Биостойкий теплоизоляционный материал на основе модифицированного недревесного растительного сырья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Содомон Марк

• Содомон Марк
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Содомон Марк

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Теплоизоляционные материалы на основе недревесного растительного сырья

1.2. Экологические аспекты использования растительного сырья для производства ТИМ

1.3. Основные проблемы применения недревесного растительного сырья для производства ТИМ

1.4. Основные теоретические предпосылки для формирования структуры ТИМ с использованием биомассы стеблей борщевика Сосновского

Выводы по главе

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Материалы, использованные для получения биостойкого теплоизоляционного материала

2.2. Методы и методики исследования

Выводы по главе

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НЕДРЕВЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ, МОДИФИЦИРОВАННОГО МОНОЭТАНОЛАМИН^^В)-ТРИГИДРОКСИБОРАТОМ

3.1. Анализ химического, компонентного составов и структуры клеточных стенок борщевика Сосновского после модификации

3.2. Термический анализ модифицированных и не модифицированных стеблей борщевика Сосновского

3.3. Биостойкость исходных и модифицированных измельченных стеблей борщевика Сосновского

Выводы по главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА БИОСТОЙКОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО

МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИЗМЕЛЬЧЕННЫХ

СТЕБЛЕЙ БОРЩЕВИКА СОСНОВСКОГО

4.1. Исследование совместимости модифицированных стеблей борщевика Сосновского с полимерными связующими

4.2. Адгезионная прочность разработанных биостойких теплоизоляционных материалов

4.3. Теплофизические свойства разработанных биостойких теплоизоляционных материалов

4.4. Математический анализ теплофизических свойств разработанных теплоизоляционных материалов

4.4.1. Теплоизоляционные изделия с использованием полиуретанового связующего

4.4.2. Теплоизоляционные изделия с использованием ПВА-связующего

4.5. Биостойкость разработанных теплоизоляционных материалов

4.6. Термический анализ разработанных биостойких теплоизоляционных материалов

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ПРОИЗВОДСТВА РАЗРАБОТАННОГО БИОСТОЙКОГО ТИМ

5.1. Технологическая схема производства биостойкого ТИМ на основе модифицированных стеблей БС и полиуретаного связующего

5.2. Опытно-промышленная апробация разработанного биостойкого теплоизоляционного материала

5.3. Экономическая эффективность применения разработанного биостойкого теплоизоляционного материала

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А: Заключение по оценке биостойкости образцов стеблей

борщевика Сосновского

ПРИЛОЖЕНИЕ Б: Заключение по оценке биостойкости образцов композитных

материалов на основе модифицированных стеблей борщевика Сосновского

ПРИЛОЖЕНИЕ В: Патент на полезную модель

ПРИЛОЖЕНИЕ Г: Акт о промышленной апробации результатов исследований на

предприятии АО «Апрелевский завод теплоизделий»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования обусловлена требованиями к повышению энергосбережения и энергоэффективности строительной отрасли в соответствии с комплексной государственной программой РФ, утвержденной постановлением Правительства №1473 от 9 сентября 2023 г. С точки зрения экологической безопасности в рамках концепции «зеленого строительства» актуальной задачей является эффективное использование растительного сырья (РС) для создания экологически безопасных теплоизоляционных материалов (ТИМ) для строительной индустрии. Экономически целесообразно производить ТИМ вблизи объектов их потребления, что снижает транспортные издержки, а это, в свою очередь, побуждает к вовлечению в производство местного сырья. В Московской области широко распространен инвазивный вид борщевика Сосновского (БС), пористые стебли которого могут быть использованы в качестве исходного сырья для производства ТИМ. На территории республики Бенин широко распространен другой вид сорного растения с похожей структурой стеблей - Ятрофа куркас. Стебли Ятрофы куркас могут служить сырьем для производства биостойких ТИМ в республике Бенин по технологической схеме, разработанной в ходе диссертационного исследования.

Существующие технологии производства строительных

теплоизоляционных материалов на основе недревесного растительного сырья позволяют создавать новое поколение эффективных материалов без вреда для окружающей среды. Особенности структуры основного компонента растительного сырья (целлюлозы) определяют технические характеристики и функциональные возможности разрабатываемых теплоизоляционных композитов. Улучшение технических свойств целлюлозного наполнителя, обеспечение биостойкости и повышение термостабильности ТИМ достигается химической модификацией исходного сырья. Применение для этих целей инвазивного вида борщевика Сосновского позволит не только снизить себестоимость конечного продукта по сравнению с аналогами, но и улучшить экологическую обстановку в

агроэкосистеме Московской области, решить проблему её фитосанитарной стабилизации.

