства теплоизоляционных материалов вторичных полиэфирных волокон — отходов, свойства которых в сравнении со свойствами традиционно применяемых минеральных волокон представлены в табл. 1. Микрофотографии полиэфирных волокон показаны на рис. 1, внешний вид волокна в рыхлона-сыпном состоянии — на рис. 2, а.

Целью исследований явилось установление возможности получения эффективных тепло- и звукоизоляционных материалов на основе вторичных полиэфирных волокон.

Для изготовления образцов теплоизоляционного материала из вторичных полиэфирных волокон в качестве связующего применялась водная эмульсия клея ПВА. Волокна перемешивались вместе со связующим и послойно укладывались в форму. В зависимости от усилия прессования были получены образцы с различной средней плотностью — 50; 75 и 100 кг/м3. Для определения влияния расхода связующего на свойства материала испытаны образцы с различным содержанием связующего — 40; 70 и 100% от массы волокон. Для повышения эксплуатационных свойств и снижения пожарной опасности образцы обрабатывались анти-пиреном — водным раствором тетрабората натрия и

Таблица 2

Средняя плотность, кг/м3 50 75 100

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С), в сухом состоянии 0,041 0,044 0,048

Расход связующего, % от массы волокон 40 70 100 40 70 100 40 70 100

Прочность при сжатии при 10%-й линейной деформации, кПа 2,5 3 6 2,5 4 11 3 7 20

Предел прочности на растяжение, кПа 0,5 1 2 0,7 1,5 2,5 1 2,5 3

Сжимаемость, % 26 17 14 25 16 9 22 14 6

Водопоглощение по массе, % 39 37 35 32 28 25 26 24 24

Термостойкость при температуре 150оС без изменения внешнего вида и структуры

научно-технический и производственный журнал

Ш^улг&иш

I

20

о о

о fr ф ч:

с ф ч:

ф

IZ

-- 3 2

40 70

Расход связующего, % от массы волокна

. ¿5

S3 *

0 s

1 I

ое & *

3 2,5 2 1,5 1

ь 1

0,9 || 0,8 -8-ф 0,7

-8-EJ

m э о

0,6

0,5 0,4 £>.0,3 ¡8 0,2 & 0,1 I 0

>s о

2

vi

100

Ц 31о,5

ф о. 1= 0

40 70 100

Расход связующего, % от массы волокна

Рис. 3. Зависимости физико-механических характеристик теплоизоляционных материалов на основе вторичных ПЭ волокон от расхода связующего: а - предела прочности при сжатии; б - предела прочности при растяжении; 1 - средняя плотность 50 кг/м3; 2 - средняя плотность 75 кг/м3; 3 - средняя плотность 100 кг/м3

125 160 200 250 31 5 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц

Рис. 4. Частотная характеристика нормального коэффициента звукопоглощения материала из вторичных полиэфирных волокон: 1 - среднее значение при плотности 50 кг/м3; 2 - среднее значение при плотности 100 кг/м3

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

Рис. 5. Сравнение стоимости теплоизоляционных материалов: 1 - полиэстеровый утеплитель «ВаирИ!»; 2 - льняной утеплитель «ТермоЛЕН»; 3- минеральная вата 1зогос 1зогоо^ 4 - минеральная вата Роскм/оо! Флор Баттс; 5 - полиэфирный утеплитель Шелтер ЭкоСтрой Стандарт; 6 - разработанный утеплитель

а

0

б

гидрофобизатором на основе кремнийорганических соединений. После изготовления образцы высушивались в течение 1,5 ч при температуре 110оС. Внешний вид полученного образца представлен на рис. 2, б. Далее определялись основные свойства полученных изделий в соответствии с требованиями ГОСТ 17177—94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний» — средняя плотность, коэффициент теплопроводности, прочность при сжатии и на растяжение, сжимаемость, водопоглощение по массе. Результаты представлены в табл. 2 и на рис. 3.

