Перспективы использования композиционных материалов на основе текстильных отходов и вторичных термопластичных полимеров в качестве теплоизоляции

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Строительство. Архитектура


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Е. И. Кордикова, ст. преподаватель-
А. В. Спиглазов, ст. преподаватель- В. П. Ставров, профессор
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕКСТИЛЬНЫХ ОТХОДОВ И ВТОРИЧНЫХ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
Opportunity of use of textile withdrawals as far as filler and polypropylene as far as binding for manufacturing of heat-insulating materials is researched. Complex of researches of thermophysical and physical material properties is leaded, and also calculations in analytical system, that showed perspec-tivity of application of researched material as far as heat-insulation materials. The presented results give the chance to estimate behaviour of the material formed of a waste of textiles and a polymeric sacking, at influence of photooxidizing ageing. These data can be used by working out of a design of products, definition of area and conditions of effective application of the specified materials.
Введение. В числе основных требований, предъявляемых к теплоизоляционным материалам и изделиям, — теплопроводность не более
0,175 Вт/(м • °С) при 25°С- средняя плотность не более 600 кг/м2- стабильные физико-механические и теплотехнические свойства- отсутствие выделений токсичных веществ и пыли в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации [1, 2]. Многие полимерные материалы и композиции удовлетворяют этим требованиям, поэтому нашли применение в гражданском и промышленном строительстве для изоляции трубопроводов холодного и горячего водоснабжения, тепловых сетей при надземной и подземной (в каналах и тоннелях) прокладках- технологических трубопроводов [1]. Наряду со стекловатой и полистирольным пенопластом все шире используют вспененный фенопласт, различные композиции на основе термореактивных связующих и наполнителей, в частности стекловолокна, льнокостры, текстильных отходов [2]. В то же время по-прежнему актуальна задача повышения эффективности тепловой изоляции при одновременном снижении ее стоимости.
Основная часть. Оценивали теплофизические свойства и пригодность использования для изготовления теплоизоляционных изделий композиций, полученных путем совмещения бытовых текстильных отходов и полипропиленовой мешковины (по 50 мас. %).
Образцы для определения показателей теплофизических и механических свойств вырезали из плит, изготовленных на экспериментальной установке по методу пласт-формования при режимах, которые указаны в табл. 1.
Определяли плотность, коэффициенты тепло-и температуропроводности, показатели механических свойств — модули упругости и разрушающие напряжения.
Коэффициент теплопроводности определяли по ГОСТ 7076–99 «Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме на приборе ИТС-1» (НПП «Интерприбор», г. Челя-
бинск). Условия соответствуют требованиям к определению теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов.
Таблица 1
Режимы изготовления образцов
Показатель Значение
Пластикация в экструдере
Температура, оС 170−210
Прессование
Давление, МПа 8
Температура формы, оС 20
Время выдержки, мин 5
Охлаждение
Температура, оС 80
Продолжительность, мин 10
Коэффициент теплопроводности вычисляли по формуле
, ат
где й — толщина образца, м- q — плотность теплового потока, проходящего через образец, Вт/м2- АТ — разность температур между противоположными гранями образца, К.
Коэффициент температуропроводности находили по времени достижения заданной температуры в центре плоского образца, нагреваемого между плоскопараллельными плитами, из соотношения
Н 4 Т — Т & quot-
а = _^1п «Т Т {Л ' п2ґ п Т — Т (ґ)
где к — высота образца, мм- ґ - время достижения заданной температуры в центре образца, с- Т0 — начальная температура образца, °С- Т -температура плит, °С- Т (ґ) — заданная температура в центре образца, °С.
Плотность определяли по результатам измерения массы и объема образцов. Удельную теплоемкость оценивали по свойствам компонентов и составу композиции.
Показатели теплофизических свойств мате- ленности, по мощности теплового излучения
риала связаны известным соотношением с наружной поверхности.
а = -, ср
где, а — температуропроводность, м2/с- А — коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К) — с -удельная теплоемкость, Дж/(кг • К) — р — плотность материала, кг/м3.
Водопоглощение и механические свойства определяли по стандартизованным методикам.
Значения теплофизических и физико-механических свойств представлены в табл. 2.
Таблица 2 Теплофизические и механические свойства материала
Показатель Значение показателя
Плотность, г/см3 1,1
Коэффициент температуропроводности, мм2/с 0,11
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К) 0,165
Модуль упругости, ГПа: — при изгибе 3,8
— при растяжении 2,5
Изгибающее напряжение при разрушении, МПа 41,8
Прочность при разрыве, МПа 19,3
Водопоглощение за 24 ч, % 0,57
Открытая пористость, % 5,0
Анализ структуры материала показал, что пористость материала обусловлена наличием промежутков между волокнами, при этом поры имеют неопределенную форму и образуют систему сообщающихся между собой воздушных плоскостей (рис. 1, а).
Как видно из табл. 2, полученный материал имеет показатели свойств в диапазоне значений, типичных для теплоизоляционных материалов.
Из композиции текстильных и полимерных волокон по методу пласт-формования могут быть изготовлены, например, элементы изоляции труб, размеры и форма которых оптимальна по условиям монтажа и последующей эксплуатации. При этом возможно также создание воздушных промежутков, повышающих теплоизолирующую способность изделий и эффективность конструкции.
По методу конечных элементов рассчитывали толщину и другие геометрические параметры теплоизолирующих элементов для труб диаметром от 75 до 250 мм при температуре теплоносителя 95 °C. Теплоизоляционные свойства элементов сравнивали с пенополиуретановой изоляцией труб, используемой в промыш-
а б
Рис. 1. Микрофотографии места разрушения (а) и поверхности образца (б) после старения
Расчетная толщина теплоизолирующего слоя в конструкции, показанной на рис. 2, составляет 20−45 мм в зависимости от диаметра трубы.