Степень разработанности темы. Анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы показал большой интерес промышленности к разработке тепловой изоляции на основе биосырья и ее значительный потенциал как альтернативы синтетической и минеральной теплоизоляции. Значительный вклад в разработку технологии производства и применения ТИМ на основе РС внесли отечественные и зарубежные ученые, такие как Шевелев В. И., Лапшин П. А., Розов. В. А., Вербестль Д., Танский В. В., Курдюмова В. М., Ульбрихт Х., Качурин С.В., Гуськов И. М., Симонов В. И., Стравчинский А.И., Замесова И. Ф., Румако Т.К.,Склизков Н.И., Колексников В.С., Солдатов Д. А., Хозин В.Г., Агахади М., Ашур Т., Корженич А., Мерсье Д., Ла Роза А. D., Вэй К. Бушиэ Р., Бюссон Б., Кормье Б., Делер А., Фарх С, Легийон Ф., Галлаузио Т., Федулло Д., Маньонт К., Нозахич В. В работах вышеперечисленных ученых не рассмотрены биостойкость и теплофизические свойства ТИМ на основе модифицированных моноэтаноламин^^В)-тригидроксиборатом (МЭАТГБ) измельченных стеблей борщевика Сосновского и полимерных связующих, а также совместимость компонентов в составе ТИМ.

В диссертационной работе принята научная гипотеза согласно которой получение биостойкого ТИМ на основе местного недревесного растительного сырья может быть основано на химической модификации измельченных стеблей борщевика Сосновского водным раствором МЭАТГБ с последующей сушкой и прессованием в теплоизоляционные плиты заданных размеров с применением полимерного связующего.

Объект исследования - теплоизоляционный материал на основе модифицированных стеблей борщевика Сосновского и полимерного связующего.

Предмет исследования - компонентный и химический состав, структура, биостойкость и теплофизические свойства ТИМ на основе БС, модифицированного МЭАТГБ; совместимость модифицированного БС с полимерными связующими; адгезионная прочность компонентов в составе

полученных композитов; термический анализ полученных ТИМ.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является разработка научно обоснованного технологического решения, обеспечивающего получение биостойкого теплоизоляционного материала на основе модифицированных стеблей борщевика Сосновского и полимерного связующего. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные научные и практические задачи:

• провести анализ методов увеличения биостойкости РС и повышения эксплуатационных характеристик ТИМ на их основе, сформулировать требования к таким материалам;

• повысить стойкость измельченных стеблей БС к биокоррозии путем химической модификации МЭАТГБ и определить оптимальные параметры модификации недревесного РС;

• исследовать совместимость модифицированного растительного сырья с полимерными связующими, оценить адгезионную прочность между компонентами в составе ТИМ, провести оптимизацию составов и структуры теплоизоляционных композитов;

• определить основные характеристики процесса термоокислительного разложения модифицированных стеблей БС и композитов на их основе;

• установить основные закономерности изменения теплофизических свойств ТИМ на основе модифицированного БС и полимерных связующих в зависимости от состава и структуры полученных композитов;

• разработать технологическую схему производства биостойких ТИМ на основе модифицированных стеблей БС и полимерного связующего, дать рекомендации по применению разработанных ТИМ;

• выполнить опытно-промышленную апробацию разработанного биостойкого ТИМ и обосновать целесообразность его применения в строительном комплексе РФ.

Научная новизна работы

• Научно обоснована и экспериментально доказана возможность получения биостойкого теплоизоляционного материала на основе модифицированных стеблей БС и полимерного связующего. Установлено, что оптимальными условиями химической модификации стеблей БС является использование 30%-ного раствора МЭАТГБ при температуре 25°С и продолжительности модификации - 30 минут.

• Путем расчета величин поверхностного натяжения, параметров растворимости Гильдебранда и молярного объема элементарного звена модифицированной МЭАТГБ целлюлозы БС проведена оценка совместимости модифицированного недревесного РС с полиуретановым, ПВА связующими и казеиновым клеем.

• Экспериментально установлены зависимости теплофизических свойств, биостойкости и термической стабильности от состава и структуры композитов на основе модифицированного недревесного РС и полимерных связующих. Разработан эффективный ТИМ на основе модифицированных МЭАТГБ стеблей БС и полиуретанового связующего, обладающий 100%-ной биостокостью, теплопрводностью 0,05 Вт/(м°С), прочностью при сжатии и изгибе 0,40 и 1,32 МПа, соответственно.

Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы. Получены новые теоретические и экспериментальные данные, дополняющие представления о зависимости состава пористого недревесного РС от условий химической модификации, концентрации модификатора, температуры и продолжительности процесса модификации. Расширены теоретические представления о структуре атомных группировок при расчете совместимости полимеров: определении величин поверхностного натяжения (у), параметра растворимости Гильдебранда (5) и молярного объема (V), необходимых для анализа совместимости. Получены зависимости теплофизических свойств, биостойкости и термической стабильности ТИМ на основе БС от их химического состава и структуры.

Практическая значимость состоит в разработке состава и экономически

целесообразной технологической схемы производства биостойкого теплоизоляционного материала на основе недревесного РС, МЭАТГБ и полимерного связующего, обладающего высокими эксплуатационными характеристиками; выполнении опытно-промышленной апробации разработанного биостойкого ТИМ; снижении инвазивной нагрузки на агроэкосистемы за счет изъятия вегетативной массы БС для производства ТИМ.

