Исследование эксплуатационных свойств древесно-наполненного пенополиуретана

УДК 699.86.

В. А. Салдаев, Д. Б. Просвирников, Р. Г. Сафин, О. С. Салдаева, В. В. Степанов, З. Г. Саттарова

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

ДРЕВЕСНО-НАПОЛНЕННОГО ПЕНОПОЛИУРЕТАНА

Ключевые слова: теплоизоляционный материал, древесные отходы, пенополиуретан, антипирен, предел прочности при

изгибе, водопоглощение, огнестойкость, вакуум.

В статье представлены результаты исследования эксплуатационных свойств древесно-наполненного пенополиуретанового теплоизоляционного материала. Описана методика проведения исследований, выявлены оптимальные соотношения и режимы получения древесно-наполненного пенополиуретана, определена группа горючести полученного теплоизоляционного материала.

Keywords: heat-insulating material, wood waste, polyurethane foam, retardant, flexural strength, water absorption, fire resistance,

vacuums.

The article presents the results of a study of operational properties of trees and filled with polyurethane foam insulation material. The technique of research identified the optimum ratios and a mode of producing wood- filled polyurethane foam is defined flammability group received thermal insulation material.

Введение

На сегодняшний день полимерные и волокнистые теплоизоляционные материалы не лишены всех эксплуатационных и стоимостных недостатков. При низкой стоимости материала население получает низкокачественный продукт, обладающий высоким водо- и влагопоглощением и низкой огнестойкостью. При высокой стоимости основная часть эксплуатационных показателей находится в пределах нормы, но фактор экологичности и долговечности также остается не проработанным. Анализ известных методик повышения эффективности и качества теплоизоляционных материалов выявил отсутствие подходов и малую изученность методов минимизации факторов, снижающих качественные показатели изделий. Современный уровень развития техники и технологий требует комплексного сочетания достоинств материалов и отсутствия отрицательных показателей характеристик. В связи с этим актуальным направлением научной деятельности в области строительных материалов является разработка и создание новых технологий получения теплоизоляционных материалов с целью снижения их себестоимости и улучшения эксплуатационных свойств.

В качестве теплоизоляционного материала широко используется пенополиуретан [1], обладающий высокими теплозащитными свойствами. Однако теплоизоляционные изделия из пенополиуретана являются довольно

дорогостоящими ввиду использования импортных компонентов, в частности полиизоцианата. В связи с этим большое количество исследований [2] в области строительства ориентировано на удешевление таких изделий путем добавления в полимерную композицию различных наполнителей. Причем, главной целью модификации пенополиуретановых теплоизоляционных

материалов является сохранение или увеличение

показателей прочностных, теплоизоляционных и эксплуатационных свойств.

Перспективным наполнителем для производства удешевленных теплоизоляционных материалов на основе пенополиуретана являются древесные частицы, полученные из отходов

деревообрабатывающих производств [3,4]. Добавление подобного наполнителя в состав материала улучшает его конструкционные и эксплуатационные свойства при значительном сокращении себестоимости [5].

В результате научно-исследовательской работы на базе лабораторий кафедры «Переработка древесных материалов» ФГБОУ ВПО «КНИТУ» и технологического оборудования ООО НПО «Политехнологии» был разработан новый древесно-наполненный теплоизоляционный материал. Проведены исследования его физико-механических и эксплуатационных свойств.

Методика проведения исследований

Образцы древесно-наполненного

пенополиуретана (далее ДППУ) были получены на экспериментальной установке [6], принцип работы заключается в послойной укладке пенополиуретана и древесных частиц [7] с последующим формованием в среде вакуума. В качестве древесного наполнителя использовались дробленые древесные отходы с деревообрабатывающего предприятия (горбыли, рейки, срезки, короткомер) фракции 10-15 мм по длине частицы, влажность 2550 %. В качестве компонентов пенополиуретана использовали полиол «химтраст - 40М», полиизоцианат «миллионат МЯ - 200».

С целью изучения влияния давления разрежения на физико-механические характеристики ДППУ, были проведены исследования в отношении водопоглощения и предела прочности ДППУ образцов при изгибе.

Для исследования влияния соотношения компонентов и разрежения на предел прочности ДППУ образцов при изгибе, были проведены

эксперименты по ГОСТ EN 12089-2011, в ходе которых было подготовлено 12 образцов с разным массовым соотношением компонентов

пенополиуретана к древесным частицам (от 1:0 до 1:5) и при разрежении 0,5 и 0,9 бар. Образцы испытывались на универсальном испытательном стенде ИС-400. Нужно ввести читателя в курс дела по вопросу разрежения. Зачем оно, в каком случае и т.д.

