Теплоизоляционный материал и способ его получения
Владельцы патента RU 2469977:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный технологический университет" (СибГТУ) (RU)
Изобретение относится к производству теплоизоляционных материалов и может быть использовано в строительстве жилых и промышленных зданий. Технический результат - снижение коэффициента теплопроводности при сохранении его физико-механических характеристик и снижение себестоимости материала. Теплоизоляционный материал на основе сырьевой смеси содержит (в расчете на сухое вещество), мас.%: измельченную волокнистую массу из тарного картона 10,56-10,71, связующее - поливинилацетатный клей 0,35-1,72, отвердитель на основе изоцианата 0,02-0,09, пенообразователь 0,37-0,38 и воду - остальное. Измельченную волокнистую массу из тарного картона используют с влажностью 100-350%. Охарактеризован способ получения теплоизоляционного материала. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.
Изобретения относятся к технологии производства теплоизоляционных материалов и могут быть использованы в строительстве жилых и промышленных зданий.
Известна сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционного материала [1], состоящая из смеси макулатуры, древесного наполнителя в соотношении в пределах 1:0,3 - 3,5 с добавками антипиренов и/или антисептиков, в качестве которых используется глина в массовом соотношении с суммарной сухой массой компонентов 1:4 - 40. Материал имеет плотность 195,5 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,074 Вт/м·К, прочность на сжатие при 10%-ной линейной деформации не менее 0,45 МПа. Смешение макулатуры и древесного наполнителя производят после распушивания макулатуры в том же смесителе или отдельно до образования однородной массы. Формование материала может производиться как прессованием так и экструзией и прокаткой. Материал на основе этой смеси имеет хорошие прочностные и экономические показатели.
Недостатком этой сырьевой смеси является то, что он обладает достаточно высокой плотностью и высокой теплопроводностью, а также ограничен в сырьевой базе для добавок.
Известна масса для изготовления композиционных материалов [2], включающая, мас.%:
| 3-9%-ные растворы отходов пенополистирола | |
| и/или полистирола в органических растворителях | 14,5-28,3 |
| Разволокненные отходы текстильного и ткацкого | |
| производств и/или отходы производства нетканых | |
| материалов | 66,0-82,1 |
| Аммоний бромистый | 3,4-5,7 |
Недостатками этого материала является высокая плотность материала (150-200 кг/м3), использование органических растворителей и ограниченная сырьевая база для волокнистого наполнителя.
Известна композиция для волокнистого тепло- и звукоизоляционного материала [3], включающая бумажное волокно - макулатуру бумажную и картонную, антисептик - борную кислоту, антипирен - буру, наполнитель - смесь гипса полуводного и газообразователя, например, кислоты щавелевой, в соотношении 7,5:1, заполнителя - опилки древесные или костру льна или конопли, или джута, или сечки хлопчатника, или рисовой соломы, или камыша, или их смеси в соотношении 1:0,5 - 1:1,5 и отходы гипсового производства - пыль шлифовальную фракции порядка 0,09 мм, включающую гипс двуводный и волокно целлюлозное в соотношении 10:1 - 6:1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Бура | 6,5-8,65 |
| Кислота борная | 2,44-7,2 |
| Наполнитель газообразующий | 9,59-11,96 |
| Заполнитель | 1,98-3,52 |
| Отходы гипсового производства | 0,29-0,07 |
| Макулатура бумажная и картонная | 79,2-68,6. |
Недостатком известного материала является неравноплотность получаемого материала, а также повышенная теплопроводность.
Известен способ получения [4] пористого теплоизоляционного материала путем дозирования и тщательного непрерывного перемешивания составляющих: вспенивающегося пенополиуретана и наполнителя. В полиэтиленполигликоль вводят наполнитель, в качестве которого используют тонкодисперсный порошок природного гипса или доломитовую муку, а затем в полученную смесь добавляют полиизоцианат Б, при этом указанные компоненты смешивают в соотношении, мас.%: наполнитель - 50…65; полиэтиленполигликоль - 20…30; полиизоцианат - 15…20.
Недостатком этого способа производства является получение материала низкой открытой пористости, а следовательно, высокой плотности теплопровдности.