Рис. 2. Теплоизоляция трубы:
1 — теплоизоляционный кожух-
2 — воздушная прослойка- 3 — труба
Теплоизоляционные элементы труб, получаемые по методу пласт-формования из бытовых отходов текстиля и полипропилена, имеют себестоимость не более 2500 руб. за 1 кг в изделии, поэтому вполне конкурентоспособны.
Композиционный материал (КМ) получали путем прессования (пласт-формования) пласти-цированной композиции из разволокненных текстильных отходов и полипропиленовой мешковины. Комплексное климатическое воздействие на материал моделировали путем фотостарения в условиях облучения ртутно-кварцевой лампой. Испытания проводили в климатической испытательной камере «Рейкой».
Образцы экспонировали на расстоянии 400 мм от источника излучения при включенной приточновытяжной вентиляции.
Климатический режим светотеплового старения: температура в климатической камере -(50 ± 2)°С- относительная влажность воздуха -(б0 ± 2)%- режим облучения — УФ — 61,4 Вт/м2, ИК — 454 Вт/м2, видимый диапазон — 512 Вт/м2- временной интервал — 1464 ч (2 мес.).
Стойкость К М к воздействию излучения оценивали по результатам визуального осмотра поверхности и изменению показателей физико-механических свойств — плотности, разрушающих напряжений при растяжении и изгибе и модулей упругости при растяжении и изгибе, а также влагопоглощения экспонированных образцов.
А
Коэффициент старения вычисляли по следующей формуле:
*=В,
В
где В и В — показатели свойств соответственно после и до воздействия внешнего фактора.
Энергию активации термоокислительной деструкции находили по результатам термогравиметрического анализа образцов в воздушной среде в динамическом режиме на дериватогра-фе системы Паулик-Паулик-Эрдей (тип ОД-103 фирмы «МОМ»). Скорость линейного повышения температуры до 500 °C составляла 5°С/мин. Навеска 200 мг. Эффективную энергию активации рассчитывали по кривым потери массы, построенным путем двойного логарифмирования, удовлетворяющим уравнению [3]:
1п1п
100
100 — Ат
__д_
ЯТ
1п
ААТ
Относительное снижение большинства исследованных показателей свойств КМ не превышает 10%.
Таблица 3
Показатели свойств материала
Показатель Значения показателя свойств
до старения Б после старения Д
Плотность, кг/м3 1011 1002
Разрушающее напряжение, МПа: — при изгибе 37,43 36,06
— при растяжении 18,8 12,3
Модуль упругости, ГПа: — при растяжении 1,41 1,3
— при изгибе 2,5 2,21
Энергия активации термоокислительной деструкции, кДж/моль 47,8 46,3
где Ат — потеря массы образца, %- Ед — энергия активации термоокислительной деструкции, кДж/моль- Я — универсальная газовая постоянная, кДж/(моль • К) — Т — абсолютная температура, К- А — предэкспоненциальный множитель- АТ — разность температур, соответствующая Ат, К- Рнагр — скорость нагрева, К.
Энергию активации определяли по углу на,, 100 клона линейной зависимости 1п1п
100 -Ат
от 1 / Т по формуле
Ед = Л? а.
В каждом случае проверяли линейность зависимости в диапазоне температур 290−390°С. Погрешность оценки эффективной энергии активации процесса деструкции находилась в пределах 5%. В табл. 3 представлены результаты определения основных эксплуатационных характеристик материала.
Полученные значения плотности практически не изменяются после ускоренного старения в течение 2 мес. Коэффициенты снижения характеристик в этом случае практически равны единице.
Модуль упругости и прочность при изгибе в результате воздействия почти не изменились и имеют значения, близкие к исходным. Модуль упругости и прочность при растяжении изменились значительнее — на 11,6 и 34,5% соответственно. Изменения прочностных характеристик связаны, очевидно, с более интенсивными разрушениями тканого наполнителя, особенно в поверхностных слоях. Об этом свидетельствуют исследования микроструктуры поверхностного слоя и мест разрушения образцов после ускоренного старения (рис. 2).
На основании этого можно сделать вывод о том, что процесс фотостарения не приводит к существенному снижению основных физикомеханических свойств и энергии активации термоокислительной деструкции КМ, а исследуемый композиционный материал достаточно стабилен в условиях фотостарения.
Заключение. Материалы, получаемые из бытовых отходов текстиля и полимеров, удовлетворяют требованиям к теплоизоляционным материалам. Эффективность теплоизоляционных элементов труб может быть повышена за счет создания воздушных промежутков, например ячеистой структуры изделия. Показана достаточная стабильность композиционного материала, получаемого из отходов текстиля и полипропиленовой мешковины, в условиях фотоокисли-тельного старения. Полученные данные могут быть использованы при разработке конструкции изделий и определении области и условий их эффективного применения.
Исследования выполнены по заданию 4. 03 ГНТП «Ресурсосбережение-2010».
Литература
1. Основы технологии отделочных, тепло- и гидроизоляционных материалов / В. Д. Глухов-ский [и др.]. — Киев: Буд1вельник, 1986. — 320 с.
2. Горлов, Ю. П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий / Ю. П. Горлов. — М.: Высш. шк., 1989. — 384 с.
3. Райх, Л. Динамический гравиметрический анализ при деструкции полимеров / Л. Райх, Д. Леви // Новое в методах исследования полимеров: сб. переводов и обзоров из иностранной периодической литературы / под ред. З. А. Роговина. — М.: Мир, 1968. -С. 148−199.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой