Малоэнергоемкое связующее для изделий на основе каменной ваты

Жуков А.Д., Артеменко С.О., Жук П.М., Боброва Е.Ю., Медведев А.А. Малоэнергоемкое связующее для изделий на основе каменной ваты. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(4):377–388. – EDN: BORGVT.

Современной тенденцией развития строительной отрасли является ориентация на энергоэффективность и на создание комфортных или технологически приемлемых условий в изолируемых помещениях. Энергоэффективность предполагает оправданное снижение потерь тепла при производстве материалов и их эксплуатации, а создание комфортных усло- вий – формирование оптимального температурновлажностного микроклимата в помещениях и, кроме того, акустического и санитарного комфорта.

Ориентация на энергоэффективность является следствием тенденций, связанных с общими и частными проблемами эксплуатации зданий, использования ресурсов и энергетического сотрудничества или энергетической зависимости. L. Pérez-Lombard, J. Ortiz и C. Pout в обзоре потребления энергии зда-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ниями показали, что в экономически развитых странах на защиту от холода или кондиционирование может расходоваться от 20 до 30 % энергии [1]. Причем рост численности населения, увеличение спроса на строительные услуги и стремление к повышению уровня комфорта, а также увеличение времени, проводимого внутри зданий, гарантируют, что тенденция к увеличению спроса на энергию сохранится в будущем, что, в частности, обосновано в исследовании R. Fouquet [2].

Важным фактором является также стоимость природных энергоносителей и связанные с этим проблемы дефицита, роста цен на энергоносители и логистические проблемы, связанные с их доставкой. Особенности использования ископаемого топлива рассмотрены в обзоре R.J. Brecha [3]. При этом очевидным фактором является хозяйственная деятельность человека, которая, как подмечено в исследованиях M. Höök и X. Tang [4], возможно, станет одной из основных причин антропогенного изменения климата, также предполагает значительное увеличение мирового использования ископаемого топлива, которое к тому же является основным источником выбросов продуктов его сгорания, что в той или иной мере может влиять на окружающую среду.

Ситуация с жидким топливом, сжиженным газом и газом также в значительной степени влияет на энергетическую стабильность и, в частности, на стабильность функционирования экономики в целом и строительной отрасли в частности, что отражено в обзоре D. Fantazzini, M. Höök и A. Angelantoni [5]. Рассматривается также целесообразность подготовки к сценарию, при котором капитал и энергия будут стоить намного дороже, чем при обычном ведении бизнеса. В материале J.M. Dargay, и D. Gately [6] обосновывается, что мировой спрос на нефть смещается в сторону более быстрорастущих и менее чувствительных к ценам продуктов и регионов.

Установленные закономерности позволяют четко представить целесообразные направления строительной отрасли и, в частности, подтверждают целесообразность разработки эффективных систем изоляции, развития технологии производства и применения современных теплоизоляционных материалов.

Изоляционная оболочка здания, которая, с точки зрения строительства, рассматривается как система изоляции, позволяет в значительной степени оптимизировать энергетические затраты и формировать комфортное состояние в помещениях. Важным, как обосновано в статье N.H. Cuong и др. [7], является создание систем изоляционных оболочек с минимальными потерями тепла через области повышенной теплопередачи. Системы активной изоляции (AIS) в зданиях, изученные N. Kunwar и др. [8], представ- ляют собой ограждающие конструкции, которые объединяют теплоизоляцию, накопление тепловой энергии и средства управления. Результаты исследования динамических систем изоляции, полученные M. Fawaier и B. Bokor [9], показывают, что такие системы позволяют регулировать скорость передачи тепла через ограждающие конструкции зданий с течением времени. Основная функция динамической изоляции заключается в изменении коэффициента пропускания тепла через конструкцию. Несколько существующих конструкций для динамической изоляции, реализуемых с помощью воздушного потока, и связанная с этим экономия энергии может достигать более 40% по сравнению с ограждающими конструкциями зданий с альтернативой статической изоляции. Наиболее используемыми пассивными системами изоляции являются системы вентилируемых фасадов и скатных крыш с воздушным зазором, циркуляция воздуха в котором, по данным A.H. Yoon [10], позволяет регулировать воздушные и тепловые потоки.

