CC BY
43
УДК 699.865
DOI: 10.17238^п0536-1036.2017.6.151
ПОЛУЧЕНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ВОЛОКНА*
С.Г. Лучинкин, асп.
В.А. Кожухов, канд. техн. наук
Ю.Д. Алашкевич, д-р техн. наук, проф.
Сибирский государственный университет науки и технологии им. академика М.Ф. Решетнёва, пр. Мира, д. 82, г. Красноярск, Россия, 660049; е-mail: [email protected]
Основное направление развития производства строительных материалов - получение маатериалов, обеспечивающих экономию энергетических ресурсов, включая снижение потерь тепла через ограждающие конструкции зданий, сооружений и технологического оборудования. Однако большая часть изоляционных материалов обладает рядом недостатков, среди которых можно выделить невысокую теплостойкость, повышенную горючесть, наличие в их составе вредных компонентов, которые загрязняют окружающую среду. Существует проблема утилизации отходов при производстве и эксплуатации этих материалов, а также высоки затраты электроэнергии на их производство. Актуальность исследования заключается в необходимости разработки на основе вторичного целлюлозного волокна эффективного материала, обладающего необходимыми теплоизолирующими и эксплуатационными свойствами, и создание на его основе энергосберегающей технологии производства негорючих тепло- и звукоизоляционных материалов. Цель работы -разработка технологии изготовления тепло- и звукоизоляционного материала на основе измельченной бумажной макулатуры и негорючих наполнителей, борной кислоты и буры. По результатам исследований предложена новая технологическая схема производства целлюлозного утеплителя с системой 3-ступенчатого дробления с двойным воздушным вытягиванием и вспушиванием волокон, позволившая получить материал с меньшей плотностью и повышенной энергетической эффективностью. Экспериментально определены основные эксплуатационные характеристики нового материала (коэффициенты теплопроводности и паропроницаемости, сорбционная и равновесная сорбционная влажность, водородный показатель). Полученные нами результаты, свидетельствующие об улучшении большинства теплофизических показателей целлюлозного тепло- и звукоизоляционного материала по сравнению с известными аналогами, могут быть использованы при проектировании и строительстве промышленных и жилых зданий и сооружений.
Ключевые слова: целлюлозный материал, утеплитель, размол, тепло - и звукоизоляция, теплопроводность, сорбционная влажность.
*Статья подготовлена по материалам IV Международной научно-технической конференции «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов», посвященной памяти проф. В.И. Комарова (Архангельск , 14-16 сент. 2017 г.).
Для цитирования: Лучинкин С.Г., Кожухов В.А., Алашкевич Ю.Д. Получение теплоизоляционных материалов на основе вторичного целлюлозного волокна // Лесн. журн. 2017. № 6. С. 151-159. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238^п0536-1036.2017.6.151
Введение
Основным направлением экономического и социального развития в условиях энергетического кризиса во всем мире и в России является - производство эффективных строительных материалов и экономия топливно-энергетических ресурсов, что предполагает минимизацию тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий, сооружений и технологического оборудования [1].
Основной путь снижения энергозатрат на отопление зданий -повышение термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью теплоизоляционных материалов. Подсчитано, что 1 м3 теплоизоляции экономит 1,4...1,6 т условного топлива в год [8].
Эти проблемы позволяет решать современный, экологически чистый целлюлозный тепло- и звукоизоляционный материал (эковата). В мировой практике утеплитель на основе целлюлозных волокон, получаемый при переработке вторичного бумажного сырья, используется уже более 80 лет [11]. Высокая теплоизолирующая способность и отсутствие тепловых швов исключают образование «мостиков холода», обеспечивая максимальную теплоизоляционную способность. Однако в связи с негативными тенденциями в мировой и российской экономике постоянно ведется работа по созданию более экономичных и эффективных современных тепло - и звукоизоляционных материалов [9].
В связи с этим исследования, направленные на получение целлюлозного тепло- и звукоизоляционного материала с улучшенными свойствами, становятся актуальными.
Объекты и методы исследования
Исследования проводили на базе Испытательного центра «Красстрой», АО «Красноярский ПромстройНИИпроект».
Объектом исследования являлась легкая пушистая целлюлозная вата (фибриллированная бумажная макулатура) с добавками борной кислоты и буры.
Теплопроводность образцов определяли по методике [4] на измерителе теплопроводности ИТП-МГ-4 «250/Зонд» при средней температуре образца 25 °С. Теплопроводность измеряли на образцах в сухом состоянии и при двух значениях влажности, близких к влажности при условиях эксплуатации А и Б. Расчетные значения теплопроводности в условиях А и Б определяли по [5]. Целлюлозную вату с добавками испытывали в форме размером 250x250x30 мм.
Исследования коэффициента паропроницаемости проводили методом «мокрой чашки» [6] при следующих условиях: температура воздуха в камере 23 °С, относительная влажность воздуха 51 %. Испытания выполняли на образцах, засыпанных в цилиндрические формы диаметром 100 мм и высотой 40 мм. Количество образцов каждой марки - 5 шт.
Сорбционную влажность ускоренным методом определяли по [3]. Образцы (массой 5 г в количестве 3 шт.) выдерживали в эксикаторе над водой в течение 72 ч при температуре воздуха в помещении 20 °С.
Равновесную сорбционную влажность устанавливали в 3-кратной повтор-ности [7] при температуре и влажности воздуха 20 °С и 57 %. Масса образца - 3 г.
Для определения водородного показателя (рН) водной вытяжки [2] целлюлозного тепло- и звукоизоляционного материала использовали навески массой 40 г.
