Влияние соотношения компонентов на процесс формирования композиции древесно-наполненного пенополиуретана

УДК 699.86.

В. А. Салдаев, Д. Б. Просвирников, О. С. Салдаева, Р. Г. Сафин, Х. Г. Мусин

ВЛИЯНИЕ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ НА ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИЦИИ

ДРЕВЕСНО-НАПОЛНЕННОГО ПЕНОПОЛИУРЕТАНА

Ключевые слова: теплоизоляционный материал, древесные отходы, пенополиуретан, плотность, теплопроводность,

скорость вспенивания, скорость индукции, вакуум.

В статье представлены результаты исследования по оценке влияния массового соотношения компонентов пенополиуретана и древесного наполнителя на процесс формирования композиции древесно-наполненного пенополиуретанового теплоизоляционного материала. Описана методика проведения исследований, выявлены оптимальные соотношения и режимы получения древесно-наполненного пенополиуретана.

Keywords: wood waste, polyurethane foam, density, thermal conductivity, rate of expansion, speed induction, vacuums.

The article presents the results of a study evaluating the effect of the mass ratio of the components of polyurethane foam and wood filler on the formation of the composition of trees and filled with polyurethane foam insulation material. The technique of research identified the optimum ratios and modes of producing wood- filled with polyurethane foam.

Введение

На сегодняшний день в России существует много экологических проблем, которые появляются из-за предприятий, не заботящихся о негативных последствиях от их работы. Одной из таких проблем является отсутствие рационального использования древесных отходов. В России сосредоточено примерно 25% мировых запасов древесины [1], современная структура лесо- и деревопереработки такова, что в целом по России полезно используется около половины древесного сырья [2], остальная часть - это отходы, которые выбрасываются, накапливаются вокруг деревоперерабатывающих предприятий и никак не используются.

В России существуют определенные трудности на пути использования древесных отходов в производстве. В основном древесные отходы даже не пытаются использовать в производстве, обычно их просто уничтожают. Это связано с потерей научной базы для развития технологий переработки древесных отходов, так как практика использования этого сырья была не популярна, и необходимости в таких разработках не было [3].

В связи с увеличением объемов строительных работ по возведению зданий и сооружений, стремительно растет спрос на новые строительные материалы, в частности теплоизоляционные, с улучшенными эксплуатационными свойствами и низкой себестоимостью. Поэтому наиболее перспективным направлением в области переработки древесных отходов является разработка и создание новых технологий получения теплоизоляционных материалов на основе древесных отходов. Создание современного теплоизоляционного материала на основе древесных отходов позволит решить сразу две проблемы: во-первых, снизить экологическую нагрузку на окружающую среду за счет переработки древесных отходов, во-вторых, получить новый теплоизоляционный материал с высокими

эксплуатационными свойствами при сравнительно низкой рыночной стоимости.

В результате научно-исследовательской работы на базе лабораторий кафедры «Переработка древесных материалов» ФГБОУ ВПО «КНИТУ» совместно с ООО НПО «Политехнологии» был разработан новый древесно-наполненный теплоизоляционный материал. Проведены исследования влияния соотношения компонентов пенополиуретана и древесного наполнителя на процесс формирования композиции.

Методика проведения исследований

При проведении экспериментальных

исследований по оценке влияния соотношений компонентного состава древесно-наполненного пенополиуретанового теплоизоляционного

материала (далее ДППУ) на процесс формирования, были подготовлены образцы ДППУ на экспериментальной установке [4], принцип работы которой заключается в послойной укладке связующего и наполнителя [5] с последующим формованием в присутствии разрежения. В качестве наполнителя использовались дробленые древесные отходы с деревообрабатывающих предприятий (горбыли, рейки, срезки, короткомер) фракции 10-15 мм по длине частицы, влажностью 25-50 %. В качестве связующего использовали пенополиуретан, состоящий из двух компонентов А и Б: полиол «химтраст - 40М» и полиизоцианат «миллионат МЯ - 200» соответственно.

Поскольку основным компонентом

теплоизоляционного материала в данной композиции является пенополиуретан, то необходимо задать допустимые диапазоны базовых физико-механических и эксплуатационных свойств ДППУ материала:

- теплопроводность: 0,027- 0,032 Вт/мК;

- плотность: 60-80 кг/куб.м;

На полученных образцах ДППУ были проведены исследования в отношении:

- скорости вспенивания пенополиуретана в зависимости от количества древесного наполнителя и степени разрежения;

- времени индукции в зависимости от массового соотношения компонентов пенополиуретана к количеству древесного наполнителя;

- плотности ДППУ образца в зависимости от массового соотношения компонентов пенополиуретана к количеству древесного наполнителя при разном разрежении;

- теплопроводности ДППУ образца, в зависимости от массового соотношения компонентов пенополиуретана к количеству древесного наполнителя.

