Экспериментальные исследования теплофизических свойств теплоизоляционного материла пенополистирола, обработанного водным раствором жидкого стекла и плиточного клея с негорючими добавками
|
РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ НОРМАТИВНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ 9
1.1 Развитие производства пенополистирола 9
1.2 Область применения пенополистирола 10
1.3 Анализ требований нормативной документации по пожарнотехническим показателям пенополистиролов 12
1.4 Анализ предыдущих исследований 16
1.4.1 Патентный поиск 16
1.4.2 Экспериментальные исследования на возможность снижения
горючести и дымообразования пенополистирола 16
2 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 24
2.1 Адгезионные свойства покрытий 24
2.2 Отсеивающий эксперимент 27
2.2.1 Исследование адгезии 36
2.2.2 Исследование показателей водопоглощения 38
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА, ОБРАБОТАННОГО
ОГНЕЗАЩИТНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ 43
3.1 Теплофизические свойства материалов 43
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 58
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ НОРМАТИВНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ 9
1.1 Развитие производства пенополистирола 9
1.2 Область применения пенополистирола 10
1.3 Анализ требований нормативной документации по пожарнотехническим показателям пенополистиролов 12
1.4 Анализ предыдущих исследований 16
1.4.1 Патентный поиск 16
1.4.2 Экспериментальные исследования на возможность снижения
горючести и дымообразования пенополистирола 16
2 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 24
2.1 Адгезионные свойства покрытий 24
2.2 Отсеивающий эксперимент 27
2.2.1 Исследование адгезии 36
2.2.2 Исследование показателей водопоглощения 38
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА, ОБРАБОТАННОГО
ОГНЕЗАЩИТНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ 43
3.1 Теплофизические свойства материалов 43
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 58
Введение новых требований [14] по теплозащите зданий привело к широкому использованию различных теплоизоляционных материалов. Самую большую нишу - до 80 % - занял наиболее распространенный в настоящее время
теплоизоляционный материал - пенополистирол (1П1С), являющийся одним из представителей класса пенопластов [3].
Сочетание прочностных и теплоизоляционных свойств, легкость в обработке и переработке позволяет использовать этот материал в качестве тепловой изоляции отдельных элементов строительных конструкций и промышленного оборудования, а также успешно заменить дефицитные и дорогостоящие материалы. Однако пенополистирол и его производные обладают одним существенным недостатком - высокой горючестью и выделением токсичных веществ [17, 25].
В соответствии с Конституцией РФ, ТК РФ и Федеральным законом от 21.12.1994 № 69-ФЗ (ред. от 28.11.2015) «О пожарной безопасности» -
обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших функций государства [1,2].
Один из эффективных способов снижения горючести - это применение огнезащитных покрытий на основе огнестойких негорючих наполнителей. В ранее проведенных работах [25,26,27,46] были экспериментально изучены и рекомендованы наиболее эффективные огнезащитные составы, позволяющие снизить пожароопасность ППС - исключить плавление материала, уменьшить степень выгорания и время самостоятельного горения. Но неизвестно, как эти составы повлияют на адгезионные свойства покрытий, теплофизические и физические свойства пенополистирола.
Цель работы: исследование пожароопасных и теплофизических свойств пенополистирола, обработанного предлагаемыми огнезащитными составами.
Реализация цели требует постановки и решения следующих основных задач исследования:
- анализ литературных источников по применению пенополистиролов;
- исследование возможности снижения пожарно-технических показателей Ш1С с помощью покрытий;
- анализ полученных результатов и отбор лучших и доступных покрытий;
- исследование пожарно-технических показателей 1111С. обработанного отобранными покрытиями;
- исследование теплофизических свойств 1111С. обработанного отобранными покрытиями.
Объектом исследования: выступают образцы марки 1П1С-20 и Ш1С-30 подготовленные в соответствии с ГОСТ 15588-2014.
Предмет исследования: пожароопасные и теплофизические свойства пенополистирола после обработки огнезащитными составами на основе водного раствора жидкого стекла и жаропрочного клея с негорючими добавками.
Научная новизна: выявление экспериментальным путем составов,
способных улучшить пожарно-технические показатели пенополистирола, но при этом, не снижая теплофизические свойства материала.
Апробация результатов исследования: результаты работы представлены на LVI Международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», ЮУрГАУ, г. Челябинск (февраль 2017 г.); XXII-ой Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием «Проблемы экологической и промышленной безопасности современного мира», ИРНИТУ, г. Иркутск (апрель 2017 г.); IV-ой Всероссийской студенческой конференции (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», ЮУрГУ, г. Челябинск (апрель 2017 г.).
