Экспериментальная установка для получения древесно-наполненного пенополиуретанового теплоизоляционного материала

УДК 699.86

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

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНО-НАПОЛНЕННОГО

ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Ключевые слова: теплоизоляционный материал, отходы деревообработки, древесный наполнитель, пенополиуретан, вакуум.

Разработана экспериментальная установка для получения образцов древесно-наполненного теплоизоляционного материала на основе пенополиуретана и представлены ее технические характеристики.

Keywords: heat-insulating material, wood waste, wood filler, polyurethane foam, vacuum.

An experimental plant for the production of samples of wood- filled insulating material based on polyurethane and presented its technical characteristics.

Введение

Теплоизоляционные материалы (далее - ТИМ) -элементы конструкции, уменьшающие скорость и количество передаваемой теплоты через слой материала, т.е. выполняющие роль основного термического сопротивления в конструкции.

Необходимость в теплоизоляционных материалах обуславливается, во-первых, требованиями к увеличению энергосбережения и соответственно понижению энергозатрат на обогрев помещения зимой и его охлаждение летом. Во-вторых, наружная теплоизоляция здания обеспечивает равномерное распределение тепла по всему объему помещения, при этом отпадает необходимость прогрессивного отопления. В-третьих, теплоизоляция улучшает климат помещения, в зимний период времени, предотвращая образования конденсата и соответственно плесени на внутренних стенах, а в летний период предотвращая чрезмерное высыхание внутренних помещений. В-четвертых, теплоизоляция повышает срок службы здания и его несущих элементов, что значительно сказывается на стоимости здания при его продаже или сдаче в аренду [1].

При теплоизоляции зданий и сооружений в настоящее время используются в основном минерало-ватные теплоизоляторы (стекловолокно, каменная вата и т.д.) и газонаполненные полимером теплоизоляционные материалы (пенополистирол, пенополиуретан и т.д.), имеющие высокую себестоимость, обуславливающуюся сегодняшней экономической ситуацией в стране. Только в последние годы быстро растущую популярность завоевывают теплоизоляционные материалы, получаемые переработкой неделовой древесины - древесноволокнистая теплоизоляция, древесно-стружечные и цементно-стружечные плиты [2]. Однако, с позиций современных требований они не обладают достаточными теплозащитными свойствами и уровнем гидрофоб-ности. Кроме того, на сегодняшний день нет четких рекомендаций, каким должен быть состав, условия и технология получения эффективных теплоизоляционных материалов, производимых на основе измельченной древесины и отходов деревообработки [3].

Исходя из вышесказанного, актуальным направлением научной деятельности является разработка и создание новых технологий получения теплоизоляционных материалов с целью снижения их себестоимости и улучшения теплоизоляционных свойств.

Учитывая высокую стоимость и уникальные свойства пенополиуретана, как теплоизоляционного материала, а также большое количество древесных отходов, образующихся на предприятиях деревообрабатывающего комплекса, было принято решение наполнить его органическим наполнителем, в качестве которого выбрали измельченные древесные отходы [4]. В результате был разработан способ получения древесно-наполненного теплоизоляционного материала.[5] Способ заключается в смешении наполнителя и связующего, с последующим формованием и отверждением. В качестве наполнителя используют древесную технологическую щепу толщиной 5 ± 2 мм, длинной 10 - 35 мм. В качестве связующего используют пенополиуретан получаемый из двух компонентов - полиола и полиизоциа-ната. Предварительно смешивают компоненты связующего, затем смешивают связующее с наполнителем путем послойной укладки слоя связующего, слоя наполнителя и слоя связующего в форму, при соотношении всех компонентов смеси, мас.%: поли-ол 24 - 22, изоцианат 36 - 33, технологическая щепа 40 - 45. После полной подачи компонентов, форму фиксируют запорами и выдерживают 15-20 мин. По данному способу были получены образцы легкого и эффективного теплоизоляционного материала на основе древесных отходов с высокой плотностью, однако свойства теплопроводности уступали обычным плитам ППУ, что приводило к увеличению толщины плит [6].

С целью снижения плотности древесно-наполненного пенополиуретана при сохранении его компонентного состава были проведены экспериментальные исследования на базе лаборатории кафедры Переработка древесных материалов ФГБОУ ВПО «КНИТУ», которые показали, что воздействие вакуума в 0,5 бар эффективно влияет на процесс вспенивания древесно-наполненного пенополиуретана при незначительном изменении теплопроводности и одновременном увеличении массовой доли

органического наполнителя к полимерному связующему до соотношения 4,5:1.

Таким образом, вспенивание под вакуумом позволяет обеспечить снижение себестоимости по отношению к стандартным плитам из пенополиуретана в 2,5 раза.