Из табл. 2 видно, что расход связующего оказывает значительное влияние на физико-механические характеристики образцов и не влияет на их теплопроводность. При изменении расхода связующего от 40 до 100% от массы волокон предел прочности образцов при растяжении увеличивается в 2,5—6,5 раза, при сжатии — в 3—4 раза в зависимости от средней плотности материала (рис. 3), существенно снижается сжимаемость. По существующей классификации полученные теплоизоляционные материалы относятся к полужестким (сжимаемость от 6 до 30%).

Сравнивая полученные результаты с требованиями ГОСТ 9573—2012 «Плиты из минеральной ваты на синтетическом связующем теплоизоляционные. Технические условия», можно заключить, что свойства образцов со средней плотностью 50; 75 и 100 кг/м3 с содержанием связующего 100% от массы волокна соответствуют нормативным характеристикам минераловатных изделий.

Коэффициент теплопроводности полученных материалов находится в пределах 0,041—0,048 Вт/(м-°С), что соответствует аналогичной характеристике традиционных волокнистых теплоизоляционных материалов. Водопоглощение по массе составляет 24—39%. Нагрев материала до температуры 150оС не оказывает влияния на его структуру и внешний вид.

Были проведены исследования звукоизолирующей способности материалов на основе вторичных полиэфирных волокон. Определение нормального коэффициента звукопоглощения проводилось на образцах толщиной 25 мм со средней плотностью 50 и 100 кг/м3 с расходом связующего 40% массы волокон. Измерения проводились в третьоктавных полосах частот в диапазоне 125—4000 Гц. Результаты испытаний приведены на рис. 4.

Нормальный коэффициент звукопоглощения для образца толщиной 25 мм со средней плотностью 100 кг/м3 в диапазоне 500—4000 Гц составляет 0,2—0,97, что соответствует акустическим параметрам минераловатных изделий.

Для определения эффективности применяемого ан-типирена образцы материала были подвергнуты воздействию открытого пламени. Испытание показало, что горючесть материала с антипиреном заметно снизилась, самостоятельное горение продолжалось не более 1—2 с, после чего происходило самозатухание.

Была проанализирована экономическая целесообразность применения вторичных полиэфирных волокон для производства тепло- и звукоизоляционных материалов. С учетом невостребованности сырья (текстильного корда) и его низкой стоимости, необходимости технологических переделов по его очистке, сортировке, формованию, сушке и т. д. прогнозируемая себестоимость материала не превысит 1000 р./м3, что в 3—5 раз ниже стоимости традиционных теплоизоляционных материалов (рис. 5).

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о возможности применения вторичных ПЭ волокон для производства тепло- и звукоизоляционных материалов со средней плотностью 50 кг/м3 и выше. Основные эксплуатационные свойства полученных материалов удовлетворяют требованиям нормативных документов.

\ j научно-технический и производственный журнал

ш

июнь 2016 23

Список литературы

1. Румянцев Б.М., Жуков АД., Боброва Е.Ю., Смирнова Т.В. Технологические аспекты эксплуатационной стойкости минеральных волокон // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 1. С. 32—36.

2. Жуков А.Д., Орлова А.М. Методика оптимизации свойств пенополистирола // Научное обозрение. 2015. № 12. С. 159-162.

3. Минько Н.И., Пучка О.В., Евтушенко Е.И., Нарцев В.М., Сергеев С.В. Пеностекло — современный эффективный неорганический теплоизоляционный материал // Фундаментальные исследования. 2013. № 6—4. С. 849—854.

4. Осипов АН. Энергоэффективный, пожаробезопасный теплоизоляционный материал — пеностекло // Кровельные и изоляционные материалы. 2013. № 2. С. 17—18.

5. Евменов С.Д., Силинина Е.Б. Получение волокнистых теплоизоляционных материалов как способ утилизации вышедшей из употребления тары из полиэтиленте-рефталата // Вестник КузГТУ. 2009. № 2. С. 186—189.

6. Перлина Ж.В., Марьев В.А., Шувалов Ю.А. Переработка использованных шин: международный опыт // Твердые бытовые отходы. 2012. № 12. С. 58—63.

7. Беседин С.А., Хабарова Е.И. Пути уменьшения отходов шинной промышленности // Вестник МИТХТ. Серия: Социально-гуманитарные науки и экология. 2015. № 2. Т. 2. С. 55—61.

