Разработка современных экологичных теплоизоляционных материалов на основе переработки отходов растениеводства

Введение. В современном строительстве применяются самые разнообразные материалы на базе природных, искусственных и композитных веществ, сочетание которых может негативно воздействовать на самочувствие человека. Долгое время проблеме экологичности материалов для постройки и отделки жилых домов в нашей стране не придавалось большого значения. Одной из главных причин являлись исключительно экономические аспекты, так и недостаточное осознание тесной взаимосвязи здоровья человека и тех материалов, что его окружают в обыденной жизни. На данный момент отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по применению и использованию отходов растениеводства в качестве основы для производства современных экологичных строительных материалов.

Целью работы является разработка состава и технологии изготовления современного экологически чистого теплоизоляционного материала, что в свою очередь позволит рационально использовать древесное и растительное сырье и улучшить экологическую ситуацию во многих регионах России/

Материалы и методы исследований . В настоящее время на территории РФ скопилось более 1 млрд. м ² природных отходов, которые занимают большие земельные площади, загрязняя окружающую среду. Кроме того, ежегодно тысячи тонн остатков урожая остаются невостребованными, их сжигают, вызывая загрязнение атмосферы. Представлены данные по урожайности соломы зерновых культур на территории России. Урожайность (тыс. тонн) соломы ржи составляет 903,9-1798,6; пшеницы – 976,3-2577,6; подсолнечника – 11187-1779; кукурузы – 431,5-617,1. По причине больших объемов производства до 40–50% соломы не используется. За сезон количество образующихся растительных отходов, выращиваемого в аграрных предприятиях, составляет примерно 110–150 тыс. тонн. На рисунке 1 представлена диаграмма валового сбора сельскохозяйственных культур в Орловской области.

Рисунок 1 – Валовый сбор основных сельскохозяйственных культур в Орловской области (на 01.10.2022г.)

Основная часть. Органические теплоизоляционные материалы в зависимости от типа применяемого заполнителя можно условно разделить на две группы:

материалы на основе органических остатков (древесина, отходы деревообработки, торф, однолетние растения, шерсть животных и т. д.) и материалы, в основе которых применяют фенольные и фурроловые смолы. Анализируя данные отечественных и зарубежных источников можно суверенностью говорить о том, что наибольшее влияние на физические и механические свойства органических теплоизоляционных материалов оказывает влажность, исходный фракционной состав и вид растительного сырья, состав связующего компонента. Применение подготовительной автоклавной гидротермической обработки древесины позволяет понизить давление горячего прессования с 25 до 15 МПа и температуру прессования со 180 до 160°C, a также способствует пластификации растительной ткани и формированию связующих и гидрофобных веществ (ВВ, ЭВ, КЛ) в ней, тем самым повышая физико-механические характеристики спрессованных плит. Установлено, что в процессе автоклавной гидротермообработки древесины выполняется удаление парогазовой смеси, в следствии чего в атмосферу выбрасываются вещества, содержащие фурол. Однако это делать нецелесообразно, поскольку фурол способен взаимодействовать с ацетоном с образованием мономера ФА, а также способен вступать во взаимодействие с компонентами растительной ткани, образуя смолоподобные вещества [1]. В то же время использование жидкого стекла способствует росту огнестойкости теплоизоляционных материалов на заполнителях растительного происхождения. Учитывая современную конъюнктуру на рынке теплоизоляционных материалов, в проводимых исследованиях ставится задача получения экологически безопасного и эффективного теплоизоляционного материала с высокими физикомеханическими показателями, позволяющего рационально утилизировать многотоннажные отходы растениеводства на территории РФ, и Орловской области в частности. С целью определения степени влияния количества вводимого вяжущего, расходов соломы и стеблей, а также давления формования на физико-механические свойства стебле-соломенных плит реализован 3-х факторный эксперимент, в таблице 1 представлены физико-механические характеристики растительных заполнителей используемых для изготовления теплоизоляционных материалов [2].