Наличие теплоизоляционных материалов является обязательным для любой из систем. В системах изоляции применяются как синтетические материалы, в основном на основе вспененных полимеров, что отражено в учебном пособии В.А. Ушкова, К.С. Стенечкиной, М.Г. Бруяко [11], так и материалы на основе минеральных пен, в том числе по данным Медведевой Г.А. и Секариной О.С. на основе отходов [12]. Одним из основных теплоизоляционных материалов, к тому же негорючих, являются минераловолокнистые материалы, подробный обзор производства и применения которых проведен Р.З. Рахимовым, Н.С. Шелиховым, Т.В. Смирновой [13]. Установлено в том числе, что использование некоторых видов синтетических связующих может представлять некоторую опасность для окружающей среды вообще и для человека в частности.

Структура минераловолокнистых изделий формируется за счет переплетения волокон и отверждения введенного связующего (рис. 1) в областях (точках) контактов между волокнами. В качестве волокнистой основы используется каолиновое (алюминатное), хризотиловое (асбестовое), базальтовое и стеклянное волокно, а также минеральная или каменная вата.

Свойства волокон зависят от их химического состава, диаметра и длины и во многом определяют как технологию изготовления, так и свойства изделий. Вид связующего определяется, в том числе, типом волокна и областью применения изделий. Так, в технологии огнеупоров применяют при использовании каолинового волокна глинистое связующее; при использовании хризотиловых волокон применяют минеральное вяжущее; часто минеральные компоненты используют для модификации свойств связующего. В технологии изделий на основе стеклянных или ба-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 1. Структура минераловатного ковра зальтосодержащих волокон (стеклянная и каменная вата в том числе) используют синтетическое связующее. Наиболее распространенными синтетическими связующими являются фенольное связующее, нейтрализованное аммиачной водой, и фенолформальдегидные смолы.

Достоинствами фенолсодержащих связующих являются их относительно высокая стойкость к минеральным волокнам и незначительная деградация свойств в результате воздействия знакопеременных температур. Недостатки, в основном, связаны с присутствием фенола, обладающего резким запахом и токсичностью. Карбамидное связующее не имеет этих недостатков, но имеет худшие показатели адгезии к минеральному волокну. Также существует опасность деградации свойств в результате климатических воздействий.

Эти виды связующего вводят в камеру волокноо-саждения в виде водных эмульсий (само связующее в воде не растворяется). Далее распыленное связующее осаждается на волокнах и таким образом закрепляется в объеме формирующегося минераловатного ковра. Синтетическое связующее, вводимое в камеру волокноосаждения (формирования минераловатного ковра) методом распыления, равномерно распределяется в объеме материала и за счет сил поверхностного натяжения концентрируется в областях контакта между волокнами. Далее ковер поступает в камеру термообработки, где связующее отверждается по термореактивному механизму.

Применение синтетических связующих имеет ряд особенностей. Во-первых, компоненты этих связующих в неотвержденном состоянии являются токсичными веществами. Во-вторых, при нарушении технологического регламента возможно неполное отверждение связующего в минераловатном ковре, что делает изделия опасными к применению. Отметим также, что пары фенола, помимо резкого запаха, обладают кумулятивным эффектом, то есть накапливаются в организме человека. В-третьих, температура отверждения связующих этой группы превышает 260–320 °С, что, с одной стороны, приводит к энергетическим затратам, а с другой – осложняет равномерное протекание реакции поликонденсации связующего в изделии.

Преимуществами связующего на основе модифицированных эпоксидных смол является их меньшая экологическая опасность, обусловленная как минимальной токсичностью связующего, так и возможностью его отверждения при температурах, не превышающих 160 °С, а также полифункциональность эпоксидных смол позволяет адаптировать их для решения различных технологических задач.

Связующие, вяжущие вещества и клеи, как следует из обзора Р.Р. Мухаметова и А.П. Петрова [14], являются предметом пристального исследования. Изучаются различные виды эпоксидных соединений, а также влияние на их свойства различных модификаторов и добавок, ориентированных, в первую очередь, на снижение температуры отверждения, повышение эластичности отвержденного контакта, а также на улучшение адгезии связующего к волокну, а, следовательно, на повышение эксплуатационной стойкости изделий, которая обуславливает надежность изоляционных оболочек.

Исследования P. Apostolidis и др. [15] показали, что в качестве связующих возможно использование производных эпоксидных смол в сочетании с отвердителем и модификаторами. Применение модифицированных эпоксидов может решить ряд проблем, связанных с традиционными связующими, такими как фенолформальдегидные смолы, и предложить улучшенные эксплуатационные характеристики. M. Rahmathullah и др. [16] подтверждено, что одним из наиболее значимых преимуществ эпоксидной смолы является ее относительная экологическая безопасность.

При образовании эпоксидных смол проявляется реакция этерификации между эпоксидной группой и карбоксильной группой акриловой кислоты. Исследования M. Saif и др. показали, что эту реакцию можно катализировать бензимидазолом, что повышает эффективность реакции за счет снижения энергии активации, необходимой для процесса. Реакция, в первую очередь, включает присоединение карбоксильной группы к эпоксиду, образуя сложноэфир-ную связь без существенных побочных реакций [17].

В составе эпоксидных соединений, по данным E. Ozgul, могут использоваться аминовые отверди-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ тели с учетом способности обеспечивать высокие механические свойства и химическую стойкость. Они включают алифатические, циклоалифатические и ароматические амины. Алифатические амины характеризуются низкой вязкостью и хорошей обрабатываемостью [18]. Циклоалифатические амины типа бисфенол F обеспечивают повышенную прочность и модуль упругости.

Возможность использования ангидридов (фталевого ангидрида и его аналогов) в качестве отвердителей показана S. Nakamura. В присутствии катализатора, например, третичного амина, ангидриды реагируют с эпоксидными группами, образуя сложные эфиры и поперечные связи [19]. Исследованиями З. Сакошева и А. Блазнова установлено, что эти отвердители особенно эффективны в случаях, требующих высокую термостойкость, и часто используются в сочетании с эпоксидными смолами, такими как ЭД-20 [20].

М. Аликиным и др. установлено, что материал на основе эпоксидной смолы типа бисфенол F показал повышенную прочность на сжатие и изгиб при отверждении при повышенных температурах, причем тип отвердителя дополнительно и положительно повлиял на эти свойства [21]. Модификация эпоксидных составов позволяет получать быстро отверждаемые композиции, устойчивые, в том числе, к низким температурам. Например, добавление ди-глицидилфталата (ДП) ускоряет отверждение и делает эти составы пригодными для использования в условиях низких температур [22]. Пост-отверждение при температурах от 125 °C до 150 °C, как показали результаты, полученные Y. Kawashima и Y. Tsuji [23], дополнительно повышает механическую прочность и ударную вязкость, способствуя повышению однородности сшитых структур.

Латентные компоненты играют важную роль в модификации свойств эпоксидных связующих. Они позволяют регулировать температуру отверждения, усиливать адгезию связующего к волокну и улучшать эксплуатационные характеристики материала. Исследованиями T. Kohlan, M. Rahmathullah и др. установлено, что основная функция латентных компонентов заключается в активации при определенных условиях, таких как температура, давление или pH, что делает процесс отверждения более контролируемым и эффективным [16, 24].

В качестве латентного компонента могут применяться комплексы триарилимидазола и фитиновой кислоты, полученные из лигнина. По данным H. Li и др., этот комплекс на основе биологического сырья обеспечивает стабильность при хранении и механические свойства после отверждения, демонстрируя потенциал развития для подобных эпоксидных систем [25]. T. Yin и др. установлено, что «микроинкапсули- рованная эпоксидная смола и латентный отвердитель» предполагает использование микрокапсул, содержащих эпоксидную смолу и латентный отвердитель, которые высвобождаются и отверждаются при повреждении микрокапсул, обеспечивая композитным материалам свойства самовосстановления [26].

