Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние теории и практики создания теплоизоляционных материалов на основе древесного наполнителя 12
1.1. Современное состояние в области теплоизоляционных материалов 13
1.2. Технологии и оборудование получения теплоизоляционных материалов на основе отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств 27
1.3. Анализ теоретических исследований теплоизоляционных материалов на основе древесных частиц 37
Выводы 51
Глава II. Методика исследований в области разработки теплоизоляционного материала на основе древесных частиц 52
2.1. Объекты исследований и их основные свойства 53
2.2. Описание лабораторного комплекса для исследований физико-механических и теплофизических свойств теплоизоляционного материала на основе древесных частиц 61
2.3. Методика исследований физико-механических и теплофизических свойств теплоизоляционного материала на основе древесных частиц 71
Выводы 81
Глава III. Результаты экспериментальных исследований теплоизоляционного материала, разработанного на основе древесно-пеноцементной композиции с полимерным покрытием 82
3.1. Анализ результатов физико-механических свойств теплоизоляционного материала, разработанного на основе древесно-пеноцементнои композиции с полимерным покрытием 83
3.2. Анализ результатов исследований теплофизических свойств теплоизоляционного материала, разработанного на основе древесно-пеноцементнои композиции с полимерным покрытием 98
3.3. Математическое описание теплоизоляционных и физико-механических свойств разработанного теплоизоляционного материала 108
Выводы 125
Глава IV. Внедрение результатов исследований разработанной древесно-пеноцементнои композиции с полимерным покрытием в производстве теплоизоляционных материалов 126
4.1. Описание технологического процесса получения теплоизоляционных материалов на основе древесно-пеноцементнои композиции с полимерным покрытием 127
4.2. Производственный комплекс получения разработанного теплоизоляционного материала 135
4.3. Результаты физико-механических и теплофизических испытаний опытно-промышленных образцов теплоизоляционного материала 143
4.4. Обоснование экономической эффективности внедрения технологического процесса производства теплоизоляционного материала на основе древесного наполнителя 147
Выводы 151
Общие выводы и рекомендации 152
Литература 155
Приложения
Приложение 1. Обработка результатов экспериментов 172
Приложение 2. Акт внедрения 178
Приложение 3. Участие в выставках 179
- Технологии и оборудование получения теплоизоляционных материалов на основе отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств
- Методика исследований физико-механических и теплофизических свойств теплоизоляционного материала на основе древесных частиц
- Анализ результатов исследований теплофизических свойств теплоизоляционного материала, разработанного на основе древесно-пеноцементнои композиции с полимерным покрытием
- Производственный комплекс получения разработанного теплоизоляционного материала
Введение к работе
Актуальность темы.
Современное состояние строительного рынка отражает положительную тенденцию в направлении создания новых теплоизоляционных материалов, что обусловлено политикой энергосбережения, в условиях критичного удорожания энергетических ресурсов. Обеспечение необходимых показателей теплового сопротивления предопределяет широкое использование теплоизоляционных материалов.
Перспективным сырьем для производства теплоизоляционных материалов являются отходы лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств. Использование данных видов сырья для производства теплоизоляционных материалов позволит не только удовлетворить возрастающий спрос на теплоизоляционные материалы, но и частично решить проблему переработки древесных отходов.
Существующие теплоизоляционные материалы имеют высокие качественные показатели в сочетании с рядом недостатков. Полимерные материалы имеют высокую стоимость, органические материалы высокую степень водопоглощения. Представителями плоских и фасонных теплоизоляционных материалов на основе древесных частиц являются фибролит, арболит и опилкобетон, имеющие низкие теплоизоляционные свойства, а также высокий уровень гидрофобности. Применение древесных частиц в качестве наполнителя в теплоизоляционных материалах на основе минерального связующего не позволяет получить качественных показателей, также отсутствуют рекомендации по составу, режимам и технологиям получения эффективных теплоизоляционных материалов на основе древесных частиц.
В связи с этим решение задачи переработки древесных отходов и разработки новых древесно-наполненных теплоизоляционных материалов с высокой степенью теплоизоляции является актуальной задачей.
Исследования по данной работе выполнены в рамках реализации федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013” государственного контракта № 16.525.11.5008 по теме: “Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала”, при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Степень проработанности проблемы.
