Сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционных полимерных композиционных материалов
RAW MATERIAL MIXTURE FOR THE MANUFACTURE OF HEAT-INSULATING POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Сырьевая смесь относится к получению полимерных композиционных материалов для строительной теплоизоляции, получаемой с использованием полимерных отходов и отходов от сжигания древесных материалов, и может быть использована для получения изделий в виде плит и блоков для внутренней теплоизоляции помещений.
Известна композиция для получения теплоизоляционного материала [1], содержащая фенольное связующее на основе фенолформальдегидных смол марок ФРВ-1А и ФРВ-ЭМ в количестве 100 и 20-50 мас.ч., минеральный наполнитель - золу уноса от сжигания углей в количестве 40-120 мас.ч., катализатор - вспенивающе-отверждающий агент кислотного типа ВАГ-3 в количестве 20-55 мас.ч., поверхностно-активное вещество ОП-10 в количестве 5-8 мас.ч. и газообразователи (петролейный эфир на базе бензиновых фракций 40-70°С и петролейный эфир на базе бензиновых фракций 70-100°С в количестве 3-4 мас.ч. каждого). Для получения материала вспенивающе-отверждающий агент добавляют к предварительно перемешанной смеси остальных компонентов, а после дополнительного перемешивания смесь всех компонентов насыщают водородом, получаемым при реакции между алюминиевой пудрой и ортофосфорной кислотой. Преимуществами материала являются высокая легкость (48-110 кг/м) и низкая теплопроводность (0,038-0,041 Вт/(м⋅°С)), а к недостаткам относятся многостадийность технологии производства, низкая прочность на сжатие (0,19 МПа) и изгиб (0,619 МПа), высокое водопоглощение (284%).
3
Известен автоклавный золопенобетон [2], включающий (в мас. %): цемент 28,7-33,5; известь 4,6-7,6; песок 17,5-18,1; зола от сжигания осадка сточных вод 17,5-18,1; пенообазующая добавка 0,32-0,33, вода 26,57-27,18. Для получения золопенобетона из раствора пенообразующей добавки получают пену, которую добавляют к смеси остальных компонентов и дополнительно перемешивают, а полученные изделия подвергают автоклавной обработке при температуре 175°С в течение 20 ч после предварительной выдержки изделий при температуре 30-40°С в течение 4-6 ч. Преимуществами данного материала являются средняя плотность (500 кг/м) и сравнительно низкая теплопроводность (0,107-0,108 Вт/(м⋅°С)), а недостатками являются длительность и энергоемкость производственного цикла.
3
Известна сырьевая смесь для газобетона [3], содержащая (в мас. %): портландцемент 39,0-56,4; золу-унос ТЭЦ-4 г. Омска 8,5-30,0; гипс строительный ГП-6 0,28-0,41; алюминиевую пасту 0,06-0,1; моющий порошок «Зифа» 0,001-0,002; гидроксид натрия 0,41-0,6; хлорид кальция 0,21-0,26; фибру полипропиленовую (длиной 7-12 мм, диаметром 0,33-0,38 мкм) 0,06-0,07; воду 29,978-33,659. Для получения газобетона готовят суспензию алюминиевой пасты и моющего порошка «Зифа», а затем вводят ее в смесь из остальных компонентов и выливают смесь из всех компонентов в герметичную смазанную форму, после чего проводят термообработку при температуре 35°С в течение 25-45 мин с последующей выдержкой в камере в течение 8-10 ч и резкой. Преимуществами данного газобетона являются средняя плотность (420-600 кг/м), средняя теплопроводность (0,07-0,2 Вт/(м⋅°С)), высокая морозостойкость (55-75 циклов), а к недостаткам относятся длительность производственного цикла, низкая прочность на сжатие (3,19-5,4 МПа) и изгиб (4,2-6,1 МПа).
Наиболее близкой к предлагаемому решению является сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционных древесно-полимерных композиционных материалов [4], содержащая (в мас. %): измельченные древесные отходы 20,0-38,2; отходы пенополистирола 17,1-25,0; метилен хлористый технический 41,2-60,0. Данная смесь позволяет изготавливать изделия с достаточно высокой прочностью на сжатие (18,2-22,9 МПа) и изгиб (12,2-17,8 МПа) и низкой теплопроводностью (0,069-0,079 Вт/(м⋅К)). Недостатком данного состава является высокое во до поглощение изделий (23-41,7%).
Техническими задачами, на решение которых направлено данное изобретение является повышение прочностных характеристик и снижение водопоглощения при сохранении низкой теплопроводности.
Для достижения поставленной задачи предлагается заменить измельченные древесные отходы на измельченную древесную золу, которую для получения изделий перемешивать с раствором связующего, получакмым путем растворения отходов пенополистирола в метилене хлористом техническом, с последующей термообработкой отпрессованных изделий при температуре, превышающей температуру кипения растворителя. Наиболее эффективно поставленная задача решается при следующем соотношении компонентов (в мас. %):
Измельченная древесная зола
28,9-42,6
Отходы пенополистирола
20,6-26,9
Метилен хлористый технический
34,4-47,4
В предлагаемом изобретении допускается использовать золу от сжигания древесных отходов процессов лесозаготовки, лесопиления и деревообработки, от очистной, санитарной и других видов рубки, а также отходов потребления древесных материалов и изделий. В качестве отходов пенополистирола предусматривается использование отработанных элементов упаковки для бытовой техники, оборудования и т.п. Для перевода отходов пенополистирола в растворенное состояние в состав сырьевой смеси сверх 100% вводится метилен хлористый технический первого сорта по ГОСТ 9968-86.