Кроме применения латентных компонентов модифицирующие добавки могут изменять кинетику отверждения эпоксидных смол, влияя на скорость реакции и температуру. Р. Коротковым и др. установлено, что добавление ацетилацетоната цинка и глицерина в эпоксидно-ангидридные витриме-ры улучшает процесс отверждения, значительно сокращая время растворения [27]. Аналогичным образом использование ускорителей, таких как трис(диметиламинометил) фенол (DMP-30) в эпоксидных смолах, может снизить температуру реакции отверждения и изменить структуру сшивки, оптимизируя диэлектрические свойства. Добавки также играют важную роль в улучшении механических и термических свойств эпоксидных связующих, как показали исследования P. Agbo и др. Например, биологическое связующее, полученное из микроводорослей, улучшает термическую стабильность и механические характеристики эпоксидных композитов [28].

Отметим, что многие виды синтетических веществ проходят поликонденсацию с применением отвердителей (например, для поликонденсации эпоксидной диановой смолы марки ЭД-20 используется отвердитель ПЭПА), но в технологии минераловолокнистых изделий этот способ не применим ввиду использования водных дисперсий связующих веществ и их отверждения на волокнах.

Применительно к связующим на основе эпоксидных соединений наиболее перспективным является применение модификаторов, повышающих адгезию и эластичность омоноличивания волокон, а также использование латентных синтетических компонентов, позволяющих в том числе снизить температуру поликонденсации связующего. По факту совместимости с эпоксидными соединениями перспективным является применение трикрезилфосфата или олеиновой кислоты. Добавление латентного (скрытого) отвердителя (диэтиламинборана) в массу эпоксида позволяет варьировать интервал температуры и времени тепловой обработки, снижая затраты на таковую.

Целью работы является анализ априорной информации и проведение (с привлечением цифровых и статистических методов) экспериментальных исследований по модификации упрочнения термоотверждаемого эпоксидного связующего за счет введения пластификатора и латентного компонента, а также оценка эксплуатационных характеристик минераловатных изделий на основе этого связующего.

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Эксперимент проводился по двум основным направлениям. Во-первых, исследовались свойства модифицированного эпоксидного связующего и формировались основы методик подбора его состава и прогнозирования свойств. Во-вторых, исследовались эксплуатационные характеристики минераловатных плит с использованием этого связующего.

Натурный эксперимент в технологии строительных материалов характеризуется высокой материалоемкостью и временем для исследований, а также большим числом варьируемых факторов. Кроме того, всегда остается открытым вопрос о достоверности получаемых результатов и способов проверки этой достоверности. В связи с этим всегда является актуальным использованием статистических методов организации эксперимента и цифровых методов анализа его результатов [29–31].

Основой используемых статистических методов являлся регрессионный анализ, при реализации которого в целях снижения трудоемкости и упрощения расчетов принимается условие: распределение значений ошибки регрессии подчиняется нормальному закону с параметрами N(0,1). Ошибки регрессии различных результатов считаются независимыми. В проведенном эксперименте в целях возможности использования методик статистической оценки результатов в каждой точке плана опыт повторялся 5 раз с использованием метода рандомизации. Определялись средние значения (моды) и отклонения от средних значений с доверительным уровнем вероятности 10%.

Разработанный в НИУ МГСУ метод базируется на «классических» методах статистического планирования и обработки результатов эксперимента с применением методов алгебраического или матричного анализа нелинейных функций нескольких переменных и широко опробован при решении рецептурных и технологических задач в строительном материаловедении [32–34].

В эксперименте в качестве оцениваемых результатов были приняты прочность при сжатии композиционного связующего (У1) и его адгезия (У2) к сте- клянной поверхности (как аналогу минерального волокна, имеющего аморфную структуру); также оценивалось изменение прочности адгезии в результате климатического воздействия (У3). В качестве параметра оптимизации был принят У2.