Вопросы по рациональному использованию древесных отходов для получения материалов и изделий теплоизоляционного назначения, характеристике этих материалов и применяемому технологическому оборудованию рассматривались в работах ученых Абраменкова Н.И., Бужевича Г.А., Валуевой Е.Ф., Егорова А.Д., Запруднова В.И., Косимова О.Б., Кучерявого В.И., Мельниковой Л.В., Мурзина В.С., Прусса Б.Н., Разинькова Е.М., Рахимова Р.З., Савина В.И., Удербаева С.С., Уитнея Ч., Федорова С.В., Хакимова Ш.А., Ходжаева Ш.А, Чепелева С.Р., Шамаева В.А., Щербакова А.С. и др. В этих работах исследовались составы и технологии получения материалов, в которых в качестве наполнителей использовались отходы лесозаготавливающих и деревообрабатывающих производств.
Цель работы заключается в разработке ресурсосберегающей технологии переработки древесных отходов с получением теплоизоляционного материала на основе древесных частиц, минерального связующего и полимерного покрытия.
Для достижения цели в данной работе сформулированы следующие задачи:
1. Анализ современного состояния в области механической переработки древесных отходов, технологий и техники создания древесно-наполненных теплоизоляционных материалов, а также анализ теоретических исследований по разработке теплоизоляционных материалов на основе древесных частиц.
2. Разработка математического описания для прогнозирования теплофизических и физико-механических показателей древесно-наполненного материала, на основе поризованного минерального связующего, в зависимости от соотношения основных компонентов смеси.
3. Разработка способа и технологии получения теплоизоляционного материала на основе древесных частиц, поризованного минерального связующего и полимерного покрытия.
4. Разработка рекомендаций для процесса получения древесно-наполненных теплоизоляционных материалов с повышенными теплофизическими показателями, с высокой экономической эффективностью, с высокими физико-механическими свойствами.
Научная новизна диссертационной работы.
Научное обоснование технологических решений, направленных на переработку древесных отходов с получением теплоизоляционного материала, заключается в следующем:
1. Разработан и экспериментально обоснован состав теплоизоляционного материала, а именно установлено, что соотношение исходных компонентов основы материала должно выдерживаться в следующих диапазонах: технологическая щепа 38,0 – 40,0 масс.%, раствор стекла натриевого 3,8 – 4,0 масс.%, портландцемент 39,0 – 41,0 масс.%, хлорид кальция 0,34 – 0,36 масс.%, техническая пена 0,84 – 0,86 масс.%, вода 15,1 – 16,4 масс.%. Соотношение исходных компонентов оболочки материала должно выдерживаться в следующих диапазонах: полиол 54 - 56 масс.%, полиизоционат 44 - 46 масс.%.
2. Разработаны математические модели, описывающие зависимость теплопроводности, плотности, предела прочности на сжатие и изгиб от доли содержания древесных частиц и технической пены разработанного теплоизоляционного материала.
3. Разработан способ и рациональные технологические режимы процесса получения теплоизоляционного материала на основе древесного наполнителя. Новизна способа подтверждена патентом Российской Федерации.
4. Разработаны рекомендации режимов технологических процессов получения теплоизоляционных материалов на основе древесных частиц. Режим смешения компонентов основы материала должен выдерживаться в следующих диапазонах: угловая скорость лопастей смесителя 5,76 – 6,80 рад/с, продолжительность смешения 50 - 70 с. Режим гидратации материала должен выдерживаться в следующих диапазонах: продолжительность 1,8-2,2 ч., температура 58 - 62 0С.
Практическая ценность.
Практическая ценность данной работы заключается в разработке ресурсосберегающей технологии переработки древесных отходов с получением теплоизоляционного материала на основе древесного наполнителя, поризованного минерального связующего и полимерного покрытия, обладающего высокими теплофизическими показателями. На основании технологии разработан и внедрен в производство комплекс по переработке древесных отходов с получением теплоизоляционного материала, на основе древесных частиц.
Реализация работы.
Научные и технические решения, полученные в рамках диссертационной работы, являются основой для производственного комплекса получения теплоизоляционных материалов, который апробирован и реализован на предприятии ООО «НТЦ АЭ».
Теоретические и экспериментальные исследования процессов получения древесно-наполненных теплоизоляционных материалов используются в учебной программе по дисциплине «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».
Личный вклад автора.
