Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий.

Г.П. Тищенко, А.В. Онищенко, В.И. Линский*

ГВУЗ «Украинский государственный химико-технологический университет»,

г. Днепропетровск

*Днепропетровский монтажный техникум, г. Днепропетровск

ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ОТХОДНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

На кафедре оборудования и технологии пищевых производств проведены исследования теплозащитных материалов на основе отходных компонентов. В результате исследований установлено, что использование отходов промышленности в качестве компонентов улучшают свойства теплозащитных материалов. Создана схема производства теплоизоляционных плит на основе отходных компонентов.

Суммарная длина тепловых магистралей СНГ ориентировочно составляет около 200 тыс. км. 84% тепловых магистралей проложено в каналах, 10% надземные, 6% – безканальные. В процессе эксплуатации трубопроводов значительные убытки энергогенерирующим станциям наносят потери теплоэнергии из-за неудовлетворительной или отсутствующей теплоизоляции.

Пищевая, химическая и нефтехимическая отрасли промышленности являются источником большого количества побочных продуктов и отходов. Целью исследований являлась разработка рецептур теплоизоляционных материалов (ТИМ) с отходными компонентами для улучшения теплофизических свойств теплоизоляций, решение проблемы утилизации отходов промышленных предприятий и уменьшение загрязнения окружающей среды.

Проведены разработки, при которых исследовано пятнадцать рецептур (табл. 1). Целью разработки составов ТИМ было максимально возможное введение в рецептуру отходных компонентов, сохраняя при этом достаточно высокие физико-механические и теплофизические свойства материала.

Таблица 1

Рецептуры ТИМ с отходными компонентами

№ состава	Компоненты (мас. %)
	Na-K жидкое стекло	ПВА	отходы электрод- ного производства	отходы титанового производства	отходы пивного производства	отходы лесопиления	сусло пивное	натрий кремнефтористый	известняк	песок тонкомеленый	изветняк-пушенка	вода
1	30,3	-	30,3	-	30,3	-	-	1,5	-	-	-	7,6
2	30,0	-	30,0	-	-	30,0	-	1,1	-	-	-	8,9
3	30,3	-	30,3	-	7,6	22,7	-	1,5	-	-	-	7,6
4	27,6	-	31,5	-	15,8	15,8	-	1,4	-	-	-	7,9
5	34,5	-	-	23,0	-	23,0	-	1,7	-	-	-	17,8
6	39,2	-	-	19,6	-	26,1	-	1,9	-	-	-	13,2
7	26,1	-	-	26,1	-	26,1	6,5	1,9	-	-	-	13,2
8	30,6	-	-	24,5	-	24,5	6,1	2,1	-	-	-	12,2
9	28,0	-	28,0	-	-	28,0	7,0	1,4	-	-	-	6,6
10	32,8	-	26,2	-	-	26,2	6,5	1,6	-	-	-	6,7
11	29,0	-	29,0	-	26,1	-	-	1,4	7,2	-	-	7,3
12	29,8	-	29,8	-	26,7	-	-	1,5	-	4,8	-	7,4
13	29,8	-	29,8	-	26,7	-	-	1,5	-	-	4,8	7,4
14	-	42,8	28,6	-	28,6	-	-	-	-	-	-	-
15	-	40,0	26,6	-	-	26,6	-	-	-	-	-	6,8

При исследовании теплофизических свойств разработанных ТИМ определены такие основные параметры, как коэффициент теплопроводности, плотность, влажность, сорбционное увлажнение, водопоглощение. В табл. 2 приведены плотность и коэффициент теплопроводности исследованных ТИМ.

Таблица 2

Плотность и коэффициент теплопроводности разработанных ТИМ

№ состава	Плотность, кг/м^3	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)
1	635,5	0,114
2	490,6	0,088
3	427,8	0,076
4	589,5	0,106
5	548,9	0,098
6	511,7	0,092
7	563,9	0,101
8	558,1	0,100
9	461,3	0,055
10	480,4	0,086
11	694,3	0,124
12	680,0	0,122
13	378,1	0,045
14	544,0	0,098
15	487,2	0,087

Анализируя данные табл. 2 можно сделать вывод, что составы № 1, 11, 12 по своим показателям не соответствуют ДСТ 16381-77, следовательно, в последующих испытаниях эти составы не использовались.

Теплоизоляционные материалы – пористые материалы, их действие основано на том, что воздух обладает одним из самых низких коэффициентов теплопроводности. При попадании влаги в поры теплопроводность материалов теплоизоляций резко возрастает и они теряют свои свойства, поэтому определение влажности ТИМ является одним из основных испытаний (табл. 3).

Таблица 3

Результаты определения влажности ТИМ

№ состава	№ образца	Масса образца до высушивания, г	Масса образца высушенного до постоянной массы, г	Влажность, %
2	1	32,61	28,75	13,4
	2	33,54	29,57
	3	35,02	30,88
3	1	35,48	31,18	13,8
	2	36,71	32,25
	3	38,29	33,65
4	1	38,16	35,83	6,5
	2	39,82	37,39
	3	39,08	36,69
5	1	71,36	70,76	0,7
	2	71,53	71,03
	3	72,39	71,88
6	1	72,61	66,79	8,7
	2	73,85	67,94
	3	71,03	65,35
7	1	64,85	63,45	2,2
	2	65,94	64,52
	3	65,98	64,56
8	1	56,35	53,77	4,8
	2	56,88	54,27
	3	57,45	54,82
9	1	51,63	49,03	5,3
	2	52,14	49,52
	3	52,85	50,19
10	1	61,85	57,91	6,8
	2	62,18	58,22
	3	63,95	59,88
13	1	49,29	46,68	6,3
	2	50,13	47,45
	3	50,91	48,16
14	1	41,08	39,27	4,6
	2	41,37	39,55
	3	42,59	40,72
15	1	39,72	38,26	3,8
	2	39,61	38,16
	3	40,24	38,77

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что наименьшими значениями влажности обладают составы № 5, 7, 15.

Величины водопоглощения и сорбционной влажности ТИМ во многом определяют свойства теплоизоляций в конструкциях (табл. 4). Из анализа результатов исследований видно, что наименьшими значениями сорбционной влажности и водопоглощения владеют составы № 5, 7, 10, 13.

Таблица 4

Водопоглощение и сорбционная влажность ТИМ

№ состава	№ образца	Определение сорбционной влажности					Определение водопоглощения
		масса образца до испытаний, г	масса образца после испытаний на протяжении 24ч, г	масса образца после испытаний на протяжении 72ч, г	сорбционная влажность за 24ч, %	сорбционная влажность за 72ч, %	масса образца до испытаний, г	масса образца после испытаний на протяжении 24ч, г	сорбционная влажность за 24ч, %
4	1	38,36	43,50	47,90	13,7	25,2	38,33	98,81	157,8
	2	38,52	43,79	48,23			38,56	99,41
	3	38,97	44,31	48,79			38,75	99,89
5	2	37,09	41,98	46,59	0,5	0,7	37,59	97,84	37,2
	3	37,21	42,12	46,73			37,82	98,34
	1	70,38	70,73	70,87			72,74	99,79
6	2	72,56	72,92	73,06	8,2	14,0	70,08	96,15	87,4
	3	75,05	75,43	75,57			73,31	100,58
	1	72,86	78,83	83,06			70,65	132,40
7	2	76,37	82,63	87,06	2,4	3,9	72,43	135,73	47,7
	3	77,07	83,39	87,85			71,51	134,01
	1	64,72	66,27	67,24			67,23	99,30
9	1	51,43	54,00	57,50	5,0	11,8	50,31	85,78	70,3
	2	50,67	53,20	56,65			53,59	91,37
	3	53,79	56,48	60,14			52,72	89,88
10	2	50,02	53,12	56,87	5,7	12,0	52,67	97,65	55,2
	3	52,03	55,58	59,51			51,49	95,46
	1	61,57	65,08	68,95			64,58	100,23
13	2	75,24	75,61	76,59	0,5	1,8	71,58	118,25	65,2
	3	74,36	74,73	75,70			73,97	122,19
	1	73,76	74,13	75,08			74,77	123,52
14	2	49,92	51,67	54,36	8,8	18,3	52,74	79,16	114,3
	3	52,03	53,85	56,67			50,62	75,98
	1	40,48	44,04	47,89			41,89	89,77

По лучшим результатам прочности при сжатии и прочности при изгибе были отобраны составы № 5, 9, 13. Обобщенные характеристики разработанных ТИМ приведены в табл. 5.

Анализируя все выше приведенные данные можно сделать вывод, что составы № 5, 9, 13 владеют лучшими характеристиками, соответствующими ДСТ 16381-77, следовательно, могут быть рекомендованы для опытно-промышленных испытаний и внедрения на предприятиях Украины.

Таблица 5

Характеристики разработанных ТИМ

Показатели	Номер состава
	5	9	13
Коэффициент теплопроводности, Вт/(К·м)	0,098	0,055	0,045
Плотность, кг/м^3	548,9	461,3	378,1
Влажность, %	0,6	5,6	0,5
Сорбционная влажность за 24ч за 72ч	0,5 0,7	5,0 11,8	0,5 1,8
Водопоглощение за 24ч, %	37,2	70,3	65,2
Прочность при сжатии, МПа	0,51	1,55	0,96
Прочность при изгибе, МПа	0,14	0,81	0,74
Режим сушки: температура, ^0С время, мин.	150 30-35	120 60-90	120-150 60-90

Анализируя проведенные исследования, можно сделать следующие выводы:

- добавление в жидкое стекло как инициатора отвердения кремнефтористого натрия в количестве 5% от массы жидкого стекла, позволяет время сушки изделия теплоизоляции уменьшить в 1,5 раза;

- ТИМ из отходов пивного производства владеет высокой плотностью, коэффициентом теплопроводности, следовательно, применение данных отходов как заполнителя должно иметь соответствующие технико-экономические обоснования;

- отходы титанового производства как наполнителя позволяют получить ТИМ с высокими теплофизическими и физико-механическими свойствами. Оптимальное количество отходов в составе ТИМ 23-26 мас. %;

- исследования сусла пивного в количестве 6,5 мас. % от массы жидкого стекла позволяет снизить затрату жидкого стекла и получить ТИМ с высокими водоотталкивающими свойствами;

- при добавке к составу ТИМ известняка и песка значительно увеличивается плотность и теплопроводность материала, следовательно, использование данных наполнителей нецелесообразно.

Исследованные ТИМ могут быть использованы в качестве теплоизоляции трубопроводов энергогенерирующих и холодильно-компрессорных станций и транспортных систем подачи тепла и холода.