С использованием разработанной методики проведения эксперимента и цифровой аналитической оптимизации его результатов эксперимент проводился в два этапа. На первом этапе исследовалось линейное влияние на параметр оптимизации всех значимых факторов. В итоге было выбрано три наиболее значимых: содержание латентного компонента в композиционном связующем (Х ₁ ), содержание пластификатора в композиционном связующем (Х ₂ ), температура отверждения композиционного связующего (Х ₃ ). Влияние этих трех факторов исследовалось в процессе реализации второго этапа эксперимента, условия проведения которого представлены в табл. 1.

Адгезионные соединения между синтетическим вяжущим и материалом основы, их механические и эксплуатационные свойства оценивались по нормативным методикам, установленным соответствующими стандартами. Прочность адгезионных соединений оценивается по способам приложения нагрузки и по испытательным поверхностям. Адгезионная прочность и прочность при растяжении определяли на машине INSTRON 3382. Эксплуатационную стойкость вяжущего (изменение адгезии к стеклянной подложке) определяли по результату климатических воздействий в течение 60 циклов попеременного замораживания и оттаивания в интервале температур от –30°С до +60°С.

Оценка изменения эксплуатационных характеристик минераловатных плит во времени осуществлялась по нормативным методикам с использованием климатической камеры, а также по экспресс-методи-ке, разработанной под руководством Ю.Л. Боброва в ВШЭ и МГСУ. Экспресс-методика позволили оценить свойства минераловатных изделий в условиях температурно-влажностных воздействий в специальных камерах, выпускаемых ОАО «МАКСМИР» (рис. 2). Ускоренные испытания над кипящей водой проводили в течение 20–25 мин.; оценивалось изме-

Таблица 1. Условия проведения эксперимента

Наименование фактора	Символ, Х i	Среднее значение фактора, ^	Интервал варьирования, ΔХi	Значения фактора на уровнях
				–1	+1
Содержание модификатора компонента, %	Х 1	4,0	2,0	2,0	6,0
Содержание пластификатора, %	Х2	2,0	0,6	1,2	2,4
Температура отверждения, о С	Х 3	120	40	80	160

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 2. Камера для проведения экспресс-испытаний минераловатных плит нение прочности при сжатии при 10% деформации. Эта методика в настоящее время не имеет аналогов и позволяет получать вполне достоверные результаты за очень короткое время, тогда как реализация методик, рекомендованных стандартами, может занимать месяцы.

Сущность метода, основанного на нормативной методике, заключалась в том, что образец подвергали циклическим климатическим воздействиям (в интервалах температур от –20°С до + 20°С), имитирующим условия эксплуатации материала, и определяли изменение прочности материала при сжатии при 10% деформации. Образцы материалов испытывали через 20, 40, 80, 120, 160 циклов замораживания и оттаивания. Два цикла климатического воздействия приравнивались к одному условному году эксплуатации. Сопоставимость результатов, полученных по различным методикам, находилась на уровне 89–94%.

В исследованиях использовалась минеральная (каменная) вата с модулем кислотности 1,8–2,1 и диаметром волокон порядка 4–5 мкм. Испытания по оценке эксплуатационной стойкости проводились для полужестких плит (средней плотностью 117–123 кг/м³). В первой серии использовалось нейтрализованное фенольное связующее; во второй серии – модифицированное эпоксидное связующее. Расход связующего был принят 3,6%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Проведение активного эксперимента осуществлялось по плану полного факторного эксперимента для получения нелинейных полиномов (уравнений регрессии). Обработка результатов эксперимента и проверка статистических гипотез проводились в программе Statistika. Оценка значимости коэффициентов – через сравнение доверительными интервалами ∆b по каждому уравнению регрессии осуществлялась через критерий Стьюдента и дисперсию параллельных опытов. Проверка адекватности моделей осуществлялась по критерию Фишера.

