Высокоэффективный теплоизоляционный материал на основе древесного наполнителя

Р. Г. Сафин, Н. Ф. Тимербаев, В. В. Степанов,

Э. Р. Хайруллина

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ

Ключевые слова: древесные отходы, теплоизоляционный материал, полимерные компоненты, смешение.

Дано описание экспериментальной установки для производства теплоизоляционного материала, разработанной на кафедре «Переработки древесных материалов».

Keywords: wood waste, heatinsulating material, polymeric components, mixture.

The description of experimental installation for production of the heatinsulating material, developed on chair «Pro-cessing of wood materials» is given.

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 плиты, определенной толщины, которые способны удерживать форму, позволяют избежать слеживания и оседания и в связи с этим будут удобны в строительстве [1].

Широко распространены и применяются теплоизоляционные материалы на основе базальтового волокна, на основе органического наполнителя, вспененные полиэтилены, пенополистиролы, пенополиуретаны. Но технологии изготовления этих материалов отличаются энергоемкостью и сложным технологическим процессом и аппаратурным оформлением. У большинства коэффициент теплопроводности не вполне удовлетворяют потребностям современного строительства. При повышении теплофизических свойств уменьшается прочность материала, что отрицательно влияет на применимость материала в строительной индустрии [2]. Теплоизоляционные материалы на основе органического наполнителя, а именно на основе древесных отходов, также не вполне удовлетворяют по своим показателям и не решают проблему, рационального использования природных ресурсов и вторичного сырья для производства полезной продукции, которая актуальна в настоящий момент.

В деревообрабатывающей промышленности образовавшиеся отходы перерабатываются только частично. Разрабатываемые теплоизоляционные материалы на основе древесных отходов - мягкие ДВП, арболит и др., применяемые в последние годы для панельных ограждающих конструкций малоэтажных зданий, имеют ряд существенных недостатков и не технологичны, при укладке в панель.

Для полного представления рассмотрим более подробно несколько видов строительных теплоизоляционных материалов

Арболит - строительный материал, разновидность легкого бетона (объёмная плотность от 400 до 850 кг/м3), состоящего из смеси высокосортного минерального вяжущего органических заполнителей (до

80-90% объёма, в качестве которого используют древесные отходы), химических добавок и воды. Сформован в блок или панель, состоит из наполнителя, каждая частица которого «обернута» цементной оболочкой. В качестве вяжущего в арболите используется цементно-песчаная смесь, затворяемая водой по ГОСТ 23732, а основной наполнитель с низкой теплопроводностью - щепа лиственных или хвойных пород дерева в мелких фракциях, костра конопли и льна, сильно измельченная рисовая солома или стебли хлопчатника. Для минерализации заполнителя и ускорения твердения цемента в смесь вводят хлористый кальций, сернокислый глинозём, нитрат кальция, жидкое стекло или другие добавки, блокирующие негативное действие органических веществ на затвердевание цемента.

Из арболита изготавливают стеновые блоки, панели, плиты и т.п. для возведения самонесущих стен или внутренних перегородок малоэтажных жилых, общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий. Также используется в качестве теплоизоляционного (плотность от 400 до 500 кг/м3) и звукоизоляционного материала. Преимущества арболита: сравнительно невысокая теплопроводность (0,17 Вт/(м°С), экологическая безопасность используемых в производстве материалов, обладает повышенной сопротивляемостью ударным нагрузкам. К недостаткам арболита можно отнести: низкие классы прочности теплоизоляционного арболита, высокую влагопроницаемость и пониженную влагостойкость. Наружная поверхность конструкций из арболита, соприкасающихся с атмосферной влагой, должна иметь защитный отделочный слой. Кроме того, арболит неустойчив к действию агрессивных газов [3].

Пенобетон — ячеистый бетон, имеющий пористую структуру за счёт замкнутых пор (пузырьков) по всему объёму, получаемый в результате твердения раствора, состоящего из цемента, песка, воды, и пенообразователя.

В таких бетонах часть пор создается пенообразующими добавками. Прочность пенобетона зависит от объёмного веса, вида и свойств исходных материалов, а также от влажности бетона. Ячеистый бетон изготовлен на цементном вяжущем. По-

этому он продолжает набирать прочность ещё длительное время. Используется: в классическом строительстве домов, в монолитном домостроении, используется для тепло- и звукоизоляции стен, крыш, полов, плит, перекрытий.

