Экспериментальные исследования теплофизических свойств теплоизоляционного материла пенополистирола, обработанного водным раствором жидкого стекла и жаропрочного клея с добавлением негорючих добавок
|
РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ 10
1.1 Открытие пенополистирола 10
1.2 Достоинства использования 11ПС в строительстве 10
1.2.1 Теплофизические свойства 11ПС 12
1.3 Недостатки использования 11ПС в строительстве 16
1.4 Анализ нормативной документация 17
1.5 Анализ предыдущих исследований 21
1.5.1 Патентный поиск 21
1.5.2 Экспериментальные авторские исследования 22
2 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 27
2.1 Выбор базового вещества и способа обработки 27
2.2.1 Шпаклевка финишная белая полимерная «Vetonit» 28
2.2.2 Пескобетон М200 28
2.2.3 Смесь кладочная глино-шамотная жаростойкая «Терракот» 29
2.2.4 Смесь штукатурная высокопрочная жаростойкая «Терракот» 29
2.2.5 Огнеупорная кладочная смесь «Терракот» 29
2.2.6 Побелка садовая «Гарантсервис» 30
2.2.7 Финишная шпатлевка латексная «Лакра» 30
2.2.8 Глина для лепки 30
2.2.9 Глина каолиновая 31
2.3 Оценка выгорания обработанных образцов ИПС 31
2.4 Адгезия 36
2.4.1 Методы проверки адгезии 37
2.4.2 Оценка адгезионных свойств покрытий методом Х-образного
надреза 39
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИ И ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ
ПЕНОПОЛИСТИРОЛА, ОБРАБОТАННОГО ОГНЕЗАЩИТНЫМИ
ПОКРЫТИЯМИ 44
3.1 Исследование теплопроводности пенополистирола, обработанного
огнезащитными составами 44
3.1.1 Обработка составами образцов ППС 44
3.1.2 Измерение теплопроводности обработанных образцов 45
3.1.3 Проведение испытания 46
3.2 Определение теплового сопротивления 48
3.3 Исследование водопоглощения пенополистирола, обработанного
огнезащитными составами 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 58
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ 10
1.1 Открытие пенополистирола 10
1.2 Достоинства использования 11ПС в строительстве 10
1.2.1 Теплофизические свойства 11ПС 12
1.3 Недостатки использования 11ПС в строительстве 16
1.4 Анализ нормативной документация 17
1.5 Анализ предыдущих исследований 21
1.5.1 Патентный поиск 21
1.5.2 Экспериментальные авторские исследования 22
2 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 27
2.1 Выбор базового вещества и способа обработки 27
2.2.1 Шпаклевка финишная белая полимерная «Vetonit» 28
2.2.2 Пескобетон М200 28
2.2.3 Смесь кладочная глино-шамотная жаростойкая «Терракот» 29
2.2.4 Смесь штукатурная высокопрочная жаростойкая «Терракот» 29
2.2.5 Огнеупорная кладочная смесь «Терракот» 29
2.2.6 Побелка садовая «Гарантсервис» 30
2.2.7 Финишная шпатлевка латексная «Лакра» 30
2.2.8 Глина для лепки 30
2.2.9 Глина каолиновая 31
2.3 Оценка выгорания обработанных образцов ИПС 31
2.4 Адгезия 36
2.4.1 Методы проверки адгезии 37
2.4.2 Оценка адгезионных свойств покрытий методом Х-образного
надреза 39
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИ И ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ
ПЕНОПОЛИСТИРОЛА, ОБРАБОТАННОГО ОГНЕЗАЩИТНЫМИ
ПОКРЫТИЯМИ 44
3.1 Исследование теплопроводности пенополистирола, обработанного
огнезащитными составами 44
3.1.1 Обработка составами образцов ППС 44
3.1.2 Измерение теплопроводности обработанных образцов 45
3.1.3 Проведение испытания 46
3.2 Определение теплового сопротивления 48
3.3 Исследование водопоглощения пенополистирола, обработанного
огнезащитными составами 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 58
Актуальность темы: На сегодняшний день одним из широко применяемых материалов является пенополистирол, который распространен в самых разных сферах нашей жизнедеятельности благодаря своим характеристикам, сочетающих прочностные и теплоизоляционные свойства, легкость в обработке и переработке, низкую стоимость, отсутствие угрозы пыления. Но основным недостатком является его пожароопасность - при горении пенополистирол быстро воспламеняется и распространяет огонь, увеличивая вероятность усиления пожара.