Цифровая обработка позволила получить уравнения регрессии (алгебраические полиномы или цифровые модели) следующего вида:

Предел прочности связующего при растяжении (доверительный интервал ∆ b ₁ = 2,2 МПа)

У1 = 56+7X1+8X2+9X3+4X1X2–3X32.(1)

Адгезионная прочность после отверждения (доверительный интервал ∆ b ₂ = 3,7 МПа)

У2 = 32+8X1+13X2+10X3+5X1X2–6X32.(2)

Адгезионная прочность после климатических испытаний (доверительный интервал ∆ b ₃ = 0,6 МПа)

У3 = 21+3X1+4X2+2X3+1X1X2–1X32.(3)

Анализ коэффициентов уравнений регрессии позволяет сделать ряд выводов. Во-первых, фактором с наибольшим влиянием на результаты является содержание пластификатора (коэффициенты при Х ₂ , равные соответственно 8, 13 и 4). Во-вторых, увеличение значений фактора, характеризующих влияние содержания латентного компонента в интервалах условий эксперимента, также положительно влияет на рост значений функций отклика (коэффициенты при Х ₁ , равные, соответственно, 7, 8 и 3). В-третьих, значимое парное взаимодействие с положительным коэффициентом (Х ₁ Х ₂ ) указывает на возможность синергетического эффекта, то есть взаимного совместного влияния этих факторов на результат, что, впрочем, предполагает дополнительные исследования. В-четвертых, влияние температуры тепловой обработки неоднозначно, что следует из анализа коэффициентов при Х ₃ и Х ₃ ² (со знаком минус). Это нелинейное влияние позволяет использовать методику аналитической оптимизации, разработанную в НИУ МГСУ и реализованную при решении рецептурных задач и изучении технологий многих строительных материалов.

Аналитическая оптимизация алгебраических функций трех переменных осуществляется с помощью методов математического анализа. Определяем экстремум функции (2) по Х ₃ , приравниваем его к 0 и получаем значение оптимальной температуры термообработки:

∂ У ₂ /∂ X ₃ = 10–12 X ₃ = 0 → X ₃ = 10/12 = 0,83.     (4)

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Подставляем полученное оптимальное значение температуры отверждения (в кодированном виде, подставляем его в уравнения (1–3) и получаем оптимизированные функции:

Предел прочности связующего при растяжении (оптимизированная функция):

У1 = 61+7X1+8X2+4X1X2.(5)

Адгезионная прочность после отверждения (оптимизированная функция):

У2 = 36+8X1+13X2+5X1X2.(6)

Адгезионная прочность после климатических испытаний (оптимизированная функция):

У3 = 22+3X1+4X2+1X1X2.(7)

Определяем с помощью условий табл. 1 натуральное значение оптимальной температуры термообработки: t = 120 + 40×0,83 = 152 °C или с учетом статистической погрешности 150–154 °С.

Графическая интерпретация зависимостей (5–7) позволила построить номограмму, с помощью которой стало возможным решение прямой (прогностической) задачи цифрового моделирования: получение значений показателей свойств в зависимости от изменения значений варьируемых факторов в установленной экспериментом области определения.

Номограмма (рис. 3) включает три сектора: в секторе I устанавливается взаимосвязь между варьируемыми факторами (расходом пластификатора и латентного компонента) и прочностью клеевого состава на растяжение (R); в секторе II – между варьируемыми факторами и адгезионной прочностью (Ro); в секторе III – между варьируемыми факторами и адгезионной прочностью после климатических испытаний (Rt).

Прогностическая задача решается в следующей последовательности. Задают значения содержание латентного компонента и пластификатора и далее по секторам определяют величины характеристик. В примере (см. рис. 3, красные линии) принят расход латентного компонента (C _l ) 5% от содержания связующего и расхода пластификатора (C _p ) 2% от содержания связующего. В секторе 1 из точки C _l = 5% проводим прямую, параллельную оси абсцисс, и продлеваем ее в сектор II. В секторах I, II и III из точек C _p = 2% проводим прямые, параллельные осям ординат. На пересечениях этих прямых в секторе 1 получаем значение прочности при растяжении ( R = 74 МПа); а в секторе II – адгезионную прочность ( R о = 74 МПа). В секторе III из точек пересечения расхода пластификатора и прямой расхода латентного компонента опускаем перпендикуляр на ось ординат и получаем значение адгезионной прочности после климатических испытаний ( R _t = 25 МПа). Прогностическая задача может быть также решена посредством расчета по программе для ЭВМ.