Результаты исследования и их обсуждение
При рассмотрении используемых для получения целлюлозного утеплителя технологических решений были сделаны выводы о таких недостатках в их компоновке, как излишняя громоздкость и металлоемкость, высокий удельный расход электроэнергии на измельчение и транспортировку материала.
В связи с этим предложено оригинальное решение - совместить устройства пневмотранспорта материала (вентиляторы) с размольными устройствами (вихревыми дробилками), что позволит в одном аппарате производить фибрилляцию волокон целлюлозного материала и его транспортировку (рис. 1).
Рис. 1. Технологическая схема производства целлюлозного утеплителя с системой 3-ступенчатого дробления с двойным воздушным вытягиванием и вспушиванием волокон: 1 - шредер; 2 - трубопроводы; 3 - бункер-уловитель; 4, 7 - вихревые дробилки; 5 - камера смешивания боратов; 6 - дозатор подачи боратов; 8 - упаковка с аспирацией
Макулатура, являющаяся сырьем для получения тепло- и звукоизоляционного утеплителя, подается в шредер специально разработанной конструкции для измельчения газетной макулатуры, где в отличие от большинства подобных схем подача макулатуры производится пачками, а не отдельными листами, по гибким трубопроводам. Вентиляционными установками измельченный материал перемещается в бункер-уловитель железа и инородных предметов, откуда он поступает в вихревую дробилку грубого помола, где происходит измельчение материала до размеров крупного сита (15 мм), и подается в камеру смешивания с химическими компонентами в турбулентном потоке воздуха.
В обычной технологии химические компоненты просто высыпаются на конвейер с макулатурой. В разработанной технологии дозировка подачи химических компонентов осуществляется с помощью частотного преобразователя, что позволяет производить точную регулировку количества добавляемых химических реагентов. После смешивания с реагентами материал поступает в вихревую дробилку (7) тонкого помола (мелкое сито - 5 мм), а далее в систему аспирации и упаковки готового продукта.
В качестве основных показателей, характеризующих свойства исследуемого целлюлозного утеплителя, были выбраны теплопроводность, паропро-ницаемость, сорбционная влажность, равновесная сорбционная влажность, pH.
Исследуемый целлюлозный тепло- и звукоизоляционный материал обладает высокими теплоизоляционными свойствами благодаря низкому коэффициенту теплопроводности - 0,037...0,039 Вт/(м°С) для сухого материала. Результаты испытаний представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний на теплопроводность образцов утеплителя с разной плотностью
Плотность Номер образца Коэффициент теплопроводности образца, Вт/(м- °С)
материала, сухого при условиях эксплуатации
кг/м3 А Б
1 0,040 0,041 0,064
2 0,040 0,043 0,069
30 3 0,039 0,043 0,062
4 0,038 0,042 0,067
5 0,039 0,041 0,066
Среднее значение 0,039 0,042 0,066
1 0,040 0,048 0,073
2 0,038 0,042 0,070
40 3 0,039 0,042 0,071
4 0,038 0,044 0,072
5 0,037 0,046 0,071
Среднее значение 0,038 0,044 0,071
1 0,041 0,048 0,076
2 0,040 0,047 0,072
50 3 0,038 0,049 0,080
4 0,039 0,048 0,079
5 0,038 0,050 0,074
Среднее значение 0,039 0,048 0,076
При утеплении любым материалом образуются стыковые пустоты, что влечет за собой потери тепла и дополнительные затраты электроэнергии. В отличие от других утеплителей предложенный целлюлозный тепло- и звукоизоляционный материал полностью заполняет все пустоты, швы, пазухи,
карманы, устраняя потери тепла и обеспечивая максимальную изоляционную способность. Его средняя теплопроводность составляет 0,038 Вт/(м°С). Средний показатель для аналогичного материала (эковаты) - 0,042 Вт/(м°С) при разбросе от 0,039 до 0,045 Вт/(м°С). Снижение теплопроводности на 10 % позволит увеличить энергетическую эффективность сооружения и уменьшить эксплуатационные расходы.
Коэффициент паропроницаемости целлюлозного утеплителя (табл. 2) необходим для расчета его влажностного состояния в ограждающих конструкциях зданий.
Таблица 2
Коэффициент паропроницаемости (мг/(м-ч-Па)) образцов утеплителя с разной плотностью (период испытания - с 05.06 по 28.06. 2017 г.)
Номер образца Средняя плотностью, кг/м
30 40 50
1 0,67 0,69 0,74
2 0,68 0,73 0,73
3 0,73 0,75 0,77
4 0,71 0,70 0,76
5 0,70 0,71 0,73
Среднее значение 0,70 0,72 0,75
Исследования показали, что коэффициент паропроницаемости у предложенного материала выше, чем у аналогов (0,30 мг/(мчПа)), что позволит поддерживать оптимальную влажность в помещениях.
Сорбционная влажность (табл. 3) обуславливается относительной влажностью воздуха и температурой, а также количеством и составом антисептика и антипирена.
Та блица 3
Сорбционная влажность образцов утеплителя
Номер Масса образца, г Сорбционная влажность,
образца сухого увлажненного %
1 4,42 5,37 21,5
2 4,81 5,78 20,2
3 4,50 5,51 22,4
Среднее значение 4,58 5,55 21,4
Результаты испытаний по определению сорбционной влажности свидетельствуют, что влага в помещениях свободно проходит через новый целлюлозный утеплитель и испаряется с его поверхности, не накапливаясь в материале и не снижая его теплоизоляционных свойств. В неорганических утеплителях (минеральная вата) не происходит адгезии влаги с поверхностью волокон ма-
