Результат интеллектуальной деятельности: Сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционных древесно-полимерных композиционных материалов

Сырьевая смесь относится к получению теплоизоляционных композиционных строительных материалов с использованием отходов лесной, деревоперерабатывающей, полимерной промышленностей и может быть использована для получения изделий в виде плит и блоков для внутренней отделки помещений.

Известна древесно-полимерная композиция для изготовления древесностружечных плит [1], содержащая (в мас. %): древесную стружку 40,0-50,5; измельченный облой 18,0-19,0; возвратные отходы от калибровки древесностружечных плит винтовой фрезой с двумя степенями подвижности 10,0-15,0; водный раствор карбамидоформальдегидного олигомера марки КФ-МТ 20,0-25,0; хлористый аммоний 0,5-2,0. Данная композиция позволяет перерабатывать возвратные отходы производства древесностружечных плит и получать изделия с высоким пределом прочности при изгибе (26,2-27,5 МПа). Недостатками данной композиции являются разнородность гранулометрического состава отходов от калибровки древесностружечных плит (0,25-5,00 мм) и токсичность применяемого связующего, содержащего формальдегид.

Известен состав для пресс-композиции [2], содержащий (в мас. %): порошкообразный линейный полиэтилен высокого давления 10-12; шунгитовый порошок 10-20; солому злаковых сельскохозяйственных культур - остальное. Данный состав позволяет получать изделия с высоким пределом прочности при изгибе (21,9-28,4 МПа). Недостатками данного состава являются высокое давление горячего прессования изделий (15-20 МПа) и относительно высокая плотность изделий (1301-1433 кг/м³).

Известен состав композиционной смеси для изготовления строительных древесно-композиционных материалов [3] следующего содержания, мас. ч. в пересчете на абсолютно сухой наполнитель растительного происхождения: измельченный наполнитель растительного происхождения 100, отход производства металлического магния электролитическим способом в виде измельченного сухого шлама 100-120, каменноугольная зола ТЭЦ 10-20, вода 50-56. В качестве измельченного наполнителя растительного происхождения используют древесный опил, древесную стружку, высушенные однолетние растения, например в виде соломы, нейтрализованный и высушенный гидролизный лигнин, и другие отходы деревоперерабатывающих производств. Данный состав позволяет получать не горючие и не токсичные изделия с достаточно высокой морозостойкостью (36-42 циклов) и низкими значениями теплопроводности (0,05-0,1 Вт/м⋅К), водопоглощения (5-14%) и разбухания (0,15-1,0%). Недостатками данного состава являются низкие значения прочности на сжатие (13,4-18,6 МПа) и изгиб (3,0-3,2 МПа), а также необходимость измельчения шлама до высокой степени дисперсности (50-150 мкм).

Наиболее близкой к предлагаемому решению является сырьевая смесь для изготовления строительных изделий [4], включающая (в мас. %): измельченные древесные отходы 35-45; шлам карналлитовых хлораторов 35-40; обожженный серпентинит 15-20; вода - остальное. Данная смесь позволяет получать трудно сгораемые и не токсичные изделия с достаточно высокой морозостойкостью (40 циклов), средними значениями прочности на сжатие (20-25 МПа), теплопроводности (0,11 Вт/м⋅К), низкими значениями водопоглощения (8-10%) и разбухания (0,6%). Недостатками данного состава являются низкие значения прочности на изгиб (2,8-3,5 МПа), а также необходимость измельчения шлама до высокой степени дисперсности (50-150 мкм).

Техническими задачами, на решение которых направлено данное изобретение являются повышение прочности на изгиб и снижение теплопроводности.

Для достижения поставленных задач предлагается в качестве связующего для измельченных древесных отходов использовать полистирол, получаемый путем растворения отходов пенополистирола в метилене хлористом техническом с последующей термообработкой формуемых изделий при температуре, превышающей температуру кипения растворителя. Наиболее эффективно поставленные задачи решаются при следующем соотношении компонентов (в мас. %):

В предлагаемом изобретении допускается использовать древесные отходы в виде опилок, стружки, щепы или коры с различными исходными влажностью и размерами частиц. В качестве отходов пенополистирола предусматривается использование отработанных элементов упаковки для бытовой техники, оборудования и т.п. Для перевода отходов пенополистирола в растворенное состояние в состав сырьевой смеси сверх 100% вводится метилен хлористый технический первого сорта по ГОСТ 9968-86.

Растворение отходов пенополистирола имеет ряд преимуществ перед плавлением. В первую очередь это снижает энергоемкость производства, позволяя проводить холодное перемешивание компонентов сырьевой смеси и холодное прессование изделий, а также позволяя проводить термообработку изделий при более низких температурах в связи с тем, что температура кипения растворителя (для метилена хлористого технического составляет 40°С) значительно ниже температуры плавления отходов пенополистирола (270°С). Дополнительными преимуществами применения растворителя являются возможность исключить термодеструкцию вторичного полимерного сырья в случае превышения температурно-временного режима, возможность проводить предварительное измельчение вторичного полимерного сырья, что особенно актуально для пенополистирола, до более крупных размеров частиц, что снижает энергоемкость процесса измельчения, а также дает возможность достичь более высокой однородности сырьевой смеси при перемешивании измельченных древесных отходов с раствором связующего. Основным недостатком растворения полимерных отходов является расход растворителя при термообработке, однако данный недостаток может быть сведен к минимуму за счет улавливания и конденсации паров метилена хлористого технического для его повторного использования.

