| Главная » Химия |
|
Содержание Введение…………………………………………………………..….…..7 1 Литературный обзор…………………………………………..….…..8 1.1 Применение сосновой коры…………………………………….…..8 1.2 Строение, состав и свойства древесной коры……………….….…..9 1.2.1 Анатомическое строение коры хвойных пород дерева………....9 1.2.2 Химический состав коры………………………………………….11 1.3 Классификация теплоизоляционных материалов………………...19 1.4 Основные характеристики теплоизоляционных материалов…..…21 1.4.1 Плотность…………………………………………………………..22 1.4.2 Пористость………………………………………………………..23 1.4.3 Теплопроводность и теплоемкость……………………………..24 1.4.4 Теплоустойчивость………………………………………………..26 1.4.5 Влажность и водопоглощение…………………………………..27 1.4.6 Паропроницаемость, водонепроницаемость, водоустойчивость.28 1.4.7 Химическая и биологическая стойкость……………………….29 1.4.8 Прочность, сжимаемость, упругость, гибкость и уплотнение….31 1.4.9 Линейная температурная усадка, средний диаметр волокна и содержание органических веществ……………………………………………33 1.4.10 Огнестойкость……………………………………………………33 1.4.11 Экологическая и технологическая безопасность теплоизоляционных материалов и конструкций………………………………34 1.5 Теплоизоляционные материалы на органической основе………35 2 Методическая часть……………………………………………….…41 2.1 Установка для получения волокнистой массы паровым взрывом…………………………………………………………………………...41 2.2 Методика проведения взрывного автогидролиза…………………43 2.3 Прессование плитных материалов.................………………………44 2.4 Определение коэффициента теплопроводности…………………44 2.5 Определение плотности…………………………………………….49 2.6 Определение пористости……………………………………………49 2.7 Определение целлюлозы по методу Кюршнера и Хоффера……...50 3 Обсуждение результатов…………………………………………….55 4 Организационно-экономическая часть……………………………..64 4.1 Перспектива развития лесохимической промышленности в Алтайском крае…………………………………………………………………64 4.2 Организация, планирование и контроль НИР…………………..67 4.2.1 Разработка плана работы………………………………………..68 4.2.2 Определение удельного веса каждого этапа в трудоемкости всей темы………………………………………………………………………………70 4.2.3 Определение степени нарастания технической готовности по этапам…………………………………………………………………………….71 4.2.4 Расчет продолжительности выполнения этапов……………….71 4.3 Расчет затрат на НИР………………………………………………73 4.3.1 Затраты на сырье и материалы…………………………………73 4.3.2 Электроэнергия на технологические цели………………………73 4.3.3 Оплата труда исполнителей НИР………………………………..74 4.3.3.1 Расчет численности исполнителей по теме……………………74 4.3.3.2 Расчет фонда оплаты труда……………………………………76 4.3.3.3 Страховые выплаты……………………………………………78 4.3.4 Расчет стоимости приобретаемого оборудования…………….78 4.3.5 Амортизация………………………………………………………78 4.3.6 Общелабораторные расходы…………………………………….79 4.3.7 Накладные расходы………………………………………………79 4.3.8 Смета и структура затрат на НИР……………………………….80 4.4 Эффективность НИР………………………………………………..81 5 Охрана труда…………………………………………………………83 5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов………83 5.2 Микроклиматические условия…………………………………….84 5.3 Производственное освещение……………………………………..85 5.4 Расчет освещения…………………………………………………..85 5.5 Электробезопасность……………………………………………….90 5.6 Пожарная безопасность…………………………………………….90 5.7 Мероприятия по снижению негативного воздействия опасных и вредных производственных факторов…………………………………………92 5.8 Охрана окружающей среды………………………………………..93 Заключение………………………………………………………………94 Список литературы……………………………………………………...95 Приложение А…………………………………………………………...99 Введение Древесина – это один из наиболее важных природных материалов. В результате любой переработки древесины образуются многотоннажные отходы. Поэтому по–прежнему остро стоит вопрос о проблеме утилизации растительных отходов, количество которых увеличивается из года в год. Крупнотоннажные отходы растительного происхождения – щепа, опилки и стружка до сих пор являются неликвидным побочным продуктом. Ограничен круг технологий, позволяющих эффективно и с положительным экономическим эффектом утилизировать древесные отходы. Одним из направлений использования растительных остатков является производство композиционных материалов – древесноволокнистых и древесностружечных плит (ДВП, ДСП), применяемых в строительстве и мебельной промышленности. Существующие в настоящее время технологии производства строительных материалов базируются на использовании в качестве связующего вещества фенолформальдегидных или мочевиноформальдегидных смол. Последние опасны для человека не только при их производстве, но и в композиционных материалах. Кроме того, синтетические связующие очень дороги – их стоимость составляет большую часть стоимости готового изделия. В связи, с чем активно ведутся исследования по разработке новых технологий изготовления плитных материалов. В работах проводимых на нашей кафедре используется альтернативный метод изготовления плитных материалов. В основе метода лежит глубокая физико–механическая модификация под действием острого пара. Было предложено исследовать теплофизические свойства получаемых материалов. На примере коры сосны были получены теплоизоляционные плитные материалы. В используемом методе все составляющие, необходимые для изготовления плитных материалов, получаются в результате гидротермической обработки коры из ее компонентов. 