В соответствии с Конституцией РФ, ТК РФ и Федеральным законом от 21.12.1994 N 69-ФЗ (ред. от 28.11.2015) - обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших функций государства [1-3].
Именно поэтому для такого материала необходимо применять эффективные огнезащитные покрытия, чтобы максимально увеличить время до возгорания пенополистирола при начале горения. При рассмотрении эффективности покрытий важным остается сохранение или улучшение теплофизических свойств пенополистирола.
В данной работе рассмотрена актуальность проведения экспериментальных исследований теплофизических свойств теплоизоляционного материала пенополистирола после обработки огнезащитными покрытиями.
Цель работы: исследование изменения теплофизических свойств
теплоизоляционного материала - пенополистирола после обработки его огнезащитными составами.
Реализация цели требует постановки и решения следующих основных задач исследования:
1. Подбор и анализ литературных источников:
- нормативная документация;
- патентный поиск;
- современные исследования.
2. Подбор покрытий огнезащитных составов на основе водного раствора жидкого стекла и жаропрочного клея с различными добавками для образцов пенополистирола разных марок:
- обработка образцов составами;
- экспериментальное определение показателей пожароопасности у обработанных образцов: горючести, воспламеняемости, дымообразования;
- экспериментальные исследования теплопроводности, теплоемкости и теплостойкости у образцов ППС с нанесенными покрытиями;
- экспериментальные исследование водопоглощения и теплового сопротивления у обработанных образцов.
3. Анализ полученных результатов.
Объектом исследования: теплоизоляционный материал пенополистирол (ППС).
Предмет исследования: теплофизические свойства пенополистирола, его водопоглощение и тепловое сопротивление после обработки огнезащитными составами на основе водного раствора жидкого стекла и жаростойкого клея с негорючими добавками.
Научная новизна: состоит в доказательстве того, что пенополистирол
является пожароопасным материалом - при горении можно выделить три фазы: твердая, жидкая и газообразная, что отличает этот материал от других твердых теплоизоляционных материалов, поэтому пенополистиролу необходима огнезащита; предложены огнезащитные составы, снижающие пожароопасность пенополистирола; проведено исследования изменение теплоизоляционных свойств ППС, его водогопоглощение и тепловое сопротивление после покрытия составами; предложена методика оценки пожароопасности и теплофизических свойств ППС, обработанного огнезащитными составами на основе водного раствора жидкого стекла и жаропрочного клея с негорючими добавками.
Апробация результатов исследования: результаты работы представлены на:
Международная научно-практическая конференция «Наука сегодня: проблемы и пути решения», г. Вологда ( 2016г );
XXI Всероссийская студенческая научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы безопасности современного мира», г. Иркутск (апрель 2016г);
III этап Всероссийской студенческой олимпиады по безопасности жизнедеятельности, г. Москва ( апрель 2016 г.). По итогам олимпиады работа завоевала Диплом I степени;
LVI Международной научно-практическая конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», ЧГАА, г. Челябинск (февраль 2017 г.);
XXII Всероссийская студенческая научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы экологической и промышленной безопасности современного мира», г.Иркутск (апрель 2017г.). По итогам конференции работа завоевала Диплом I степени;
IV Всероссийская студенческая конференция (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», г.Челябинск,
(апрель 2017г);
Всероссийская научная конференция-конкурс студентов выпускного курса, г.Санкт-Петербург (март 2018г.).
Публикации: по материалам диссертации опубликованы 9 статей.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка.
Объем работы: содержит 61 страницу машинописного текста, 21 таблицу, 21 рисунок. Библиографический список включает 50 источников.
В соответствии с Конституцией РФ, ТК РФ и Федеральным законом от 21.12.1994 N 69-ФЗ (ред. от 28.11.2015) - обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших функций государства [1-3].
Именно поэтому для такого материала необходимо применять эффективные огнезащитные покрытия, чтобы максимально увеличить время до возгорания пенополистирола при начале горения. При рассмотрении эффективности покрытий важным остается сохранение или улучшение теплофизических свойств пенополистирола.