Известен способ изготовления материала «Софтборд» [5], включающий следующие операции: сначала древесину измельчают в щепу в рубительных машинах, затем щепу размалывают на волокна в специальных машинах - дефибраторах и рафинерах. Из полученного волокна в водной среде на бесконечных сетках отливают непрерывный мокрый ковер, имеющий относительную влажность 60-70%. Полученный мокрый ковер разрезают на полотна и пропускают через механический пресс. Затем полотна сушат в конвективных газовых сушилках непрерывного действия. Высушенные плиты раскраивают на заданные форматы.
Недостатком материала, полученного этим способом, является высокая плотность (от 160 до 350 кг/м3) и теплопроводность 0,053…0,093 Вт/(м·К). Кроме этого для производства таких плит необходимы большие производственные мощности.
Известен способ получения волокнистого тепло- и звукоизоляционного материала из смеси волокна и заполнителя. Способ заключается в том, что макулатуру бумажную и картонную предварительно измельчают до элементарных волокон длиной 2-3 мм, затем смешивают ее с кислотой борной и перемешивают в течение 3-10 с, а отходы гипсового производства перемешивают с бурой в течение 60-80 с. Далее обе полученные смеси, наполнитель и заполнитель перемешивают в смесителе в течение 5-10 с, после чего полученную композицию наносят на защищаемую поверхность сжатым воздухом методом напыления, при этом сжатый воздух одновременно используют для инжекции клеевой добавки, в качестве которой используют водный раствор клея органического происхождения, например ПВА, КМЦ и др., и смешивания последней с композицией до получения однородной массы.
Известная композиция отличается используемым способом создания пористой структуры, а также введения в композицию связующего вещества и формой выпуска. Недостатком известного материала является невозможность универсального применения для различных частей зданий и сооружений.
Изобретения решают единую задачу - разработка оптимального состава теплоизоляционного материала с использованием вторичного сырья, которая позволяет получить материал высокой пористости и значительно снизить его себестоимость и технологии его получения.
Единый технический результат заключается в разработке способа получения теплоизоляционного материала высокой пористости с использованием вторичного сырья и снижении коэффициента его теплопроводности при сохранении его физико-механических характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что теплоизоляционный материал на основе сырьевой смеси, содержащей измельченную волокнистую массу из тарного картона, связующее поливинилацетатный клей, дополнительно содержит отвердитель на основе изоцианата, пенообразователь и воду, а измельченную волокнистую массу из тарного картона используют с влажностью 300-350%, при следующем соотношении компонентов в расчете на сухое вещество, мас.%:
| Волокнистая масса из тарного картона | 10,56-10,71 |
| Связующее поливинилацетатный клей | 0,35-1,72 |
| Отвердитель на основе изоцианата | 0,02-0,09 |
| Пенообразователь | 0,37-0,38 |
| Вода | Остальное |
Способ получения теплоизоляционного материала из сырьевой смеси характеризуется тем, что предварительно замачивают картон с последующим роспуском во влажной среде при влажности 4000-5000%, обезвоживают волокнистую массу до влажности 300-350% вакуумным способом, с последующим смешением ингредиентов в смесителе ленточного типа, формуют плиты и сушат при температуре 60-100°С и скорости сушильного агента 1,5-2 м/с до абсолютно сухого состояния.
В качестве волокнистого наполнителя используется волокнистая масса, полученная из тарного картона путем механического роспуска; в качестве связующего применяется экологически чистый малоопасный поливинилацетатный клей (ПВА), содержание которого составляет 1-5% от количества волокнистого наполнителя в абсолютно сухом состоянии.
Для снижения плотности теплоизоляционного материала и придания ему пористой структуры проводится его вспенивание способом интенсивного диспергирования в водной среде композиций волокнистого наполнителя и связующего с использованием поверхностно-активного вещества (пенообразователя) в количестве 0,43% от количества добавляемой воды; для придания водостойкости используется отвердитель на основе изоцианата в количестве 5% от количества связующего.