1 Литературный обзор 1.1 Применение сосновой коры В настоящее время сосновая кора применяется мало, в основном это мульчирование почвы, либо просто сжигание как древесных отходов. Рассмотрим применение сосновой коры как мульчи подробнее. Кора сосновых деревьев, уложенная вокруг основания растений, подходит для кустарников и деревьев. Кроме того, сосновая кора хороша и при засухе и при затяжных дождях, так как не пропускает излишнюю влагу в почву и, вместе с тем, препятствует её интенсивному испарению. Мульчирование сосновой корой сокращает время, потраченное на содержание сада, и улучшает его вид. С эстетической точки зрения растения на фоне мульчи выглядят привлекательнее и аккуратнее. Измельчённая кора сосновых деревьев (мульча) давно и успешно применяется в ландшафтном дизайне. Мульчирование сосновой корой – обязательный элемент обустройства посадок хвойников, вересков, рододендронов и азалий. Небольшой участок, засыпанный измельчённой сосновой корой, долго не зарастёт травой и будет выглядеть весьма привлекательно в декоративном отношении. Кора может оставаться на земле 2-3 года. Измельченной корой можно посыпать дорожки, что будет препятствовать попаданию дождевой воды в почву. Мульча из древесной коры предохраняет почву от излишнего испарения, устраняет резкие колебания температуры: летом почва меньше нагревается, а влажные и прохладные условия у корней растений более благоприятны для их роста; зимой почва лучше сохраняет тепло, уменьшается её промерзание. Мульча из коры подавляет рост сорняков, некоторых даже полностью, и препятствует попаданию новых семян в почву. Под мульчирующим слоем не образуется корка. Мульча защищает растения от размыва поверхностным стоком воды и уменьшает разбрызгивание. Укрытие почвы корой сдерживает рост и развитие некоторых вредителей и болезней. 1.2 Строение, состав и свойства древесной коры 1.2.1 Анатомическое строение коры хвойных пород дерева На втором месте по значению среди тканей дерева стоит кора. Она составляет примерно 10 ÷ 20 % ствола, в зависимости от породы дерева и условий роста. Так, для сосны это значение составляет 10 ÷ 17 %. Для дерева в целом наиболее высокая доля коры оказывается в ветвях и вершине, 20 ÷ 35 % [15]. Доля коры в комлевой части и корнях больше, чем в стволе. На границе между собственно древесиной и корой находится камбий. Этот слой живых клеток производит клетки ксилемы и флоэмы соответственно по направлению к внутренней или наружной части ствола. Флоэма, или внутренний слой коры, состоит из проводящих, склеренхимных и паренхимных клеток. Во флоэме деревьев хвойных пород проводящими элементами являются ситовидные клетки — относительно узкие клетки с заостренными концами, расположенные вертикальными рядами. Стенки ситовидных клеток перфорированы. Многочисленные мелкие поры образуют ситовидные поля. Ситовидные клетки — это живые клетки с плазматическим содержимым, но без ядра. Содержимое клеток связано тонкими плазматическими нитями (плазмодесмами), которые проходят через поры ситовидных полей. Ситовидные клетки и трубки проводят продукты ассимиляции из листьев вниз по стволу. К склеренхимным клеткам относятся лубяные волокна и каменистые клетки. Лубяные волокна представляют собой длинные толстостенные клетки с заостренными, перекрывающими друг друга концами. Они располагаются обычно тангенциальными рядами. Каменистые клетки (склереиды) имеют многогранную форму. Они происходят из паренхимных клеток, у которых утолщены и лигнифицированы стенки. Содержание волокон и каменистых клеток варьирует в широких пределах [15]. Кора деревьев хвойных пород бедна волокнами. Наибольшую долю волокон из деревьев хвойных пород обнаружили у дугласовой пихты (Pseudotsuga ttienziesii) — 5 %. Кора деревьев хвойных пород содержит больше склереид(22 ÷ 26 %) [15]. Третью группу составляют паренхимные клетки, которые образуют основную массу ткани флоэмы. Паренхимные клетки располагаются вертикальными полосами или распределяются среди ситовидных клеток. Флоэма также содержит лучи из паренхимных клеток, подобные по строению лучам ксилемы. Лучи флоэмы продолжают лучи ксилемы и выполняют функцию проведения продуктов метаболизма в радиальном направлении. На некотором расстоянии от камбия радиальное расположение лучей нарушается, они принимают в поперечном сечении волнистый вид. В результате увеличения числа клеток лучи могут расширяться и во внешней части флоэмы принимать аркоподобную форму [12]. Кору хвойных древесных пород, пронизывают смоляные каналы, окруженные эпителиальными клетками. Еще одним типом паренхимных клеток являются клетки сопровождающей паренхимы, тесно связанные с ситовидными клетками и ситовидными трубками. Во флоэме заметны сезонные изменения размеров клеток, аналогичные образованию ранней и поздней древесины и связанные со старением, подобно образованию ядровой древесины. В наружной части внутреннего слоя коры проводящая функция у ситовидных клеток и трубок ослабевает; ситовидные пластинки закупориваются отложениями каллозы. Наиболее резкие изменения наблюдаются в самой наружной части флоэмы, где начинается образование новой ткани — наружного слоя коры (корки). Корка в основном представляет мертвую ткань, в клетках которой появляются различные отложения. Ее функция — защита ствола от поражения микроорганизмами и потерь воды [15]. Для корки характерно сплющивание ситовидных клеток и трубок и расширение клеток вертикальной паренхимы. Этот процесс называют облитерацией. Облитерированную флоэму прерывают имеющие неправильную форму слои перидермы, которая содержит вновь образовавшиеся камбиальные клетки. Перидерма состоит из трех слоев: пробкового камбия (феллогена), состоящего из клеток начальной меристемы; феллемы — слоя пробковых клеток, образованных феллогеном с внешней стороны; феллодермы — слоя клеток, образованных феллогеном с внутренней стороны. Пробковые клетки, обычно тонкостенные, содержат несколько слоев суберина, внедренного в клеточные стенки. Их наружные тангенциальные стенки часто утолщены. В зависимости от породы дерева клетки феллодермы, смежные с феллогеном, могут быть тонкостенными, либо развиваться в склереиды. У видов Pinus клетки феллодермы имеют утолщенные лигнифицированные стенки, а по мере старения, т. е. с увеличением расстояния от феллогена, эти клетки становятся все крупнее, а их стенки — тоньше [14]. 