Еще одной особенностью пенобетона является то, что технология производства достаточно простая и не требует большого вложения капитала. Благодаря пористой структуре пенобетон имеет ряд преимуществ:

- он обладает намного лучшими теплоизоляционными свойствами, чем обычный бетон. Но несравнимо более худшими, чем, например, пенопласт, минеральная вата или пеностекло;

- экологическая чистота аналогична бетону. При производстве пеноблока используются только цемент, песок и вода;

- пенобетон более гидроустойчив, чем газобетон, имеющий сквозные поры. Но менее, чем обычный бетон.

Из-за своей структуры пенобетон имеет относительно низкую механическую прочность, ориентировочно на порядок меньшую, чем у обычного бетона, и тем более уж совершенно несравнимую с железобетоном - это и является главным недостатком.

Пенополиуретан- легкий и прочный теплоизоляционный материал. Образование пенополиуретана происходит при реакции двух жидких компонентов: полиола и полиизоционата, в результате образуются микрокапсулы, заполненные воздухом. Пенополиуретан напыляется практически на любые материалы: дерево, стекло, металл, бетон, кирпич, краску, независимо от конфигурации поверхности. В результате этого отсутствует необходимость в специальном крепеже изоляции. Кроме того, пенополиуретановое покрытие инертно к кислотным и щелочным средам, может работать в грунте, использоваться как кровельный материал. Единственное, что требует пенополиуретан - защиты от прямых солнечных лучей. Главные преимущества: низкий коэффициент теплопроводности; легкий вес 40^60 кг/м3; высокая адгезионная прочность; нет необходимости в крепежных элементах; высокая акустическая изоляция; отличная антикоррозийная защита металлоконструкций; возможность изоляции конструкций любой конфигурации и размеров; долговечность покрытий (не подвержены разложению и гниению, не разрушаются под воздействием сезонных температурных колебаний, атмосферных осадков, агрессивной промышленной атмосферы); методом заливки ППУ в пресс-форму можно получать формованные теплоизоляционные блоки ("скорлупы" для трубопроводов, плиты, сэндвич-панели и т.д.).

Анализ выше перечисленных материалов стимулирует разработку нового теплоизоляционного материала с повышенными теплоизоляционными свойствами на основе древесных отходов. Лабораторией кафедры переработки древесных материалов решается задача по созданию такого материала[4].

Разработанный способ изготовления теплоизоляционного материала из древесных отходов позволит решить проблему замены традиционных доро-

гостоящих видов теплоизоляционных материалов на новые, высокоэффективные, дешевые материалы[5].

Материал представляет собой пенобетон с древесным наполнителем в полимерной оболочке В качестве древесного заполнителя используются технологическая щепа от лесопиления и деревообработки и в качестве оболочки пенополиуретан. Технологическая щепа, обработанна раствором стекла натриевого, в количестве 10% от массы древесного заполнителя, цемент, на основе портландцементного клинкера, с добавкой хлорида кальция в порошкообразном состоянии и технической пены, составляют основу теплоизоляционного материала. Оболочку из пенополиуретана получают смешением 2 компонентов: полиола и полиизоцианата. Материал является альтернативой и арболиту, и пенобетону, и пенополиуретану. Так как совмещает в себе преимущества этих материалов, удаляя их недостатки. Присутствие древесной щепы обработанной химическими добавками в пеноцементной смеси позволяет повысить тепловые характеристики и понизить удельную плотность материала. Полимер заливается в форму таким образом, что после его отверждения образуется оболочка вокруг древеснопеноцеметной плиты, позволяющая защитить ее компоненты от влагопоглощения и взаимодействия с углекислым газом воздуха, а также понизить коэффициент теплопроводности материала.

Соотношения компонентов, можно варьировать, в зависимости выявления каких либо свойств в большей или в меньшей степени. В среднем предлагается следующее соотношение компонентов, мас.%:

технологическая щепа 38-40

раствор стекла натриевого 3,8-4,0

портландцемент 39-42

хлорид кальция 0,3-0,36

техническая пена (водный рас- 0,8-0,85

твор гидролизата протеинов 1%-ной концентрации) вода остальное.

Оболочка состоит из полиола и полиизоцианата при следующем соотношении компонентов, мас.%:

полиол 55

полиизоционат 45.