Личное участие автора состоит в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора разработан опытно-промышленный комплекс, а также выполнены эксперименты. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.
Автор защищает:
1. Разработанный состав теплоизоляционного материала на основе древесных частиц, поризованного минерального связующего и полимерного покрытия.
2. Разработанные математические модели, описывающие зависимость теплопроводности, плотности, предела прочности на сжатие и изгиб от доли содержания древесных частиц и технической пены в теплоизоляционном материале.
3. Разработанную технологию получения теплоизоляционного материала на основе древесных частиц.
4. Разработанные рекомендации для процессов получения теплоизоляционных материалов на основе древесных частиц.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях по технологическим процессам КНИТУ и на международной научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология»; на всероссийской конференции: «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рецикл отходов)» (Санкт-Петербург 2011 г.); на научных сессиях по технологическим процессам КГТУ (Казань 2011-2013 г.); на Петербургской технической ярмарке в конкурсе «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года» (Санкт –Петербург 2012 г.); на международном конкурсе «Национальная безопасность» (Москва 2012 г.); на International Fair for Industry and Trade «Vienna-tec» (Messe Wien, Austria 2012); на Round table «Development of the youth leadership and innovative entrepreneurship» (San Francisco, USA 2012); на международной выставке-форуме по управлению отходами, природоохранным технологиям и возобновляемой энергетике «ВэйстТэк» (Москва 2013).
Публикации.
На основании результатов исследований опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и патент на изобретение.
Объем и структура работы.
Технологии и оборудование получения теплоизоляционных материалов на основе отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств
Анализ существующих технологий получения материалов необходим для выявления недостатков и преимуществ, связанных с производством изделий.
Технология изготовления фибролита заключается в следующем. Производство фибролитовых плит может быть организованно по сухому и мокрому способу. Мокрый способ заключается в окунании древесной шерсти в ванную с водным раствором цемента и минерализатора с последующим удалением излишнего раствора на виброгрохоте. Этот способ требует постоянного перемешивания цементного раствора во избежание его расслоения, введения в массу большого количества воды, что отрицательно сказывается на качестве плит. Кроме того, цемент часто отверждается в ванне, что приводит к значительным потерям материала и рабочего времени. Наиболее распространён сухой способ изготовления цементного фибролита, включающий получение шерсти, приготовления формовочной смеси, формование, прессование и тепловую обработку плит.
Поступающую на завод древесину окоривают и отправляют на выдержку, чтобы устранить вредное действие "цементных ядов". Древесину выдерживают на открытом воздухе не менее 4-6 весенне-летних месяцев. Под действием солнечных лучей и тепла происходит окисление веществ и перевод простейших Сахаров в менее растворимые формы. После выдержки древесину распиливают на чураки, удаляют гниль и другие пороки. Затем чураки попадают к древошерстным станкам. Строгальные ножи, укреплённые по торцам ножевой плиты станка, сострагивают шерсть параллельно волокнам древесины. Затем шерсть подсушивают до влажности 20-22% с целью уменьшить отрицательное воздействие экстрактивных веществ на цемент и улучшить минерализацию шерсти, т.к. чем суше древесина, тем глубже проникает в поры раствор минерализатора.
Минерализацию древесной шерсти проводят, окуная её или обрызгивая 3-4%-ным водным раствором хлористого кальция или растворимого стекла на различных устройствах - шерстетрясах, конвейере с перфорированной лентой, в барабанных смесителях. На шерстетрясах из древесной шерсти отсеивается мелочь и стряхивается излишек раствора минерализатора. Влажность минерализованной шерсти 140-160%. Если используют затем белитовый цемент с малым содержанием алита C3S, то обработку шерсти минерализатором не проводят.
Смешивают компоненты шихты в мешалках принудительного действия, либо в смесителях свободного падения, обеспечивающих перемешивание шерсти без уплотнения.
Готовая шихта загрузочным конвейером со специальным валковым разделителем и разрыхляющим устройством распределяется по формам и начёсывается вручную или валиками начёса. Прессование плит осуществляется в механических, пневматических или гидравлических прессах при удельном давлении 0,06-0,1 МПа - для получения теплоизоляционного фибролита.
Более тяжелые плиты вырабатывают на гидравлических прессах при удельном давлении прессования 0,25-0,4 МПа.