1.2.2 Химический состав коры Химический состав коры значительно отличается от состава древесины. В коре больше золы, очень высокое содержание веществ, растворимых в горячей воде, меньше целлюлозы и пентозанов. В коре имеется множество дубильных и красящих веществ и, кроме того, содержится суберин, который практически отсутствует в древесине. Характерной особенностью коры также является высокое содержание полиуроновх кислот, входящих в состав пектиновых веществ, которых в ней значительно больше, чем в древесине [1]. Результаты анализа элементного состава (табл. 2) показывают, что как корка, так и луб нижней части ствола имеют повышенное содержание неорганических элементов и углерода. Массовая же доля кислорода, азота и фосфора выше в средней части ствола, т.е. в более молодых тканях коры, что можно объяснить тем, что эти ткани имеют относительно высокую долю живых клеток, участвующих в процессах метаболизма и продуцирующих кислород-, азот- и фосфорсодержащие органические соединения. В старых же тканях, особенно наружной части коры, происходит накопление ароматических конденсированных структур, что объясняет повышенное содержание углерода и сравнительно невысокое содержание водорода. При этом конденсации, по-видимому, подвергаются флавоноиды. На это, в частности, указывает более низкое содержание водорастворимых веществ и сильно увеличенное содержание щелочерастворимых веществ, содержащих полифенольные компоненты, в корке нижней части ствола (табл. 3). Таблица 2 – Элементный состав и содержание золы в образцах коры нижней (1) и средней (2) частях ствола Обращает на себя внимание, что содержание основного представителя полифенольных соединений в растениях, лигнина, выше в молодой корке. Снижение массовой доли названного полимера в более старых тканях наружной части коры можно объяснить постепенным возрастанием со временем доли отмерших не накапливающих лигнин клеток луба в этой комплексной ткани. Содержание эфирорастворимых веществ в коре снижается по мере увеличения высоты ствола. Такая же тенденция прослеживается для водорастворимых веществ луба, что связано с относительно большим количеством в молодой флоэме проводящих тканей и отсюда пониженным содержанием запасающих клеток, накапливающих липиды и таннины. Изучение фракционного состава эфирорастворимых веществ (табл. 4) показало, что наиболее существенные отличия в количественном содержании фракций липидов по высоте ствола проявляются в лубе. В частности, содержание как нейтральных веществ, так и свободных кислот в нижней части ствола примерно на 30% выше, чем их содержание в более молодой коре. Разделение свободных кислот на группы родственных соединений позволило установить, что основную роль в изменчивости количественного содержания фракций свободных кислот играют высшие жирные кислоты. Отличия в содержании смоляных кислот и фенолов по высоте ствола незначительны. В лубе содержание жирных кислот в нижней части ствола заметно выше, в основном, благодаря более высокой концентрации непредельных кислот (табл. 5). Корка, напротив, накапливает больше свободных кислот в средней части ствола. Причем это связано с активным образованием в наружной части коры таких предельных кислот как докозановая и тетракозановая. Поскольку эти кислоты входят в состав восков как в свободном состоянии, так и в виде сложных эфиров пониженная концентрация докозановой и тетракозановой кислот в свободном состоянии в более старых тканях корки (нижняя часть ствола) объясняется включением их в структуру сложных эфиров, что следует из данных по компонентному составу фракции «связанных» кислот (табл. 6). Результаты анализа кислот, выделенных после омыления фракции нейтральных веществ, показали, что в нижней части ствола в корке преобладают сложные эфиры предельных кислот, тогда как средняя часть ствола имеет невысокое содержание сложных эфиров. относящихся к воскам. Данные по составу фракции неомыляемых веществ, приведенные в таблице 7, показывают, что в состав сложных эфиров корки входят основные структурные элементы восков - высшие жирные спирты. Таблица 4. Фракционный состав эфирорастворимых веществ отдельных частей коры нижней (1) и средней частей (2) ствола, % от массы абсолютно сухого образца коры Массовая доля стеринов, являющихся основными компонентами нейтральных веществ. меняется в разных частях ствола не очень существенно. Отличия в количественном содержании нейтральных веществ в лубе разных по высоте частей ствола проявляются в более высокой массовой доле связанных кислот з нижней части ствола (таблица 4), что позволяет сделать вывод о меньшем содержании в молодых тканях флоэмы жиров (ацилглицеролов). По-видимому, это связано, как уже отмечалось, с более высокой долей в молодой флоэме проводящих, а не запасающих, тканей. Таким образом, выше упомянутое свидетельствует о существенной изменчивости химического состава отдельных частей коры по высоте ствола. Кора нижней части ствола имеет более высокое содержание неорганических элементов и углерода. Распределение отдельных групп органических соединений имеет следующие особенности. Корка и луб нижней части ствола характеризуются повышенным содержанием эфирорастворимых веществ (липидов). что очевидно связано с накоплением в более старых тканях запасающих веществ (ацилглицеролов). Содержание водорастворимых веществ. включающих таннины и углеводы, снижается по высоте ствола в лубе и повышается в корке. Аналогичная картина наблюдается для щелочерастворимых веществ, содержащих гемицеллюлозы и полифлавоноиды. В то же самое время в более молодых тканях коры наблюдается повышенное содержание лигнина, а в корке и целлюлозы. Содержание экстрактивных веществ в коре различных деревьев также сильно отличается. То, что есть в одной породе, может отсутствовать в другой. Это различные спирты, карбоновые кислоты, амиды, лактоны, альдегиды, кетоны, фенолы, лигнаны, хиноны, антрахиноны, производные α- и γ - пироны. Воски и жиры: терпены, смолянистые кислоты, фитосцеины и кардиотонические гликозиды, красящие вещества, флафонойдные соединения, антроцианиты и лейкоантроцианиты, флаванол, белки, алкалойды, витамины, и др [5]. После удаления экстрактивных веществ остаток коры обычно составляет 60 ÷ 80 % [5]. Этот остаток можно подразделить на три части: комплекс оксикислот (суберин); лигнин и фенольные кислоты; углеводы. Суберин – составная часть клеточных стенок