Публикации: по материалам диссертации опубликованы: статья в сборнике XXI-ой Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием «Проблемы безопасности современного мира», ИРНИТУ, г. Иркутск (апрель 2016 г.), с. 131-133; статья в сборнике IV-ой Всероссийской студенческой конференции (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», ЮУрГУ, г. Челябинск (апрель 2016 г.), с. 381-387; статья в сборнике международной научнопрактической конференции «Наука сегодня: проблемы и пути решения», Диспут, г. Вологда, (март 2016 г.), с. 60-61; статья в научном журнале «Modern science», г. Москва (октябрь 2016 г.), с. 22-26; статья в сборнике: «Достижения науки - агропромышленному производству», ЮУрГАУ, г. Челябинск (февраль 2017 г.), с. 159-165; статья в сборнике XXII-ой Всероссийской студенческой научнопрактической конференции с международным участием «Проблемы экологической и промышленной безопасности современного мира», ИРНИТУ, г. Иркутск (апрель 2017 г.), с. 291-293; статья в сборнике IV-ой Всероссийской студенческой конференции (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», ЮУрГУ, г. Челябинск (апрель 2017 г.), с. 251-255; две статьи в журнале, входящий в перечень ВАК: «Вестник ЮУрГУ, г. Челябинск (ноябрь 2017 г.), с. 44-49; «Вестник ЮУрГУ, г. Челябинск (февраль 2018 г.), с. 47-50.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка.
Объем работы: содержит 62 страницы машинописного текста, 18 таблиц, 25 рисунков. Библиографический список включает 54 источника.
теплоизоляционный материал - пенополистирол (1П1С), являющийся одним из представителей класса пенопластов [3].
Сочетание прочностных и теплоизоляционных свойств, легкость в обработке и переработке позволяет использовать этот материал в качестве тепловой изоляции отдельных элементов строительных конструкций и промышленного оборудования, а также успешно заменить дефицитные и дорогостоящие материалы. Однако пенополистирол и его производные обладают одним существенным недостатком - высокой горючестью и выделением токсичных веществ [17, 25].
В соответствии с Конституцией РФ, ТК РФ и Федеральным законом от 21.12.1994 № 69-ФЗ (ред. от 28.11.2015) «О пожарной безопасности» -
обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших функций государства [1,2].
Один из эффективных способов снижения горючести - это применение огнезащитных покрытий на основе огнестойких негорючих наполнителей. В ранее проведенных работах [25,26,27,46] были экспериментально изучены и рекомендованы наиболее эффективные огнезащитные составы, позволяющие снизить пожароопасность ППС - исключить плавление материала, уменьшить степень выгорания и время самостоятельного горения. Но неизвестно, как эти составы повлияют на адгезионные свойства покрытий, теплофизические и физические свойства пенополистирола.
Цель работы: исследование пожароопасных и теплофизических свойств пенополистирола, обработанного предлагаемыми огнезащитными составами.
Реализация цели требует постановки и решения следующих основных задач исследования:
- анализ литературных источников по применению пенополистиролов;
- исследование возможности снижения пожарно-технических показателей Ш1С с помощью покрытий;
- анализ полученных результатов и отбор лучших и доступных покрытий;
- исследование пожарно-технических показателей 1111С. обработанного отобранными покрытиями;
- исследование теплофизических свойств 1111С. обработанного отобранными покрытиями.
Объектом исследования: выступают образцы марки 1П1С-20 и Ш1С-30 подготовленные в соответствии с ГОСТ 15588-2014.
Предмет исследования: пожароопасные и теплофизические свойства пенополистирола после обработки огнезащитными составами на основе водного раствора жидкого стекла и жаропрочного клея с негорючими добавками.
Научная новизна: выявление экспериментальным путем составов,
способных улучшить пожарно-технические показатели пенополистирола, но при этом, не снижая теплофизические свойства материала.
Апробация результатов исследования: результаты работы представлены на LVI Международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», ЮУрГАУ, г. Челябинск (февраль 2017 г.); XXII-ой Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием «Проблемы экологической и промышленной безопасности современного мира», ИРНИТУ, г. Иркутск (апрель 2017 г.); IV-ой Всероссийской студенческой конференции (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», ЮУрГУ, г. Челябинск (апрель 2017 г.).