Следующим этапом является проверка полученных оптимизационных решений и их сопоставимость с реальными результатами, получаемыми в дополнительных сериях активного эксперимента. Проверка осуществляется по параметру оптимизации (У ₂ ): адгезии отвержденного связующего к основанию.

Рис. 3. Номограмма для оценки свойств связующего в зависимости от изменения расхода латентного компонента и пластификатора при оптимальной температуре тепловой обработки 150–154 °С

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Условия проведения эксперимента и его результаты представлены в табл. 2.

Наилучшие результаты получены для состава № 1, который и является оптимальным для проектируемого композиционного вяжущего: содержание латентного компонента 6,0%; содержание пластификатора 3,0% при оптимальной температуре тепловой обработки 150–154 °С. Этому составу соответствуют прочность адгезии после отверждения связующего 58,4 МПа и определенные расчетным путем (с помощью полиномов 5 и 7) предел прочности связующего при растяжении 77,4 МПа и адгезионная прочность после климатических испытаний 29,1 МПа.

Эксперимент показал, что в результате попеременного воздействия положительных и отрицательных температур происходит значительное снижение адгезионной прочности (на 50%). Это, безусловно, негативный фактор, но на прочность минераловатных изделий он влияет незначительно в связи с тем, что содержание связующего в изделиях на основе каменной ваты находится в пределах 2,5–3,5% к массе минераловатного ковра. Значительный вклад в формирование свойств изделий вносит структура минераловатного ковра, основанная на переплетении волокон.

Изучение свойств и эксплуатационной стойкости минераловатных плит на модифицированном эпоксидном связующем показало, что изменение их прочностных характеристик вполне отвечает требованиям, предъявляемым к минераловатным изделиям. Результаты испытаний прочности на сжатие при 10%-ной деформации минераловатных плит в зависимости от количества климатических циклов (z) приведены на рис. 4.

Зависимость прочности на сжатие при 10%-ной деформации (кПа) минераловатных плит от количества климатических циклов и с учетом доверительного интервала, полученного при статистической обработке результатов (точность оценки результатов

Таблица 2. Определение оптимальных значений варьируемых факторов (при оптимальной температуре термообработки 150–154 ^о С)

№ опытов	Варьируемые факторы				Прочность адгезии, МПа		Расхождение, %
	Содержание модификатора, %	Х 1	Содержание пластификатора, %	Х 2	Расчетная	Экспериментальная
1	6,0	+0,9	3,0	+0,9	61,5	58,4	5,0
2	6,0	+0,9	2,0	0	43,6	45,1	3,3
3	2,0	–0,9	1,0	–0,9	20,4	22,6	9,7
4	2,0	–0,9	1,0	+0,9	36,5	37,9	5,3
5	4,0	0	2,0	0	36,0	35,2	2,2
6	4,0	0	1,0	–0,9	48,7	51,4	5,3

Рис. 4. Зависимость прочности при сжатии минераловатных плит при 10%-ной деформации от количества циклов климатических испытаний: а – среднее значение; б – дисперсия результатов

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

95%), может быть представлена линейными зависимостями:

Для плит с использованием нейтрализованного фенольного связующего:

R ₁₀ ( z ) = 39.2–0.094 • z .                          (8)

Для плит с использованием модифицированного эпоксидного связующего:

R ₁₀ ( z ) = 34.8–0.075 • z .                          (9)

Снижение в результате циклических испытаний прочности минераловатных плит обусловлено, в первую очередь, снижением прочности контактных соединений между волокнами. Эксперимент показал, что прочность плит на нейтрализованном фенольном связующем несколько выше, чем у изделий на основе модифицированного эпоксидного связующего (зависимости 8 и 9). Эта разница не является принципиально значимой и нивелируется в процессе климатических воздействий. Решающим фактором является изменение прочностной характеристики контактной зоны по поверхностям контакта «затвердевшее связующее-волокно».