пробки. Считают, что он находится в стенках пробковых клеток в виде полиэстолита (полимера оксикислот), который можно растворить омылением, например спиртовой щелочью. Вещество пробки, теряя свою эластичность, превращается в бурую массу, причем суберин представляет собой совершенно свободное вещество. В коре сосны наибольшую часть занимает лигнин. Содержание его может достигать 80 %, в зависимости от места произростания и климатических факторов. По химическим свойствам лигнин древесины и лигнин коры существенно отличаются друг от друга. Лигнин коры не удается перевести полностью в раствор теми же методами, какими переводится лигнин древесины. Выделенный из коры лигнин значительно более гетерогенен по составу, чем лигнин древесины [1]. Лигнин коры устойчив к щелочи. Часть лигнина коры, устойчивого к щелочи, можно перевести в раствор диоксана в соляной кислоте. Курт и Смит нашли, что диоксанлигнин выделается значительно легче из лубяного волокна наружного слоя коры, чем из лубяного волокно внутреннего слоя коры. Это показывает, что при переходе лубяного волокна внутреннего слоя коры в лубяное волокно наружного слоя связи между лигнином углеводными компонентами ослабевают, возможно, под влиянием пробкового камбия или окисления воздухом [14]. Щелочерастворимую часть лигнина можно извлечь едким натром прямо из коры (после освобождения ее от экстрактивных веществ). Эта часть соответствует фенольным кислотам коры, легкая растворимость которых в щелочи обусловлена довольно высоким содержанием карбоксилов. Фенольные кислоты отличаются от лигнина, кроме того, более низким содержанием метоксилов и в противоположность лигнину древесины не дают цветной реакции с солянокислым флороглюцином [14]. Одна из трудностей, с которыми встречаются при выделении и изучении лигнина коры, заключается в том, что при обычном определении содержания лигнина с 72 процентной серной кислотой в остаток лигнина попадает примесь других веществ. Эти вещества представляют собой высокомолекулярные фенольные кислоты, содержание которых в коре довольно значительное. Нерастворимая в 72 процентной серной кислоте часть коры (освобожденной от экстрактивных веществ) обычно составляет довольно больший процент, чем соответствующая часть в древесине. Содержание же метоксилов в нерастворимом в кислоте остатке в случае коры, наоборот значительно ниже: 4 ÷ 9 % для коры хвойных деревьев и 7 ÷ 15 % для коры лиственных [15]. Фенольные кислоты находятся не в живой коре, а в мертвых пробковых и паренхимных клетках. Эти кислоты, по-видимому, защищают ткани коры от бактерий. Содержание функциональных групп в фенольных кислотах значительно изменяется в зависимости от вида коры. Чанг и Митчел, исследовав продукты гидролиза коры девяти хвойных и пятнадцати лиственных пород установили, что основную часть продуктов гидролиза углеводов (50 ÷ 70 %) составляет глюкоза. Эти результаты соответствуют распределению сахаров в древесине. Однако кора лиственных деревьев отличается от древесины присутствием в продуктах гидролиза значительных количеств арабинозы. У хвойных деревьев гидролизаты коры часто содержат столько же арабинозы, сколько и ксилозы, а иногда и больше [2]. По сравнению с древесиной содержание целлюлозы в коре низкое, обычно 20 ÷ 30 % и не превышает 35 ÷ 40 % [15]. Особенно богаты целлюлозой лубяные волокна коры. Содержание же целлюлозы в клетках пробки, наоборот, очень низкое [15]. 1.3 Классификация теплоизоляционных материалов Теплозоляционные материалы в зависимости от назначения подразделяют на изоляционно-строительные, которые применяют для утепления строительных ограждений, и изоляционно-монтажные — для утепления трубопроводов и промышленного оборудования. Деление это условно, так как некоторые материалы используют как для изоляции строительных конструкций, так для изоляции промышленных объектов [7]. Теплоизоляционные материалы классифицируют по следующим признакам [9]: 1) Форме и внешнему виду: • штучные (плиты, блоки, кирпичи, цилиндры, полуцилиндры, сегменты); • рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты); • рыхлые и сыпучие (вата, перлитовый песок и др.). 2) Структуре: • волокнистые (минераловатные, стекловолокнистые и др.); • зернистые (перлитовые, вермикулитовые); • ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло, пенопласты, совелитовые и др.). 3) Виду исходного сырья: • неорганические; • органические; • композиционные. 4) Плотности: • на группы и марки, указанные в таблице 1; материалы, которые имеют промежуточные значения плотности, не совпадающие с указанными выше, относятся к ближайшей большей марке. 5) Жесткости: • мягкие (М) — сжимаемость свыше 30 % при удельной нагрузке 0,002 МПа (минеральная и стеклянная вата, вата из каолинового и базальтового волокна, вата из супертонкого стекловолокна, маты и плиты из штапельного стекловолокна); • полужесткие (П) — сжимаемость от 6 до 30 % при удельной нагрузке 0,002 МПа (плиты минераловатные и из штапельного стекловолокна на синтетическом связующем); • жесткие (Ж) — сжимаемость до 6 % при удельной нагрузке 0,002 МПа (плиты из минеральной ваты на синтетическом или битумном связующем); • повышенной жесткости (ПЖ) — сжимаемость до 10 % при удельной нагрузке 0,04 МПа (плиты минераловатные повышенной жесткости на синтетическом связующем); • твердые (Т) — сжимаемость до 10 % при удельной нагрузке 0,1 МПа. 6) Теплопроводности: • класс А — низкой теплопроводности — теплопроводность при средней температуре 298 К (25 °С) до 0,06 Вт/(м·К); • класс Б — средней теплопроводности — теплопроводность при средней температуре 298 К от 0,06 до 0,115 Вт/(м·К); • класс В — повышенной теплопроводности — теплопроводность от 0,115 до 0,175 Вт/(м·К); 7) Горючести (СНиП 21-01-97): • негорючие (Н Г); • слабогорючие (Г1); • умеренногорючие (Г2); • нормальногорючие(ГЗ); • сильногорючие (Г4). Таблица 1 – Классификация изоляционных материалов по плотности Обозначение группы Группа Марка Материалы ОНП Особо низкой плотности 15; 25; 35; 50; 75 Минеральная вата марки 75 и