Аппаратурное оформление получения теплоизоляционного плитного материала включает в себя следующие элементы:

- бункер хранения щепы;

- емкости для химических добавок;

- емкость для портландцемента;

- емкость для воды;

- пеногенератор;

- смеситель;

- пресс-форма;

- камера гидратации;

- дозатор;

- заливочная машина;

- специализированная форма.

Рис. 1 - Схема получения теплоизоляционного материала: 1 - бункер для щепы; 2 - смеситель; 3 -емкость для раствора стекла натриевого; 4 -бункер для портландцемента; 5 - емкость для хлорида кальция; 6 - емкость для воды; 7 - пеногенератор; 8 - пресс форма; 9 - сушильный шкаф; 10 - специализированная форма; 11 - дозатор; 12 - заливочная машина

Технология получения представлена на рис.1 и заключается в следующем: древесные отходы в виде технологической щепы дозированно поступает в смеситель, где обрабатывается раствором стекла натриевого, далее туда же поступает портландцемент, обработанный ранее хлоридом кальция, все это смешивается, и в полученную смесь вводят техническую пену из пеногенератора. Полученная древеснопеноцементная смесь из смесителя поступает в пресс-формы для формирования плитного материала, при давлении 0,1^035 МПа. Последующее твердение осуществляется в камере гидратации при температуре 50^60 °С и относительной влажности воздуха 70^80%. После выдержки в камере гидратации плитный материал подвергается атмосферной выдержке, необходимой для снятия внутренних напряжений материала. Выдержанный плитный древеснопеноцементный материал укладывается в специализированные формы, в которых их заливают пенополиуретановой оболочкой, поступаемой из заливочной установки, далее материал транспортируется на технологическую выдержку в течение 24 часов. Создание первого опытного производства по изготовлению теплоизоляционного материала с древесными отходами и полимерным компонентом весьма актуально и эффективно, так как одновременно решается проблема использования отходов лесопиления и деревообработки в производстве новых видов экологически чистых, высокоэффективных теплоизоляционных материалов из технологической щепы. Полученный материал обладает более низкой плотностью, повышенными теплоизоляционными свойствами при сохранении прочностных показателей.

Результат исследования зависимости теплопроводности от содержания древесного наполнителя в пенополиуретане, в бетонной смеси а также в пенобетонной смеси с оболочкой из пенополиуретана представлен на рис. 2.

При средней плотности 314 кг/м3 теплоизоляционный материал на основе органического наполни-

теля и полимерных компонентов имеет коэффициент теплопроводности 0,147 Вт/(м-°С).

Исследования теплоизоляционного материала на предел прочности при сжатии показали 0,39 МПа.

Содержание древесного наполнителя а материала. %

Рис. 2 - Сравнительная характеристика зависимостей теплопроводности от содержания древесного наполнителя: 1 - Пенополиуретан с древесными частицами; 2 - Дреесно-пенобетонная смесь в оболочке из пенополиуретана; 3 - Древесно-бетонная смесь

Из рисунка видно, что для рассмотренных материалов содержание древесных частиц положительно влияет на свойства материала. Данный теплоизоляционный материал может успешно применятся в качестве плитного материала, как в домостроении, так и в разных отраслях строительной индустрии.

Исследования по данной работе выполнены в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно - технологического комплекса России на 2007 - 2013» по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала», при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Литература

1. Сафин Р.Г и др. Использование отходов лесозаготовок и деревообработки для производства теплоизоляционных материалов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2012,№3-4. - С.100-108.

2. Сафин Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств / Р.Г. Сафин. - М.: из-во МГУЛ, 2003. - 500 с.

3. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных материалов / Ю.П. Горлов. - Москва: Стройиздат, 1980. - 396 с.

4. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. №4. С. 120-130.

5. Степанов В.В., Хайруллина Э.Р. Установка переработки древесных отходов с получением теплоизоляционного материала // Матер. третьей всерос. студ. науч.-технич. конф. «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная без-опасность и экология». Казань, 2012. С. 101-103.

© Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safm_rg@kstu.ru; Н. Ф. Тимер-баев - д-р техн. наук, доц. той же кафедры; В. В. Степанов - асп. той же кафедры; Э. Р. Хайруллина - студ. КНИТУ.