Тепловая обработка фибролитовых плит осуществляется в два этапа: вначале в формах и затем без форм. Формы в пакетах поступают в камеру твердения, где их выдерживают при относительной влажности 60-70% и температуре 30-35С. Время выдержки в камерах твердения 8 часов при использовании быстротвердеющего портландцемента, до 24 часов при обычном портландцементе. Затем плиты освобождают из форм, обрезают боковые и торцевые кромки и сушат 5-7 суток до остаточной влажности 15-20% на открытом воздухе под навесом или в сушильных отделениях при температуре 59-60С, относительной влажности 60-70% в течение 1-2 суток. По окончании сушки остывшие плиты сортируют и отправляют на склад.
Технология изготовления арболита заключается в следующем. Арболитовая смесь готовится в смесителях принудительного цикличного действия или лопастных растворо-смесителях.
Последовательность загрузки компонентов для смешения следующая: при предварительном замачивании дробленки - древесная дробленка, цемент. Раствор химических добавок подается в течение всего времени загрузки; при применении дробленки с равновесной влажностью (относительная влажность до 30 %) — древесная дробленка, растворы химических добавок, цемент, вода. Вода может заменяться водным раствором химической добавки.
Допускается применять двухстадийное перемешивание. Для этого часть цемента (примерно 15—20 % общего его количества на замес), подогретого до температуры 150-250 С, перемешивают в течение 1-2 мин с органическим наполнителем, а затем в смесь добавляют остальную часть цемента (с нормальной температурой) и воду, подогретую до 80 С, а также раствор химической добавки, после чего смесь перемешивают обычным порядком в течение 2—3 мин.
Поданная к месту укладки арболитовая смесь должна иметь: требуемую плотность в уплотненном состоянии с отклонениями не более ±5%; показатель расслоения не более 10%; показатель отделимости цементного теста в пределах 20-30 с; температуру в пределах 10-30 С.
Арболитовая смесь от смесителя к месту укладки транспортируется бетонораздатчиками, кюбелями и другими транспортными средствами, исключающими ее расслаивание и потерю составляющих.
Технологическая схема производства арболита представлена на рис. 1.3.
Методы формирования конструкций из арболита выбираются в зависимости от требуемой плотности арболита, вида конструкции, наличия оборудования, и обосновываться технико-экономическим расчетом.
Конструкция из арболитовой смеси формуют в горизонтальных или вертикальных металлических формах, снабженных при необходимости зажимными металлическими крышками, которые снимают после приобретения арболитом распалубочной прочности.
Отформованные конструкции из арболита твердеют в условиях, обеспечивающих достижение арболитом распалубочной или отпускной прочности в наиболее короткие сроки при соблюдении требований по экономии цемента и качеству готовых конструкций.
Твердение конструкций из арболита осуществляется следующими способами:
- в естественных условиях при температуре воздуха не ниже 15 Си относительной влажности воздуха 60-80 %;
- тепловой обработкой в камерах при температуре не более 40 С и относительной влажности воздуха 50-60 %;
- электропрогревом при температуре не более 50 С.
Технология производства опилкобетона заключается в следующем. Существует несколько способов приготовления жестких формовочных опилкобетонных смесей. Для приготовления формовочной смеси необходим смеситель принудительного действия. В смеситель подаются опилки, цемент, песок, тщательно перемешиваются, затем малыми порциями, через питающие форсунки подается необходимое количество воды. Таким способом можно получать жесткую формовочную смесь плотностью 600-1500 кг/м3 (в сухом состоянии) пригодную для виброформования опилкобетонных блоков. Для получения более легкой опилкобетонной смеси (содержание опилок более 40%) необходимо выполнять рекомендованный порядок смешивания и подачи материалов. В работающий смеситель подаются опилки, затем через питающие форсунки подается вода, около 25% от полного объема. Опилки перемешиваются, равномерно смачиваясь. Затем небольшими порциями подается цемент. Скорость подачи цемента необходимо отрегулировать в зависимости от типа смесителя, формы рабочих лопастей, скорости вращения активатора, а также общей эффективности перемешивания легкой смеси данным смесителем. Цемент, подаваемый небольшими порциями, равномерно обволакивает смоченные опилки. При правильно подобранной скорости подачи цемента, формы рабочих лопастей, скорости вращения ротора смесителя происходит равномерное нанесение цемента без образования комков и не промешанных участков. Затем подается основная масса цемента и песка, после непродолжительного смешивания подается вода. Таким способом можно получать опилкобетонную формовочную Смесь плотностью 400-600 кг/м3 (в сухом состоянии). Модифицирующие добавки, защитные составы и ускорители твердения бетона разводятся в воде либо подаются в сухом состоянии. Далее смесь формуется и отвердевает.