Таблица 1 – Физико-механические характеристики теплоизоляционных материалов на основе растительных отходов сельскохозяйственного производства

Для установления степени влияния факторов на выходные параметры была выполнена экспериментальная проверка возможности использования органического вяжущего путем заполнения связующего для двух вариантов:

• -    без ввода органического вяжущего;

• -    с добавлением органического вяжущего.

В качестве примера на рисунках 2, 3 приведены зависимости влияния изменения факторов на прочность на сжатие при 10% деформации и коэффициент теплопроводности (с использованием и без введения органического вяжущего).

Зависимость теплопроводности теплоизоляционных

2 - органические материалы

Рисунок 2 – Влияние изменения факторов на коэффициент теплопроводности (органические и неорганические материалы)

Рисунок 3 – Влияние изменения факторов на прочность на сжатие при 10% деформации (в кодированных переменных )

Результаты работы. Таким образом, в ходе опытной проверки гипотезы о способности реализации способа кристаллизации растительных частей путем распыления связующего было установлено, что органическое связующее на основе жидкого стекла отверждаемое холодным способом пригодно для распыления. Главная причина этого заключается в повышенной реакционной способности компонентов связующего и быстром повышении вязкости стекла после ее введения в растительную смесь. Установлено, что наиболее эффективными добавками для получения водостойкого жидкого стекла являются гексафторсиликат натрия, гипс, двухкомпонентные добавки извести и гипса, а также мела и гипса. Оптимальное количество вводимых добавок составляет 8–10%. При таких дозировках растворимость жидкого стекла с Na2SiF6 составляет не более 14% с образованием нерастворимого остатка в количестве 86-89%. Введение гипса позволяет получить нерастворимый остаток, равный 86-90% по массе. Двухкомпонентная добавка гипса и мела повышает водостойкость жидкого стекла до 88-90%, а добавка извести и гипса – до 92-95% [8].

Из полученных зависимостей, представленных на рисунках 2 и 3, в виде изотерм сорбции следует, что сорбционная влажность материала на основе рубленой соломы при относительной влажности воздуха до 60% ниже сорбционной влажности материала на основе смеси рубленой соломы и костры льна на 11,2%. Однако уже при влажности воздуха 80% сорбционная влажность материала на основе соломы равна 26,3%, что превышает на 32% сорбционную влажность материала на основе смеси соломы и костры льна, равную 20% [5].

По результатам испытаний установлено, что при температуре от минус 5 до минус 20 °С и влажности воздуха 50–95 % в холодном отделении камеры, эффективность плит из смеси соломы с кострой относительно соломенных плит по основным теплотехническим характеристикам выше на 15-45% [7]. При проведении исследований теплоизоляционные плиты закладывали в кладку наружной стены, укладывали на чердачном перекрытии, устанавливали на стеновом ограждении с вентилируемой системой утепления при возведении индивидуальных жилых домов. Показатели температур по толщине ограждений и плотностей тепловых потоков с помощью датчиков фиксировались информационно-измерительным комплексом РТП-1-16Т в течение осенне-зимне-весеннего периода [9].

Применение спрессованных стебле-соломенных плитных строительных материалов в качестве ограждающих конструкций позволяет снизить теплопотери более чем в 7 раз по сравнению с кирпичными или бетонными стенами вследствие простоты технологии и незначительного веса строительство дома площадью 70 кв. м займет всего 2-3 недели.

Заключение. Таким образом, при правильно подобранном давлении формования, расходе жидкого стекла и соотношении заполнителей рубленые стебли соломы с сохраненной капиллярной микроструктурой внутренней и внешней областей в процессе формовки совместно с кострой льна обеспечивают одновременно получение жесткой и прочной структурной системы «каркас в каркасе» в сочетании с высокими теплотехническими показателями теплоизоляционных плит. Результаты проведенных исследований наглядным образом показывают возможность создания плитных изоляционных материалов с добавками измельченной соломы, стеблей подсолнечника и кукурузы с неорганическим связующим. Изменение количеств добавляемых веществ позволяет создавать материалы с требуемыми теплопроводными и термостойкими свойствами.