Методология диссертационного исследования.

Методологической и теоретической основой диссертации являлись результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных отечественными и зарубежными учеными в области получения теплоизоляционных материалов из растительного сырья. Для изучения биостойких ТИМ на основе измельченных стеблей БС применен комплекс физико-химических методов исследования с использованием современного высокотехнологичного оборудования.

Положения, выносимые на защиту:

• научное обоснование возможности создания биостойкого ТИМ на основе модифицированных МЭАТГБ стеблей БС и полимерного связующего;

• экспериментальные данные о процессе химической модификации МЭАТГБ клеточных стенок растительного сырья и его влиянии на состав, структуру, биостойкость и термическую стабильность измельченных стеблей БС;

• результаты расчетов совместимости модифицированной биомассы стеблей БС с полиуретановым, ПВА связующими и казеиновым клеем, а также результаты экспериментальной проверки расчетов;

• экспериментальные данные о теплофизических характеристиках, биостойкости и термостойкости ТИМ на основе модифицированного недревесного растительного сырья и полимерных связующих, оптимизация состава биостойкого теплоизоляционного материала с использованием методов математического анализа;

• технологические решения по производству биостойкого ТИМ на основе модифицированного недревесного растительного сырья и полиуретанового связующего, результаты опытно-промышленной апробации.

Степень достоверности результатов.

Высокая степень достоверности результатов исследования обусловлена широким спектром экспериментальных исследований с использованием современных методов исследования и сертифицированного современного высокотехнологичного оборудования, с достаточной воспроизводимостью результатов исследований, с учетом требований нормативных документов российских и зарубежных стандартов; применением математических и статистических инструментов анализа данных, согласованностью полученных результатов с известными фактами и исследованиями других ученых.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биостойкий теплоизоляционный материал на основе модифицированного недревесного растительного сырья»

Апробация работы.

Результаты и основные выводы диссертации были представлены и обсуждались на следующих научно-прикладных мероприятиях. Первой Всероссийской научной конференции, посвящённой 90-летию выдающегося учёного-материаловеда, академика РААСН Ю.М. Баженова, «Строительное материаловедение: настоящее и будущее», 01-02 октября 2020г, НИУ МГСУ, Москва, Россия. Международной научной конференции XXIV International Scientific conference on Advance In Civil Engineering, construction the formation of living environment (FORM-2021), 22-24 Апреля 2021г, НИУ МГСУ, Москва, Россия. Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы строительного материаловедения», 21-24 июля 2021г, БГУ им. Доржи Банзарова, Улан-Удэ, Россия. II Всероссийской научной конференции «Строительное материаловедение: настоящее и будущее», 18-19 ноября 2021г., НИУ МГСУ, Москва, Россия. II и III национальной конференций «Актуальные проблемы строительной отрасли и образования», 8 декабря 2021г. и 19 декабря 2022г, НИУ МГСУ, Москва, Россия. III международной научной конференции «Социотехническое гражданское строительство» (STCCE-2022), 21 - 29 апреля

2022г., КазГАСУ, Казань, Россия. XVI Международной научно-практической конференции «Перспективы развития строительного комплекса: образование, наука, бизнес», 27-28 октября 2022г., АГАСУ, Астрахань, Россия. VIII Международной научной конференции «Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании», 10-11 ноября 2022г., НИУ МГСУ, Москва, Россия. Национальной научно-технической конференции Мытищинского филиала МГТУ им. Н. Э. Баумана по итогам научно-исследовательских работ за 2022 год, 30 января — 1 февраля 2023 г., Московская обл., Россия. Международной научно-технической конференции «Строительная наука и образование в интегрированном пространстве с новыми регионами российской федерации» 12 апреля 2023г., НИУ МГСУ, Москва, Россия. VIII Всероссийской научно-практической конференция «Инженерное дело на Дальнем Востоке России», 7 августа 2023 г., ДВФУ, Владивосток, Россия. Международный научно-практический симпозиум «Будущее строительной отрасли: вызовы и перспективы развития», 18-22 сентября 2023г., НИУ МГСУ, Москва, Россия.

Личный вклад автора состоит в планировании и выполнении экспериментальных исследований; математической обработке и интерпритации полученных результатов; определении оптимального режима модификации недревесного растительного сырья; в определении комплекса мероприятий по практическому применению результатов работы и практической апробации разработанного материала.

Публикации. Материалы диссертационного исследования достаточно полно представлены в 17 научных работах, среди которых 7 статей опубликованы в журналах, входящих в Перечень ВАК рецензируемых научных изданий, в которых, согласно действующим нормам, должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук; 3 работы опубликованы в журналах, индексируемых международными реферативными базами Scopus и Web of Science, получен 1 патент на полезную модель - Биостойкий теплоизоляционный композит на основе растительного сырья Гераизол.

