Оценка воздействия на окружающую среду различных видов теплоизоляционных материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

НИ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по дисциплине

Оценка воздействия на окружающую среду

Тема:

ОВОС различных видов теплоизоляционных материалов

Выполнила студентка

группы ООС-07−1

Швец Н.П.

Нормоконтролёр Зелинская Е.В.

Иркутск 2011 г.

1. Определение и область применения теплоизоляционных материалов

1.1 Виды теплоизоляционных материалов

1.2 Изготовление теплоизоляционных материалов из отходов производств

2. Получение теплоизоляционных материалов

3. Виды воздействия на окружающую среду при производстве теплоизоляционных материалов

4. Методы снижения воздействия на окружающую среду теплоизоляционных материалов Заключение Список использованных источников

23 ноября 2009 г.

Президент Российской Федерации Д. А. Медведев подписал Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», который предусматривает, в том числе, обязательную теплоизоляцию как вновь возводимых, так и существующих зданий и сооружений. И если повсеместное применение теплоизоляционных материалов теперь неизбежно, то необходимо знать, какие утеплители безопасны, ведь в погоне за экономической выгодой не стоит забывать о самом дорогом ресурсе — здоровье.

Принятый закон «Об энергоэффективности» позволит снизить энергоемкость российской экономики на 40% к 2020 году, а реализация конкретных мер по энергоэффективности обеспечит стране экономию до 2,5−3 триллионов рублей в год. Выгодность этих мероприятий с точки зрения экономики понятна и сомнений не вызывает.

1. Определение и область применения теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционными называют строительные материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также различных технических применений. Основной особенностью теплоизоляционных материалов является их высокая пористость и, следовательно, малая средняя плотность и низкая теплопроводность.

Использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить толщину и массу стен и других ограждающих конструкций, снизить расход основных конструктивных материалов, уменьшить транспортные расходы и соответственно снизить стоимость строительства. Наряду с этим при сокращении потерь тепла отапливаемыми зданиями уменьшается расход топлива. Многие теплоизоляционные материалы вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом.

Теплоизоляционные материалы классифицируют по виду основного сырья, форме и внешнему виду, структуре, плотности, жесткости и теплопроводности.

Теплоизоляционные материалы по виду основного сырья подразделяются на неорганические, изготовляемые на основе различных видов минерального сырья (горных пород, шлаков, стекла, асбеста), органические, сырьем для производства которых служат природные органические материалы (торфяные, древесноволокнистые) и материалы из пластических масс.

По форме и внешнему виду различают теплоизоляционные материалы штучные жесткие (плиты, скорлупы, сегменты, кирпичи, цилиндры) и гибкие (маты, шнуры, жгуты), рыхлые и сыпучие (вата, перлитовый песок, вермикулит).

По структуре теплоизоляционные материалы классифицируют на волокнистые (минераловатные, стекло — волокнистые), зернистые (перлитовые, вермикулитовые), ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло).

По плотности теплоизоляционные материалы делят на марки: 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600.

В зависимости от жесткости (относительной деформации) выделяют материалы:

мягкие (М) — минеральная и стеклянная вата, вата из каолинового и базальтового волокна;

полужесткие (П) — плиты из шпательного стекловолокна на синтетическом связующем и др.;

жесткие (Ж) -плиты из минеральной ваты на синтетическом связующем; повышенной жесткости (ПЖ);

твердые (Т).

По теплопроводности теплоизоляционные материалы разделяются на классы:

А — низкой теплопроводности до 0,06 Вт/(м-°С);

Б — средней теплопроводности — от 006 до 0,115 Вт/(м-°С);

В — повышенной теплопроводностиот 0,115 до 0,175 Вт/(м.°С).

По назначению теплоизоляционные материалы бывают теплоизоляционно-строительные (для утепления строительных конструкций) и теплоизоляционно-монтажные (для тепловой изоляции промышленного оборудования трубопроводов).

Теплоизоляционные материалы должны быть биостойкими т. е. не подвергаться загниванию и порче насекомыми и грызунами, сухими, с малой гигроскопичностью так как при увлажнении их теплопроводность значительно повышается, химически стойкими, а также обладать тепло и огнестойкостью.

