Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время производству новых теплоизоляционных материалов в строительной индустрии уделяется все большее внимание. Анализ рынка потребления и производства подобных материалов показал, что наибольшее распространение получили минеральная и стеклянная вата, пенополистирол, твердые газосиликаты и из-вестковокремнеземестые изделия, керамзит и др. Сдфживающими факторами, ограничивающими применение этих материалов, является их высокая цена, дефицитность исходных компонентов, а также опасность технологий, гр)дуцирующих загрязнители и отходы производств. С другой стороны ежегодно в техносфере накапливается огромное количество органических отходов, утилизация которых носит бессистемный, периодический характер.
В этой ситуации достойной альтернативой теплоизоляционным строительным материалам является торф. Промышленные запасы торфа в Тверской области (в пересчете на 40 % влажность) составляют 2 182 млн.т, а их разнообразие по составу и характеристикам, доступность сырьевых баз для освоения создают благоприятную обстановку для организации производства различных теплоизоляционных материалов. К тому же в нашей стране есть богатый опыт производства теплоизоляционных плит на основе торфа. Первые партии торфяных изоляций были выпущены в 1927 г. в объеме 33 тысм3 и уже в послевоенные годы объемы производства выросли почти в 5 раз и составили 157 тысм3. Это было обусловлено доступностью и широким распространением исходного сырья, простотой технологий и низкой конечной стоимостью при возрастающих на тот момент в стране потребностей в новом строительстве.
Получение качественной теплоизоляционной продукции из различных видов торфа с заданными эксплуатационными свойствами, обладающей сравнительно низкой себестоимостью, является актуальной проблемой в области энфгосбережения. Базовой основой получения продукции такого назначения являются различные способы физико-механического модифицирования, в частности композиционного, когда в торфяную матрицу вводятся различные наполнители, что позволяет использовать торфяное сырье в широком диапазоне их гео-ботанических характеристик, при сохранении заданного качества продукции.
Цепь и задачи работы. Целью настоящей работы является обоснование технологических параметров круглогодичной добычи торфа и получение на его основе композиционных теплоизоляционных материалов.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
разработать и экспфиментально провфить в опытно-промышленных условиях круглогодичный способ добычи торфяного сырья и его модифицирование для достижения заданных характеристик продукции теплоизоляционного назначения;
изучить и обосновать способы различного модифицирования торфяного сырья и теплоизоляционных материалов на его основе с целью получения качественной продукции;
изучить свойства и структуру торфяного сырья как базового элемента композиционного теплоизоляционного материала методами реологии и электронной микроскопии;
экспфиментально и теоретически обосновать зависимости типа "структура - свойства" композиционных составов на основе торфа с позиций физико-химической механики дисперсных систем;
разработать технологическую схему получения теплоизоляционных плит из торфа и отходов ряда производств;
оценить экономическую целесоофазность рекомендуемых технологий производства теплоизоляционных плит.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования являлись отдельные виды торфа, отофанные на действующих и законсервированных торфодобывающих предприятиях Тверской области (табл.1) естественной структуры и фрезерный торф. В качестве наполнителя использовали наиболее распространенные отходы производств - древесные опилки, а также измельченные отходы тары и упаковки из пенополистирола.
Таблица 1. Качественная характеристика исходного торфяного сырья
В процессе исследований определялись общетехнические показатели сырьевых
компонентов по стандартным или отраслевым методикам, структурные характеристики - с использованием методов электронной микроскопии, реологии, силового оборудования. Физико-механические свойства модифицированных образцов теплоизоляционных материалов сопоставлялись с ближайшими аналогами или контрольными офазцами, полученными по известным технологиям. Офаботка данных, анализ полученных результатов выполнялись с применением статистических методов и компьютерной техники.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
разработан модернизированный способ добычи торфяного сырья на предварительно осушенных площадях, заключающийся в экскавации торфа на всю глубину залежи, вывоза его на суходольные площадки для частичного обезвоживания и дальнейшей транспортировки в цех;
экспериментально установлены и теоретически обоснованы закономерности влияния модифицирующих добавок на структуру, процесс сушки и формование торфяных композиций, определены рациональные соотношения компонентов, обеспечивающие получение продукции с заданными свойствами;
методами реологии изучено и обосновано рациональное содержание наполнителей в теплоизоляционной композиции с торфом;
с помощью методов растровой электронной микроскопии (РЭМ) была изучена структура, выявлены характерные особенности взаимодействия в композиции "торф - гранулы пенополистирола", обоснован рациональный состав компонентов;
доказано влияние модифицирующих добавок на снижение плотности образцов теплоизоляционных материалов на 30 % (с 650 до 460 кг/м3 при равновесной влажности 10-12 %) по сравнению с ^модифицированными образцами.