менее; каолиновое волокно; пенопоропласты; ультра- и супертонкое стекловолокно; базальтовое волокно; вспученный перлит; плиты минера-ловатные, стекловолокнистые и др. НП Низкой плотности 100; 125; 150; 175 Минеральная вата марки более 75; стеклянная вата из непрерывного стекловолокна; плиты минераловатные на синтетическом связующем; прошивные минераловатные маты и др. СП Средней плотности 200; 225; 250; 300; 350 Изделия совелитовые. вулканиговые, известково-кремнеземистые. перлитоцемент-ные; плиты минераловатные на битумном связующем; шнуры минераловатные и др. ПЛ Плотные 400; 450; 500; 600 Изделия пенодиатомитовые, диатомитовые, из ячеистого бетона; битумолерлит монолитный и др. 1.4 Основные характеристики теплоизоляционных материалов Для того чтобы успешно решить задачу, поставленную при создании и возведении теплоизоляционной конструкции необходимо чтобы выбранные теплоизоляционные материалы отвечали определенным требованиям. Среди наиболее значимых требований — низкая и постоянная в течение всего времени эксплуатации теплопроводность, способность не разрушаться под воздействием атмосферных явлений и температуры изолируемого объекта, не вызывать коррозии и разрушения изолированного объекта, не препятствовать температурным деформациям изолированного объекта. Срок службы изоляции, как правило, не должен быть ниже срока службы изолированного объекта [3]. Суждение по этим и другим свойствам теплоизоляционных материалов можно вынести после рассмотрения совокупности свойств, определенных общепринятыми методами [3]. 1.4.1 Плотность Плотность — величина, равная отношению массы вещества к занимаемому им объему (без учета пор и пустот). Плотность определяют (г/см3, кг/м3, т/м3) по формуле: ρ = m/V, где m - масса материала, кг (г, т); V— объем, занимаемый этим материалом, м3 (см3). Средняя плотность — величина, определяемая отношением массы m тела или вещества ко всему занимаемому объему V включая имеющиеся поры и пустоты. Среднюю плотность ρ (г/см3 , кг/м3 ) для штучных изделий, рулонных и шнуровых материалов, изделий и материалов с плоской поверхностью в состоянии естественной влажности вычисляют по формуле (ГОСТ 17177-94): ρ = m/[V(1+0,01 W)], где W — массовая влажность изделия или материала, %. Знание плотностной характеристики теплоизоляционного материала дает массу информации о его теплоизоляционных и прочностных свойствах. Чем меньше средняя плотность материала, тем меньше его теплопроводность. Однако, чем меньше этот показатель, тем хуже его монтажная прочность и часто больше водопоглощение, а следовательно, такая конструкция может быть менее долговечна [3]. Для различных теплоизоляционных материалов в условиях работы в конкретной конструкции имеется свой оптимум по средней плотности. Для определения средней плотности необходимо знать массу материала в состоянии естественной влажности, его объем и влажность. Массу материала находят взвешиванием, а влажность — высушиванием образца при температуре (105 ± 5)˚С. Плотность сыпучих зернистых материалов (вспученных перлитов, вермикулита, совелита- порошка и др.) определяют отношением массы материала, засыпанного в мерный сосуд к объему этого сосуда [3]. Плотность материалов для мастичной изоляции (совелита ньювеля асбестодиатомовых порошков и др.) определяют на отформованных и высушенных образцах-балочках [3]. 1.4.2 Пористость Пористость — степень заполнения объема материала порами. Истинной, или обшей, пористостью изделия Пи (%) называют отношение объема пор Vпор к полному объему изделия: Пи = (Vпор/V)·100. Во всех случаях Пи = Поткр + Пзакр. Чем меньше средняя плотность материала, тем больше его пористость. Известно, что чем меньше средняя плотность материала, тем лучше его теплоизоляционные свойства при средней температуре (20 ÷ 25°С) [7] слоя. Это определяется высокой пористостью материалов, т. е. наличием большого количества воздуха в порах, у которого очень низкая теплопроводность (0,027 Вт/(м·К) при температуре 20°С в спокойном состоянии) [3]. Теплоизоляционные свойства материалов зависят не только от числового значения пористости, но и от вида материала, структуры пор, их размеров и формы, степени равномерности расположения пор в материале, а также от того, являются ли поры закрытыми или сообщаются одна с другой и с окружающим воздухом (открытая пористость). Наилучшими теплоизоляционными свойствами обладают материалы с равномерно расположенными мелкими порами. От пористости зависят основные свойства материалов: теплопроводность, водопоглошение, морозостойкость, прочность [7]. 1.4.3 Теплопроводность и теплоемкость Теплопроводность — способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы). Теплопроводность характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей в течение 1 ч через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2, при разности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях в 1 К. Теплопроводность обозначают буквой λ (лямбда) и выражают в Вт/(м·К). К теплоизоляционным относят материалы с теплопроводностью не более 0,175 Вт/(м·К) при средней температуре слоя 298 К и влажностью, нормированной ГОСТами или ТУ [8]. Теплопроводность зависит от средней плотности материала (с увеличением средней плотности теплопроводность возрастает), его структуры, пористости, влажности и средней температуры слоя материала Чем выше пористость (меньше средняя плотность) материала, тем ниже теплопроводность. С увеличением влажности материала теплопроводность резко возрастает, при этом понижаются его теплоизоляционные свойства. Поэтому все теплоизоляционные материалы хранят в помещении или под навесом, а в теплоизоляционной конструкции защищают от попадания влаги покровным слоем. Зависимость теплопроводности λ от средней температуры теплоизоляционного слоя можно выразить в виде линейной функции: λ = λ0 + b·tср, где λ0 — теплопроводность при 273 К, Вт/(м·К); b — постоянная для данного материала величина, показывающая изменение теплопроводности при увеличении температуры на 1 К (принимается по справочным