При исследовании образцов ДППУ на водопоглощение по объему, было подготовлено 3 образца ДППУ с массовым соотношением компонентов (пенополиуретан : древесные частицы) 1 : 4 при разном разряжении (0; 0,5; 0,8 бар). Водопоглощение образцов определяли по ГОСТ 20869-75.

Для снижения горючести ДППУ древесный наполнитель предварительно обрабатывали огнебиозащитным пропиточным составом «Аттик» с различным расходом на единицу массы наполнителя QAП (л/кг). Группу горючести полученного ДППУ определяли по ГОСТ 30244-94 по четырем параметрам: повреждение образца при сгорании по длине %), повреждение по массе %), температура дымовых газов (Г, °С), продолжительность самостоятельного горения сек). Для исследования огнезащитных свойств было подготовлено 12 образцов: 4 образца без добавления антипирена; 4 образца с добавлением антипирена в соотношении 0,05 л на 1 кг наполнителя; 4 образца с содержанием антипирена 0,1 л/кг.

Результаты экспериментальных исследований

Результаты исследования предела прочности образца ДППУ при изгибе в зависимости от массового соотношения компонентов

пенополиуретана и древесных частиц (ось Х), и степени разрежения (ось Y) представлены на рис.1.

Из представленных данных видно, что при массовом соотношении компонентов композиции (пенополиуретан : древесные частицы) 1:0, 1:1 и 1:2 степень разрежения не оказывает большого влияния на предел прочности ДППУ при изгибе. При дальнейшем исследовании было выявлено, что при массовом соотношении компонентов

(пенополиуретан : древесные частицы) 1:3, 1:4 и 1:5 при разрежении 0,5 бар предел прочности на изгиб образцов снижается до 0,5 МПа (при соотношении 1:5). Образцы с таким же массовым соотношением компонентов, но при разрежении 0,9 бар показали резкое снижение предела прочности на изгиб (до 0,2 МПа при соотношении 1:5). Это связанно с тем, что при повышенных значениях разрежения пористость полиуретановой матрицы увеличивается, что соответственно приводит к снижению плотности ДППУ образцов, а добавление большего количества наполнителя способствует уменьшению доли полиуретана в композиции, как связующего, что в свою очередь негативно сказывается на теплофизических свойствах конечного продукта.

Таким образом, из полученных данных можно сделать вывод, что с целью сохранения физико-

механических свойств ДППУ (предела прочности при изгибе), необходимо создавать разрежение при формовании не более 0,5 бар в процессе вспенивания ДППУ.

^ 34

О аэ

РкШ

} тгц

Рис. 1 - Зависимость предела прочности ДППУ при изгибе от соотношения компонентов и степени разрежения

При определении водопоглощения образца ДППУ по объему в зависимости от степени разрежения при вспенивании было установлено (рис. 2), что при атмосферном давлении (Р=1бар) образец с массовым соотношением компонентов (пенополиуретан : древесные частицы) 1 : 4 обладает водопоглощением по объему W = 2,5 %, при разрежении Pвак = 0,5 бар водопоглощение образца падает до W = 1,5 %, а при дальнейшем увеличении разрежения до 0,8 бар водопоглощение становится равным немного более 1%.

Рис. 2 - График зависимости водопоглощения по объему от степени разрежения

При снятии разрежения с формы после вспенивания ДППУ по всей внешней поверхности образца образуется плотная пленка ППУ, вследствие того, что пузырьки газа, находящиеся на внешнем слое образца «схлопываются», образуя сплошной слой малой толщины. Причем, чем больше разрежение в форме, тем больше пузырьков газа участвует в этом процессе, и тем толще образуется сплошной слой пленки. Поэтому понижение водопоглащения с увеличением разрежения в форме объясняется увеличением толщины пленки ППУ и увеличением плотности этой пленки, препятствующей проникновению влаги внутрь материала.

Исходя из выше сказанного, можно сделать вывод: чтобы придать материалу повышенную стойкость к водопоглощению ^<1,5%), необходимо проводить операцию формования и вспенивания при разрежении от 0,5 бар, причем, чем

больше разрежение, тем выше стойкость к водопоглощению, но ниже предел прочности ДППУ (рис. 2).

На рис. 3 представлены результаты определения параметров горючести образцов ДППУ.

