Определение оптимального содержания связующих элементов в композиции синтетических волокнистых плит мягких СВП-М

В условиях существующей экологической ситуации в Республике Беларусь перед предприятиями текстильной промышленности остро стоит проблема использования отходов производства. Текстильные отходы создают экологические проблемы, они являются многотоннажными, доля таких отходов на предприятиях составляет до 40% от используемого сырья. Значительная их часть не перерабатывается, а вывозится на свалки и полигоны. Постоянное накапливание текстильных отходов оказывает негативное воздействие на окружающую среду, вследствие их горючести уровень экологической опасности постоянно возрастает.

Внедрение энергосберегающих технологий, рациональное использование местных ресурсов и отходов является важнейшим механизмом обеспечения роста конкурентоспособности выпускаемой продукции и импортозамещения.

Разработка способов формирования новых видов композиционных материалов с использованием коротковолокнистых текстильных отходов позволит значительно расширить ассортимент строительных композиционных материалов.

В отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры «Прядение натуральных и химических волокон» учреждения образования «Витебский государственный технологический университет» совместно с ЦЗЛ ОАО «Витебскдрев» разработан и запатентован новый способ получения изоляционных синтетических волокнистых плит (СВП-М) [5].

В качестве основного сырьевого компонента приняты отходы стрижки искусственного меха. Кноп стригальный – это вид отхода, образующийся в результате заключительной отделки трикотажного искусственного меха. В процессе производства искусственного меха образуется значительное количество отходов: на приготовительном участке образуется 1,5% от всего используемого сырья; на вязальном количество отходов составляет 12,9%; на швейном – 1%; на отделочном участке – 34,5%. Такие отходы как лоскут, а также срывы меха, перерабатываются в цехах ширпотреба. Волокно, образованное при изготовлении чесальной ленты, выпады и незакрепленные волокна перерабатываются в нетканые материалы. Кноп стригальный не используется в производстве. В зависимости от ассортимента выпускаемого меха состав смеси волокон в отходе колеблется в таких пределах: 100%-нитрон или 75% нитрон+25% полиэфир [4]. Цветовая гамма коротких волокон зависит от ассортимента искусственного меха.

Синтетические волокнистые мягкие плиты изготавливаются методом горячего плоского прессования по сухому способу производства [2], который состоит из следующих технологических операций:

• 1  Хранение, транспортирование сырья

• 2    Подготовка сырья к производству

• 3    Подготовка проклеивающих составов

• 4    Проклейка волокнистой массы

• 5    Формирование ковра

• 6    Холодное прессование плит (подпрессовка)

• 7    Горячее прессование плит

• 8    Форматный раскрой плит и охлаждение.

• 9    Послепрессовая обработка. Упаковка плит.

Важным этапом в процессе производства СВП-М является выбор проклеивающих компонентов. В ходе формирования плитных материалов применяются различные клеящие составы для соединения волокнистой основы. В технологии получения СВП-М в качестве проклеивающих добавок используются: 6%-ная парафиновая эмульсия и 10%-ный раствор фенолформальдегидной смолы [1,3].

Технологический процесс приготовления парафиновой эмульсии включает следующие операции: дозирование компонентов и загрузка их в эмульгатор; плавление и загрузка парафина; эмульгирование; охлаждение.

СВП-М является принципиально новым видом материала, поставили задачу определить процентное содержание связующих компонентов в составе композиции. Для производства СВП-М с физико-механическими показателями, которые соответствуют требованиям ГОСТа на изоляционные материалы, необходимо оптимальное количество связующих компонентов в составе плиты.

Для определения зависимости основных физико-механических свойств теплоизоляционных плит от технологических параметров формирования был применен метод математического планирования эксперимента. В общем случае модель исследуемого процесса может иметь вид полинома второго порядка.

Объектом исследования являлись синтетические волокнистые плиты мягкие одинаковой толщины. В качестве входных параметров были приняты:

• –    Х1 – содержание смолы, %;

• –    Х2 – содержание парафиновой эмульсии, %.

Выходными параметрами являлись   физико-механические   показатели комбинированных теплоизоляционных плит, а именно:

• –    Y1 – плотности материала, кг/м3;

• –    Y2 – прочность при изгибе, МПа;

• –    Y3 – разбухание, %.

Эксперимент проводился по плану-матрице Коно для 2-факторного эксперимента, включающий 9 опытов. Для построения плана эксперимента по предварительным исследованиям определены условия его проведения, то есть уровни факторов и интервалы их варьирования, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Интервалы и уровни варьирования факторов

Факторы	Обозначения	Единицы измерения	Кодированные значения			Интервалы варьирования
			-1	0	1
Содержание смолы	Х 1	%	0,5	1	1,5	0,5
Содержание парафиновой эмульсии	Х 2	%	5	10	15	5

В результате обработки были получены значения коэффициентов регрессии полиномиальных моделей, зависимости показателей качества композиционных смесей от входных факторов. А также сделана оценка значимости каждого коэффициента и оценка адекватности полученной модели.

