Содержание к диссертации
Введение
1 Современные теплоизоляционные материалы и перспективы их развития 7
1.1 Анализ особенностей теплоизоляционных материалов и их использование в строительстве 7
1.2 Способы получения теплоизоляционных материалов 17
1.3 Сырье для производства теплоизоляционных материалов 23
1.4 Выводы 27
2 Создание волокнистых материалов с требуемыми теплофизическим свойствами 29
2.1 Теоретические предпосылки формирования структуры волокнистых материалов 29
2.2 Формирование пористой структуры волокнистого материала 39
2.3 Выводы 50
3 Методы исследования состава композиции и технологии получения теплоизоляционных древесных плит 51
3.1 Исходные материалы и их характеристика 51
3.2 Методы и средства контроля 52
4 Экспериментальные исследования состава теплоизоляционных материалов 70
4.1 Постановка задачи 70
4.2 Выбор связующих веществ и определение их токсических свойств 70
4.3 Определение состава композиций теплоизоляционных материалов 73
4.4 Исследование технологических факторов получения теплоизоляционных материалов 97
4.5 Технология получения теплоизоляционных материалов 109
4.6 Выводы 112
5 Исследование свойств теплоизоляционных материалов на основе древесных волокон 114
5.1 Исследования микроструктуры материалов 114
5.2 Определение теплофизических характеристик материалов 116
5.3 Определение водо-, влагопоглощения материалов 116
5.4 Определение гигроскопичности материалов 118
5.5 Расчет возможности конденсации влаги 121
5.6 Определение группы горючести теплоизоляционных материалов 132
5.7 Выводы 133
6 Расчет затрат на производство теплоизоляционных материалов 135
6.1 Составление плана производства 135
6.2 План материально-технического обеспечения 136
6.3 План по затратам на производство продукции 138
Основные выводы 140
Список использованных источников 142
Приложение 1 153
Приложение 2 167
Приложение 3 173
- Способы получения теплоизоляционных материалов
- Определение состава композиций теплоизоляционных материалов
- Расчет возможности конденсации влаги
- План по затратам на производство продукции
Введение к работе
Актуальность темы. Энергосбережение в настоящее время является одним из приоритетных направлений. Требования современной нормативной документации по строительной теплофизике направлены на существенное снижение потерь тепла через ограждения зданий и сооружений. Обеспечение необходимых показателей теплового сопротивления предопределяет широкое использование теплоизоляционных материалов. В связи с этим спрос на данный вид материалов постоянно растет, в среднем на 20 % в год.
Повышение требований к экологии жилища стимулирует интерес к созданию безопасных теплоизоляционных материалов из сырья растительного происхождения. Данные материалы благодаря своим гигроскопическим свойствам способствуют поддержанию благоприятных температурно-влажностных условий в помещениях. Перспективным сырьем для производства теплоизоляционных материалов являются отходы деревообрабатывающих производств, а также макулатура. Использование данных видов сырья для производства теплоизоляционных материалов позволит не только удовлетворить возрастающий спрос на теплоизоляционные материалы, но и частично решить проблему использования вторичных ресурсов. Поэтому разработка способа получения эффективного экологически чистого теплоизоляционного материала на основе отходов и вторичного сырья является актуальной задачей.
Цель работы: разработка способа и технологии получения теплоизоляционных древесных плит, обладающих низкой плотностью и теплопроводностью.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать факторы, влияющие на теплопроводность материалов на основе волокон древесины, для создания теплоизоляционных древесных плит с заданными свойствами;
разработать способ и составы для получения теплоизоляционных материалов на основе различных видов древесных волокнистых продуктов и полимерных связующих веществ;
исследовать теплофизические, механические и гигроскопические свойства полученных материалов, их огнестойкость и поведение в процессе эксплуатации;
оценить основные технико-экономические показатели изготовления теплоизоляционных материалов на основе древесных волокон.
Научная новизна:
- определены основные закономерности формирования структуры волокни
стых материалов с заданной теплопроводностью на основании предложенной
теоретической модели структуры;
- разработан способ получения композиционных теплоизоляционных дре
весных плит на основе волокон древесины, позволяющий регулировать их плот
ность и теплопроводность.
Практическая значимость работы:
Разработан способ и технология получения теплоизоляционных древесных плит, которые по теплофизическим и механическим свойствам отвечают требова-
ниям ГОСТ 16381 - 77, а по гигроскопическим - аналогичны показателям натуральной древесины. Отработаны технологические операции производства теплоизоляционных материалов, определены их основные режимные параметры. Исследованы основные свойства полученных теплоизоляционных материалов. Технология производства разработанных плитных материалов может быть реализована в виде малых производств.