В данной работе рассмотрена актуальность проведения экспериментальных исследований теплофизических свойств теплоизоляционного материала пенополистирола после обработки огнезащитными покрытиями.
Цель работы: исследование изменения теплофизических свойств
теплоизоляционного материала - пенополистирола после обработки его огнезащитными составами.
Реализация цели требует постановки и решения следующих основных задач исследования:
1. Подбор и анализ литературных источников:
- нормативная документация;
- патентный поиск;
- современные исследования.
2. Подбор покрытий огнезащитных составов на основе водного раствора жидкого стекла и жаропрочного клея с различными добавками для образцов пенополистирола разных марок:
- обработка образцов составами;
- экспериментальное определение показателей пожароопасности у обработанных образцов: горючести, воспламеняемости, дымообразования;
- экспериментальные исследования теплопроводности, теплоемкости и теплостойкости у образцов ППС с нанесенными покрытиями;
- экспериментальные исследование водопоглощения и теплового сопротивления у обработанных образцов.
3. Анализ полученных результатов.
Объектом исследования: теплоизоляционный материал пенополистирол (ППС).
Предмет исследования: теплофизические свойства пенополистирола, его водопоглощение и тепловое сопротивление после обработки огнезащитными составами на основе водного раствора жидкого стекла и жаростойкого клея с негорючими добавками.
Научная новизна: состоит в доказательстве того, что пенополистирол
является пожароопасным материалом - при горении можно выделить три фазы: твердая, жидкая и газообразная, что отличает этот материал от других твердых теплоизоляционных материалов, поэтому пенополистиролу необходима огнезащита; предложены огнезащитные составы, снижающие пожароопасность пенополистирола; проведено исследования изменение теплоизоляционных свойств ППС, его водогопоглощение и тепловое сопротивление после покрытия составами; предложена методика оценки пожароопасности и теплофизических свойств ППС, обработанного огнезащитными составами на основе водного раствора жидкого стекла и жаропрочного клея с негорючими добавками.
Апробация результатов исследования: результаты работы представлены на:
Международная научно-практическая конференция «Наука сегодня: проблемы и пути решения», г. Вологда ( 2016г );
XXI Всероссийская студенческая научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы безопасности современного мира», г. Иркутск (апрель 2016г);
III этап Всероссийской студенческой олимпиады по безопасности жизнедеятельности, г. Москва ( апрель 2016 г.). По итогам олимпиады работа завоевала Диплом I степени;
LVI Международной научно-практическая конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», ЧГАА, г. Челябинск (февраль 2017 г.);
XXII Всероссийская студенческая научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы экологической и промышленной безопасности современного мира», г.Иркутск (апрель 2017г.). По итогам конференции работа завоевала Диплом I степени;
IV Всероссийская студенческая конференция (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», г.Челябинск,
(апрель 2017г);
Всероссийская научная конференция-конкурс студентов выпускного курса, г.Санкт-Петербург (март 2018г.).
Публикации: по материалам диссертации опубликованы 9 статей.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка.
Объем работы: содержит 61 страницу машинописного текста, 21 таблицу, 21 рисунок. Библиографический список включает 50 источников.
Пенополистирол (ППС) является одним из лучших теплоизоляторов, оставляющим далеко позади себя в соотношении цена/качество все прочие строительные материалы. Сочетание прочностных и теплоизоляционных свойств, легкость в обработке и переработке, низкая стоимость позволяет использовать этот материал в качестве тепловой изоляции отдельных элементов строительных конструкций и промышленного оборудования.
Пенополистирол, несмотря на все свои преимущества, является горючим и токсичным материалом. Обладает высокой дымообразующей способностью и сильным плавлением, что приводит к быстрому распространению огня.
Пожары, обусловленные воспламенением и горением полимерных материалов, ежегодно наносят большой ущерб различным отраслям экономики.
В ходе работы было выявлено, что, несмотря на существенное усиление требований безопасности с 2016 года к горючему строительному материалу пенополистиролу, остаются неоднозначности требований по оценке его пожарно - технических показателей. Это отражается и в анализе сертификатов пожарной безопасности производителей на плиты из 11С и экспертных исследований, которые выявили различия по оценкам классов горючести, токсичности и воспламеняемости плит из пенополистирола. Следовательно, учитывая высокий спрос на этот материал при строительстве зданий эконом-класса, остаются актуальными задачи по разработке дополнительных защитных мер при его применении, а также по разработке возможных способов снижения пожароопасных свойств этого материала.