Теплопроводность изделий с применением модифицированного связующего, как и теплопроводность изделий на основе фенольных связующих находится в интервале от 0,04 до 0,05 Вт/(м • К) и является функцией средней плотности изделий. Изменение теплопроводности в результате климатических испытаний незначительно не превышает уровня ошибки эксперимента (3–4%). Паропроницаемость соответствует принятым нормативам и находится в интервале 0,29–0,31 мг/(м • ч • Па).

Снижение тепловых потерь за счет изменения температуры тепловой обработки, а следовательно, и температуры теплоносителя происходит в результате изменения температуры отверждения связующего. Снижение температуры поликонденсации (отверждения) связующего в минераловатных изделиях позволяет значительно уменьшить энергетические затраты на процесс тепловой обработки минераловатного ковра.

Факт экономии энергии может быть подтвержден расчетом. В результате снижения температуры тепловой обработки изменяется теплосодержание теплоносителя, то есть теплосодержания теплового потока:

Q = G • c • t, где G – расход теплоносителя, который можно принять равным 10 000 м³/ч; с – удельная теплоемкость теплоносителя (1,315 кг/м °С), а t – темпе- ратура теплоносителя, принимаемая равной либо 300 °С, либо 150 °С.

При использовании фенолоспиртов, отверждаемых при 300 °С, теплосодержание теплового потока составит:

10 000×300×1,315 / 3600 = 1096 кВт.

При использовании эпоксидных смол на латентных отвердителях, отверждаемых при 150 °С, теплосодержание теплового потока составит:

10 000×150×1,315 / 3600 = 547 кВт.

Таким образом, в относительных единицах снижение расхода тепла по тепловым потокам составит: (1096–547) / 1096 = 0,5 (или 50 %).

Полностью энергетические затраты производства минераловатных изделий включают затраты, связанные с производством минерального волокна, с расходом электроэнергии на технологические нужды и пр. Суммарный расчетный экономический (энергетический) эффект от снижения температуры тепловой обработки на 150 °С можно принять равным 20–30 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изделия на основе минеральных волокон и, в частности, изделия на основе каменной ваты положительно зарекомендовали себя в различных системах изоляции строительных конструкций. Неоспоримым преимуществом является их негорючесть, а особенности свойств и технологий связаны со структурными характеристиками этих материалов, в том числе со свойствами используемых связующих и параметрами их тепловой обработки. В связи с этим являются целесообразными исследования, направленные на расширение возможной базы используемых связующих, в числе композиционных и компаундов, в целях снижения энергоемкости изготовления изделий при сохранении уровня их эксплуатационных свойств.

Реализация эксперимента позволила разработать основы методик прогнозирования свойств модифицированного эпоксидного связующего, подбора его состава и температуры тепловой обработки. Установлен оптимальный состав эпоксидного связующего, содержащего 6,0% модификатора от массы связующего и расход пластификатора 3,0% от массы связующего. Оптимизирована температура тепловой обработки: 150–154 °С. Установлено, что этому составу композиционного связующего соответствуют прочность адгезии после отверждения связующего 58,4 МПа и определенные аналитическим путем предел прочности связующего при растяжении 77,4 МПа и адгезионная прочность после климатических ис-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ пытаний 29,1 МПа. Минераловатные плиты с применением модифицированного эпоксидного связующего по своим свойствами и эксплуатационной стойкости незначительно отличаются от изделий на основе традиционных видов связующего.

Эффект от применения модифицированного эпоксидного вяжущего обусловлен двумя факторами. Во-первых, снижение токсичности связующего снижает опасность вредных испарений из изделий при их эксплуатации, и, во-вторых, снижение тем- пературы тепловой обработки на 150 °С снижает как вредные выделения от продуктов сгорания топлива, так и энергетические затраты на тепловую обработку минераловатного ковра, направленную на обеспечение полной поликонденсации связующего в изделии. Замена фенольного связующего на модифицированное эпоксидное позволяет на 50% снизить затраты на тепловую обработку минераловатного ковра и на 20–30% – общие энергетические затраты на изготовление минераловолокнистых изделий.