На защиту выносятся:
геотехнологические принципы способа круглогодичной добычи торфа, заключающегося в экскавации торфяной залежи с формированием штабеля с натуральной влажностью для частичного гравитационного обезвоживания, что способствует достижению требуемых качественных характеристик исходного сырья и соответствует основным принципам рационального освоения природных ресурсов, учитывающих приоритеты охраны окружающей среды;
химико-технологическое управление процессами приготовления многокомпонентных смесей с целью формирования рационального состава торфяных композиционных материалов, основанное на механохимической подготовки органического связующего, которое обеспечивает максимальную реализацию межмолекулярных взаимодействий в системах с использованием древесных и пенополистирольных наполнителей;
физико-химические и технологические параметры процесса получения композиционного теплоизоляционного материала из торфяного связующего и пенополисти-рольного компонентов, основанного на использовании принципов коагуляционного структурообразования.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
разработаны технологические регламенты круглогодичной добычи торфяного сырья и получения высококачественной и эффективной теплоизоляционной продукции на основе торфа и отходов ряда производств в цеховых условиях;
круглогодичная технология добычи торфа экскаваторным способом прошла экспериментальную проверку в полевых условиях в торфодобывающих компаниях Зуб-цовского и Лихославльского районах Тверской области;
на основании экспфиментальных исследований и выявленных закономерностей изменения физико-механических характеристик готовой продукции от соотношения компонентов смеси и влажности формования выявлена возможность использования как верховых, так и низинных видов торфяного сырья для производства композиционной теплоизоляционной продукции;
разработано программное обеспечение для моделирования технологических процес -сов и технико-экономических показателей производства новых видов теплоизоляционной продукции на основе торфа;
разработанная технология производства композиционных теплоизоляционных плит на основе торфа испытана в опьпно-промыпшенных условиях НПФ "Кассандра" (пРадченко, Тверская область) и рекомендована для внедрения в промышленном масштабе.
Обоснованность и достоверность исследований подтверждена многочисленными экспфиментальными результатами, полученными с использованием высокоточных прибо-
ров зональной межвузовской научно-исследовательской лаборатории электронной микроскопии и научно-учебной лаборатории физико-механической механики дисперсных систем Тверского государственного технического университета, применением стандартных методик и широким использованием статистических методов при обработке и оценке достоверности опытных данных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению "Рациональное природопользование" (гЛрославль, 2005 г.), на Международной научно-практической конференции по теме "Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля" (гЛенза, 2005 г.), на XI международной научно-практической конференции при Тверском региональном ресурсном центре "Президентской программы подготовки управленческих кадров" (г.Тверь, 2006 г.), на XXI Российской конференции по электронной микроскопии (г.Черноголовка, 2006 г.).
Публикации. Материалы по теме диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах (одна из них в ведущих рецензируемых журналах по перечню ВАК). По теме диссертации получено 2 патента на изобретение и 1 патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 121 страницу машинописного текста, из них 30 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы (194 наименования).
Автор выражает благодарность коллективу зональной межвузовской научно-исследовательской лаборатории электронной микроскопии и научно-учебной лаборатории физико-механической механики дисперсных систем Тверского государственного технического университета за помощь в проведении экспфиментальных исследований.