На основании проведенных исследований была разработана экспериментальная установка для по-

лучения древесно-наполненного пенополиуретано-вого теплоизоляционного материала.

Научная новизна данной разработки заключается в запатентованном способе послойной укладки компонентов и формирования плитной продукции под вакуумом.

Конструкция экспериментальной установки представлена на рисунке 1.

Рис. 1 - Эскиз лабораторной установки получения древесно-наполненного теплоизоляционного материала: 1 - конвейер, 2 - рама конвейера, 3 - рама наливного узла, 4 - опора двигателя, 5 - электродвигатель, 6 - заливочная головка, 7 - бункер щепы, 8 - опора двигателя бункера, 9 - привод шлюзного затвора, 10 -лента конвейера, 11 - форма, 12 - привод конвейера, 13 - компрессор, 14 - шланг подачи сжатого воздуха, 15 - машина ППУ, 16 - шланг подачи компонента А, 17 - шланг подачи компонента Б, 18 - вакуум насос.

Специальная форма 11 для плитных образцов ДППУ размещена на ленте 10 конвейера 1, установленной на раме 2 с бортами для организации движения формы. Конвейер работает от привода 12. Форма 11 двигается по конвейеру слева направо. В начале и конце формы установлены лазерные датчики, передающие сигнал на ответные датчики, установленные на заливочных головках 6 и шлюзовых питателях 7. Заливочные головки для подачи смеси компонентов ППУ работают от привода 9 и установлены на опоре 4. Шлюзовые питатели установлены под бункерами для щепы, размещенными на опоре 8. Наливной узел в сборе размещен на раме 3. При прохождении формы под первой заливочной головкой вследствие срабатывания датчиков включается компрессор 13, подающий сжатый воздух по шлангу 14 в заливочную головку. Одновременно с компрессором включается насос машины ППУ 15, подающий компонент А по шлангу 16, компонент Б по шлангу 17. Вспенивание в формах производится под разрежением вакуум насоса18. Регулирование

расхода компонентов и сжатого воздуха осуществляется автоматическими клапанами, установленными на шлангах подачи, и принимающими сигнал от датчиков. Компоненты попадают вместе со сжатым воздухом в заливочную головку, где в зоне контакта перемешиваются за счет мешалок, работающих от приводов. Приводы мешалок включаются одновременно с насосом и компрессором. С момента перемешивания компонентов в заливочной головке начинается отсчет времени индукции полиуретана. Давление сжатого воздуха выталкивает жидкую смесь компонентов ППУ через отверстие заливочной головки в форму в виде непрерывной ленты заданной толщины, которая задается размером проходного сечения заливочной головки. Таким образом, в форму заливается первый слой пенополиуретана, время начала вспенивания которого регулируется соотношением компонентов ППУ и скоростью перемешивания в зоне контакта головки. Когда форма полностью проходит под головкой, срабатывают замыкающие датчики, и подача компонента в

первую заливочную головку прекращается путем закрытия клапанов. Аналогичным образом работает шлюзовый питатель щепы, установленный после первой заливочной головки, осуществляющий подачу древесного наполнителя в форму в виде второго слоя. Таким же образом последовательно включаются вторая заливочная головка, второй питатель щепы и третья заливочная головка, которые в той же последовательности выключаются при прохождении под ними лазерного датчика выключения, причем последний выключающий датчик подает сигнал не только на закрытие клапанов подачи третьей заливочной головки, но также отключает насос машины ППУ и компрессор. Таким образом осуществляется непрерывная послойная укладка компонентов ДППУ в специальную форму. Весь процесс технологического цикла послойной укладки осуществляется за время индукции ДППУ, то есть пока не началось самопроизвольное вспенивание композиции и в форме остается свободный объем, который будет заполняться в течение времени вспенивания. После укладки компонентов в форму, производится закрытие формы специализированной крышкой с клапанным отверстием для подвода шланга вакуумного насоса, который после откачки воздуха и создания разрежения в форме осуществляет вспенивание и поднятие композиции до заданного объема, ограниченного формой. После вакуумирования формы отверстие клапана крышки герметично закрывается и форма отправляется на выдержку до полного отверждения образца ДППУ.

Автоматизация установки представлена лазерными датчиками, установленными на концах формы, заливных головках и шлюзовых питателях щепы. Оптический датчик положения со встроенной микропроцессорной системой управления предназначен для использования в системах контроля прямолинейности и взаиморасположения удаленных объектов. Он позволяет с высокой точностью измерять перемещения контролируемого объекта без механического контакта с ним. Также в систему автоматизации входит система

поддержания на заданной температуре компонентов А и Б.

На экспериментальной установке имеется возможность регулирования технологических параметров, влияющих на конечные свойства получаемого теплоизоляционного материала.