Применение древесной золы в качестве наполнителя для теплоизоляционного композиционного материала в предлагаемом изобретении обоснован ее микропористой структурой, пониженной по сравнению с древесным наполнителем горючестью и возможностью безотходной утилизации древесины в процессах сжигания с получением тепловой энергии.
Применение отходов пенополистирола в предлагаемом изобретении обосновано большими объемами образования и накопления данного вида отходов при их низкой востребованности в технологиях утилизации. При этом растворение этих отходов отличается простотой и позволяет получить полистирол, который отличается хорошей адгезией, позволяет получить композиционные материалы с высокой прочностью и низким водопоглощением.
Применение метилена хлористого технического в предлагаемом изобретении обосновано высокими показателями по растворяющей и проникающей способностям, которые позволяют быстро растворить отходы пенополистирола, а также высокой летучестью, которая позволяет быстро удалить его из изделий при термообработке. При этом метилен хлористый технический отличается низкими показателями по горючести и взрывоопасности, является веществом 4 класса опасности и его стоимость ниже, чем у большинства других растворителей.
Растворение отходов пенополистирола и использование полистирола в растворенном состоянии в качестве альтернативы использования полимера в расплавленном состоянии в предлагаемом изобретении обосновано снижением энергоемкости производства за счет низкотемпературной переработки: применение холодного перемешивания и холодного прессования, термообработка при температуре кипения растворителя (для метилена хлористого технического составляет 40°С). Кроме того, холодное перемешивание повышает однородность смеси при перемешивании, а низкотемпературная переработка в целом исключает возможность термодеструкции полистирола. Для снижения расхода растворителя при переработке сырьевой смеси по предлагаемому изобретению предусматривается улавливание и конденсация паров метилена хлористого технического для его повторного использования.
Количество вводимых добавок также влияет на достижение поставленных задач.
При содержании отходов пенополистирола в составе сырьевой смеси в количестве менее 20,6 мас. % в получаемом композиционном материале наблюдается недостаток связующего, из-за которого существенно снижаются прочность и резко повышается водопоглощение изделий, а также неоднородность распределения связующего по объему изделий. При содержании отходов пенополистирола в количестве свыше 26,9 наблюдается избыток связующего, из-за которого происходит перепрессовка изделий в момент формования с образованием облоя и деформации изделий после извлечения из пресс-формы и термообработки.
Количество метилена хлористого технического в составе сырьевой смеси зависит от количества отходов пенополистирола. При соотношениях отходы пенополистирола: метиленхлористый технический менее 1:1,5 получаемый раствор отличается повышенной вязкостью, что затрудняет перемешивание с наполнителем для получения однородной смеси и переработку сырьевой смеси в изделия, что негативно сказывается на их эксплуатационных свойствах. При соотношениях выше, чем 1:2 получаемый раствор отличается повышенной текучестью, что приводит к получению излишне пластичной сырьевой смеси, снижает ее однородность и увеличивает количество облоя, а также является причиной недостатка связующего в материале.
Таким образом, обоснованность и преимущества заявляемого изобретения могут быть подтверждены путем измерения физико-механических и эксплуатационных показателей композиционных изделий, полученных на основе сырьевой смеси с содержанием измельченной древесной золы в количестве от 28,9 до 42,6 мас. %, отходов пенополистирола в количестве от 20,6 до 26,9 мас. % и метилена хлористого технического в количестве от 34,4 до 47,4 мас. %.
Реализация заявляемого изобретения предпочтительна по следующей технологии: предварительно измельченные отходы пенополистирола смешивают с метиленом хлористым техническим в заданных соотношениях с получением раствора связующего, который затем перемешивают в заданных соотношениях с предварительно высушенной до постоянной массы измельченной древесной золой до получения однородной сырьевой смеси. Из данной сырьевой смеси при удельном давлении, не превышающем 8,2 МПа, прессуют изделия, которые затем подвергают термообработке при температуре не менее 40°С в течение 30-180 мин в зависимости от габаритов изделий, количества раствора связующего и содержания в нем отходов пенополистирола.
Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами:
1. К 30,8 мас. % измельченной древесной золы добавляют 25,2 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 44,0 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;
2. К 38,2 мас. % измельченной древесной золы добавляют 20,6 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 41,2 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;
3. К 35,1 мас. % измельченной древесной золы добавляют 26,0 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 38,9 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;
4. К 28,9 мас. % измельченной древесной золы добавляют 23,7 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 47,4 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;
5. К 37,5 мас. % измельченной древесной золы добавляют 25,0 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 37,5 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии.
Свойства материалов, полученных с использованием известного и предлагаемого составов сырьевой смеси, приведены в таблице 1.
Источники информации:
1. Патент на изобретение №2584538, кл. C08L 61/10, С08K 3/20, С08K 5/00, C08J9/14, 2016.
2. Патент на изобретение №2256632, кл. С04В 38/10, 2005.
3. Патент на изобретение №2541340, кл. С04В 38/00, 2015.
4. Патент на изобретение №2690826, кл. C08L 97/02, C08L 25/06, 2019.