Применение метилена хлористого технического в качестве растворителя связано с его высокой проникающей и растворяющей способностями, способствующими быстрому растворению пенополистирольных отходов, а также с тем, что данное вещество относится к трудногорючим, характеризуется низкой взрывоопасностью и невысокой стоимостью по сравнению с большинством растворителей.

Применение отходов пенополистирола в предлагаемом изобретении связано с тем, что для них характерны большие объемы накопления, обусловленные малой распространенностью технологий их утилизации, малой плотностью пенополистиролов, крупнотоннажностью производства, широким распространением и сравнительно невысокими сроками эксплуатации упаковочных пенополистиролов. Полистирол, получаемый из указанных отходов в результате растворения, обладает хорошей адгезией к измельченным древесным отходам, что способствует высокой прочности получаемых композиционных изделий.

Количество вводимых добавок также влияет на достижение поставленных задач.

При содержании отходов пенополистирола в составе сырьевой смеси в количестве менее 17,1 мас. % в получаемом композиционном материале наблюдается недостаток связующего, что затрудняет равномерное распределение связующего в объеме сырьевой смеси при перемешивании, приводит к расслоению изделий, резкому снижению их прочности и водостойкости при повышении разбухания в воде. При повышении содержания отходов пенополистирола от 17,1 до 25 мас. % происходит повышение прочностных характеристик и жесткости изделий, снижается водопоглощение материала. При содержании отходов пенополистирола в количестве свыше 25 мас. % у получаемого композиционного материала происходит незначительные дальнейшие повышение прочности и снижение водопоглощения по сравнению с меньшим содержанием отходов пенополистиролов в указанном выше интервале. При этом наблюдается избыток связующего, приводящий к излишней вязкости сырьевой смеси, прилипанию сырьевой смеси к формующей оснастке и потере формы изделиями при извлечении из формующей оснастки.

Метилен хлористый технический вводится в состав сырьевой смеси в количестве, которое зависит от количества используемых отходов пенополистирола и должно обеспечить вязкость раствора, достаточную для эффективного перемешивания и формования без преждевременного затвердевания полимера. При соотношении отходы пенополистирола: метилен хлористый технический менее 1: 2 получаемый раствор обладает высокой вязкостью и малым временем улетучивания растворителя, что не позволяет получить изделия с достаточными для качественных изделий эксплуатационными свойствами и приводит к расслоению изделий. При соотношении отходы пенополистирола: метилен хлористый технический более 1:3 получаемый раствор обладает излишней текучестью, что осложняет переработку сырьевой смеси и приводит к недостатку связующего в получаемых композиционных изделиях.

Таким образом, обоснованность и преимущества заявляемого изобретения могут быть подтверждены путем измерения физико-механических и эксплуатационных показателей композиционных изделий, полученных на основе сырьевой смеси с содержанием измельченных древесных отходов в количестве от 20,0 до 38,2 мас. %, отходов пенополистирола в количестве от 17,1 до 25,0 мас. % и метилена хлористого технического в количестве от 41,2 до 60 мас. %.

Реализация заявляемого изобретения предпочтительна по следующей технологии: предварительно измельченные отходы пенополистирола смешивают с метиленом хлористым техническим в заданных соотношениях, а полученный раствор перемешивают с предварительно измельченными и высушенными до постоянной массы древесными отходами до однородной сырьевой смеси. Полученную сырьевую смесь формуют при удельном давлении, не превышающем 8,2 МПа, с последующей термической обработкой получаемых изделий при температуре не менее 40°С в течение 30-180 мин в зависимости от габаритов изделий, количества раствора связующего и содержания в нем отходов пенополистирола.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами:

1. К 25 мас. % измельченных древесных отходов добавляют 25 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 50 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;

2. К 22,7 мас. % измельченных древесных отходов добавляют 22,7 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 54,6 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;

3. К 31,3 мас. % измельченных древесных отходов добавляют 20,8 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 47,9 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;

4. К 20 мас. % измельченных древесных отходов добавляют 20 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 60 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии;

5. К 36,7 мас. % измельченных древесных отходов добавляют 19,8 мас. % отходов пенополистирола, растворенных в 43,5 мас. % метилена хлористого технического, и получают композиционный материал по указанной выше технологии.

Свойства материалов, полученных с использованием известного и предлагаемого составов сырьевой смеси, приведены в таблице 1.

Источники информации:

1. Патент на изобретение №2641827, кл. C08L 97/02, 2018

2. Патент на изобретение №2655989, кл. C08L 97/02, C08L 23/06, 2018

3. Патент на изобретение №2162828, кл. С04В 28/30, 2001

4. Патент на изобретение №2596027, кл. С04В 33/132, С04В 33/16, С04В 38/06, 2016

Сведения об авторах:

1. Колосова Анастасия Сергеевна, магистрант, 153042, Ивановская обл., Ивановский р-н, д. Боевик, д. 42, кв. 1, e-mail: anastasiya_kolosova_777@mail.ru

2. Сокольская Мария Константиновна, магистрант, 601144, Владимирская обл., Петушинский р-н, г.Петушки, ул. Лесная, д. 20, кв. 11, е-mail: ouoy@bk.ru

3. Пикалов Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры XT, 600014, г.Владимир, ул. Белоконской, д. 136, кв. 47, e-mail: evgeniy-pikalov@mai 1.ru

4. Селиванов Олег Григорьевич, инженер - исследователь кафедры БиЭ, 600014, г.Владимир, ул. Белоконской, д. 6, кв. 56, e-mail: selivanov6003@mail.ru