1атентный поиск и результаты дипломной работы выявили один из эффективных способов снижения горючести - это применение огнезащитных покрытий на основе огнестойких негорючих наполнителей.
В дипломной работе была предложена методика по оценке пожарнотехнических показателей по оценке степени выгорания, плавления и опасности дымообразования. Для оценки плава образцов, которая проводилась визуально, была разработана шкала от сильного плава до отсутствия плава. Оценка опасности дымообразования включает в себя контроль продуктов сгорания по фенолу, формальдегиду и саже, которые характеризуют процессы протекания горения. Затем была проведена оценка сажеобразования по шкале градаций серого. Таким образом оценка выгорания, плавления и опасности дымообразования выявила лучшие составы - это водные растворы с жидким стеклом.
В диссертационной работе применялась поверхностная обработка образцов. Этот способ дешевле, проще в производстве, не требует сложного оборудования и много времени на производство работ.
Базовый состав пропитывающих веществ для огнезащитных составов выбирался исходя из их стоимости, доступности, возможности образования защитной пленки на поверхности ППС, а также исходя из результатов дипломных исследований.
В ходе диссертационной работы была проведена обработка образцов составами на основе водного раствора жаростойкого клея с негорючими добавками. Определены степени выгорания обработанных образцов. Так как образцы имели высокую степень выгорания, то в базовый состав было решено добавить жидкое стекло.
Далее эксперимент проводился с водным раствором жидкого стекла в пропорциях 50% на 50%, с добавлением в него высокопрочного плиточного клея, и в этот раствор вводились вещества-добавки.
Для оценки эффективности огнезащитных покрытий была предложена комплексная оценка, учитывающая:
- адгезию покрытий,
- степени выгорания образцов,
- визуальная оценка плавления
- коэффициента теплопроводности,
- теплового сопротивления,
- водопоглощения.
Была проверена степень выгорания образцов и адгезия составов к пенополистиролу. Был сделан вывод, что огнезащитные покрытия на основе жаростойкого клея и водного раствора жидкого стекла с добавками имеют низкую (плохую) адгезию покрытия к поверхности материала, но при этом снижают горючесть пенополистирола, уменьшают плавление образцов.
Проведено исследование теплопроводности, водопоглощения и теплового сопротивления у обработанных образцов.
Исследование теплофизических свойств огнезащитных покрытий на измерителе теплопроводности ИТС-1 показало, что коэффициент теплопроводности пенополистирола, также как и тепловое сопротивление, изменяется не существенно, поэтому пенополистирол, обработанный предложенными огнезащитными составами сохранит высокие показатели теплофизических свойств.
Водопоглощение образцов, покрытых составами на основе водных растворов жаростойкого клея и жидкого стекла, имеет, хоть и не значительное по величине, но отрицательное значение. Это объясняется тем, что пластификаторы, модифицированные добавки и поверхностно-активные вещества, входящие в состав клея и глины, способны незначительно растворяться в воде. Кроме того, учитывая низкую адсорбционную способность покрытий (см. таблица 14), под действием воды может происходить частичное его отслаивание. Однако даже эти факторы не оказывают существенного влияния на огнезащитные свойства покрытий, которые при повторных испытаниях сохраняют свою первоначальную эффективность.
На основании результатов проведенных исследований установлено, что применение негорючих и жаростойких материалов в составах огнезащитных покрытий, обеспечивает снижение пожарной опасности и не влияет на физические и теплофизичиские свойства пенополистирола.
Было экспериментально установлено, что с помощью нанесения покрытий на основе жидкого стекла можно улучшить пожарно-технические показатели пенополистирола (Ш1С), при этом не изменяя его теплофизические свойства.
Пенополистирол, несмотря на все свои преимущества, является горючим и токсичным материалом. Обладает высокой дымообразующей способностью и сильным плавлением, что приводит к быстрому распространению огня.
Пожары, обусловленные воспламенением и горением полимерных материалов, ежегодно наносят большой ущерб различным отраслям экономики.