Физико-технические свойства используемых теплоизоляционных материалов оказывают определяющее влияние на теплотехническую эффективность и эксплуатационную надежность конструкций, трудоемкость монтажа, возможность ремонта в процессе эксплуатации и в значительной степени определяют сравнительную технико-экономическую эффективность различных вариантов утепления зданий.

Теплоизоляционные материалы в конструкциях утепления зданий должны соответствовать требованиям пожарной безопасности по СНиП 2.01.02−85, иметь гигиенические сертификаты, не выделять токсичные вещества в процессе эксплуатации и при горении.

На долговечность и стабильность теплофизических и физико-механических свойств теплоизоляционных материалов в конструкциях утепления зданий влияют многие эксплуатационные факторы, включая:

· знакопеременный температурно-влажностный режим теплоизоляционных конструкций;

· возможность капиллярного и диффузионного увлажнения теплоизоляционного материала в конструкции;

· воздействие ветровых нагрузок;

· механические нагрузки от собственного веса в конструкциях стен и нагрузки при перемещении людей в конструкциях крыш и перекрытий.

Применение теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет повысить степень индустриализации работ, поскольку они обеспечивают возможность изготовления крупноразмерных сборных конструкций и деталей, снизить массу конструкций, уменьшить потребность в других строительных материалах (бетон, кирпич, древесина и др.), сократить расход топлива на отопление зданий, уменьшить потери тепла в промышленных агрегатах. Теплоизоляционные материалы обеспечивают надлежащий комфорт в жилых помещениях, улучшают условия труда на производстве, снижают случаи травматизма.

Применение в строительстве, например, облегченных кирпичных стен вместо сплошной кирпичной кладки позволяет в 2−2,5 раза сократить потребность в кирпиче, цементе и извести, в 3 раза снизить массу конструкции, а также значительно уменьшить транспортные затраты.

Хороший эффект дает использование теплоизоляционных материалов для изоляции тепловых агрегатов, технологической аппаратуры и трубопроводов, что позволяет снизить расход топлива за счет уменьшения теплопотерь.

Очень важным считается использование теплоизоляционных материалов в различных холодильных установках для снижения потерь холода (стоимость получения единицы холода примерно в 20 раз выше получения единицы тепла).

1.1 Виды теплоизоляционных материалов

Минеральная вата

Представляет собой теплоизоляционный материал, получаемый из расплава горных пород или металлургических шлаков, состоящий из тонких стекловидных волокон и различных неволокнистых включений (капли силикатного расплава и т. п.).

Температуроустойчивость минеральной ваты не менее 600 °C.

Плотность минеральной ваты 75−150 кг/м3.

В зависимости от плотности минеральную вату выпускают трех марок: 75, 100, 125.

Изделия из минеральной ваты по объему производства занимают первое место среди теплоизоляционных материалов, что объясняется простотой технологического процесса, наличием сырьевых ресурсов и небольшими капиталовложениями при организации производства.

ПРИМЕНЯЮТ минеральную вату для теплоизоляции как холодных (до -200 °С), так и для горячих (до +600 °С) поверхностей, чаще всего в виде изделий — войлока, матов, попужестких и жестких плит, скорлуп, сегментов.

Минеральную вату используют также в качестве теплоизоляционной засыпки пустотелых стен и покрытий, для этого ее гранулируют (превращают в рыхлые комочки).

Минеральная вата не горит, ее не портят грызуны.

При работе с минеральной ватой необходимо соблюдать меры предосторожности, так как стеклянные волокна могут вызвать раздражение кожного покрова и слизистой оболочки.

Минеральные маты

Представляют собой минераловатный ковер, заключенный между битуминизированной бумагой, стеклотканью или металлической сеткой, прошитый прочными нитями или тонкой проволокой.

Длина матов до 500 см, ширина до 150 см, толщина до 10 см. Плотность 100−200 кг/м3

Минераловатные маты на металлической сетке изготавливают из фильерной ваты марки ВФ путем прошивки хлопчатобумажными нитками на металлической сетке.