Уравнение зависимости плотности материала от % содержания проклеивающих элементов имеет вид:

Y 1 = 403.5 + 2.583 x X 1 + 0.95 x X ₂ - 0.417 x X 1² - 0.55 x X 1² x X ₂     (1)

Анализируя полученную регрессионную модель для показателя плотности материала (1) можно сделать вывод о том, что плотность (Y 1 ) зависит и от содержания смолы (X 1 ) и, в меньшей степени, от содержания парафиновой эмульсии (X 2 ). Коэффициент при факторе X 1 значимый, положительный и указывает на то, что при увеличении %-го содержания фенолформальдегидной смолы имеется тенденция к увеличению плотности, до определённого предела. С другой стороны, формирование СВП-М запланировано определенной плотности (400 кг/м3). Увеличение плотности готового продукта более 5% нежелательно.

Уравнение зависимости прочность при изгибе материала от % содержания проклеивающих элементов имеет вид:

Y ₂ = 2.067 + 0.288 x X 1 + 0.062 x X ₂ - 0.06 x X 1 x X ₂ - 0.238 x X 1²    (2)

.

Анализируя данную модель (2), можно сделать вывод о том, что прочность при изгибе (Y 2 ) в большей степени зависит от процентного содержания фенолформальдегидной смолы (X 1 ). Коэффициент при факторе X 1 значимый, положительный и указывает на то, что при увеличении %-го содержания смолы в составе композиции имеется тенденция к увеличению прочности при изгибе, т.к. увеличивается количество волокон, связываемых смолой. Однако, при значительном увеличении содержания смолы в составе композиции, прочность при изгибе падает, т.к. увеличение содержания смолы ведет к увеличению неравномерности ее распределения в составе композиции. Вследствие чего увеличивается хрупкость готового материала. Показатель прочности при изгибе регламентируется разработанным проектом технических условий ТУ BY 300031282.048-2009.

Уравнение зависимости % разбухания от % содержания проклеивающих элементов имеет вид:

Y 3 = 18.444 - 1.667 x X 1 - 3.333 x X ₂ + 2.333 x X 1² + 3.333 x X 22      (3)

.

Анализируя данную регрессионную модель (3), можно сделать вывод о том, что разбухание (Y 3 ) в большей степени зависит от % содержания парафиновой эмульсии (X 2 ) и меньше от % содержания фенолформальдегидной смолы. Коэффициент при факторе X 2 значимый, отрицательный и указывает на то, что при увеличении %-го содержания парафиновой эмульсии имеется тенденция к уменьшению разбухания.

Для получения области рекомендуемых значений выходных параметров на основе физико-механических показателей, ранее используемых изоляционных материалов установлены ограничения на физико-механические свойства формируемой СВП-М, с учетом ТУ BY 300031282.048 BY:

Таблица 2 – Физико-механические показатели СВП-М

№ п/п	Наименование показателя	Значения для мягких плит марок
		ПСВ-М1	ПСВ-М2	ПСВ-М3
1	Плотность, кг/м3	200-400	400-500	500-600
2	Предел прочности при изгибе, МПа, не менее	0,4	1,1	1,8
5	Разбухание за 2 часа, %, не более	34

По регрессионным моделям построены графические интерпретации влияния % содержания связующих элементов на физико-механические показатели СВП-М. Используя метод наложения линий равного уровня поверхностей отклика полученных зависимостей, определена область компромиссных решений – ABC (рисунок 1), характеризующая наиболее оптимальные соотношения % содержания связующих элементов на физико-механические показатели композиционных материалов.

Таким образом, в зависимости от требуемых показателей качества СВП-М следует вырабатывать их с определенным сочетанием содержания связующих элементов. Для получения комбинированных СВП-М с наилучшими физикомеханическими свойствами ТУ BY 300031282.048 BY -2009: плотность – 400 кг/м3, прочность при изгибе – 1,8 Мпа , разбухание – 20%, их рекомендуется производить при содержании фенолформальдегидной смолы 1% и содержание парафиновой эмульсии 10-13%.

^^^—  р а з буханз ie,° о

— — — — — — плотность, кг7м

^^. ^^— пр ед ел пр очно стн прн из гиб е, Мпа

Рисунок 1 – Область оптимальных значений

ВЫВОДЫ

Благодаря данной разработке получен новый ассортимент композиционных строительных материалов, для изоляционной отделки зданий и помещений, с улучшенными эксплуатационными и стоимостными показателями.

Производство композиционных материалов является одним из наиболее перспективных направлений в области рационального использования отходов текстильного производства в результате использования невозвратных отходов при переработке их в высококачественные профильные детали для широкого спектра применений, включая строительство и мебель. Разработан ряд композиционных материалов, которые могут быть использованы в машиностроительной и других отраслях промышленности, в частности, в авто- и вагоностроении, в производстве тары, материалов для облицовки административных и жилых помещений, оконных и дверных блоков.