Усиление карбамидных пенопластов активными наполнителями
Усиление карбамидных пенопластов активными наполнителями
В условиях прогнозируемой исчерпаемости энергетических ресурсов, обеспечение рационального энергопотребления, основанного на жесткой экономии, определяет темпы и качество развития современного общества.
Вопросы рационального использования ресурсов, экономии топлива и энергосбережения приобретают все большую актуальность в современном мире. Экономия топливно-энергетических ресурсов, повышение эффективности тепловой защиты зданий и сооружений, промышленных объектов, внедрение энергоэффективных технологий и материалов являются приоритетными направлениями в развитии как российской, так и мировой экономики.
Анализ опыта различных стран в решении проблемы энергосбережения показывает, что экономия топливно-энергетических ресурсов является стратегической задачей государства, а одним из наиболее эффективных путей ее решения является сокращение потерь тепловой энергии через ограждающие конструкции зданий, сооружений, промышленного оборудования и тепловых сетей. Очевидно, что повышение энергоэффективности строительного комплекса в целом возможно при обеспечении энергоэффективности зданий и сооружений [1-3].
С 2003 года проектирование, строительство, реконструкция и капитальный ремонт зданий в России осуществляется в соответствии с новыми, повышенными требованиями к теплозащите ограждающих конструкций, определяемыми СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». Снижение тепловых потерь в ЖКХ и промышленности регламентируется новыми, более жесткими требованиями СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».
Важная роль в решении проблемы энергосбережения и экономии тепловой энергии принадлежит высокоэффективной строительной и промышленной тепловой изоляции.
Подсчитано, что энергоэффективное строительство с использованием современных теплоизоляционных материалов, включая затраты на их разработку и строительство заводов, в 3-4 раза эффективнее, чем традиционное строительство, ведущее к энергоёмкому производству строительных материалов, освоению новых месторождений топлива, его добыче, транспортировке, переработке и сжиганию.
В связи с ускоренным развитием строительного комплекса, направленным на реализацию Федеральной целевой программы (ФЦП) «Жилище» на 2002- 2010 годы, включающей подпрограмму «Реконструкция и модернизация ЖКХ РФ», а также Национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России», потребность в эффективных утеплителях в России существенно возрастает.
Преобладающими в структуре потребления на отечественном рынке являются волокнистые материалы, включающие теплоизоляционные изделия на основе стеклянного и базальтового волокна, минеральной и шлаковой ваты. Их доля в общем объеме использованных в - 2005 году материалов составила около 70%, что объясняется большим количеством действующих предприятий, универсальностью минераловатной продукции, широким интервалом плотности (от 20 до 400 кг/м") и температурным интервалом применения*(от - 160-°С до +700°С) [4-6].
По сравнению с волокнистыми утеплителями теплоизоляционные пенопласты применяются в меньших объемах (более 20 % российского рынка). Однако, в последние годы в связи с изменениями требований к термическому сопротивлению ограждающих конструкций, объем производства пенопластов значительно возрос и продолжает расти, о чем свидетельствуют многочисленные технические решения теплоэффективных наружных стен жилых зданий, выполненные с применением пенопластов.
Наибольшее применение в качестве теплоизоляционного слоя в трехслойных ограждающих конструкциях получил пенополистирол (беспрессовый - ПСБ-С - 17 % и экструзионный - ЭППС - 4 %), что связано с более низкими удельными капитальными затратами, в сравнении с волокнистыми теплоизоляционными материалами, на организацию их производства, и высокими физико-механическими и теплозащитными характеристиками.
На долю теплоизоляционных пенополиуретанов - III ГУ приходится около 1 % от объема рынка теплоизоляционных материалов. Жесткий заливочный пенополиуретан производится в России главным образом для изоляции труб тепловых сетей. Кроме заливочных пенополиуретанов заводского изготовления достаточно широко применяются напыляемые композиции. С их помощью производят теплоизоляцию резервуаров нефтепродуктов и сжиженных газов, утепляют холодильники и строительные конструкции зданий.
Однако главным недостатком полимерных теплоизоляционных материалов является — пожароопасность. Пенополистиролы и пенополиуретаны при пожаре способствуют распространению пламени и разрушению конструкции, что ограничивает область их применения и требует принятие специальных технических решений, обеспечивающих пожаробезопасность.
