Разработка нового композиционного теплоизоляционного материала с использованием гидролизного лигнина
На нескольких европейских заводах так называемым сухим способом производятся теплоизоляционные древесно-волокнистые плиты плотностью от 80 до 200 кг/м3. Актуальность их производства побудила нас попытаться создать легкий строительный материал с использованием гидролизного лигнина (ГЛ), накопленного в отвалах и не находящего широкого использования.
Материал может быть использован в виде экологически доброкачественных теплоизоляционных плит для среднего слоя «сэндвич»-панелей при сооружении объектов малоэтажного домостроения.
Он разработан на основе карбамидоформальдегидной смолы (КФС), ГЛ и вспомогательных химических веществ (ВХВ), при этом для обеспечения пожарной безопасности сооружений в состав материала вводится эффективный антипирен - амидофосфат КМ.
Каждый компонент созданного материала выполняет определенные функции. КФС играет роль связующего, вспенивающегося троекратно в миксере, снабженном рамной мешалкой. ГЛ является наполнителем, обеспечивающим формостабильность вспененной композиции. КМ обеспечивает заданные пожаробезопасные характеристики, регулирует технологическую вязкость композиции и снижает эмиссию формальдегида из готового продукта до нормы, установленной санитарно-гигиеническими требованиями.
Методика изготовления
Лигнин (ТУ 64.11.05-87) подвергали сушке до влажности 15%; фракционировали с размером частиц до 2,5 мм; обрабатывали 50%-ным водным раствором амидофосфата КМ (ТУ 2499-001-05091160-2012) с активацией поверхности ГЛ. Затем сушили при температуре 150оС в течение 60 мин. Использовали 67%-ную товарную смолу марки КФ-Б (ГОСТ 14231-88), которую разбавляли водой до концентрации 50% с введением в нее в качестве ПАВ пенообразователя марки ПО-3А (ТУ 2412-002-49888190-2013) в концентрации 3%. В готовую для использования композицию в качестве отвердителя добавляли фосфорную кислоту (ГОСТ 6552-80) 85%-ной концентрации. Компоненты загружали в миксер с переменной частотой вращения от 2 до 30 с-1. Вспененную композицию подавали в формы, соответствующие в плане габаритам готового изделия и толщиной от 10 до 50 мм (определяется требованиями изоляционных характеристик, предъявляемыми к «сэндвич»-панелям). В течение трех суток материал кондиционировали при выдержке в комнатных условиях.
Технологические исследования
Рис. 3. Фрагмент «сэндвич»-панели:
1 – теплоизоляционный материал;
2 – древесно-волокнистая плита
Материал получен методом механического вспенивания и создания условий для стабилизации этой пены. Для вспенивания необходима определенная вязкость, а стабилизация определяется фиксированием структуры частицами ГЛ и отверждением связующего. Вязкость композиции характеризуется реологическими свойствами, которые определялись с помощью ротационного вискозиметра. Соотношение компонентов позволяет выбрать необходимую для вспенивания вязкость и минимизировать затраты на перемешивание. На рис. 1 представлены соответствующие реологические кривые.
Прямолинейный характер кривых поведения образцов 1 и 2 свидетельствует о ньютоновском течении. Падение вязкости образца 2 обусловлено разбавлением смолы водой и наличием ПАВ. Вспенивание создает несколько более устойчивую структуру, приводящую к росту вязкости (кривая 3). Введение в композицию лигнина (кривая 4) приводит к резкому снижению текучести, которое объясняется повышением концентрации твердых частиц в композиции и соответствующим увеличением числа контактов между частицами. В результате этого возрастает и прочность структуры. Для образца 6 характерно уменьшение напряжения сдвига, которое обусловлено разбавлением композиции фосфорной кислотой.
Оптимизация по критериям прочности и формостабильности позволила разработать рабочую рецептуру композиции.
Физико-механические исследования
На основании проведенных исследований разработана следующая рецептура композиции (масс. %): 67%-ная КФС - 59,7; ГЛ 15%-ной влажности - 12,3; КМ 50%-ный водный раствор - 7,2; ПО-3А 3%-ный - 3,4; 85%-ная фосфорная кислота - 2,7; вода - 14,7.
Технические показатели получаемого по рецептуре композиционного материала:
Кажущаяся плотность - 200 кг/м3
Прочность на сжатие - 1,0 МПа
Прочность на изгиб - 0,9 МПа
Усадка - не более 3,0%
Коэффициент теплопроводности - 0,06 Вт/(м К)
Водопоглощение за 24 ч - не более 40,0%
Адсорбционная способность за 24 ч - не более 5,0%
Набухание за 24 ч - не более 5,0%
Морозостойкость (50 циклов) - потери прочности нет.
Термические исследования
и дополнительно обработанного амидофосфатом КМ
Эксплуатационные свойства теплоизоляционного композиционного материала изучали при низкотемпературном нагревании и воздействии открытого огня. При нагревании изменяется химический состав лигнина. В таблице приведен элементный состав исходного гидролизного лигнина и дополнительно обработанного амидофосфатом КМ.
Именно лигнин вносит основной вклад в пожарную опасность материала.
Содержание водорода в образцах постепенно уменьшается, что указывает на активную дегидратацию, а также на удаление органических продуктов. Доля углерода при этом возрастает. Доли фосфора и азота как «рабочих» элементов антипирена при пиролизе образца изменяются мало, что позволяет говорить о сохранении продуктов превращения антипирена КМ во время пиролиза лигнина и проявлении огнезащитного действия, главным образом в конденсированной фазе.
Действие открытого огня изучали методом «керамическая труба» (ГОСТ 12.1.044-89). Установили, что показатель горючести равен 0,5, на основании чего материал относится к группе трудногорючих. При испытании по ГОСТ 12.1.044-89 коэффициент дымообразования составляет 127 м2/кг, поэтому материал входит в группу Д2. По показателю токсичности продуктов горения (ГОСТ 12.1.044-89) материал относится к классу T3 при HCL50 = 26 г/м3.
При изготовлении «сэндвич»-панелей в качестве облицовки использовали тонкие ДВП, а в качестве адгезива - клей холодного отверждения. Поверхность получаемой плиты хорошо смачивается любыми полярными растворителями, в том числе связующими на водной основе. В частности, использовали клей ПВА, который наносили намазкой с расчетным расходом 100 г/м2.
Выводы
Представленный метод демонстрирует возможность использования гидролизного лигнина в качестве компонента теплоизоляционного композиционного материала пониженной горючести. Такой материал может с успехом применяться для изготовления «сэндвич»-панелей с облицовкой, например, тонкими ДВП.
Сергей ЗАХАРОВ, Адольф ЛЕОНОВИЧ, СПбГЛТУ им. С. М. Кирова
ОБ АВТОРАХ:
Леонович Адольф Ануфриевич, заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой технологии древесных композиционных материалов и инженерной химии Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета.
Захаров Сергей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент кафедры технологии древесных композиционных материалов и инженерной химии Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета.