Публикации: по материалам диссертации опубликованы: статья в сборнике XXI-ой Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием «Проблемы безопасности современного мира», ИРНИТУ, г. Иркутск (апрель 2016 г.), с. 131-133; статья в сборнике IV-ой Всероссийской студенческой конференции (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», ЮУрГУ, г. Челябинск (апрель 2016 г.), с. 381-387; статья в сборнике международной научнопрактической конференции «Наука сегодня: проблемы и пути решения», Диспут, г. Вологда, (март 2016 г.), с. 60-61; статья в научном журнале «Modern science», г. Москва (октябрь 2016 г.), с. 22-26; статья в сборнике: «Достижения науки - агропромышленному производству», ЮУрГАУ, г. Челябинск (февраль 2017 г.), с. 159-165; статья в сборнике XXII-ой Всероссийской студенческой научнопрактической конференции с международным участием «Проблемы экологической и промышленной безопасности современного мира», ИРНИТУ, г. Иркутск (апрель 2017 г.), с. 291-293; статья в сборнике IV-ой Всероссийской студенческой конференции (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», ЮУрГУ, г. Челябинск (апрель 2017 г.), с. 251-255; две статьи в журнале, входящий в перечень ВАК: «Вестник ЮУрГУ, г. Челябинск (ноябрь 2017 г.), с. 44-49; «Вестник ЮУрГУ, г. Челябинск (февраль 2018 г.), с. 47-50.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка.
Объем работы: содержит 62 страницы машинописного текста, 18 таблиц, 25 рисунков. Библиографический список включает 54 источника.
Быстрый темп развития строительной индустрии и ужесточение требований к теплозащите конструкций зданий и сооружений требует применения наиболее эффективных утеплителей. Популярность использования пенополистирола обусловлена его физико-химическими свойствами, легкостью в обработке и переработке и относительно низкой стоимостью в сравнении с другими теплоизоляционными материалами. Именно поэтому рост потребления пенополистирола в мире с каждым годом растет.
Однако, серьезные недостатки, такие как сильная горючесть, дымообразование и достаточно быстрое распространение пламени могут привести к материальным и людским потерям.
В данной выпускной квалификационной работе было выявлено, что не смотря на постоянный спрос на полимерные плиты, существует неоднозначность требований по оценке пожарно-технических показателей пенополистирола. Но зная методы и способы снижения горючести, а также правильное применение и расположение пенополистирола в конструкции, возможно грамотно сочетать безопасность и практичность.
В результате проведенного патентного поиска и экспериментальных исследований было установлено, что эффективный способ снижения горючести - это применение огнезащитных покрытий на основе огнестойких негорючих наполнителей. Для отбора огнезащитных составов был проведен отсеивающий эксперимент. Так как при горении ППС наблюдается 3 фазы горения, где твердая фаза очень быстро переходит в плав и дым, то была предложена методика по оценке пожарно-технических показателей по оценке 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.
Выбор базовых веществ для дальнейшей работы основывался на результатах ранее проведенных дипломных исследований, а также стоимости, доступности и возможности снижения пожароопасности пенополистирола.
Экспериментальная часть проводились по следующим этапам:
1. Отбор и подготовка огнезащитных составов.
2. Нанесение на поверхность образцов ППСподготовленных составов и композиций с помощью кисти.
3. Сушка образцов при комнатной температуре (21 oC) в течение суток.
4. Оценка адгезионных свойств покрытий: визуальная оценка (степень сцепления с поверхностью ППС) и опытная оценка.
5. Огневое испытание образцов на пламени спиртовой горелки.
6. Оценка результатов огневых испытаний: визуальная оценка устойчивости покрытия при огневом испытании, оценка степени выгорания и наличия плавления у образцов ППС.
7. Оценка показателей водопоглощения.
8. Анализ полученных результатов.
Так как при огневых испытаниях образцов ППС, покрытых составами на основе водного раствора плиточного клея, наблюдалось отслоение и осыпание покрытия практически на всех образцах, а также 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.