Научные положения, выносимые на защиту:
- основные закономерности формирования структуры теплоизоляционных
материалов на основе волокон древесины, обеспечивающей требуемые теплофи-
зические свойства;
компонентный состав плитных теплоизоляционных материалов с регулируемой плотностью и теплопроводностью;
основные технологические операции получения теплоизоляционных материалов.
Апробация работы. Основные научные положения докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2009, 2010 гг.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2009,2010 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 в изданиях рекомендуемых перечнем ВАК, принята 1 заявка на изобретение.
Объем диссертации и ее структура. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка литературы, содержащего 119 наименований, приложений. Основной текст диссертационной работы изложен на 152 страницах, включая 44 рисунка, 58 таблиц.
Способы получения теплоизоляционных материалов
Теплопроводность - это основной показатель эффективности теплоизоляционных материалов. Чем меньше величина этого показателя, тем более эффективным является теплоизоляционный материал. Из литературных данных [43] известно, что теплопроводность прямо пропорционально зависит от плотности. Воздух обладает самым низким коэффициентом теплопроводности 0,023 Вт/м- С. Значения коэффициентов теплопроводности твердых материалов органического происхождения находится в пределах от 0,29 до 0,41 Вт/м- С [44]. Теплоизоляционные материалы считаются обладающими низкой теплопроводностью (класс А), если теплопроводность не превышает 0,06 Вт/м- С [45]. Следовательно, главной технологической задачей при производстве теплоизоляционных материалов является получение материала с наи менее возможным количеством твердой части (низкой плотностью), и наиболее возможным количеством пор, заполненных воздухом.
По данным [46, 47, 48] выделяют четыре направления производства теплоизоляционных материалов:
- создание искусственных пористых зернистых или порошкообразных материалов с последующим формованием из них высокопористых изделий;
- формование изделий из природных пористых материалов путем дополнительной поризации в процессе изготовления;
- производство высокопористых изделий из плотных искусственных и природных волокнистых и порошкообразных материалов путем поризации одним из известных способов;
- производство поризованных сыпучих и рыхлых материалов для засыпной теплоизоляции.
При первых трех направлениях производства происходит омоноличивание исходных материалов путем формования, при котором происходит создание пористости заданного объема и вида, и отверждения. Структура, а следовательно, теплотехнические и общестроительные свойства теплоизоляционных материалов главным образом зависят от способов формования и условий производства изделий. Решающее значение при этом имеют реологические свойства связующего, предопределяющие способ и параметры формования, а также вид пористой структуры и свойства изделий.
В настоящее время известно несколько десятков принципиально отличающихся способов поризации при производстве материалов из плотных искусственных и природных волокнистых и порошкообразных материалов, каждый из которых позволяет создать свой тип и свои особенности пористой структуры. Многообразные способы поризации применительно к теплоизоляционным изделиям могут быть подразделены на пять основных групп, а так же возможно совмещение нескольких способов в одном.
Объемное омоноличивание. При этом способе из зернистых и волокнистых пористых материалов формируется изделие при сплошном омоноличивании связующим. Теплоизоляционные изделия в этом случае получаются при применении высокопористых заполнителей, которые максимально заполняют объем для уменьшения расхода связующего, или при использовании связующего в виде пеномассы. В качестве связующего вещества при таком способе производства используются полимерные связующие композиции, битум, жидкое стекло. Данный способ получения включает омоноличивание поризованной связкой, омоноличивание плотной связкой [46, 47]. Формирование структуры представляет собой совокупность процессов совмещения связующего с заполнителем, перераспределения связующего в объеме пустот заполнителя, формования и отверждения изделий. Данный способ позволяет получить теплоизоляционный материал повышенной плотности, которая в основном определяется плотностью применяемого связующего. Волокнистые и зернистые материалы в данном случае используются в качестве наполнителя, снижающего себестоимость материала.
Контактное омоноличивание. Омоноличивание материалов происходит в местах их взаимного контакта с помощью тонких склеивающихся прослоек. Эти прослойки создаются, когда в каркасообразующий материал вводят маловязкие композиции связующего, равномерно и тонким слоем распределяют его по поверхности волокон, которые затем приводят в соприкосновение. В качестве связующего используют жидкотекучие композиции (предпочтительно водные растворы) полимеров. Способ имеет несколько разновидностей, которые отличаются технологией распределения связующего на каркасообразующем материале, формованием изделий и приемами удаления излишков связующего из сформованного изделия. Контактное омоноличивание целесообразно использовать для волокон, длина которых от 10 до 15 мм. При использовании волокон меньшей длины их поверхность велика, повышается расход связующего, а образующиеся между частицами поры так малы, что заполняются связующим.