ПРИМЕНЯЮТ минеральные маты для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре до 400 °C.

Маты минераловатные на металлической сетке используют для теплоизоляции при температуре до 600 °C.

Минеральный войлок

Выпускают в виде листов и рулонов из минеральной ваты, пропитанной дисперсиями синтетических смол.

Плотность войлока 100−150 кг/м3, теплопроводность 0,046−0,052 Вт/(м °С).

ПРИМЕНЯЮТ для утепления стен и перекрытий в кирпичных, бетонных и деревянных домах в виде листов и полотнищ.

Минеральные маты на обкладке из стеклохолста

Состоят из минеральной ваты, прошитой стекложгутом, прошедшим обработку в мыльном растворе.

Выпускают размером 2000×500×40 мм, плотностью 125−174 кг/м3.

ПРИМЕНЯЮТ для теплоизоляции поверхностей с температурой до 400 °C.

Минераловатные полужесткие плиты

Минераловатные полужесткие плиты изготавливают из минерального волокна путем напыления на него синтетических смол или битума с последующим прессованием и сушкой. Плотность плит находится в непосредственной зависимости от вида связующего и уплотнения. В среднем она составляет 75−300 кг/м3.

ПРИМЕНЯЮТ для теплоизоляции ограждающих конструкций и горячих поверхностей оборудования при температуре до 300 °C, если в процессе изготовления плит применялись синтетические связующие; и до 60 °C — на битумном связующем.

Минераловатные жесткие плиты

Минераловатные жесткие плиты изготавливают путем смешивания минеральной ваты с битумной эмульсией или синтетическими смолами методом прессования и полимеризации.

Изготавливают жесткие плиты толщиной 4−10 см, плотностью 100−400 кг/м3.

Жесткие минераловатные плиты производят нескольких видов. Жесткие плиты типа СМ-250 на битумном связующем производят мокрым способом формования гидросмеси. Они биостойки и водостойки. Выпускают размером 1000×500×60 мм.

Жесткие плиты марки ПЖ на синтетическом связующем выпускают размерами 1000×500×60 мм. Они очень стойки к воздействию химических и биологических сред.

Жесткие плиты на бентонитоколлоидном связующем, благодаря высокой отражательной способности, очень эффективны для теплоизоляции поверхностей с высокой температурой (до 600 °С).

ПРИМЕНЯЮТ минераловатные жесткие плиты для утепления стен, покрытий и перекрытий жилых и промышленных зданий и холодильных установок.

Плиты СМ-250 применяют для теплоизоляции строительных конструкций, имеющих температуру эксплуатации до 70 °C.

Жесткие плиты марки ПЖ применяют для теплоизоляции строительных конструкций с температурой до 600 °C.

Стекловата

Стекловата — волокнистый теплоизоляционный материал, получаемый из расплавленной стекломассы.

Стекловата имеет повышенную химическую стойкость, не горит и не тлеет, ее плотность в рыхлом состоянии не превышает 130 кг/м3.

Изготавливают стекловату из стеклянного боя или из тех же компонентов, что и оконное стекло (кварцевый песок, известняк или мел, сода или сульфат натрия). Тонкое стеклянное волокно для текстильных материалов получают вытягиванием из расплавленной стекломассы (фильерный или штабиковый способ). Более грубое волокно изготавливают дутьевым способом.

Стеклянная вата практически не дает усадки в конструкциях. Волокна ее не разрушаются при длительном сотрясении и вибрации.

Она плохо проводит и хорошо поглощает звук; малогигроскопична; морозостойка. Слой стеклянной ваты толщиной 5 см соответствует термическому сопротивлению кирпичной стены толщиной 1 м.

Маты и полосы из стеклянной ваты получают путем прошивки стеклянных волокон асбестовыми или скрученными из стекловолокна нитями.

ПРИМЕНЯЮТ стеклянную вату из непрерывного стекловолокна для изготовления теплоизоляционных материалов и изделий и теплоизоляции конструкций при температуре поверхности от -200 °С до +450 °С.

Стекловату применяют также в качестве акустического материала.