данным); tср = (tl - t2)/2 — средняя температура теплоизоляционного слоя, К. tl, t2 — температура соответственно наружной и внутренней поверхностей теплоизоляционного слоя, К [3]. Из формулы видно, что с увеличением средней температуры теплоизоляционного слоя и постоянной b теплопроводность материала возрастает. Чем меньше плотность теплоизоляционного материала, тем больше значение b. Теплоемкость — способность материала при нагревании поглощать теплоту. Теплоемкость определяется отношением количества теплоты, сообщаемой телу, к соответствующему изменению температуры: С= Q/T, где С — теплоемкость тела, Дж/К; Q — количество теплоты, сообщаемое телу, Дж; Т — изменение температуры при нагревании тела, К. Удельной теплоемкостью называется отношение теплоемкости к массе тела: с = С/m, где с — удельная теплоемкость тела, Дж/(кг·К); m — масса тела, кг. 1.4.4 Теплоустойчивость Теплоустойчивость — способность материалов сохранять свои основные свойства при воздействии положительных (температуростойкость, температуроустойчивость, теплостойкость) или отрицательных (хрупкость, морозостойкость) температур. Температуростойкость (предельная положительная температура применения) — способность материала сохранять свои свойства (структуру, прочность, теплопроводность и т. д.) при повышенной температуре. Температуростойкость различных теплоизоляционных материалов различна. Так, для пенопластов температуростойкость составляет 60 ÷ 150 ˚С, а для диатомитовых изделий — 900 ˚С [3]. Температуроустойчивость гидроизоляционных рулонных материалов (ГОСТ 2678-94) характеризуется максимальной температурой, при которой отсутствует смещение покровного слоя или вздутие. Материалы, применяемые для гидроизоляционных конструкций, должны не терять свои свойства (размягчаться, расслаиваться) при повышенных температурах или не быть хрупкими при отрицательных температурах. Так, температуроустойчивость должна быть не ниже 40 ˚С (для гидроизоляционных конструкций), а для надземных конструкций и кровли — не ниже 60 ÷ 70 ˚С [8]. Теплостойкость — способность теплоизоляционных материалов выдерживать без изменения структуры и разрушения периодические колебания температуры. Теплостойкость измеряется числом теплосмен, т. е. числом резких изменений воздействующей на материал температуры, которая, как правило, бывает ниже температуры применения. Например, предельная температура применения минеральной ваты 700 ˚С, теплостойкость же ее значительно ниже и в зависимости от числа теплосмен может понижаться до 200 ˚С [3]. При резком колебании температур материал разрушается за счет возникающих в нем вследствие быстрого нагревания и охлаждения внутренних напряжений и, следовательно, неравномерного нагревания материала по всей его массе. Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме, и образующийся лед давит на стенки пор материала. При этом в материале возникают большие внутренние напряжения, которые постепенно разрушают его. По морозостойкости материалы подразделяют на следующие марки: Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более [7]. Гидроизоляционные материалы проверяют также на атмосфсроустойчивость. Атмосфероустойчивость материалов — способность гидроизоляционных материалов выдерживать колебания температуры окружающей среды от минусовой до плюсовой и наоборот. Эту величину измеряют коэффициентом атмосфсроустойчивости Ка, соответствующим 500 циклам колебаний температуры. Этот коэффициент не должен быть менее 0,9 для надземных и 0,7 ÷ 0,5 для подземных и гидротехнических сооружений. 1.4.5 Влажность и водопоглощение Тепло- и гидроизоляционные материаты не бывают абсолютно сухими, так как впитывают влагу из окружающего воздуха (сорбционная влажность) или при непосредственном соприкосновении с ней (за счет водопоглощения). С увлажнением теплоизоляционных материалов резко возрастает их теплопроводность, а следовательно, ухудшаются теплозащитные свойства этих материалов и конструкций [3]. Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу при непосредственном соприкосновении с водой (например, при погружении). Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое поглощает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе сухого материала [3]. 1.4.6 Паропроницаемость, водонепроницаемость, водоустойчивость Паропроницаемость — способность материалов пропускать водяные пары, содержащиеся в воздухе, под действием разности их парциальных давлений на противоположных поверхностях слоя материала [3]. Парциальное давление — часть общего давления составляющих парогазовой смеси. Парциальное давление водяного пара равно давлению, которое он оказывал бы, занимая весь объем смеси и находясь при температуре смеси. Парциальное давление водяных паров с повышением температуры возрастает. Таким образом, водяные пары стремятся попасть в область меньшего давления, т. е. на сторону слоя материала с меньшей температурой. Этим объясняется увлажнение изоляции, применяемой для поверхностей с отрицательными температурами. Влага, проникая в слой изоляции с теплой стороны, увлажняет изоляцию, а при температуре ниже нуля замерзает. Это вызывает ухудшение свойств изоляции и ее разрушение. Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который определяется количеством водяных паров в мг, проходящих через слой материала площадью 1 м2, толщиной 1 м в течение 1 ч при разности давлений водяного пара на противоположных поверхностях слоя 133,3 Па (1 мм рт. ст.). Размерность этого коэффициента — мг/(Па·м·ч) [7]. Как было сказано выше, при устройстве теплоизоляционной конструкции важно защитить теплоизоляционный материал от увлажнения. В этой связи важно знать такие свойства покрытия тепловой изоляции, как водонепроницаемость и водоустойчивость. Ряд теплоизоляционных материалов также обладают этими качествами [3]. Водонепроницаемость — способность покрытий тепловой изоляции либо самого теплоизоляционного материала не пропускать воду под воздействием гидростатическою давления. Водонепроницаемость (ГОСТ 2678-94) характеризуется временем, в течение которого образец не пропускает воду при постоянном гидростатическом давлении, или гидростатическим давлением, выдерживаемым образцом в течение определенного промежутка времени. Гидростатическое давление (в м или мм) указывается в нормативно-техническом документе на испытуемый материал или конструкцию [8]. Водоустойчивость — важнейшее свойство покрытий тепловой изоляции не терять свои свойства в результате поглощения воды. Так, при воздействии воды некоторые мастичные материалы набухают и разрушаются, листовые материалы — отслаиваются либо расслаиваются. Водоустойчивость (набухание), измеряемая в процентах по объему, не должна превышать для гидротехнических сооружений 0,5 %, для кровли — 1,5% [3]. 