Объем и структура диссертации. Диссертация занимает 164 страницы машинописного текста и включает в себя введение, основную часть из пяти глав, заключение, список использованной литературы из 162 источников и четыре приложения. В работе представлена 41 таблица и 50 рисунков.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, канд. техн. наук, доценту Степиной Ирине Васильевне; заведующему кафедрой Строительного материаловедения НИУ МГСУ, доктору техн. наук, профессору Самченко Светлане Васильевне; доктору техн. наук, профессору Ушкову Валентину Анатольевичу и коллективу кафедры Строительного материаловедения за постоянную поддержку и помощь, оказанную во время выполнения диссертационной работы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Теплоизоляционные материалы на основе недревесного растительного

сырья

Растительное сырье издавна широко использовалось для производства строительных материалов различного функционального назначения. Недревесное растительное сырье в основном применяют в качестве кровельных и теплоизоляционных материалов. Одним из интересных примеров в этой области является материал, получивший название "морозин", предложенный В. И. Шевелевым в 1912 году [1]. «Морозин» представлял собой теплоизоляционное изделие, созданное из механически и химически обработанных волокон льняной костры, сформированных в виде прессованных плит. Этот ТИМ являлся одним из первых экспериментов в области использования льняной костры в качестве сырья для производства строительных теплоизоляционных материалов.

В период с 1928 по 1932 годы было разработано множество инновационных теплоизоляционных материалов, которые для своего времени представляли собой настоящие достижения. Среди них стоит выделить такие ТИМ как страмит, камышит, материалы на основе пробки, магнезиальный фибролит, торфоизоляционные плиты и многие другие [2]. В 1930 г. Московским институтом сооружений были разработаны технологии изготовления строительных изделий из древесины, известная как арболит, а также из соломы -инсорит [3]. ВНИИЖС разработаны фрагмит из камыша и инжилит из древесины [4]. Камышит представляет собой ТИМ, выпускающийся в виде плит на основе стеблей камыша, которые прессуются на специальной установке, прошиваются проволокой и торцуются. В зависимости от расположения стеблей, плиты могут быть продольным и поперечными. Следует отметить, что плотность камышита варьировалась в пределах от 175 до 250 кг/м3 в зависимости от степени уплотнения, коэффицент теплопроводимости (Л) находится в диапазоне от 0.046

до 0.093 Вт/(м-К), а прочность камышита при изгибе составляет 0.1-0.5 МПа.

В 1947 году в Бельгии на предприятии "Линекс" была запущена первая установка для получения плит из льняных частиц. Указанная компания совместно с немецкой фирмой "Зимпелькам" обеспечила оборудованием шесть заводов в Бельгии, Франции, Голландии и Польше. В 1950 году стартовало производство плит из льняной костры [5]. Костра льна представляет собой измельченные и обработанные стебли льна-долгунца длиной 1-10 мм и толщиной 0,3-1,5 мм, имеющие заостренную форму. Этот материал после тщательной сушки абсолютно лишен влаги. Поскольку структура льна представлена волокнами, они обладают стойкостью к различным погодным явлениям, в том числе повышенной влажности и перепадам температур. Для соединения волокон льна использовали составы на основе мочевиноформальдегидных смол. К 1957 году, производство плит из льняной костры осуществлялось на 15 заводах Европы. Такой рост производства обусловлен использованием в качестве сырьевого материала доступных отходов от обработки льна [6]. Автор работы [7] отметила, что благодаря применению метода горячего прессования, заводы стали производить как однослойные, так и трёхслойные плиты различной толщины плотностью от 500 до 750 кг/м3. Однако, различные загрязнения, такие как пыль (от 3 до 8 %), корни (от 9 до 16 %), отчесы (от 2,5 до 5 %) и семена (от 0,5 до 1,5 %), негативно влияют на прочность теплоизоляционных плит.

В середине 1950-х годов Ханс Ульбрихт (H. Ulbricht) проводил исследования, направленные на производством плит из льняного кострища [8]. Автором была выпущена партия плит, изготовленная с помощью мочевиноформальдегидной смолы марки "Urecol-E", содержание которой в общей массе сухого состава составляло 8%. В этот период были созданы и плиты из хвойной стружки и отходов сахарного тростника. Плотность ТИМ варьировались

-5

в интервале от 580 до 620 кг/м . Отто Готфри (Otto Gottfried) из ФРГ предложил метод изготовления строительных плит с применением измельченной соломы [9]. Процесс производства ТИМ включал этапы отделения соломы от посторонних включений, ее измельчения и последующего высушивания до влажности 8-10%,

смешиванием с полиэфирной смолой и последующим горячим прессования под давлением от 5 до 8 МПа [9].