Так как скорость вспенивания пенополиуретана влияет на эксплуатационные свойства и структуру конечного продукта (ДППУ) были проведены экспериментальные исследования для определения скорости вспенивания пенополиуретана в зависимости от количества древесного наполнителя при разном разрежении. В ходе эксперимента было подготовлено 3 вида образцов ДППУ, полученных при разном разрежении (0,2; 0,5; 1 бар), по 6

образцов в каждом виде с разным содержанием наполнителя (пенополиуретан к древесному наполнителю от 1:0 до 1:5). Скорость вспенивания оценивалась по высоте поднятия ДППУ в специализированных формах за определенное время, процесс фиксировался видеосъемкой.

С целью исследования времени индукции в зависимости от массового соотношения компонентов пенополиуретана к количеству древесного наполнителя было подготовлено 3 вида образцов ДППУ, с разным соотношением компонентов пенополиуретана (полиол:полиизо-цианат - 1:1; 1:1,2; 1:1,5), по 6 образцов в каждом виде с разным содержанием наполнителя (пенополиуретан к древесному наполнителю от 1:0 до 1:5). Определение времени индукции, характеризующее начало процесса вспенивания и увеличение объема пенополиуретана,

осуществлялось таймером, а также фиксировалось видеосъемкой.

Для определения оптимальной плотности было подготовлено 4 вида образцов ДППУ, полученных при разном разрежении (0,2; 0,5; 0,9; 1 бар), по 6 образцов в каждом виде с разным содержанием наполнителя (пенополиуретан к древесному наполнителю от 1:0 до 1:5). Плотность образцов ДППУ определялась по ГОСТ EN 1602-2011.

Поскольку исследуемый ДППУ является теплоизоляционным материалом, было определено основное свойство этого материала -теплопроводность, в зависимости от компонентного состава. В ходе исследования было подготовлено 3 вида образцов ДППУ, с разным массовым соотношением компонентов пенополиуретана (полиол к полиизоцианату - 1:1; 1:1,2; 1:1,5), по 6 образцов в каждом виде с разным содержанием наполнителя (пенополиуретан к древесному наполнителю от 1:0 до 1:5). Теплопроводность определялась по ГОСТ 30256-94 с помощью измерителя теплопроводности ИТП-МГ4 «250».

Результаты экспериментальных исследований

В результате исследования скорости вспенивания пенополиуретана в зависимости от количества наполнителя при разном разрежении экспериментально было установлено, что разрежение способствует ускорению процесса вспенивания пенополиуретановой композиции при формовании.

р 11111» 112 111

1 :шл

Рис. 1 - Зависимость средней скорости вспенивания пенополиуретана от количества наполнителя при разном разрежении

Как показано на рис.1 скорость вспенивания компонентов пенополиуретана у образцов, полученных при разрежении на порядок выше, чем у образцов, полученных при атмосферном давлении (1 бар). Также установлено, что увеличение доли древесного наполнителя в пенополиуретановой композиции влияет на снижение скорости вспенивания. Понижение скорости вспенивания с увеличением наполнителя больше всего заметно на образцах, полученных при атмосферном давлении, что отрицательно сказывается на свойствах и структуре ДППУ.

Отсюда можно сделать вывод: при введении древесного наполнителя в пенополиуретановую композицию, для достижения заданных характеристик теплоизоляционного материала, необходимым условием при формовании ДППУ является присутствие разрежения.

Результаты исследования времени индукции в зависимости от массового соотношения компонентов пенополиуретана (полиола ш-ОИ и полиизоцианата п-ЫСО) к количеству древесного наполнителя представлены на рис. 2.

Из представленных данных следует, что на начало процесса вспенивания пенополиуретана влияет присутствие в полимерной композиции древесного наполнителя. Причем, чем больше древесных частиц, тем выше время индукции. Это обуславливается тем, что объемная масса древесного наполнителя больше чем у пенополиуретана. Также видно увеличение времени индукции в 2 раза в зависимости от соотношения компонентов пенополиуретана (полиол:поли-изоцианат) от 1:1 до 1:1,5.

1 !- ---

о

а 1 : 1 * I 1:1П1и

Рис. 2 - Зависимость времени индукции от массового соотношения компонентов ДППУ

Полученные данные зависимости времени индукции от массового соотношения компонентов ДППУ дают возможность варьирования технологического процесса при изготовлении ДППУ на экспериментальной установке, влияющего на конечные свойства получаемого теплоизоляционного материала.

На рис. 3 представлены результаты исследования плотности образцов ДППУ в зависимости от массового соотношения компонентов при разном разрежении в процессе вспенивания и формования.

140

20

а

О 1 I 5 Л 5

1:шт

Рис. 3 - Зависимость плотности образцов ДППУ от соотношения компонентов при разном разрежении

Из представленных данных видно, что с увеличением доли древесного наполнителя в пенополиуретановой композиции увеличивается плотность образцов ДППУ. Из рис.3 так же следует, что чем ниже разрежение, тем меньше доля древесного наполнителя влияет на увеличение плотности образца ДППУ. Изначально задан диапазон плотности ДППУ р = 60-80 кг/куб.м, отсюда следует, что для достижения заданных характеристик теплоизоляционного материала, необходимо соблюдать следующие условия: массовое соотношение пенополиуретана к древесному наполнителю - от 1:2 до 1:5; разрежение - от 1,0 до 0,35 бар.