1.4.7 Химическая и биологическая стойкость Теплоизоляционные и покровные материалы могут разрушаться под воздействием химических и биологических факторов. Химическая стойкость — способность материалов противостоять разрушающему действию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов, бензинов, масел и др. Многие теплоизоляционные материалы не обладают этим свойством. Например, пенополистирол стоек к воде, большинству кислот, щелочей и спирту, но растворим в бензине, бензоле, минеральных маслах и эфире. Химическую стойкость теплоизоляционных материалов в конструкции можно увеличить, установив защитное покрытие из штукатурки, пленки, различных листовых материалов, труб и т. д. Покровные материалы должны быть кислотостойки при рН не ниже 2,0 для надземных сооружений и 5,5 ÷ 6,0 — для гидротехнических и кровли, щелочестойки при рН не более 12 в зависимости от назначения материала. Сульфатостойкость и магнезиальная стойкость определяются допускаемым количеством солей (мг), растворенных в литре воды, которое не должно превышать определенных величин, устанавливаемых для материалов в зависимости от вида изолируемого сооружения [3]. Биологическая стойкость — свойство материалов и изделий долговременно сопротивляться разрушающему действию грибков и бактерий. Органические теплоизоляционные материалы или неорганические на органических связках под действием температурно-влажностных факторов могут разрушаться вследствие развития в них микроорганизмов, вызывающих гниение и разрушение в процессе эксплуатации. Так, в Средней Азии материалы, содержащие битум, разрушаются под действием микроорганизмов, которые для своего развития поглощают органические составляющие битума [7]. Торфяные теплоизоляционные плиты при повышенных температуре и влажности разрушаются под действием грибков, а минераловатные плиты на крахмальной связке в условиях увлажнения покрываются грибковой плесенью. Чтобы повысить биологическую стойкость материалов, в них вводят специальные химические вещества — антисептики. В процессе транспортирования, хранения, монтажа материалы должны быть защищены от увлажнения [7]. 1.4.8 Прочность, сжимаемость, упругость, гибкость и уплотнение К механическим свойствам жестких теплоизоляционных материалов относят прочность (на изгиб, сжатие, растяжение, трещиноустойчивость), а к свойствам мягких и рыхлых волокнистых теплоизоляционных материалов — сжимаемость под воздействием нагрузок, упругость и гибкость [3]. Прочность — способность материалов сопротивляться разрушению при действии внешних сил, вызывающих деформации и внутренние напряжения в материале [3]. Прочность характеризуется пределом прочности, т. е. наибольшим напряжением в материале, при котором происходит его разрушение. Прочность теплоизоляционных материалов зависит от структуры, прочности его твердой составляющей (остова) и пористости. Жесткий материал с мелкими порами более прочен, чем материал с крупными неравномерными порами. Для волокнистых мягких (минераловатные и стскловолокнистые изделия) или волокнистых рыхлых (минеральная или стеклянная вата, асбест) материалов прочность не определяют, так как они не способны воспринимать механические нагрузки без уплотнения. Конструкции из таких материалов должны содержать специальные устройства (разгружающие, опорные), предохраняющие их от уплотнения в процессе эксплуатации. Такие материалы вместо прочностных показателей характеризуются сжимаемостью и упругостью [3]. Сжимаемость (остаточная деформация сжатия) — способность материала под действием внешней нагрузки изменять свой объем и после прекращения действия нагрузки восстанавливать его. Упругость — свойство материала не полностью восстанавливать Гибкость — способность материала сохранять целостность при его изгибании по цилиндрической поверхности. Уплотнение волокнистых материалов, происходящее при их хранении, транспортировании, монтаже и эксплуатации, вызывает уменьшение их первоначального объема и, следовательно, увеличение их средней плотности, так как одно и то же количество материала после уплотнения содержится в меньшем объеме. Уплотнение материалов характеризуется коэффициентом уплотнения Ку, который равен отношению объема материала до уплотнения V1 к объему материала после его уплотнения V2 или соответственно отношению средней плотности материала после уплотнения ρm1 к средней плотности до уплотнения ρm2 [3]: Ку = V1/V2 = ρm1/ρm2 Учитывая, что с увеличением средней плотности повышается теплопроводность материала, а следовательно, ухудшаются его теплозащитные свойства, уплотняющиеся материалы следует хранить и транспортировать в условиях, предохраняющих их от уплотнения. Материалы уплотняются также при монтаже. Например, если прямоугольные изделия из волокнистых материалов в виде плит или матов укладывают на трубопроводы или криволинейные поверхности, то их объем уменьшается; соответственно, увеличивается средняя плотность за счет изменения геометрической формы материала при укладке в конструкцию (объем полого цилиндра меньше объема параллелепипеда, из которого он получен). Кроме того, волокнистые материалы уплотняют специально для уменьшения их теплопроводности при применении для изоляции объектов с высокой температурой. Трещиноустойчивость гидроизоляционного покрытия характеризуется допускаемым размером трещин, который не должен превышать для монолитных конструкций в зависимости от вида сооружений 1 ÷ 5 мм (подземные и надземные соответственно). 