Важный вклад внесли в развитие этой области С. В. Качурина и А. И. Авенасова. Их исследования способствовали развитию технологии изготовления органических волокнистых стройматериалов. Благодаря сочетанию разработанных авторами производственных методов и изучению зарубежного опыта в СССР были организованы первые крупные предприятия, специализирующиеся на производстве органических теплоизоляционных стройматериалов. В 1936 г. начал работу Новобелицкий завод по производству изоляционных плит, а в 1937 г. запустили производственную линию по изготовлению органической сухой гипсовой штукатурки [10-13]. В первой половине XX столетия в СССР начали активно производить теплоизоляционные

-5

материалы на основе льняной костры плотностью более 400 кг/м . На тот момент основной акцент делался на т. н. "сухой" методике, которая предусматривала смешивание исходных компонентов, уплотнение материала и последующую просушку изделий [14]. Однако настоящий прорыв в использовании костры льна для производства теплоизоляции произошел в 1952-1953 годах благодаря исследованиям, проведенных А.Н. Отливанчиком, В.Ф. Жигалковичем и другими. В ходе этих исследований были разработаны лабораторные методы производства теплоизоляционных плит с диапазоном плотностей от 400 до 450 кг/м3 [15-16].

В 1958 году на Ново-Минском пенькозаводе был организован цех по производству теплоизоляционных плит из костры конопли. Эти плиты создавались с использованием фенолформальдегидных смол, добавляемых в количестве до 15% от массы сухой костры. Для придания гидрофобных свойств добавлялось 1% канифоли или парафина а прессование проводило при температуре от 170 до 180°С и удельном давлении от 2 до 2,2 МПа. Средняя плотность теплоизоляционных изделий составляла от 700 до 750 кг/м3, а прочность при изгибе - от 1,2 до 1,5 МПа. В 1959 году на Псковской мебельной фабрике была разработана технология производства плит из льняной костры с применением мочевиноформальдегидной смол. Горячее прессование изделий

осуществляли при удельном давлении 1,4 МПа. Производительность цеха составляла 590 тонн в год, а плиты применялись для производства мебели и теплоизоляции [6, 17].

В 1970-х годах Н.И. Склизков и В.И. Симонов исследовали технологию производства теплоизоляционных плит из льняной костры методом горячего прессования, используя в качестве связующих карбамидные смолы, фенолоспирты, огнеупорные и кирпичные глины. Авторами созданы образцы плит с плотностью до 400 кг/м3 [18-19]. В 1975 году В.С. Колесниковым была исследована возможность производства страмит-плит из разнообразных растительных отходов (пшеничная и рисовая солома, стебли хлопчатника, камыш), а также теплоизоляционных материалов из отдубины и шрота (отходы от переработки солодкового корня) [20].

Производство ТИМ на основе растительных отходов продолжает активно развиваться. Так, например, в Финляндии растительные отходы широко используют для производства сыпучих и плитных материалов [21], а в Швеции применяют макулатуру в качестве сырья для производства материалов, используемых в качестве основания для монолитных покрытий пола [22]. В Германии разработана технология получения материала на основе опилок и соломы, заменяющего стекловату, пеностекло, газобетон и пенополиуретан. Этот материал, названный STEICO, представлен в разнообразных вариантах (Unterdach, Therm, Boden) и применяется для изоляции крыш, перекрытий, стен и других частей зданий [23].

В Австрии разработана технология переработки различных растительных отходов с добавлением синтетического связующего методом периодического прессования или экструзии в трубы, балки и другие профили [24]. Изделия подвергают механической обработке и окрашиванию для улучшения их внешнего вида. В Бельгии из отходов бумажной промышленности и полимерных связующих производят отделочные строительные панели толщиной до 40 мм [25]. В Дании запатентован метод получения разнообразных композиционных материалов, включающих шерстяное волокно и полимерные связующие [26]. В

Японии термопластичные полимеры используются в качестве связующего, а растительные отходы (рисовая лузга, тарный картон) - в качестве наполнителя для производства листов шириной 1000 мм и толщиной от 1,5 до 3,5 мм. Эти листы затем используют для изготовления объемных изделий методом вакуум-прессования [27].

В России также возросла потребность в теплоизоляционных материалах на основе растительных отходов [28]. Авторы работы [29] разработали состав и технологию вовлечения различных растительных отходов в переработку, что значительно расширяет энергоресурсный потенциал производства теплоизоляционных материалов на основе естественных биополимеров. Авторами определены основные теплофизические свойства теплоизоляционных плит на основе жидкого стекла и различенных растительных отходов. Проведенные исследования наглядно демонстрируют потенциал в создании плитных ТИМ, включая измельченную солому, стебли подсолнечника и кукурузы.

Работа авторов [30] посвящена современному состоянию теплоизоляционных материалов природного происхождения из возобновляемых ресурсов. В работе отмечается, что чрезмерное потребление ископаемого топлива стимулирует производство промышленной продукции из возобновляемых источников. Эта тенденция особенно заметна в строительной отрасли, где рынок ТИМ на основе природных компонентов заметно расширяется. Совершенствование технологий производства, долговечность и устойчивость к воздействию вредных факторов делают ТИМ на основе природных материалов более конкурентоспособными.