Маты и полосы из стеклянной ваты используют для теплоизоляции плоских поверхностей и трубопроводов при температуре изолируемых поверхностей от -200 °С до +450 °С.

Пеностекло

Изготавливают путем спекания порошка стеклянного боя или некоторых пород вулканического происхождения с газообразователями (известняк, антрацит). При температуре 800−900 °С частицы стекольного боя начинают спекаться, а выделяющиеся газы — образовывать большое количество пор.

Пористость различных видов пеностекла составляет 80−95%, размеры ячеек 0,25−0,50 мм.

В результате такого строения пеностекло имеет высокие теплоизоляционные свойства и обладает рядом других ценных свойств — водостойкостью, несгораемостью, морозостойкостью и высокой прочностью от 2 до 6 МПа.

Плотность пеностекла 150−250 кг/м3.

Пеностекло выпускают в виде блоков или плит размерами 50×50х (8?14) см.

ПРИМЕНЯЮТ пеностекло как утеплитель стен, перекрытий, полов и кровель промышленных и гражданских зданий, в конструкциях холодильников, а также для изготовления изоляции тепловых установок и сетей.

Плиты из пеностекла применяют для изоляции поверхности с температурой изоляции поверхности до180 °С, а также для декоративной отделки интерьеров.

Базальтовое супертонкое стекловолокно (БСТВ)

Физико-технические свойства этого материала определяются его очень малой плотностью — 17−25 кг/м3, низкой теплопроводностью — 0,027−0,037 Вт /(м °С).

ПРИМЕНЯЮТ БСТВ для тепловой изоляции, фильтрации, для изготовления теплостойких бумаг, картонов и матов.

Супертонкое базальтовое стекловолокно применяют при температуре эксплуатации от -200 °С до +700 °С.

Стеклопор

Получают методом грануляции и вспучивания жидкого стекла с минеральными добавками (мелом, молотым песком, золой ТЭЦ, и др.). Сначала производят гранулят-«стеклобисер», который затем вспучивают при температуре 320−360 °С.

Стеклопор выпускают трех марок:

СЛ — плотностью 15−40 кг/м3;

Л — плотностью 40−80 кг/м3;

Т — плотностью 80−120 кг/м3.

ПРИМЕНЯЮТ стеклопор в сочетании с различными вяжущими для изготовления штукатурной, мастичной и заливочной теплоизоляции.

Вспученный перлит

Пористый сыпучий материал получают путем вспучивания природного перлита во вращающихся шахтных печах при температуре 900−1200 °С. При быстром нагревании до таких температур гидратная вода, удаляясь из породы, вспучивает ее, и происходит многократное (от 5 до 20 раз) увеличение объема.

Вспученный перлит представляет собой песок с зернами белого или серого цвета с воздушными замкнутыми порами.

Размер зерен 0,1−5,0 мм. Плотность перлитного песка 100−250 кг/м3. Теплопроводность в сухом состоянии 0,046−0,071 Вт/(м °С). Пористость до 90%. Количество открытых пор 3−20%.

ПРИМЕНЯЮТ в виде теплоизоляционных засыпок при температуре изолируемых поверхностей до 800 °C.

Добавка вспученного перлита к минеральным вяжущим позволяет получить несгораемые изделия, обладающие высокой жесткостью и хорошими теплофизическими свойствами.

Перлитовый песок используют в растворах и бетонах, идущих на приготовление теплоизоляционных изделий, огнезащитных и декоративных штукатурок.

Вспученный вермикулит

Представляет собой сыпучий пористый материал в виде чешуйчатых частиц золотистого цвета, получаемых ускоренным обжигом до вспучивания вермикулита — гидрослюды, содержащей между элементарными слоями связанную воду. Пар увеличивает первоначальный объем зерен в 15−20 раз.

Плотность вспученного вермикулита при крупности зерен 5−15 мм составляет 80−150 кг/м3, при более мелких зернах она увеличивается до 400 кг/м3. Вспученный вермикулит при нагревании до температуры 1 100 °С начинает разрушаться, а при 13 000 °С он плавится. При повышении температуры теплопроводность вспученного вермикулита также увеличивается.