1.4.9 Линейная температурная усадка, средний диаметр волокна и содержание органических веществ Линейной температурной усадкой называют уменьшение в размерах некоторых теплоизоляционных материалов при нагревании в процессе эксплуатации (например, известково-кремнеземистые, перлитоцементные и другие материалы). Усадка материала, которая может достигать нескольких процентов, нормируется ГОСТами или ТУ [8]. Для минеральной и стеклянной ваты дополнительно определяют средний диаметр волокон и содержание органических веществ (для изделий на связующих) [3]. 1.4.10 Огнестойкость Огнестойкость — способность материалов выдерживать без разрушения воздействие высоких температур (огня) [7]. Теплоизоляционные материалы по горючести (способности вещества или материала к горению) подразделяют на группы (ГОСТ 30244—94): негорючие (несгораемые) — материалы, неспособные к горению в воздухе; Горючие материалы могут быть легко- и трудновоспламеняющимися [3]. 1.4.11 Экологическая и технологическая безопасность теплоизоляционных материалов и конструкций В зависимости от состава веществ, из которых выполнены теплоизоляционные материалы, они в определенных условиях могут воздействовать на изолируемые поверхности, окружающую среду, организм человека или животного. В большей степени это относится к органическим утеплителям. В ряде случаев учитывают вредность веществ, которые могут выделяться при пожаре либо увлажнении [6]. Теплоизоляционные материалы при увлажнении или высокой температуре могут вызвать коррозию (разрушение) изолируемой металлической поверхности. Коррозия также может возникнуть при применении увлажненной минеральной ваты, полученной из шлаков с высоким содержанием серы, за счет выделения из нее сернистого ангидрида, который при соединении с водой дает слабый раствор серной кислоты. Такую минеральную вату или изделия из нее нельзя применять для конструкций, подвергающихся увлажнению [6]. Теплоизоляционные материалы, содержащие фенол, могут воздействовать на окружающую среду путем выделения запахов при эксплуатации. Материалы, выделяющие запах, не применяют в жилых помещениях, пищевых холодильниках и т. д. При нанесении изоляции, выделяющей вредные вещества, работу выполняют в респираторах или специальных масках. Минераловатные и стекловолокнистые материалы пылят при изготовлении и монтаже. Для снижения пыления материалов к ним в процессе изготовления добавляют специальные присадки: минеральное масло или эмульсол (при изготовлении минеральной ваты и изделий из нее), парафиновую эмульсию (при изготовлении стеклянного волокна или изделий из него) [3]. Гигиенические характеристики вредных веществ в воздухе рабочей зоны (допускаемая предельная концентрация в воздухе — ПДК) при производстве теплоизоляционных работ приведены в ГОСТ 12.3.038-85. 1.5 Теплоизоляционные материалы на органической основе Большинство органических теплоизоляционных материалов изготовляют в виде плит, обычно крупноразмерных, что упрощает и ускоряет производство работ и способствует удешевлению строительства [13]. Основным сырьем для их изготовления служит древесина, главным образом в виде отходов (опилки, стружка, горбыль, рейка), и другое растительное сырье волокнистого строения (камыш, солома, малоразложившийся верховой торф, костра льна и конопли) [16]. Большое количество теплоизоляционных изделий изготовляют на основе различных полимеров и синтетических смол. Древесина сама по себе представляет пористый материал (пористость 60 ÷ 70%) [17]. Кроме того, древесная стружка и древесные волокна расположены в некоторых теплоизоляционных изделиях (фибролитовых, древесностружечных плитах и т. п.) так, что тепловой поток в конструкции оказывается направленным не вдоль, а поперек волокон, а это создает дополнительное сопротивление прохождению теплоты. Вместе с тем стружка и волокна древесины или другого растительного сырья создают своеобразный арматурный каркас в теплоизоляционных изделиях. Наконец, использование древесных и других растительных отходов для массового производства теплоизоляционных материалов является экономически выгодным и способствует решению экологической проблемы, т. е. позволяет уменьшить возможное загрязнение окружающей среды. Древесноволокнистые плиты изготовляют из неделовой древесины, отходов лесопильной и деревообрабатывающей промышленности, бумажной макулатуры [10], а также стеблей соломы, кукурузы, хлопчатника и некоторых других растений [16]. С целью увеличения прочности и долговечности древесноволокнистых изделий при их изготовлении применяют специальные добавки: водные эмульсии синтетических смол, эмульсии из парафина, канифоли, битума, антисептики и антипирены, а также асбест, глинозем, гипс и др [13]. Растительное сырье измельчают в различных агрегатах в присутствии большого количества воды, облегчающей разделение древесины на отдельные волокна, и смешивают со специальными добавками. Далее жидкотекучую волокнистую массу передают на отливочную машину, состоящую из бесконечной металлической сетки и вакуумной установки. Здесь масса обезвоживается, уплотняется и разрезается на отдельные плиты заданного размера, которые затем подпрессовывают и сушат. Плотность древесноволокнистых изоляционных и изоляционно-отделочных плит 150 ÷ 350 кг/м3, теплопроводность 0,046 ÷ 0,093 Вт/( м·К), прочность при изгибе не менее 0,4 ÷ 2,0 МПа [18]. Достоинством плит являются их большие размеры [(длина до 3 м, ширина до 1,6 м), так как это способствует индустриализации строительно-монтажных работ и уменьшению затрат труда. Изоляционные плиты используют для тепло- и звукоизоляции стен, потолков, полов, перегородок и междуэтажных перекрытий, утепления кровель, акустической отделки специальных помещений (радиостудий, машинописных бюро, концертных залов и т. п.). Скачать архив (500.4 Kb) Схожие материалы: |
| Всего комментариев: 0 | |