Современные технологии получения теплоизоляционных материалов на основе древесных частиц подразумевают повышение теплофизических показателей существующих материалов, понижение плотности, повышение физико-механических показателей. Одним из направлений повышения эффективности теплоизоляционных материалов на основе древесных частиц является поризация древесно-цементной смеси.
Методика исследований физико-механических и теплофизических свойств теплоизоляционного материала на основе древесных частиц
Испытания осуществлялись по методике испытания опытных образцов для определения физико-механических и теплофизических свойств материала. Сущность методики заключается в последовательности проведения испытаний серий образцов. Серии полученных опытных образцов с установленными согласно нормативно-технической документации геометрическими размерами испытываются либо один раз до разрушения образца, либо при отсутствии разрушительного и отрицательного воздействия несколько раз.
Нормативно-технические документы, распространяющиеся на композиционные теплоизоляционные материалы. Устанавливают методики проведения испытаний для определения качественных показателей: линейный размер; плотность; водопоглощение; прочность на сжатие при 10 %-ной линейной деформации; предел прочности при изгибе; теплопроводности, горючести.
Испытания осуществляются с учетом следующих показателей. Температура воздуха в помещении 22±5 С. Число опытных образцов определено для каждого вида испытаний с учетов величины принятой погрешности.
По полученным данным приняты средние арифметическое величины [94].
При проведении исследований принято, что проведение испытаний на показатели качества таких компонентов, как портландцемент, техническая пена, раствор стекла натриевого, хлорида кальция, полиола и полиизоцианата нецелесообразно. В рамках данной работы принято, что основные компоненты разрабатываемого материала имеют сертификат качества, на основании которого и применяются в исследованиях.
При проведении исследований и испытаний разработанного теплоизоляционного материала, первоначально рассматривались физико-механические свойства основы, состоящей из древесных частиц и пенобетонного связующего.
Рассматривая прочностные показатели основы теплоизоляционного материала, необходима оценка величины адгезионной связи древесных частиц с минеральным связующим. Анализ необходим для обоснования использования дополнительной химической добавки, а именно раствора стекла натриевого. Для анализа адгезии проведены испытания методом отрыва древесных частиц, приклеенных к слою связующего.
При проведении физико-механических испытаний опытные образцы теплоизоляционного материала выполнены с геометрическими размерами: ширина - 100 мм.; длина — 100 мм.; высотой- 100 мм. Способ получения опытных образцов осуществлялся путем смешения компонентов в смесителе, а именно: предварительно обработанного раствором древесного наполнителя, портландцемента, добавки, технической пены и воды, формованием материала в пресс форме и твердением материала в камере гидратации. В качестве древесного наполнителя использована технологическая щепа, в случае сравнительного анализа дополнительно использовалась стружка, древесная мука. В качестве раствора для обработки наполнителя использован 30-%-ный раствор стекла натриевого в количестве 10% от массы древесного наполнителя. В качестве портландцемента использован цемент на основе портландцементного клинкера с пределом прочности 40 МПа, предварительно смешанный с добавкой. В качестве которой использован хлорид кальция в порошкообразном состоянии с массовой долей хлористого кальция не менее 90 % и в количестве 2 % от массы портландцемента. В качестве технической пены использован водный раствор гидролизата протеинов 1%-ной концентрации. Формование осуществлено при давлении 0,1-Ю35 МПа, с последующим твердением при температуре 50-НЮ С и относительной влажности воздуха 7(Н80%.
Адгезионная прочность полимерной оболочки к деревопенобетону осуществлялось согласно методики испытания прочности связи жестких пенопластов к строительным конструкциям. Методика испытания основана на расчете максимальной нагрузки и определение величины продольного напряжения, вызывающего разрушение связи между пенополиуретаном и строительным материалом под валянием растягивающих сил, нормально отнесенных к плоскостям опытных образцов.