Композиция имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
| Волокнистый наполнитель | 10,56-10,71 |
| Связующее | 0,35-1,72 |
| Отвердитель | 0,02-0,09 |
| Вода | 87,25-88,54 |
| Пенообразователь | 0,37-0,38 |
Способ получения теплоизоляционного материала включает в себя ряд технологических стадий: предварительное замачивании картона с последующим роспуском, обезвоживание волокнистой массы, смешение ингредиентов, формование плиты и сушка. Тарный картон предварительно очищается от посторонних включений, замачивается и затем подвергается механическому роспуску в гидроразбивателе. Для обеспечения высокого качества роспуска концентрация волокна составляет от 2 до 2,5%, что соответствует абсолютной влажности от 4000 до 5000%. Удаление избыточной влаги для доведения до рабочей влажности волокнистой массы 300-350% производится способом вакуумного обезвоживания. Обезвоженная волокнистая масса загружается в смеситель ленточного типа и перемешивается, вносится вода, связующее вещество 32%-ной концентрации и пенообразователь, при достижении смесью однородной вспененной консистенции, к ней добавляется отвердитель. Затем материал формуется без помощи прессового оборудования и подвергается конвективной сушке при температуре 60-100°C и скорости сушильного агента 1,5-2 м/с.
Теплоизоляционный материал, приготовленный на основе предлагаемой композиции, обладает следующими свойствами: средняя плотность 40…100 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,049…0,053 Вт/(м·К), предел прочности при изгибе 0,100…0,148 МПа, прочность при 10% деформации 0,023…0,033 МПа.
Для получения сравнительных данных и обоснования сущности предлагаемого изобретения приведены примеры получения материала, представленные в таблице 1.
Пример 1. 10,56 мас.% (65,80 г) очищенного от посторонних механических включений тарного картона (начальная влажность Wн=0%) замачивают в 342,63 мас.% (2700 г) воды в течение 30 мин, затем подвергают механическому роспуску в гидроразбивателе в течение 10 мин. Удаление избыточной влаги проводилось способом вакуумного обезвоживания до рабочей влажности 300% в течение 70 с.
Полученную измельченную волокнистую массу из тарного картона загружают в смеситель, перемешивают. Вносилось 88,49 мас.% (308,22 г) воды, 0,55 мас.% (38,27 г) связующего - поливинилацетатный клей 32%-ной концентрации, 0,37 мас.% (1,45 г) пенообразователя - «Сульфанол-П марки Б» (40% водный раствор алкилбензосульфоната натрия) и перемешивалось. После достижения смесью требуемой консистенции к ней добавляют 0,03 мас.% (0,11 мл) отвердителя - на основе изоцианата КЛЕБИТ 303.5. Готовую массу выливают в форму с сетчатым дном размерами 150×200×70 мм и высушивают до абсолютно сухого состояния при температуре 90°C и скорости сушильного агента 2 м/с в течение 22 часов. Затем высушенный блок материала извлекают из формы.
Пример 2. Операции производили аналогично примеру 1, при этом 10,71 мас.% (95,88 г) тарного картона замачивают в 570,68 мас.% (3900 г) воды. Полученную после вакуумного обезвоживания измельченную волокнистую массу из тарного картона загружают в смеситель, перемешивают, затем добавляют 87,43 мас.% (226,08 г) воды, 1,41 мас.% (78,75 г) связующего - поливинилацетатный клей 32%-ной концентрации, и 0,38 мас.% (2,15 г) пенообразователя - алкилбензосульфокислоты марки Б, 0,07 мас.% (0,78 мл) отвердителя - на основе изоцианата «Отвердитель Ф» (фирмы KIILTO). Далее процесс ведут, как в примере 1.
Пример 3. Операции производили аналогично примеру 1, при этом 10,61 мас.% (66,11 г) тарного картона замачивают в 344,24 мас.% (2720 г) воды. Полученную после вакуумного обезвоживания измельченную волокнистую массу из тарного картона загружают в смеситель, перемешивают, затем добавляют 88,40 мас.% (307,91 г) воды, 0,59 мас.% (41,05 г) связующего - поливинилацетатный клей 32%-ной концентрации, и 0,38 мас.% (2,15 г) пенообразователя - «Синтапол АЛМ-7», 0,02 мас.% (0,07 мл) отвердителя - на основе изоцианата «Йоват 195.30» (фирмы JOWAT). Далее процесс ведут, как в примере 1.