Получаемый в результате материал имеет слитную структуру с малыми значениями пористости и повышенной теплопроводностью [47].
Неплотная упаковка. Этот способ используют в производстве волокнистых и зернистых материалов. У волокнистых материалов при этом способе происходит перепутывание волокон, формообразование происходит за счет трения, зацепления волокон между собой [49, 50], за счет образования водородных связей . В этих условиях формируется волокнистая пористость, объем которой определяется прежде всего диаметром волокон, их геометрией, а также упругостью и свойствами их поверхности (способностью к зацеплению). Способ неплотной упаковки волокнистых материалов реализуется при свойлачивании, а так же производстве материалов в виде ваты. При таком способе получения у волокнистых материалов достаточно сложно регулировать пористость формируемого материала. Образующиеся между волокнами связи, обладают малой энергией (около 21 кДж/моль), поэтому в процессе эксплуатации может наблюдаться усадка материала, слеживание и оседание.
Вспучивание - это способ поризации, основанный на выделении в массе материала или введении в массу газовой фазы (в виде водорода, кислорода, углекислого газа, фреона, изопентана и др. газов, паров воды, воздуха). В результате насыщения массы газовой фазой увеличивается ее объем — происходит вспучивание, давшее название этому методу.Образуется дисперсная система — воздух в «жидкости» (пеномасса), твердеющая при дальнейшей технологической обработке (охлаждении, нагревании и т. д.) [46, 47, 51]. При вспучивании формируется пористая структура, общий объем пористости которой зависит от количества введенного и удержанного газообразного компонента. Решающее значение при этом имеют реологические свойства получаемой массы. К вспучиванию относятся следующие способы поризации! низко- и высокотемпературное газообразование, пенообразование, аэрирование (воздухововлече-ние).
Способ газообразования основан на выделении газообразных продуктов во всем объеме материала, находящегося в пластично-вязком состоянии. Существуют несколько разновидностей процесса, которые различаются по способу образования газа (при взаимодействии газообразователя с компонентами массы или выделении из газообразователя без взаимодействия с массой), виду газообразователя (искусственно вводимые или входящие в состав исходных компонентов), температуре газообразования и вспучивания массы (низко-, средне- и высокотемпературные). При низкотемпературном газообразовании (до 100 С) используются реакции взаимодействия алюминиевой пудры с кислотами, про-исходящие с выделением газообразных продуктов. При среднетемпературном газообразовании (от 200 до 400 С) применяются органические порофоры и га-зообразователи, для высокотемпературного (выше 800 С) применятся гидрат-ная вода [48]. Как известно [52], температура деструкции древесины около 300 С, поэтому применение высоко- и среднетемпературных газообразовате-лей может привести к обугливанию и возгоранию поризуемого материала. Применение мелкодисперсной алюминиевой пудры в качестве газообразователя способствует образованию пузырьков малого диаметра, по мере разрушения которых и стягивания к ним газообразователя, расстояние между отдельными составляющими материал частицами и пузырьками в массе увеличивается, а вероятность их слияния уменьшается, и происходит неравномерная поризация. Данный способ наиболее применим для производства неволокнистых монолитных теплоизоляционных материалов.
Определение состава композиций теплоизоляционных материалов
Определение состава композиций выполнялось с использованием метода математического планирования эксперимента. В качестве варьируемых были приняты следующие факторы; количество волокнистого наполнителя, количество связующего и количество пенообразователя в композиции. В соответствии с методикой, изложенной в пункте 3.2.1, в композицию вводилась вода, количество которой было постоянным во всех опытах.
Предварительные исследования по определению состава композиции проводились с использованием В-3 плана Бокса [101, 102]. Было составлено шесть вариантов композиций: «Эковата» - клей ПВА, «Эковата» - бутадиен-стирольный латекс, древесное волокно - клей ПВА, древесное волокно - бута-диен-стирольный латекс, волокнистая масса из тарного картона - клей ПВА, волокнистая масса из тарного картона - бутадиен-стирольный латекс.
Композиция на основе «Эковаты» с клеем ПВА была исключена из плана эксперимента, поскольку было установлено, что входящие в состав «Эковаты» добавки (бура и борная кислота) способствуют коагуляции дисперсии клея ПВА. Исходные данные планов экспериментов для остальных предложенных вариантов композиций представлены в таблицах 4.1 - 4.5 в расчете на абсолютно сухое вещество. В качестве критерия для определения уровней варьирования использовался параметр текучесть смеси, который определялся органолептически. В качестве выходных величин были использованы стандартные показатели физико-механических свойств для теплоизоляционных материалов: плотность материала, прочность на сжатие при 10% - ной линейной деформации, предел прочности при статической изгибе. В таблицу 4.6 сведены оценочные показатели и допустимые пределы их величин. Определение показателей производилось по методике, приведенной в п. 3.2.6.1-З.2.6.З.
Постоянными факторами в процессе определения лучшей композиции было количество отвердителя для ПВА и количество раствора вулканизирующего агента для бутадиен-стирольного латекса. Их величины находились в процентном соотношении от количества вносимого связующего вещества (таблица 4.7).
Исследования по получению композиции проводились в лаборатории Кафедры химической технологии древесины и биотехнологии Сибирского государственного технологического университета. Оценочные показатели плана определялись в лаборатории кафедры «Строительных материалов и технологий строительства» (СМиТС) Инженерно-строительного института (ИСИ) СФУ.
Средние значения результатов реализации трехфакторного эксперимента при пяти параллельных опытах представлены в таблицах 4.8-4.12. Полные результаты экспериментов приведены в приложении 1.
В результате статистической обработки экспериментальных данных с помощью программы Statgraphics [101] были получены математические модели. Была определена значимость коэффициентов регрессии, незначимые коэффициенты были исключены. Была выполнена проверка моделей на однородность с помощью критерия Кохрена, и на адекватность с помощью критерия Фишера. Экспериментальные значения параметров и результаты их статистической обработки приведены в Приложении 1.
Математические модели зависимости выходных величин от исследуемых факторов для композиции «Эковата» - бутадиен-стирольный латекс представлены в виде уравнений 4.1 - 4.3
На основании анализа уравнений (формулы (4.1) - (4.3)) можно сделать вывод, что определяющее значение на выходные величины оказывает количество наполнителя (Хi). Кроме того, на плотность материала (У1) второе по значимости влияние оказывает количество пенообразователя (Х2), на предел прочности на изгиб (Y3) - количество связующего в композиции (Хз).
В соответствии со значениями оценочных показателей плана эксперимента для данной композиции, приведенных в таблице 4.8, она была исключена из дальнейших экспериментов. Это было сделано в связи с тем, что свойства полученного материала, оцениваемые по трем параметрам одновременно, не соответствовали требованиям, приведенным в таблице 4.6.
Математические модели для композиции древесное волокно - клей ПВА
Как следует из приведенных уравнений (формулы (4.7) - (4.9)), на плотность полученного материала оказывает наибольшее влияние количество наполнителя и количество пенообразователя в композиции. Прочность на сжатие плитного материала на основе такой композиции в большей мере зависит от количества вводимого связующего вещества. Предел прочности на изгиб определяется количеством наполнителя и связующего в данной композиции.
Образцы, изготовленные на основе композиции из древесного волокна и клея ПВА (таблица 4.9) имеют меньшую плотность, чем у предыдущей композиции, но при этом предел прочности на изгиб выше. Лучшие составы для данной композиции были получены в опытах номер № 2,11. Данная композиция была использована для дальнейших экспериментов.
Математические модели композиции древесное волокно - бутадиен-стирольный латекс
Из приведенных математических моделей (формулы (4.13) - (4.15)) можно заключить, что большее влияние на значения выходных величин имеет количество связующего вещества в композиции. Плотность материала, кроме количества связующего, зависит и от количества вводимого в композицию пенообразователя. Прочность на изгиб определяется так же количеством наполнителя.
Плотность образцов, полученных на основе данной композиции (таблица 4.10), выше допустимых пределов (таблица 4.6). Значения других выходных параметров (Y2, Y3) близки значениям аналогичных параметров других иссле-дуемых композиций. Исходя из этого, эта композиция из дальнейших экспериментов была исключена.
Математические модели для композиции волокнистая масса из тарного картона- клей ПВА приведены в формулах (4.19) - (4.21).
Расчет возможности конденсации влаги
Для изучения эксплуатационных характеристик полученного материала выбранных композиций был произведен расчет стены на сопротивление паропрони-цанию. Конструкция стены представляла собой сэндвич-панель, состоящую из двух плит OSB, толщиной 10 мм, и слоя теплоизоляционного материала, толщиной 130 мм. Расчеты производились в соответствии с методикой, изложенной в СП 23 - 101 - 2004[112]. Теплопроводность и паропроницаемость материалов определяли в соответствии с СП 23 - 101 - 2004, СНиП 23 - 02 - 2003[113] и [114], температурно-влажностные характеристики для расчета определялись по СНиП 23 - 01 - 99 [3].