Из рис. 3а видно, что при увеличении количества антипирена в ДППУ композиции от 0 до 0,1 литра на 1 кг наполнителя степень повреждения образца по длине уменьшается на 22%, уменьшение

имеет почти линейную зависимость. Это связано с тем, что пропитанная антипиреном щепа, останавливает распространение огня по материалу и замедляет его тление. Для соответствия материала группе горючести Г2 по ГОСТ 30244-94 степень повреждения по длине должна быть < 85%. Этому значению соответствует содержание антипирена от 0,04 л/кг до 0,1 л/кг.

Рис. 3 - Определение параметров горючести ДППУ: а) зависимость повреждения по длине ДППУ от расхода антипирена на 1 кг наполнителя; б) зависимость повреждения по массе ДППУ от расхода антипирена на 1 кг наполнителя; в) зависимость температуры дымовых газов при сгорании ДППУ от расхода антипирена на 1 кг наполнителя; г) зависимость продолжительности самостоятельного горения ДППУ от расхода антипирена на 1 кг наполнителя

Рис. 3б наглядно показывает, что степень повреждения по массе уменьшается на 38% при изменении количества антипирена в ДППУ композиции от 0 до 0,1 литра на 1 кг наполнителя. Это связано с тем, что пропитанная антипиреном древесные щепа начинает выгорать не полностью, оставляя большую массовую часть в виде угля [8]. Для соответствия материала группе горючести Г2 по ГОСТ 30244 - 94 степень повреждения образца по массе должна быть < 50%. Этому значению соответствует содержание антипирена от 0,07 л/кг до 0,1 л/кг.

По данным рис. 3в определили зависимость температуры дымовых газов при сгорании ДППУ от расхода антипирена. При увеличении количества антипирена в ДППУ композиции от 0 до 0,1 литра на 1 кг наполнителя температура дымовых газов при сгорании образцов уменьшается в 2,8 раза. Для соответствия материала группе горючести Г2 по ГОСТ 30244 - 94 температура дымовых газов при сгорании должна быть < 235°С. Этому значению соответствует содержание антипирена от 0,055 л/кг до 0,1 л/кг.

По данным рис. 3г следует, что при увеличении количества антипирена в ДППУ композиции от 0 до 0,1 литра на 1 кг наполнителя продолжительность самостоятельного горения уменьшается в 6 раз. Экспериментальные исследования показали, что не целесообразно добавление антипирена выше 0,1 л/кг, так как далее продолжительность самостоятельного горения существенно не снижается ввиду полной пропитки древесных частиц. Для соответствия материала группе горючести Г2 по ГОСТ 30244-94 продолжительность самостоятельного горения должна быть < 30сек. Этому значению соответствует содержание антипирена от 0,06 л/кг до 0,1 л/кг.

Заключение

В результате экспериментальных исследований экспериментальных свойств выявлены оптимальные параметры получения древесно-наполненного теплоизоляционного материала:

- массовое соотношение компонентов ППУ : щепа - от 1:2 до 1:4;

- разрежение - от 0,5 до 0,6 бар;

- расход антипирена - от 0,07 л/кг до 0,1 л/кг.

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

2. Корнеев, А. Д. Наполненный пенополиуретан с улучшенными эксплуатационными свойствами / А.Д. Корнеев, А.О. Проскурякова // Вестник центрального регионального отделения. Материалы Академических научных чтений «Проблемы архитектуры, градостроительства в социально-экономическом развитии регионов». - Тамбов - Воронеж. - 2012. - Выпуск 11 (к 20-летию РААСН). - С.227 - 230.

3. 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

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Пат. 2538004 Российская Федерация, МПК С04В 18/26, С04В 40/00, С 04В 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.

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.

© 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; Р.Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., заведующий кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, safin_rg@kstu.ru; О. С. Салдаева - аспирант кафедры Технологии переработки полимеров и композиционных материалов, olga-gra@mail.ru; В. В. Степанов - к.т.н., доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, vlad200719@mail.ru; З. Г. Саттарова - к.т.н., доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, sattarova@list.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; R.G. Safin - doctor of technical sciences, professor, head of department of the processing of wood materials KNRTU, safin_rg@kstu.ru; O. S. Saldaeva - postgraduate student, Technologies of processing of polymers and composites KNRTU, olga-gra@mail.ru; V. V. Stepanov - candidate of technical sciences, associate professor of department processing of wood materials KNRTU, vlad200719@mail.ru; Z. G. Sattarova - candidate of technical sciences, associate professor of department processing of wood materials KNRTU, sattarova@list.ru.