В последние десятилетия рынок теплоизоляционных материалов на основе природных компонентов значительно вырос, что требует более точной классификации этих материалов в соответствии с их эксплуатационными свойствами. При этом выделяют следующие группы [30]: вновь открытые материалы (пробка, древесная шерсть, древесноволокнистые плиты, камыш, тюки соломы, лен, конопля); недавно появившиеся материалы (овечья шерсть, целлюлозная изоляция, хлопок, кокосовое волокно, морская трава); материалы на

стадии эксперимента (кукурузные стебли, початки кукурузы, пальмовое волокно, волокна кенафа, стебли подсолнечника). Эти материалы близки по своим характеристикам к традиционным материалам. На текущий момент доля вновь открытых материалов составляет 57% рынка теплоизоляционных материалов на основе природных компонентов, а недавно появившиеся материалы занимают 43% (особенно целлюлозная изоляция) [30]. Эти пропорции могут измениться в будущем в соответствии с растущей популярностью таких материалов.

Авторы работы [31] оценивают технологии строительства и тип связующего, используемого для производства теплоизоляционных панелей, что позволяет критически проанализировать перспективы развития данного сектора строительства. Авторами работы показано, что натуральные материалы по своим тепловым и акустическим характеристикам сопоставимы с промышленными синтетическими ТИМ. В частности, побочные продукты сельского хозяйства, используемые для теплоизоляции зданий, могут оказывать положительное влияние на выбросы С02. В работе [32] рассмотрено применение стеновых и теплоизоляционных материалов в "зеленом" строительстве. Зеленый бетон — это новый энергосберегающий материал, получивший широкое распространение в строительстве. Следует отметить, что строительные материалы, пригодные для вторичной переработки, позволяют утилизировать отходы и обеспечивают экологически чистое решение проблемы строительных отходов. Несмотря на то, что разработка и применение "зеленых" строительных материалов сталкиваются со многими проблемами, они вносят большой вклад в устойчивое развитие и защиту городской среды. Одним из выводов данного исследования является то, что в некоторых регионах мира широкое распространение получили природные изоляционные материалы, позволяющие снизить стоимость возведения стен за счет экономии материалов для стеновых конструкций.

В статье [33] рассматрен потенциал использования натуральных волокон и биоотходов в строительной индустрии для создания экологичных строительных изделий. Биоотходы, в том числе побочные продукты сельскохозяйственного производства, многочисленны и часто приводят к экологическим проблемам при

их утилизации. Использование этих материалов для производства ДСП, изоляционных плит, кладочных блоков и строительных растворов, может служить экологически эффективным решением проблемы их утилизации. Для дальнейшего исследования автором были выбраны биоотходы, получаемые при производстве оливкового масла и вина, фундука и кофе. Анализ их химического состава показал перспективность использования этих материалов в качестве композиционных строительных материалов. Однако для полного раскрытия их возможностей требуются дополнительные исследования. В статье подчеркивается влияние различных отходов агропромышленного комплекса (целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина, экстрактивных и воскообразных веществ и золы) на свойства композиционных материалов. Это подчеркивает необходимость дальнейшего исследования характеристик биоотходов как сырья для принятия обоснованных решений при выборе исходных материалов для производства ТИМ. Использование природных отходов в строительных изделиях часто снижает плотность и теплопроводность изделий, повышает их пористость, что позволяет говорить о потенциальных преимуществах ТИМ с точки зрения энергоэффективности. Однако в работе [33] отсутствует информация о теплопроводности и водопоглощении таких материалов. Следует отметить, что работа [33] подчеркивает значение биоотходов как ценного ресурса для производства экологичных строительных материалов и изделий. Авторами работы [34] проведен анализ ТИМ для энергосбережения в зданиях и сооружениях, подчеркнута важность этих материалов для снижения энергопотребления, а также выбросов С02 в окружающую среду через стены зданий. Таким образом, анализ научно-технической литературы показал, что для удовлетворения потребности в тепловом комфорте на систему кондиционирования воздуха приходится наибольшая доля общего потребления энергии. Поэтому для решения этой задачи самым простым и эффективным способом энергосбережения является применение в жилом, коммерческом и промышленном секторах эффективных ТИМ, повышающих термическое сопротивление ограждающих конструкций. Важно отметить, что использование

эффективной тепловойизоляции в современном строительстве не только экономит энергию и затраты на строительство, но и способствует сокращению выбросов парниковых газов. Следует отметить, что в указанных публикациях недостаточное внимание уделено экологическому аспекту применения ТИМ на основе растительного сырья.