Проведенные экспериментальные исследования на отдельных лабораторных стендах позволили установить границы экспериментального исследования по параметрам процесса и конечным физико-механическим и эксплуатационным свойствам древесно-наполненного пенополиуретана, пригодного для изготовления теплоизоляционных плит.

Диапазоны варьирования технологических параметров на экспериментальной установке определяются исходя из допустимых диапазонов варьирования свойств получаемого материала. Для создания экспериментальной установки для получения древесно-наполненного

теплоизоляционного материала необходимо задать

допустимые диапазоны базовых физико-механических и эксплуатационных свойств ДППУ материала [7,8]:

- теплопроводность: 0,025-0,035 Вт/мК;

- плотность: 60-80 кг/куб.м;

- прочность при изгибе: 0,55-0,65 МПа;

- водопоглощение по объему: 1,4-1,6 %;

- степень повреждения по длине при горении: 7085 %;

- температура дымовых газов при горении: 150200 °С;

- степень повреждения по массе при горении: 4358%;

- время самостоятельного горения: 20-30 с.

По заданным диапазонам свойств ДППУ были определены диапазоны варьирования

технологических параметров на экспериментальной установке на основании результатов проведенных исследований:

- соотношение компонентов ППУ: щепа - от 1:2 до 1:4 (регулируется оборотами двигателя шлюзового питателя 9);

- соотношение компонентов полиол: полиизоционат - от 1:1,2 до 1:1,5 (регулируется в машине ППУ 15);

- разрежение - от 0,5 до 0,6 бар (регулируется производительностью вакуум насоса 18);

- расход антипирена - от 0,7 до 0,1 л/кг (регулируется оборотами двигателя питателя антипирена);

- время заполнения форм ДППУ - от 22 до 37с (регулируется производительностью и давлением компрессора 13);

Таким образом, разработка технологии получения древесно-наполненного

теплоизоляционного материала заключается в определении допустимых диапазонов

технологических параметров, определяющих регламент экспериментальных исследований на экспериментальной установке. Эти диапазоны позволят правильно произвести расчеты, установить границы экспериментального варьирования и проводить на установке ряд других комплексов исследований, целью которых будет являться определение оптимальных режимных параметров процесса получения плитного древесно-наполненного теплоизоляционного материала.

Литература

1. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных материалов: учеб. Пособие. М.: Стройиздат, 1980. 396 с.

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

3. Сафин Р.Г. Новые исследования и разработки в области получения древесно-композиционных материалов

на основе древесных отходов / Сафин Р.Г., Степанов В.В., Исхаков Т.Д., Гайнуллина А.А., Степанова Т.О. // Вестник Казанского технологического университета. -2015. -Т. 18. №6. - С. 139-142.

4. Тунцев, Д.В. Разработка комплексной технологии термохимической переработки древесных отходов / Д.В.

Тунцев, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2014. - №4. - С. 50-55

5. Пат. 2538004 Российская Федерация, МПК С04В 18/26, С04В 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.

6. Сафин Р.Г. Получение теплоизоляционно-конструкционного материала из древесных и пластмассовых отходов / Сафин Р.Г., Степанов В.В., Шаяхметов Ф.Ф. // Материалы международной заочной научно-

практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика». Воронеж, 2014. - Т.2. №2-3 (7-3) - С. 130-132.

7. Сафин, Р.Г. Высокоэффективный тепло-изоляционный материал на основе древесного наполнителя / Р. Г. Са-фин, Н.Ф. Тимербаев, В.В. Степанов, Э.Р. Хайруллина // Вестник Казан. технол. ун-та. 2012.№11. 90-92 с.

8. Тимербаев, Н.Ф. Исследование зависимости теплотворной способности ТБО от их морфологического состава / Н.Ф. Тимербаев, Д.Ф. Зиатдинова, И.А. Кузьмин, А.Р. Садртдинов // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2008. - Т.51. -№10. - С.79-82.

© Д. Б. Просвирников - к.т.н., доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, prosvirnikov_dmi@mail.ru; В. А. Салдаев - ассистент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, c-vova@mail.ru; В. В. Степанов - к.т.н., доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, vlad200719@mail.ru; О. С. Салдаева - аспирант кафедры Технологии переработки полимеров и композиционных материалов, olga-gra@mail.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.

© D. B. Prosvirnikov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, prosvirnikov_dmi@mail.ru; V. A. Saldaev - assistant, Technologies of processing of polymers and composites KNRTU, c-vova@mail.ru; V. V. Stepanov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials

KNRTU, vlad200719@mail.ru; O. S. Saldaeva - postgraduate student, Technologies of processing of polymers and composites KNRTU, olga-gra@mail.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.