Проведенные исследования в рамках работы позволили выявить эффективные огнезащитные составы - это составы на основе водных растворов плиточного клея с добавлением жидкого стекла и введением в них негорючих добавок- наполнителей, таких как Vetonit и глина каолиновая. Независимо от плотности пенополистирола, они обеспечивают устойчивость покрытия при огневом испытании, а именно высокую степень сцепления покрытия с поверхностью материала. Качество покрытия проверялось методом Х-образного надреза, после оценки адгезии составы на основе водных растворов плиточного клея с добавлением жидкого стекла с добавкой Vetonit составила 2 балла, а с добавление каолиновой глины - 0 баллов. Это означает, что у составов прочная сила сцепления, т.е. они обладают высокой адгезией к поверхности материала
Другим важным показателем строительных материалов является водопоглощение. Водопоглощение образцов, покрытых составами на основе водных растворов плиточного клея и жидкого стекла, имеет, хоть и не значительное по величине, но отрицательное значение (-0,38-0,11%). Нанесение таких покрытий на поверхность материала обеспечит защиту материала от проникновения воды во влажных условиях эксплуатации.
Исследование теплофизических свойств огнезащитных покрытий на измерителе теплопроводности ИТС-1 показало, что коэффициент теплопроводности пенополистирола, также как и тепловое сопротивление, изменяется на (0-0,002) единицы, что не существенно, поэтому пенополистирол сохранит высокие показатели теплофизических свойств.
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.
Однако, серьезные недостатки, такие как сильная горючесть, дымообразование и достаточно быстрое распространение пламени могут привести к материальным и людским потерям.
В данной выпускной квалификационной работе было выявлено, что не смотря на постоянный спрос на полимерные плиты, существует неоднозначность требований по оценке пожарно-технических показателей пенополистирола. Но зная методы и способы снижения горючести, а также правильное применение и расположение пенополистирола в конструкции, возможно грамотно сочетать безопасность и практичность.
В результате проведенного патентного поиска и экспериментальных исследований было установлено, что эффективный способ снижения горючести - это применение огнезащитных покрытий на основе огнестойких негорючих наполнителей. Для отбора огнезащитных составов был проведен отсеивающий эксперимент. Так как при горении ППС наблюдается 3 фазы горения, где твердая фаза очень быстро переходит в плав и дым, то была предложена методика по оценке пожарно-технических показателей по оценке 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.
Выбор базовых веществ для дальнейшей работы основывался на результатах ранее проведенных дипломных исследований, а также стоимости, доступности и возможности снижения пожароопасности пенополистирола.
Экспериментальная часть проводились по следующим этапам:
1. Отбор и подготовка огнезащитных составов.
2. Нанесение на поверхность образцов ППСподготовленных составов и композиций с помощью кисти.
3. Сушка образцов при комнатной температуре (21 oC) в течение суток.
4. Оценка адгезионных свойств покрытий: визуальная оценка (степень сцепления с поверхностью ППС) и опытная оценка.
5. Огневое испытание образцов на пламени спиртовой горелки.
6. Оценка результатов огневых испытаний: визуальная оценка устойчивости покрытия при огневом испытании, оценка степени выгорания и наличия плавления у образцов ППС.
7. Оценка показателей водопоглощения.
8. Анализ полученных результатов.
Так как при огневых испытаниях образцов ППС, покрытых составами на основе водного раствора плиточного клея, наблюдалось отслоение и осыпание покрытия практически на всех образцах, а также 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.
Проведенные исследования в рамках работы позволили выявить эффективные огнезащитные составы - это составы на основе водных растворов плиточного клея с добавлением жидкого стекла и введением в них негорючих добавок- наполнителей, таких как Vetonit и глина каолиновая. Независимо от плотности пенополистирола, они обеспечивают устойчивость покрытия при огневом испытании, а именно высокую степень сцепления покрытия с поверхностью материала. Качество покрытия проверялось методом Х-образного надреза, после оценки адгезии составы на основе водных растворов плиточного клея с добавлением жидкого стекла с добавкой Vetonit составила 2 балла, а с добавление каолиновой глины - 0 баллов. Это означает, что у составов прочная сила сцепления, т.е. они обладают высокой адгезией к поверхности материала
Другим важным показателем строительных материалов является водопоглощение. Водопоглощение образцов, покрытых составами на основе водных растворов плиточного клея и жидкого стекла, имеет, хоть и не значительное по величине, но отрицательное значение (-0,38-0,11%). Нанесение таких покрытий на поверхность материала обеспечит защиту материала от проникновения воды во влажных условиях эксплуатации.
Исследование теплофизических свойств огнезащитных покрытий на измерителе теплопроводности ИТС-1 показало, что коэффициент теплопроводности пенополистирола, также как и тепловое сопротивление, изменяется на (0-0,002) единицы, что не существенно, поэтому пенополистирол сохранит высокие показатели теплофизических свойств.
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.