1.2. Экологические аспекты использования растительного сырья для

производства ТИМ

Одной из главных проблем XXI века является глобальное потепление. Энергетический переход во всем мире и, особенно, в промышленно-развитых странах ЕС, Китая, Россия и США несомненно, является одной из главных проблем ближайших лет, особенно для строительного сектора. Этот вопрос входит в рамки стратегии устойчивого развития, который должен объединить экономические, социальные и экологические проблемы. Наиболее широко используемым определением устойчивого развития является определение, данное в 1987 году в докладе Брандиллана "Наше общее будущее" [35], которое гласит, что "устойчивое развитие — это такая форма развития, которая удовлетворяет потребности настоящего времени, не ставя под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности". Устойчивое развитие означает развитие наших обществ таким образом, чтобы планета могла поддерживать их в долгосрочной перспективе. Сегодняшние модели роста не являются устойчивыми, т.к не учитывают ресурсы планеты. Поэтому их необходимо переформулировать, что означает работу, с одной стороны, над экономией энергии, а с другой - над использованием возобновляемых источников энергии [36].

С 1990-х годов влияние деятельности человека на окружающую природную среду связывают с изменением климата, которое наблюдается с начала индустриальной эпохи и ускорилось со второй половины 20-го века [37]. Изменения климата проявляются, в частности, в повышении общей температуры планеты или более частых экстремальных погодных явлениях, что приводит к

перемещению населения и исчезновению некоторых видов животных и растений. Это привело к растущему осознанию влияния человеческой деятельности на климат, кульминацией которого стали Киотские соглашения 1997 года [38], в которых 83 страны обязались сократить выбросы парниковых газов (ПГ) не менее чем на 5% в период с 2008 по 2012 год по сравнению с уровнем 1990 года. Несмотря на эти обязательства, последние прогнозы повышения глобальной температуры к 2100 году составляют порядка 3-4°С. Парижские соглашения 2015 года [39] позволили увеличить обязательства по сокращению выбросов ПГ. Они носят более юридически обязывающий характер и охватывают практически все страны планеты. Поэтому необходимо постоянно сокращать выбросы ПГ.

На строительную отрасль приходится примерно 19% глобальных выбросов парниковых газов [40]. Эти выбросы, связаны в основном с использованием энергии для отопления зданий. Так, например, 44% энергии, потребляемой во Франции, используется в строительном секторе [41]. Существует два вида энергии: серая энергия и энергия потребления. Серая энергия — это энергия, необходимая для производства материалов, их транспортировки, строительства зданий, и их обслуживания, демонтажа и переработки. Потребительская энергия — это энергия, используемая непосредственно пользователями здания для освещения, приготовления пищи, работы приборов, отопления и охлаждения здания.

Фактически, чрезмерное использование энергии в зданиях приводит к потреблению большого количества энергии для кондиционирования воздуха и отопления в результате роста населения в городских районах [42]. Это постоянно растущее потребление энергии еще больше способствует увеличению выбросов парниковых газов в атмосферу. Поэтому возникла проблема управления теплообменом между внутренними помещениями зданий и внешней окружающей средой. Теплоизоляция стен, полов и потолков создает комфортный микроклимат для пользователей, улучшая их самочувствие. Привлекательность окружающей среды зависит от большого количества факторов, в частности от экологических факторов, таких как качество среды проживания. Доступ к качественной

окружающей среде и доступной энергии являются важными факторами экономического, социального и экологического развития страны.

Страны тропической Африки, включая Бенин, характеризуются большим количеством солнечного света и, следовательно, жарким, влажным или сухим климатом [43-44]. В большинстве этих стран традиционные методы строительства все чаще заменяют импортными архитектурными стандартами, которые не подходят для жаркого климата, что приводит к негативным последствиям [45]. Поэтому улучшение среды обитания становится важной задачей, которую необходимо решить для обеспечения качества жизни людей. Для достижения этой цели, строительный сектор должен пересмотреть свою строительную политику и внедрить подход устойчивого развития. Строительная промышленность использует такие ТИМ, как стекловата, пенополистирол, каменная вата и т.д., которые не подлежат повторной переработке (кроме ППС) и требуют много энергии для их производства. Это усиливает их долгосрочное воздействие на окружающую природную среду. Учитывая вышеизложенное, становится целесообразным использование местного растительного сырья (экоматериалов) для улучшения энергетических характеристик гражданских зданий и, соответственно, для решения проблемы энергоэффективности зданий и сооружений.

Большая озабоченность состоянием окружающей среды стимулирует развитие так называемых материалов на биооснове. Биоматериал — это материал, полученный из растительной биомассы (конопля, лен, кенаф, хлопок, джут, солома, рами, кокосовое волокно, сизаль, багасса и т.д.) или биомассы животных (шерсть, перья, паучий шелк, кожа и т.д.). Это возобновляемое сырье является широкодоступным ресурсом во всем мире. Поэтому отходы сельского и лесного хозяйства, другие виды растительной биомассы считаются биосырьем. Среди возобновляемых материалов важную роль играют растительные волокна, а их использование быстро растет (+40% с 2012 года) благодаря их высоким физико-химическим характеристикам. Наиболее часто в технологии производства ТИМ используют древесные, льняные, конопляные и пробковые волокна. Ожидается,