В ходе работы было выявлено, что, несмотря на существенное усиление требований безопасности с 2016 года к горючему строительному материалу пенополистиролу, остаются неоднозначности требований по оценке его пожарно - технических показателей. Это отражается и в анализе сертификатов пожарной безопасности производителей на плиты из 11С и экспертных исследований, которые выявили различия по оценкам классов горючести, токсичности и воспламеняемости плит из пенополистирола. Следовательно, учитывая высокий спрос на этот материал при строительстве зданий эконом-класса, остаются актуальными задачи по разработке дополнительных защитных мер при его применении, а также по разработке возможных способов снижения пожароопасных свойств этого материала.
1атентный поиск и результаты дипломной работы выявили один из эффективных способов снижения горючести - это применение огнезащитных покрытий на основе огнестойких негорючих наполнителей.
В дипломной работе была предложена методика по оценке пожарнотехнических показателей по оценке степени выгорания, плавления и опасности дымообразования. Для оценки плава образцов, которая проводилась визуально, была разработана шкала от сильного плава до отсутствия плава. Оценка опасности дымообразования включает в себя контроль продуктов сгорания по фенолу, формальдегиду и саже, которые характеризуют процессы протекания горения. Затем была проведена оценка сажеобразования по шкале градаций серого. Таким образом оценка выгорания, плавления и опасности дымообразования выявила лучшие составы - это водные растворы с жидким стеклом.
В диссертационной работе применялась поверхностная обработка образцов. Этот способ дешевле, проще в производстве, не требует сложного оборудования и много времени на производство работ.
Базовый состав пропитывающих веществ для огнезащитных составов выбирался исходя из их стоимости, доступности, возможности образования защитной пленки на поверхности ППС, а также исходя из результатов дипломных исследований.
В ходе диссертационной работы была проведена обработка образцов составами на основе водного раствора жаростойкого клея с негорючими добавками. Определены степени выгорания обработанных образцов. Так как образцы имели высокую степень выгорания, то в базовый состав было решено добавить жидкое стекло.
Далее эксперимент проводился с водным раствором жидкого стекла в пропорциях 50% на 50%, с добавлением в него высокопрочного плиточного клея, и в этот раствор вводились вещества-добавки.
Для оценки эффективности огнезащитных покрытий была предложена комплексная оценка, учитывающая:
- адгезию покрытий,
- степени выгорания образцов,
- визуальная оценка плавления
- коэффициента теплопроводности,
- теплового сопротивления,
- водопоглощения.
Была проверена степень выгорания образцов и адгезия составов к пенополистиролу. Был сделан вывод, что огнезащитные покрытия на основе жаростойкого клея и водного раствора жидкого стекла с добавками имеют низкую (плохую) адгезию покрытия к поверхности материала, но при этом снижают горючесть пенополистирола, уменьшают плавление образцов.
Проведено исследование теплопроводности, водопоглощения и теплового сопротивления у обработанных образцов.
Исследование теплофизических свойств огнезащитных покрытий на измерителе теплопроводности ИТС-1 показало, что коэффициент теплопроводности пенополистирола, также как и тепловое сопротивление, изменяется не существенно, поэтому пенополистирол, обработанный предложенными огнезащитными составами сохранит высокие показатели теплофизических свойств.
Водопоглощение образцов, покрытых составами на основе водных растворов жаростойкого клея и жидкого стекла, имеет, хоть и не значительное по величине, но отрицательное значение. Это объясняется тем, что пластификаторы, модифицированные добавки и поверхностно-активные вещества, входящие в состав клея и глины, способны незначительно растворяться в воде. Кроме того, учитывая низкую адсорбционную способность покрытий (см. таблица 14), под действием воды может происходить частичное его отслаивание. Однако даже эти факторы не оказывают существенного влияния на огнезащитные свойства покрытий, которые при повторных испытаниях сохраняют свою первоначальную эффективность.
На основании результатов проведенных исследований установлено, что применение негорючих и жаростойких материалов в составах огнезащитных покрытий, обеспечивает снижение пожарной опасности и не влияет на физические и теплофизичиские свойства пенополистирола.
Было экспериментально установлено, что с помощью нанесения покрытий на основе жидкого стекла можно улучшить пожарно-технические показатели пенополистирола (Ш1С), при этом не изменяя его теплофизические свойства.