В таблицы 5.6, 5.7 сведены результаты расчетов значений температур в плоскостях возможной конденсации в зимний и весенне-летний период.
На основании приведенных в таблицах 4.28 и 4.29 данных следует, что в плоскости 3 (рисунок 4.22) наблюдается в зимний период резкое увеличение термического сопротивления и снижение температуры, поэтому в этой плоскости происходит конденсация влаги. Для установления количества влаги, удаляемой из этой зоны в весенне-летний период, проводились дальнейшие расчеты.
По значению температур в плоскости возможной конденсации в соответствии с СП 23 - 101 - 2004 определяли максимальное парциальное давление водяного пара Д, Па. Результаты сведены в таблицу 5.8.
В соответствии с СНиП 23 - 02 - 2003 (рвн = 55 %, при расчетной температурой внутреннего воздуха по СП 23 - 101 - 2004 Евн = 2338 Па. Таким образом,
В соответствии с [114] относительная влажность с наружной стороны ограждающей конструкции в зимний период (рн,3 = 95 %, в весенне-летний период (рн,в.л = 65,83 %, парциальное давление насыщенного водяного пара для этих периодов (по СП 23 - 101 - 2004) Енз = 188 Па, н.в.л = 1279 Па.
Исходя из принятых значений для зимнего периода
Результаты расчетов действительных парциальных давлений, еи водяного пара на границах плоскостей представлены в таблице 5.9.
Количество водяного пара, конденсирующегося в плоскости, Рю мг/м -ч-Па,
В соответствии с таблицей 5.8 для композиции на основе древесного волокна Екз = 209 Па, для композиции на основе волокнистой массы из тарного картона Екз = 211 Па. По данным таблицы 5.9 2& = 1,58 м -ч-ПаУмг.
Тогда для композиции на основе древесного волокна
Так как парциальное давление насыщенного водяного пара в плоскости его конденсации в летний период, Екл, Па, больше (таблица 5.8), чем действительное парциальное давления водяного пара внутри помещения, то процесс удаления сконденсированной влаги происходит в обоих направлениях.
Количество влаги, удаляемой в сторону помещения, Руж, мг/м2-ч-Па, = Ек -ев (513) где Ей. - парциальное давление насыщенного водяного пара в плоскости его конденсации в летний период, Па; 2R - сумма сопротивлений паропроницанию слоев, от внутренней по-верхности до плоскости конденсации водяного пара, м -ч-Па/мг.
Для композиции на основе древесного волокна по данным таблицы 5.8 Екл= 1304 Па, для композиции на основе волокнистой массы из тарного картона Екл= 1312 Па. В результате чего для композиции на основе древесного волокна для композиции на основе волокнистой массы из тарного картона
Величина ен определялась по формуле (5.10) и составляет ен = 841,97 Па, Rvp.u = RVP.OSB = 0,50 м -ч-Па/мг (формула (5.6)) .
Следовательно для композиции на основе древесного волокна
Таким образом, количество влаги, которое может удалиться в весенне-летний период (4,72 кг/м и 4,82 кг/м2), почти в два раза превышает количество, способное сконденсироваться в зимний период (2,45 кг/м2 и 2,44 кг/м2). Следовательно, при эксплуатации такого теплоизоляционного материала накопление избыточной влаги в материале, которая при отрицательных температурах вымораживается и разрушает структуру материала, не происходит.
План по затратам на производство продукции
План по затратам на производство продукции включал в себя составление калькуляции затрат на производство плит теплоизоляционного материала. Себестоимость плит складывалась из: стоимости сырья и материалов, стоимости энергии на технологические цели.
При составлении плановой калькуляции затрат на производство плит теплоизоляционного материала определялись затраты на весь выпуск продукции и на 1 м плит. Калькуляции затрат на производство теплоизоляционных материалов при использовании выбранных композиций занесены в таблицы 6.9, 6.10.
На основании проведенных расчетов был сделан вывод о том, что затраты на производство материалов выбранных композиций сопоставимы. Снижение затрат на производство теплоизоляционного материала на основе древесного волокна возможно если производственный участок будет входить в состав деревообрабатывающего предприятия, располагающего отходами деревообработки в виде щепы. В этом случае затраты на изготовление материала на весь выпуск снизится до 4997,99 тыс.руб., на 1м - до 458,53 руб. Таким образом, экономически более выгодно изготавливать древесные теплоизоляционные плиты на основе древесного волокна.