Водопоглощение вспученного вермикулита очень большое — оно может быть более 300%.

Цементно-вермикулитовые плиты М 300

Изготавливают из вспученного вермикулита на вяжущем портландцементе.

Цементно-вермикулитовые плиты имеют размеры 500×500×100 мм, небольшую теплопроводность — до 0,08 Вт/(м °С), плотность до 300 кг/м3, предел прочности при сжатии 0,5 МПа.

Технология производства плит состоит в смешивании вспученного вермикулита с цементным молоком, формирования плит прессованием с последующей их тепловой обработкой.

ПРИМЕНЯЮТ цементно-вермикулитовые плиты М 300 для тепловой изоляции ограждающих конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений.

Керамовермикулитовые плиты М 350

Керамовермикулитовые плиты М 350 выпускают размером 500×500×125 мм, плотностью 350 кг/м3, теплопроводностью до 0,08 Вт/(м °С).

Технология производства плит состоит из смешения вспученного вермикулита со шликером, приготовленном из смеси огнеупорной глины и воды. Формовочная масса подается на ленточный пресс, затем формованные изделия направляются на сушку и обжиг.

ПРИМЕНЯЮТ керамовермикулитовые плиты для теплоизоляции ограждающих конструкций, горячих поверхностей печных и других тепловых агрегатов и оборудования. Используют плиты при температуре не более 1200 °C.

Асбестовая бумага

Асбестовую бумагу изготавливают в виде рулонов и листов из асбестового волокна 5−6 — го сорта, с небольшим количеством склеивающих веществ (крахмал, казеин).

Толщина бумаги 0,3−1,5 мм, плотность 450−950 кг/м3. Предельная температура применения асбестовой бумаги 5 000 °С. Бумагу выпускают гладкой и гофрированной.

ПРИМЕНЯЮТ гладкую асбестовую бумагу в качестве теплоизоляционных прокладок при изоляции трубопроводов.

Гофрированную бумагу используют для производства ячеистого асбестового картона.

Асбестовый картон

Для получения асбестового картона используют асбест 4-го и 5-го сортов (65%), каолин (30%) и крахмал (5%). Полученную смесь прессуют на гидравлическом прессе под давлением 5 МПа. Уплотненные листы картона высушивают, а потом разрезают на стандартные размеры.

Листы асбестового картона выпускают длиной и шириной 900−1 000 мм и толщиной 2−10 мм. Теплопроводность сухого картона 0,157 Вт/(м °С). Плотность — 1 000−1 400 кг/м3. Предел прочности при растяжении не менее 0,6 МПа. Влажность — не более 3% по массе.

ПРИМЕНЯЮТ асбестовый картон для теплоизоляции трубопроводов с температурой эксплуатации до 500 °C, а также для покрытия деревянных и других легковоспламеняющихся предметов и изделий с целью повышения огнестойкости.

В виде плит асбестовый картон применяется для теплоизоляции плоских поверхностей, в виде полуцилиндрических покрышек — для изоляции трубопроводов.

Асбестовый шнур

Получают из нескольких крученых нитей или ровницы, сложенных вместе в сердечнике и обвитых или оплетенных снаружи асбестовой нитью или пряжей. Диаметр асбестовых шнуров может быть от 3 до 25 мм. В плотном и сухом состоянии асбестовые шнуры делятся на марки от 100 до 380.

ПРИМЕНЯЮТ асбестовый шнур для теплоизоляции промышленного оборудования и теплопроводов. При отсутствии в составе шнура органического волокна его можно применять при температуре до 500 °C, при наличии волокна — не более 200 °C.

Асбесто-магнезиальный порошок

Получают путем смешения измельченного асбеста с водной углекислой солью магния.

Отформованные изделия имеют плотность до 350 кг/м3 и предел прочности при изгибе не менее 0,15 МПа.

ПРИМЕНЯЮТ для тепловой изоляции промышленного оборудования при температуре до 350 °C.

Порошок используют не только в виде засыпной теплоизоляции, но и для приготовления мастик, плит, сегментов.

Пробковые теплоизоляционные материалы

Изготавливают путем прессования измельченной пробковой крошки.