На рис. 4 представлены результаты исследований зависимости теплопроводности ДППУ от массового соотношения компонентов пенополиуретана (полиола и полиизоцианата) и доли древесного наполнителя.

Из рисунка видно, что содержание древесных частиц в пенополиуретановой композиции способствует увеличению теплопроводности теплоизоляционного материала. Это связано с тем, что теплопроводность у древесных частиц больше (Х=0,130Вт/мК), чем у пенополиуретана (=0,019 -0,028Вт/мК).

i-f0011 0,91

twos

[1 --

Oil}*!

1 :п1ш

Рис. 4 - Зависимость теплопроводности образцов ДППУ от массового соотношения компонентов пенополиуретана и доли древесного наполнителя

В ходе экспериментальных исследований установлено, что для обеспечения допустимой теплопроводности теплоизоляционного материала, при изготовлении ДППУ необходимо соблюдать массовое соотношение компонентов

пенополиуретана (полиол : полиизоцианат) от 1:1,2 до 1:1,5 и массовое соотношение пенополиуретана к древесному наполнителю от 1:2,5 до 1:4, что в свою очередь позволит получить древесно-наполненный теплоизоляционный материал, удовлетворяющий заданному диапазону теплопроводности X = 0,027 -

0.032 Вт/мК.

Заключение

В результате экспериментальных исследований по оценке влияния соотношений компонентного состава на процесс формирования древесно-наполненного пенополиуретанового

теплоизоляционного выявлены оптимальные параметры:

- разрежение - от 1,0 до 0,35 бар.

- массовое соотношение компонентов пенополиуретана к древесному наполнителю - от 1:2 до 1:5;

- массовое соотношение компонентов пенополиуретана (полиол : полиизоцианат) - от 1:1,2 до 1:1,5.

Работа выполнена в рамках реализации программы «Старт - 1» Фонда содействия развитию малых форм предприятия в научно-технической сфере по теме: «Разработка технологии и опытно-промышленной установки для получения древесно-наполненных теплоизоляционных материалов» дог.№ 422ГС1/9650.

Литература

1. Поздеев А.Г. Разработка установки по переработке древесных отходов в компоненты моторного топлива / Поздеев А.Г., Садртдинов А.Р., Просвирников Д.Б.,

Салдаев В.А. // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. -Т. 16. №20. - С. 245-248.

2. Садртдинов А.Р. Перспективные направления переработки неликвидной древесной биомассы лесозаготовок и деревообработки / Садртдинов А.Р., Исмагилова Л.М., Мухаметзянов Р.Р. // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т.2. - № 2-3 (7-3). - С. 117-119.

3. http://www.buk.irk.ru/library/sbornik_14/sokolovskaya.pdf

4. Просвирников Д.Б. Экспериментальная установка для получения древесно-наполненного пенополиуретанового теплоизоляционного материала / Просвирников Д.Б., Салдаев В.А., Степанов В.В.,

Салдаева О.С., Мусин Х.Г.// Вестник Казанского технологического университета. - 2015. -Т. 18. №17. - С. 152-156.

5. Пат. 2538004 Российская Федерация, МПК С04В 18/26, С 04В 40/00, С04В 38/10. Способ получения теплоизоляционного материала на основе древесного наполнителя / Салдаев В.А., Степанов В.В.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное

объединение «Политехнологии». - № 2013143647/03; заявл. 26.09.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1 - 7с.: ил.

© В. А. Салдаев - ассистент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, c-vova@mail.ru; Д. Б. Просвирников -к.т.н., доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, prosvirnikov_dmi@mail.ru; О. С. Салдаева - аспирант кафедры Технологии переработки полимеров и композиционных материалов, olga-gra@mail.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., заведующий кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, safin_rg@kstu.ru; Х. Г. Мусин - д.с-х.н., профессор кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, Первый заместитель министра лесного хозяйства Республики Татарстан, Haris.Musin@tatar.ru.

© V. A. Saldaev - assistant, Technologies of processing of polymers and composites KNRTU, c-vova@mail.ru; D. B. Prosvirnikov -candidate of technical sciences, associate professor of department processing of wood materials KNRTU, prosvirnikov_dmi@mail.ru; O. S. Saldaeva - postgraduate student, Technologies of processing of polymers and composites KNRTU, olga-gra@mail.ru; R. G. Safin - doctor of technical sciences, professor, head of department of the processing of wood materials KNRTU, safin_rg@kstu.ru; H. G. Musin - doctor of agricultural sciences, professor of processing of wood materials KNRTU, First Deputy Minister of Forestry of Republic of Tatarstan, Haris.Musin@tatar.ru.