8. Marijana Serdar, Ana Baricevic, Stjepan Lakusic, Dubravka Bjegovic Special purpose concrete products from waste tyre recyclates // Gradevinar. 2013. No. 65, pp. 793—801.

9. Иванов К.С., Сурикова Т.Б. Утилизация изношенных автомобильных шин // Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров: Материалы 65-й Международной науч.-техн. конф. Т. 10. М. 2009. 66 с.

10. Benazzouk A., Douzane O., Langlet T., Mezreb K., Roucoult J., Queneudec M. Physico-mechanical properties and water absorption of cement composite containing shredded rubber wastes // Cement and Concrete Composites. 2007. No. 29, pp. 732—740.

References

1. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D., Bobrova E.Yu., Smimova T.V. Technological aspects of operational durability of mineral fibers. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2015. No. 1, pp. 32—36. (In Russian).

2. Zhukov A.D., Orlova A.M. Method of optimizing the properties of expanded polystyrene. Nauchnoe obozrenie. 2015. No. 12, pp. 159-162. (In Russian).

3. Minko N.I., Puchka O.V., Yevtushenko E.I., Narcev V.M., Sergeev S.V. Foamed glass is a modern and inorganic insulating material. Fundamental'nye issledovaniya. 2013. No. 6-4, pp. 849-854. (In Russian).

4. Osipov A.N. Foamed glass is an energy efficiency, fire protection, thermal insulation material. Krovel'nye i izolyatsi-onnye materialy. 2013. No. 2, pp. 17-18. (In Russian).

5. Evmenov S.D., Sielienina E.B. Obtaining of fibrous heat-insolated materials as the disposal method for the out-of-use package made of polyethyleneterephthalate. Vestnik KuzGTU. 2009. No. 2, pp. 186-189. (In Russian).

6. Perlina Zh.V., Mar'ev V.A., Shuvalov Yu.A. Recycling of used tires: international experience. Tverdye bytovye otk-hody. 2012. No. 12, pp. 58-63. (In Russian).

7. Besedin S.A., Khabarova E.I. Ways of reducing waste from the tire industry. VestnikMITKhT. Seriya:Sotsial'no-gumanitarnye nauki i ekologiya. 2015. No 2. Vol. 2, pp. 55-61. (In Russian).

8. Marijana Serdar, Ana Baricevic, Stjepan Lakusic, Dubravka Bjegovic Special purpose concrete products from waste tyre recyclates. Gradevinar. 2013. No. 65, pp. 793-801.

9. Ivanov K.S., Surikova T.B. Recycling of used tires. Priorities for the development of national tractor machine engineering and training of engineering and scientific personnel: Proceedings of the 65hInternational scientific and engineering conference. Book 10. Moscow. 2009. 66 p. (In Russian).

10. Benazzouk A., Douzane O., Langlet T., Mezreb K., Roucoult J., Queneudec M. Physico-mechanical properties and water absorption of cement composite containing shredded rubber wastes. Cement and Concrete Composites. 2007. No. 29, pp. 732-740.

7-9 сентября 2016 г.

Республика Адыгея г. Майкоп

Оргкомитет: 140050, Московская обл.,

п. Красково, ул. К. Маркса, д. 117, РГА Телефон: +7 8-916-501-36-56 E-mail: rga-service@mail.ru www.rosgips.ru

Российская гипсовая ассоциация Московский государственный строительный университет Научно-исследовательский институт строительной физики

Восьмая Международная конференция

«Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий»

Тематика конференции:

технический прогресс в области гипсовых материалов и изделий

ангидритовые вяжущие

гипсовые материалы в малоэтажном строительстве

привлекательность и механизмы инноваций в гипсовой отрасли

современное оборудование для производства гипсовых вяжущих, материалов и изделий на их основе

лаборатории, менеджмент качества, экологический менеджмент и их роль в обеспечении качества и долговечности гипсовых материалов

нормативно-техническая документация в соответствии с современными требованиями

обучение и переподготовка специалистов в области производства и применения гипсовых материалов и изделий

Генеральный информационный спонсор: журнал

Строительные Материалы-

научно-технический и производственный журнал

Ш^улг&иш