«Импрегнированиые» пробковые плиты изготавливают с применением клеящего вещества «Экспанзит»; плиты, изготовленные без связующих добавок, путем тепловой обработки при температуре 250−300 °С.

ПРИМЕНЯЮТ для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий, поверхностей холодильного оборудования при температуре изолируемой поверхности от -150 до +70 °С, а также в кораблестроении.

Торфяные теплоизоляционные материалы

Сырьем для их производства служит малоразложившийся верховой торф, имеющий волокнистую структуру, что позволяет получать из него качественные продукты путем прессования.

Изготавливают плиты размером 1 000×500×30 мм путем прессования в металлических формах с последующей сушкой при температуре 120−150 °С.

Плотность торфоплит 170−220 кг/м3, прочность при изгибе 0,3 МПа.

Торфяные теплоизоляционные изделия отличаются большой гигроскопичностью и водопоглощением.

ПРИМЕНЯЮТ для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий 3? го класса и поверхностей промышленного оборудования с рабочей температурой от -60 до +100 °С.

Камышитовые плиты

Теплоизоляционный материал в виде плит, спрессованных из стеблей камыша. В зависимости от расположения стеблей плиты бывают поперечными и продольными.

Выпускают плиты длиной 2 400−2 800 мм, шириной 550−1 500 мм, толщиной 30−100 мм, марками по плотности 175, 200, 250, с пределом прочности при изгибе до 0,5 МПа.

ПРИМЕНЯЮТ для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий 3? го класса, при строительстве жилых домов и небольших производственных помещений в сельскохозяйственном строительстве.

Войлок строительный

Изготавливают из низших сортов шерсти животных и отходов прядильного производства с добавкой растительных волокон и крахмального клейстера.

После механической обработки войлок имеет вид полотнищ длиной и шириной 2 000 мм. Плотность войлока 150 кг/м3. Теплопроводность около 0,06 Вт/(м°С).

ПРИМЕНЯЮТ войлок для тепловой и звуковой изоляции стен и потолков под штукатурку, утепления наружных углов в рубленых домах, при оконных и дверных работах. Войлок, пропитанный глиняным раствором, применяется при печных работах в противопожарных целях.

Чтобы предотвратить появление моли, войлок пропитывают 3%?ным раствором фтористого натрия и хорошо просушивают перед применением.

Теплоизоляционные пенопласты

Теплоизоляционные пенопласты изготавливают на полимерном связующем в виде газонаполненных пластмасс, а также минераловатных и стекловатных изделий.

Пористые и ячеистые пластмассы получают двумя способами — прессовым и беспрессовым.

При изготовлении прессовым способом тонкоизмельченный порошок полимера с газообразователями и другими добавками спрессовывается под давлением 15−16 МПа, после чего вспенивается. При изготовлении пористых пластмасс беспрессовым способом полимер с добавками и газообразователем нагревают в формах до соответствующей температуры.

Изделия из пористых пластмасс на суспензионном полистироле делят на марки М 25 и М 35, на эмульсионном полистироле (по плотности) — М 50−200.

Плиты изготавливают длиной до 1000 мм и шириной до 700 мм.

ПРИМЕНЯЮТ как утеплитель в слоистых панелях (он хорошо сочетается с асбестом, алюминием, стеклопластиком). Как изоляционный материал применяется в холодильной промышленности, машинои вагоностроении, а также для изоляции стен, потолков, крыш.

Для современных систем теплоизоляции нормой стало использование материалов на минеральной, полимерной и композиционной основах. Их применение в комплексе с покрытиями из тонколистового металла, фольги, гидроизоляционных и паропроницаемых мембран, декоративных и отделочных материалов обеспечивает зданию стойкость и значительную долговечность в условиях любых атмосферных воздействий, агрессивных сред, вибрации, диффузии паров и т. п. Современное здание становится сложным техническим сооружением, причем созданным индивидуально под конкретные требования, условия и возможности.

теплоизоляционный материал окружающий воздействие

1.2 Изготовление теплоизоляционных материалов из отходов производств

Теплоизоляционные материалы из бумажных отходов

Многотоннажные отходы целлюлозно-бумажной промышленности (скоп) последнее время все чаще привлекают внимание исследователей и производственников.