Для получения тепловой изоляции из газонаполненных пластмасс с пониженной горючестью широкое применение нашли фенольные и карбамидные пенопласты. Фенольные пенопласты наряду с низкой плотностью и высокими теплоизоляционными свойствами имеют сравнительно высокую теплостойкость и низкую степень возгораемости. Но большая энерго - и материалоёмкость производства и использование в качестве основного сырья токсичных фенольных смол способствовали практически полному исчезновению фенольных пенопластов с рынка теплоизоляционных материалов.
В конструкциях строительной теплоизоляции особое место занимают карбамидные пенопласты, главными достоинствами которых являются хорошие теплофизические характеристики, пожаробезопасность, дешевизна и недефицитность сырьевых компонентов отечественного производства и высокая технологичность.
Отсутствие способности к развитию стабильного процесса горения, к самостоятельному горению после удаления источника пламени и к образованию расплава при горении свидетельствует о пониженной пожарной опасности карбамидного пенопласта по сравнению с распространенными пенополистиролами и пенополиуретанами.
С точки зрения экономической эффективности теплоизоляции, утепление наружных ограждающих конструкций должно осуществляться на основе теплоизоляционных материалов, на производство которых затрачивается минимальное количество энергии.
Для сравнения энергоемкости производства отдельных пенопластов на базе суммарной оценки затрат энергии на изготовление исходных материалов и полупродуктов, входящих в состав композиций конечного продукта, может быть использован показатель энергетического эквивалента.
Сравнительно низкий показатель энергетического эквивалента - 480 МДж/кг для карбамидных пенопластов против 2950 МДж/кг для пенополиуретана и 1360 МДж/кг для пенополистирола является существенным моментом, повышающим конкурентоспособность карбамидных пенопластов с другими видами пенопластов.
Карбамидные пенопласты в настоящее время производят по некоторым оценкам в 120 регионах и городах Российской Федерации и ближнего зарубежья. Объем реализации «Пеноизола» - наиболее эффективного карбамидного пенопласта России с 1996 г. до 2007 г. вырос в 9 раз. На рынке существует множество компаний, занимающихся реализацией карбамидных пенопластов и оборудования для их производства. Наиболее крупными производителями карбамидных пенопластов являются ЗАО «Научно - технический центр МЕТТЭМ», занимающийся выпуском оборудования и поставками специально разработанных карбамидоформальдегидных смол для производства карбамидного пенопласта под торговым названием МЕТТЭМПЛАСТ® и НФП «Новые строительные технологии», производящее оборудование и пенопласт под торговой маркой ПЕНОИЗОЛ™.
Однако, при всех положительных характеристиках карбамидные пенопласты уступают пенополистиролам и пенополиуретанам по объемам потребления для теплоизоляции конструкций, из-за свойственных им недостатков: низкая механическая прочность, хрупкость, высокое водопоглощение, значительные усадочные деформации при отверждении и сушке.
Одним из путей усиления карбамидных пенопластов, т. е. улучшения механических и других функциональных и строительно-эксплуатационных свойств, является применение принципов физической модификации за счет введения наполнителя [8-12]. Физико-механические характеристики пенопластов определяются как параметрами, характеризующими ячеистую структуру, так и механическими свойствами полимерной матрицы. Поэтому принцип физической модификации монолитных пластмасс — за счет введения наполнителя - может быть эффективным и для пенопластов.
Для наполнения пенопластов возможно использовать те же наполнители, что и для монолитных пластмасс, но выбор наполнителя, определяется физико - механическими особенностями образования полимерных пен, их морфологией и назначением [13-19]. Главной сложностью при введении традиционных наполнителей в воздушно-механическую карбамидную пену является резкое снижение кратности вспенивания и, как следствие ухудшение физико - механических и теплофизических свойств пенопласта, ввиду ухудшения ячеистой структуры пенопласта, что требует разработки эффективных методов наполнения и поиск специфических наполнителей.
Низкая стоимость и доступность местного природного сырья и промышленных отходов предопределяет их широкое использование в качестве наполнителей для полимеров, и, в частности, пенопластов.