Пример 4. Операции производили аналогично примеру 1, при этом 10,67 мас.% (95,52 г) тарного картона замачивают в 568,55 мас.% (3890 г) воды. Полученную после вакуумного обезвоживания измельченную волокнистую массу из тарного картона загружают в смеситель, перемешивают, затем добавляют 87,48 мас.% (226,08 г) воды, 1,40 мас.% (78,19 г) связующего - поливинилацетатный клей 32%-ной концентрации, и 0,38 мас.% (2,15 г) пенообразователя - «Сульфанол-П марки Б» (40% водный раствор алкилбензосульфоната натрия), 0,07 мас.% (0,78 мл) отвердителя - на основе изоцианата «Отвердитель Ф» (фирмы KIILTO). Далее процесс ведут, как в примере 1.
Для получения сравнительных данных и обоснования сущности предлагаемого изобретения приведенные примеры получения теплоизоляционного материала представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||
| Ингредиенты, мас.% | Примеры | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Волокнистый наполнитель в пересчете на сухое вещество | 10,56 | 10,71 | 10,61 | 10,67 |
| Связующее | 0,55 | 1,41 | 0,59 | 1,40 |
| Отвердитель | 0,03 | 0,07 | 0,02 | 0,07 |
| Вода | 88,49 | 87,43 | 88,40 | 87,48 |
| Пенообразователь | 0,37 | 0,38 | 0,38 | 0,38 |
Физико-механические показатели полученных по примерам образцов (1-4) представлены в таблице 2, где также представлены аналогичные характеристики образов материалов-аналогов (пример 5 - по составу (RU №2269496), 6 - по способу (Деревообрабатывающая промышленность. - 2008. - №2. - С.2-4)).
| Таблица 2 | ||||||
| Свойства композиции | Примеры | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Средняя плотность, кг/м3 | 56,31 | 82,05 | 56,58 | 81,74 | 150-200 | 150-350 |
| Предел прочности при 10%-ной линейной деформации, МПа | 0,023 | 0,033 | 0,023 | 0,033 | 0,02-0,054 | 0,1-0,35 |
| Предел прочности при изгибе, МПа | 0,100 | 0,148 | 0,100 | 0,147 | 0,2-0,24 | 1,0-2,1 |
| Теплопроводность | 0,049 | 0,053 | 0,049 | 0,053 | 0,054-0,74 | 0,053-0,093 |
Представленные в таблице 2 показатели позволяют сделать вывод, что полученный материал по своим свойствам не уступает аналогам, а по значению коэффициента теплопроводности даже превосходит их.
Производство полученного теплоизоляционного материала более экологично, не требует больших производственных мощностей и может быть реализовано в условиях малых производств.
Кроме того, производство может базироваться на обширной сырьевой базе в виде тарного картона, который является торговыми отходами. Это также позволяет снизить загрязнение окружающей среды и вырубку деловой древесины.
Источники информации
1. RU 2104253 C04,1998.
2. RU №2269496, МПК C04B 26/02, опубл. 2006.
3. RU 2125029, МПК C04B 28/14, C04B 18:24, B28B 1/52, опубл. 20.01.1999.
4. RU 2169741 C08, 2001.
5. Бирюков, В.И. Древесноволокнистая плита «Софтборд» - многофункциональный изоляционный материал для домостроения [Текст] / В.И.Бирюков [и др.] // Деревообрабатывающая промышленность. - 2008. - №2. - С.2-4.
1. Теплоизоляционный материал на основе сырьевой смеси, содержащей измельченную волокнистую массу из тарного картона, связующее - поливинилацетатный клей, отличающийся тем, что она дополнительно содержит отвердитель на основе изоцианата, пенообразователь и воду, а измельченную волокнистую массу из тарного картона используют с влажностью 100-350%, при следующем соотношении компонентов в расчете на сухое вещество, мас.%:
| волокнистая масса из тарного картона | 10,56-10,71 |
| связующее - поливинилацетатный клей | 0,35-1,72 |
| отвердитель на основе изоцианата | 0,02-0,09 |
| пенообразователь | 0,37-0,38 |
| вода | остальное |
2. Способ получения теплоизоляционного материала из сырьевой смеси по п.1, характеризующийся тем, что предварительно замачивают картон с последующим роспуском во влажной среде при влажности 4000-5000%, обезвоживают волокнистую массу до влажности 300-350% вакуумным способом с последующим смешением ингредиентов в смесителе ленточного типа, сушат при температуре 60-100°C и скорости сушильного агента 1,5-2 м/с до абсолютно сухого состояния.