Опытные материалы для исследования приготавливались согласно существующих стандартных рекомендаций. При установлении величины адгезии пенополиуретана, получаемого методом заливки, образцы приготавливали путем заливки смеси в металлическую форму, в днище которой установлены призматические образцы из древесно-наполненной пенобетонной смеси. По завершению процесса структурообразования и отверждения методом механической обработки опытные образцы доводятся до геометрических размеров прямоугольников, а именно 50x50x30 ± 0,5 мм.
Измерение линейных размеров осуществлялось по ГОСТІ7177-94. Длина плитных опытных образцов измеряется в трех местах, а именно на дистанции 50 мм от края и посередине материала. Ширина плитных опытных образцов также измеряется в трех местах, а именно на дистанции 50 мм от края и посередине материала. Толщина измеряется штангенциркулем в восьми точках: по три замера со сторон материала в направлении длины на дистанции 50 мм от краев и по середине по одному замеру, по середине сторон материала в направлении ширины.
Определение плотности осуществлялось также по ГОСТІ7177-94. Плотность определяют на образцах, с учетом выполнения требований погрешности от правильной формы, которая не должна превышать установленных величин, согласно действующим нормативным документам.
Отобранные для испытания образцы взвешивают. Определяют линейные размеры и устанавливают объем опытного образца. Плотность измеряется в килограммах на кубический метр и определяется делением массы на объем.
Определение прочности на сжатие при 10 %-ной линейной деформации, осуществлялось также по ГОСТІ7177-94
Метод проведения испытания основан на определении величины нагрузки, осуществляющей деформацию опытного образца на 10 % от высоты материала при установленных условиях испытания.
Для проведения испытания образец помещают в испытательную машину, обеспечивающую увеличения нагрузки на образец 6-11 мм/мин и позволяющую определить значение величины с погрешностью, не более 1 % от величины общей нагрузки. Измеряют нагрузку, при которой образец уплотняется на 10 %.
Метод проведения испытания на определении величины нагрузки, приводящей к разрушению опытного образца при осуществлении нагрузки на изгиб в установленных условиях испытания.
Для испытания используется испытательная машина, обеспечивающую увеличения нагрузки на образец 6-11 мм/мин и позволяющую определить значение величины с погрешностью, не более 1 % от величины общей нагрузки.
Опытный образец устанавливается в специальной оснастке имеющей опоры в виде полуцилиндра радиусом 5 мм. Расстояние между осями опор установлено в размере 160 мм. Усилие нагрузки на опытный образец осуществляется металлическим валиком, радиусом 5 мм, распределенным поперек и посередине образца. Усилие увеличивается со скоростью 6-11 мм/мин. Предел прочности определяется максимальной нагрузкой, повлекшей разрушение опытного образца.
Анализ результатов исследований теплофизических свойств теплоизоляционного материала, разработанного на основе древесно-пеноцементнои композиции с полимерным покрытием
Для исследования зависимости коэффициента теплопроводности от количественного содержания древесного наполнителя и вида в теплоизоляционном материале необходимо измерить коэффициент теплопроводности материала при различных соотношениях и видах наполнения материала древесными частицами и в результате определить сравнительные зависимости. Для относительной оценки величины коэффициента теплопроводности разработанного материала сведем в один график также значения коэффициента теплопроводности сравниваемых древесно-наполненых теплоизоляционных материалов. Зависимость коэффициента теплопроводности представлена на рис. 3.11.
Наполнение ячеистого бетона древесным наполнителем существенно снижает теплопроводность материала. Анализ зависимости коэффициента теплопроводности от доли содержания древесного наполнителя отражает, что содержание 40 масс.% древесных частиц позволяет снизить теплопроводность на 47% от исходного и дальнейшее наполнение не существенно увеличивает эффективность. Анализ зависимости коэффициента теплопроводности от вида древесного наполнителя отражает, что меньшую теплопроводность имеют опытные образцы на основе технологической щепы.
Определена зависимость коэффициента теплопроводности разработанного теплоизоляционного материала от влажности древесного наполнителя и от состояния древесного наполнителя, а именно обработанного раствором стекла натриевого и не обработанного. Зависимость представлена на рис. 3.12.
Установленные зависимости отражают влияние влажности на теплофизические показатели. При увеличении влажности наполнителя от 10% до 20% теплопроводность материала увеличивается на 1%, что является незначительным отклонением. Увеличение влажности наполнителя до 40% приводит к увеличению теплопроводности на 7%, что также не существенно влияет на общие теплофизические свойства. Соответственно, возможно применение древесного наполнителя с влажность в диапазоне от 8 до 22%.
Физико-механические и теплофизические испытания отражают, что оптимальным выбором для основы теплоизоляционного материала является использование в качестве древесного наполнителя технологической щепы. Данный вид наполнителя позволяет существенно снизить коэффициент теплопроводности с незначительным снижением прочностных показателей.
Для повышения эффективности разработанного теплоизоляционного материала покрываем древесно-пенобетонную основу полимерной оболочкой, а именно пенополиуретанном жестким.
Основным варьируемым фактором при формовании полимерной оболочки является толщина слоя покрытия на древесно-пенобетонной основе теплоизоляционного материала. Толщина слоя оболочки определяется через тепловое сопротивление теплоизоляционного материала.
При оценке теплового сопротивления используем значения коэффициента теплопроводности, полученные в зависимости от плотности материала представленные на рис. 3.13.
Для исследования зависимости толщины теплоизоляционного материала от теплового сопротивления необходимо произвести расчет теплового сопротивления в зависимости от коэффициента теплопроводности и построить сравнительные графики. Данная оценка позволит прогнозировать теплофизические показатели материала в целом и получать теплоизоляционный материал с заданным коэффициентом теплопроводности при необходимой толщине плиты. Зависимость представлена на рис. 3.14.
Анализ исследований теплового сопротивления разработанного материала позволяет сделать вывод о том, что при толщине плиты в 50 мм, коэффициенте теплопроводности 0,137 Вт/мК материал имеет тепловое сопротивление 0,32 м2К/Вт, что оптимально для основного использования разработанного материала при теплоизоляции зданий, выполненных из конструкционных каменных материалов.
Далее сравниваем толщину арболита, пенополиуретана, пенобетона и разработанного материала, при тепловом сопротивление равном 1 м К/Вт.
Сравнительная диаграмма теплового сопротивления теплоизоляционных материалов представлена на рис. 3.15.
Выявлено, что разработанный материал имеет преимущественные теплофизические показатели относительно таких конструкционно-теплоизоляционных материалов, как пенобетон, арболит. Коэффициент теплопроводности в разработанном теплоизоляционном материале значительно снижается при понижении плотности, достигая минимального значения при плотности 200 кг/м3, но также имеет малый предел прочности, что сужает области применения. Рекомендуемая плотность применения, в качестве теплоизоляционного материала 300-400 кг/м .
При рассмотрении пенополиуретановых теплоизоляционных материалов по отношению к разработанному материалу явно выявлено что, пенополиуретановый материал легкий и эффективный, но дорогостоящий.
По результатам испытаний на морозостойкость согласно ГОСТ 7025-91 определена потеря теплофизических свойств, а именно увеличение теплопроводности материала, при увеличении циклов замораживания и оттаивания, по формуле 3.5.
Проведенные испытания опытных образцов теплоизоляционного материала на определении морозостойкости по показателям потери теплофизических свойств, а именно увеличению коэффициента теплопроводности показали, что до 20 циклов величина оставалась неизменной, далее увеличилась не значительно. Испытания проводились с оценкой на 50 циклов, что позволило дать обоснованную оценку по морозостойкости при длительной эксплуатации разработанного материала.
Разработанный материал превосходит аналоги, что является положительной тенденцией для внедрения на рынок данного сегмента продукции.
Применение древесных частиц, в качестве наполнителя, в процессе получения опытных образцов значительно увеличивает общие эксплуатационные показатели теплоизоляционного материала и позволяет расширить области его применения с значительным снижением себестоимости относительно полнополимерных материалов.
По результатам проведенных испытаний, представлено соотношение компонентов смеси и оболочки теплоизоляционного материала для различного назначения, а также физико-механические характеристики, которые приведены в табл. 3.6.
Производственный комплекс получения разработанного теплоизоляционного материала
Производственный комплекс получения теплоизоляционных материалов на основе древесного наполнителя с поризованным минеральным связующим в полимерной оболочке представлен на рис.4.9.
В состав комплекса производства теплоизоляционных материалов входит следующее оборудование:
- бункер хранения щепы, предназначенный для временного хранения исходного сырья;
- секторный питатель для древесной щепы, предназначенный для дозированной подачи щепы;
- объемный питатель для раствора стекла натриевого, предназначенный для дозированной подачи стекла натриевого;
- объемный питатель для портландцемента, предназначенный для дозированной подачи портландцемента;
- объемный питатель для хлорида кальция, предназначенный для дозированной подачи хлорида кальция;
- объемный питатель для воды, предназначенный для дозированной подачи воды;
- секторный питатель смесителя, предназначенный для дозированной подачи смеси компонентов теплоизоляционного материала;
- буферная емкость для раствора стекла натриевого;
- буферная емкость для портландцемента;
- буферная емкость для хлорида кальция;
- буферная емкость для воды;
- пенобетоносмеситель ПБС-1000, предназначенный для выработки пенобетонной массы, как одного из составных компонентов теплоизоляционного материала, а именно, поризованного минерального связующего;
- смеситель СГС-700, предназначенный для смешивания компонентов теплоизоляционного материала;
- формы, предназначенные для формирования плитных заготовок основ теплоизоляционного материала;
- форма блочная, предназначенная для получения блочного древесно-пенобетонного материала;
- подпрессовочное устройство, предназначенное для уплотнения массы в формах и фиксации форм в закрытом положении;
- рольганг, предназначенный для транспортировки материала в формах к подпрессовочному устройству;
- камера гидратации, предназначенная для гидротермической обработки древесно-пенобетонного плитного материала;
- стеллаж для плит, предназначенный для технологической выдержки и временного хранения плитного материала;
- специализированная форма, предназначенная для формования пенополиуретановой оболочки на древесно-пенобетонном плитном материале;
- заливочная установка НАСТ-7М, предназначенная для получения заливочного пенополиуретана.
- пресс-форма, предназначенная для получения древесно наполненного полимерного плитного материала.
Порядок работы установки и действия оператора при запуске и достижении номинальных режимов оборудования при производительности производства 18 м2 в час:
- произвести комплексный осмотр модуля на наличие визуальных дефектов, а также визуальный осмотр бункеров на наличие в них необходимых компонентов: древесная технологическая щепа 100 кг, портландцемент 103 кг, хлорид кальция 2 кг, вода 40 кг, раствор стекла натриевого 10 кг, пенообразователь 1,08 кг, полиол 7,15 кг и полиизоционат 5,85 кг в заливочной машине. В случае отсутствия материалов или недостаточного их количества для запуска установки произвести подготовку бункеров к работе. Для заполнения бункера щепы материалом использовать ленточно-скребковый транспортер;
- произвести пробные пуски, продолжительностью не более 5 секунд, смесителя, пенобетонного смесителя, камеры гидратации, используя соответствующие кнопки на пульте управления;
- произвести подготовку пяти форм;
- установить одну форму под выгрузное отверстие смесителя;
- включить смеситель;
- включить питатели компонентов;
- после отключения питателей компонентов через 1 минуту включить питатель смесителя;
- наполнить подготовленную форму древесно-пенобетонной смесью;
- после выключения питателя смесителя накрыть форму крышкой;
- вручную переместить форму по рольгангам и установить ее в подпрессовочное устройство;
- произвести подпрессовку крышки формы;
- зафиксировать крышку формы;
- переместить форму в зону технологической выдержки на 2 часа;
- аналогичные операции произвести для следующих четырех форм;
- после технологической выдержки произвести разборку каждой формы так, чтобы плитная заготовка - основа теплоизоляционного материала осталась на металлическом поддоне формы;
-загрузить все поддоны с плитными заготовками в камеру гидратации и включить камеру гидратации на 2 часа;
- выключить камеру, разгрузить поддоны с материалом в зону выдержки на 4 часа до полного остывания и отвердения заготовок - основ;
- снять плитные заготовки-основы с поддонов и загрузить их в специализированные формы, закрыть крышкой;
- включить заливочную машину и произвести заливку пенополиуретана в специализированные формы через соответствующее отверстие в форме.
Следить за выходом излишков ППУ из соответствующего отверстия в форме.
Через 2 минуты произвести разбор специализированной формы; - проверить полученный продукт на соответствие его техническим характеристикам. В случае несоответствия произвести регулировку параметров процесса.
Режимные значения для номинальной работы установки и производительности по теплоизоляционным материалам равным 18 м2 в час с толщиной плиты 50 мм. приведены в табл. 4.1.