Промышленные отходы по своему химическому составу и техническим свойствам близки к природному сырью, и являются источником дешевого и часто уже подготовленного сырья, использование которого приводит к экономии капитальных вложений, высвобождению значительных площадей земельных угодий и снижению степени загрязнения окружающей среды и экономии тепловой энергии [20-24]. К числу отраслей промышленности, в которых образуется наибольшее количество отходов с преобладанием в общем объеме твердых минеральных веществ, относят черную и цветную металлургию, химическую и угольную промышленность и теплоэнергетику. Для обеспечения качества строительной продукции, в том числе теплоизоляционных пенопластов, техногенное сырье должно обладать комплексом технологических характеристик, среди которых особое место занимают химический, минеральный и зерновой состав.
Отходы различных производств широко используются в производстве строительных материалов, но применение их во вспененных пластмассах, в частности карбамидных пенопластах, полученных воздушно-механическим способом, незначительно.
В связи с этим, создание усиленных теплоизоляционных карбамидных пенопластов с использованием местного сырья и отходов производства является актуальной проблемой.
Целью работы явилось усиление карбамидных пенопластов путем разработки эффективных способов их модификации активными наполнителями.
Для достижения этой цели предусматривалось решение следующих задач:
- выбор наполнителей, усиливающих карбамидные пенопласты по различным механизмам (химическим и физико-химическим), на основе полученных данных о минеральном, химическом и гранулометрическом составе, из числа природных нерудных ископаемых РТ и промышленных отходов неорганической природы;
- выявление особенностей влияния наполнителей различной природы на структуру, технологические и эксплуатационные свойства карбамидных пенопластов;
- разработка оптимальных составов карбамидных пенопластов, усиленных активными наполнителями;
- разработка технических условий и рекомендаций по применению усиленных наполнением карбамидных пенопластов в ограждающих конструкциях;
- установление влияния наполнения на стабильность основных свойств карбамидных пенопластов в условиях эксплуатации.
Научная новизна. Выявлен эффект комплексного модифицирующего действия химически активных наполнителей на карбамидные пенопласты, заключающийся в дополнительной поризации за счет газообразования (С02) и в усилении полимерной матрицы. Механизм усиления обусловлен сочетанием «конденсационного» наполнения фосфатами Са, Mg, А1, образующимися при взаимодействии наполнителей с ортофосфорной кислотой, и химической сшивкой молекул карбамидоформальдегидной смолы гидроксидами кальция (магния).
Показано, что введение активных наполнителей способствует формированию мелкоячеистой однородной структуры карбамидного пенопласта, приводящему к снижению разнотолщинности стенок и уменьшению среднего размера ячеек, более чем в 2 раза.
Установлено, что высокое наполнение пенопласта (до 40 масс. ч.) ультратонкодисперсными частицами практически не меняет вязкость и время гелеобразования пеномассы, что позволяет формировать ячеистую структуру, реализующую свойства высоконаполненной полимерной матрицы, а именно увеличение прочности в 10 раз, снижение усадки в 9 раз и сорбционного увлажнения в 2,5 раза.
Практическое значение работы. Определены усиливающие наполнители из числа природных нерудных ископаемых РТ и промышленных отходов неорганической природы. Разработаны рецептуры безусадочных теплоизоляционных карбамидных пенопластов с улучшенными физико - механическими и характеристиками, что позволяет расширить диапазон применения их в ограждающих конструкциях зданий и сооружений, даны технические рекомендации по применению усиленных карбамидных пенопластов в различных вариантах конструкций в качестве теплоизоляционного материала. Установлена стойкость разработанных пенопластов в условиях эксплуатации, гарантирующая увеличение срока их применения при сохранении низкой стоимости и теплозащитных свойств.
Реализация работы. Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов строительно-технологической специальности в рамках дисциплины «Технология производства изоляционных материалов и изделий» (Мубаракшина Л. Ф. - соавтор методических указаний к практическим занятиям по данной дисциплине). Выполнены дипломные научно - исследовательские работы по теме диссертации. Результаты исследований использованы при разработке проекта технических условий «Теплоизоляционный карбамидный ПЕНОГАЗОПЛАСТ». В 2006 году работа была отмечена на конкурсе на соискание именной стипендии Главы администрации г. Казани. На II республиканском конкурсе «50 лучших идей Республики Татарстан» (2007 г.) работа участвовала в программе молодежных инновационных проектов РТ «Идея-1000», в рамках которой была профинансирована средствами, выделенными ИВФ РТ и Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно — технической сфере, что позволило закупить оборудование и выпустить опытно-промышленную партию усиленных карбамидных пенопластов объемом 100 куб. м.
Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций работы обеспечивается достаточным объемом экспериментальных данных, полученных современными методами исследований, корреляцией результатов экспериментальных данных, исследованных разными независимыми методами, а также использованием для оптимизации полученных экспериментальных данных метода главных компонент.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работ докладывались и обсуждались на: ежегодных республиканских научно - технических конференциях КГ АСУ (Казань, 2004-2008); Межвузовской научно - методической конференции «Научно-исследовательская деятельность студентов - первый шаг в науку» (Набережные Челны, 2004); XI и XIV Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Москва-ЙошкаргОла-Уфа-Казань, 2004, 2007); X академических чтениях РААСН «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (Пенза-Казань, 2006); Всероссийской конференции «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2006); Третьей международной школе по химии и физикохимии олигомеров (Москва-Черноголовка-Петрозаводск, 2007), Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007).
По теме диссертации опубликовано 10 работ (в журналах по списку ВАК - 2 статьи). Новизна технических решений подтверждена Патентом РФ №2294344 «Композиция для получения теплоизоляционного материала» по заявке 2006108031/04 от 28.02.2006, проект производства пенопласта участвовал и включен в каталог «III Казанской венчурной ярмарки» (РТ, Казань, 2008 г., С.98-99).
Первая глава" посвящена проблеме улучшения физико-технических и других эксплуатационных свойств карбамидных пенопластов, в том числе путем модификации их наполнителями, обзору существующих представлений о структурных процессах, • происходящих при наполнении пенополимеров. Дано обоснование выбранного направления исследований, цели и задач.
Вторая глава содержит характеристику объектов, методов исследований. Для создания пенопластов использована карбамидоформальдегидная смола (КФС) «КАРБАМЕТ-Т» (ТУ 2223-100-05015227-2004), 74%-ный раствор ортофосфорной кислоты Н3РО4 (ГОСТ 6552-80) в качестве катализатора отверждения смолы, алкилбензосульфокислота АБСК (ТУ 6-05-1063-77) в качестве пенообразователя. Для оценки особенностей вещественного состава, специфики структуры и морфологии поверхности наполнителей, а также структуры пенопласта применены методы ИК-спектроскопии, рентгенофазовый, термогравиметрический анализы, оптическая и электронная микроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия и другие. Для определения технологических и эксплуатационных свойств карбамидных пенопластов в работе использованы стандартные методы испытаний. Практически все предлагаемые наполнители, взятые из числа промышленных отходов и местного природного сырья, ранее не изучались в качестве модификаторов карбамидных пенопластов.
В третьей главе приведены результаты химического, минерального и гранулометрического анализа наполнителей, сделан прогноз модифицирующего действия наполнителей на карбамидные пенопласты. Установлена зависимость химической активности и газообразующей способности наполнителей от их химического и минерального состава. Выдвинута гипотеза о возможности усиления карбамидных пенопластов за счет сшивки молекул карбамидоформальдегидной смолы гидроксидами металлов.
Четвертая и пятая главы содержат экспериментальные результаты разработки оптимальных составов и технологических режимов получения карбамидных пенопластов, модифицированных различными видами активных наполнителей, анализ особенностей модификации карбамидных пенопластов, проявляющихся в параметрах ячеистой структуры.
В шестой главе даны технические рекомендации по производству и применению усиленных карбамидных пенопластов в качестве строительной теплоизоляции. Исследована эксплуатационная стойкость разработанных усиленных карбамидных пенопластов и рассчитана технико-экономическая эффективность их производства и применения.
Приложение содержит примеры конструктивных решений с использованием в качестве теплоизоляционного слоя усиленного карбамидного пенопласта, проект ТУ 5772-034-02069622-2008 «Теплоизоляционный карбамидный ПЕНОГАЗОПЛАСТ», акт о выпуске опытно-промышленной партии (100 м3) усиленного карбамидного пенопласта на предприятии ООО «КОРН», содержание Патента РФ №2294344 «Композиция для получения
Теплоизоляционного материала» по заявке 2006108031/04 от 28.02.2006 и резюме Каталога «III Казанской венчурной ярмарки».