что тепловая изоляция на их основе составит 13% от общего объема теплоизоляции к 2030 г [46]. Эффективность использования ТИМ из биосырья основана на трех факторах:

- их применение безопасно для здоровья населения в отличие от искусственных изоляционных материалов, например, стекловаты, которые могут представлять угрозу здоровью (аллергия на коже и респираторной системы);

- они наносят меньший вред окружающей среде, поскольку подлежат повторной переработке и могут быть возобновлены. Большинство растительных волокон обладают годовым циклом обновления. В контексте "углеродного отпечатка" биоресурсная изоляция лучше, чем обычная, с нейтральным либо даже отрицательным "углеродным отпечатком";

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Содомон Марк, 2024 год

Библиография

1. Патент на изобретение И1Г 2075206. Способ получения органического теплоизоляционного материала на основе льняной костры. Опубликовано: 10 031007

2. Патент на изобретение К11 2622654 С. Теплоизоляционный материал Опубликовано: 10.06.2017.

3. Патент на полезную модель И1) 1386801)1. Теплоизоляционная древесноволокнистая плита. Опубликовано: 20.03.2014

4. Патент на изобретение 1Ш 2421327 С|. Огнсбиозашитный состав *Ксилостат" Опубликовано: 20.06.2011.

Формула полезной модели

Биостойкая теплоизоляционная плита на основе растительного сырья, включающая измельченные до размеров 5 мм и модифицированные биоогнезашидиым составом стебли борщевика Сосновского. полиурстановос связующее, растительное сырье спрессовано с использованием полиурстаноаого связующего при соотношении растительного сырья к полиурстановому связующему, равном 3:1 по массе.

тк-»Т1рии гкЫсгмЬс гет йр» .«1к71'Ов=В1ТМЛ1>хЛи1Ы«:г=:П4?МЫ>1кГ|1с=1игп1 3 4

Ыцк: ncwipuiirejMlerviloc-vitw l^K_ier.lcl',De=lllTM*DofNun*cr=:n4a)4T>peFilc=tainl

ПРИЛОЖЕНИЕ Г: Акт о промышленной апробации результатов исследований на предприятии АО «Апрелевский завод теплоизделий»

В Полное юридическое наименование: акционерное общество -апрелевский завод теплоизделий' £ Руководитель: генеральный директор хромова вера викторовна

УТВЕРЖДАЮ:

I ИНН/КПП: 5030043547/503001001 „ _ _

' , Генеральный директор

Адрес 143360 г. Апрелевка. ул. Парковая, д 1: Телефон [phone] до «Апрелевский завод

I / у^У&ЖХ хртаоиздеяий» х/^УгЪ^г Хромова В.В.

«22» марта 2024г.

АКТ

о выпуске опытно-промышленной партии бностонкнх теплоизоляционных плит на основе модифицированного растительного сырья (измельченных стеблей борщевика Сосновского) и полиурстанового связующего

Мы, нижеподписавшиеся, главный инженер АО «Апрелевский завод теплоизделий» Сидоров А.П., и.о. начальника цеха теплоизоляционных изделий Усачев В.В., кандидат технических наук, доцент кафедры Строительного материаловедения Национального исследовательского Московского государственного строительного университеты (НИУ МГСУ) Степнна И.В., аспирант кафедры Строительного материаловедения ИИУ МГСУ Содомон М. составили настоящий акт о том, что в период с 11 по 22 марта 2024г. в цехе теплоизоляционных изделий АО «Апрелевский завод теплоизделий» по технологии НИУ МГСУ была изготовлена опытно-промышленная партия биостойких теплоизоляционных плит размером 60x80x5 см на основе измельченных и модифицированных моноэтаноламии(М->В)-трнгидроксиборатом стеблей борщевика Сосновского и полиурстанового связующего объемом 5,8 м .

Производство теплоизоляционных плит включало следующие технологические операции: измельчение стеблей борщевика Сосновского до размеров частиц не более 5 мм, модификацию их 30%-ным водным раствором моноэтаноламнн(Ы-^В)-тригидроксибората и сушку модифицированного сырья при температуре 95-100 °С до постоянной массы. Модифицированное и высушенное растительное сырье смешивали с иолиуретановым связующим в соотношении 3:1 (по массе), укладывали в пресс-формы и прессовали при температуре 20-25 °С под нагрузкой 20 кПа в течение 5-6 минут. Онрессованныс теплоизоляционные плиты затем поступали на склад готовой продукции.

Средняя плотность образцов опытно-промышленной партии теплоизоляционных изделий составила 185-195 кг/м\ прочность при сжатии - 0,38-0,40 МПа, коэффициент теплопроводности - 0,055-0,057 Вт/м °С, диапазон рабочих температур от минус 25°С до плюс 50°С.

От АО «Апрелевский завод теплоизделий»

От НИУ МГСУ

Каф. Строительного материаловедения

/Сидоров А.П./ 1/уС /Усачев В.В./

/Степина И.В / /Содомон М./