Имея в своем составе целлюлозу и каолин, эти отходы (при некоторой модификации химическими добавками) могут быть использованы для изготовления теплоизоляционных, отделочных и конструктивно-теплоизоляционных материалов и деталей.

Долгое время использование скопа сдерживалось его высокой влажностью (до 96%) и необходимостью больших энергозатрат при изготовлении строительных материалов. Теперь, благодаря разработанным методам сушки материалов токами высокой частоты, этот вопрос частично может быть решен.

Теплоизоляционные материалы из резинотехнических отходов

Проблема переработки и вторичного использования шин имеет важное экологическое и экономическое значение. Такие шины являются источником длительного загрязнения окружающей среды. После снятия их с эксплуатации они, как правило, скапливаются на территориях автохозяйств. Наибольшую опасность, особенно для городов, представляет неконтролируемое сжигание изношенных автопокрышек, поскольку при их горении в атмосферу выделяется целый ряд вредных веществ, а почвенный слой загрязняется токсичными жидкими продуктами сгорания.

По ориентировочным данным в Москве и Московской области ежегодно выходит из эксплуатации около 50 тыс. т шин. Часть из них перерабатывается в резиновую крошку, которая применяется в различных отраслях промышленности.

С использованием резиновой крошки можно изготовлять теплоизоляционный материал.

Технология изготовления теплоизоляционного материала основывается на дозировке сырья, его перемешивании и формовании плит при небольшом уплотнении.

Теплоизоляционный материал на основе кожевенных отходов

Применяемые технологические процессы переработки кожи характеризуется образованием значительного количества отходов (50% исходного сырья), в том числе — более 20% хромовой стружки. В целом по стране общее количество кожевенных отходов составляет более 400 тыс. т, из которых 100 тыс. т вывозятся в отвалы.

Значительную часть кожевенных отходов составляют дубленые отходы — хромовая стружка, обрезь и кожевенная пыль. В состав отходов входят также белок (70−75% коллагена), соединения хрома (5−6%), жирующие вещества, красители, минеральные примеси.

Для изготовления строительных материалов могут быть использованы кожевенные отходы в виде стружки. В качестве связующего были опробованы жидкое стекло, синтетические смолы, каучуковые латексы, белковые клеи, отходы полиэтилена.

Жидкое стекло можно использовать лишь при небольших концентрациях, в противном случае происходит образование комков.

Карбамидные смолы невозможно применять внутри помещений.

Каучуковые латексы создают пленку на поверхности кожи.

Использование белковых клеев и отходов полиэтилена дало положительный результат.

2. Получение теплоизоляционных материалов

Метод создания волокнистых масс или каркасов может быть применен в нескольких вариантах. Наиболее простой способ получения волокнистых масс заключается в соответствующем дроблении и механическом распушивании природных волокнистых материалов, например асбестовых руд, всевозможных древесных пород и отчасти отходов слюдяного производства. Измельчение и распушивание асбестовых пучков производят на бегунах и голендерах с последующим разделением по сортности продуктов дробления. Древесные породы в виде долготья, щепы, некондиционного горбыля и других отходов деревообрабатывающей промышленности сначала подвергаются мелкой рубке, затем просеву, после чего пропариваются под давлением нескольких атмосфер. Распаренная щепа рас-пушивается на отдельные волокна на дефибраторах. Из полученной таким способом древесноволокнистой массы в дальнейшем изготовляются древесноволокнистые плиты требуемой степени пористости.

Второй способ получения волокнистых масс и волокнистого каркаса заключается в использовании огненно-жидких расплавов некоторых горных пород, металлургических шлаков, стекломасс и т. д. Сущность этого способа заключается в том, что исходное сырье (горная порода, металлургический шлак, стекло и т. д.) сначала расплавляется до вязко-жидкого состояния в вагранках или ванных печах. Затем расплав, вытекая равномерной струей из летки или фидера печи, раздувается на тонкие волокна паром или сжатым воздухом, выбрасываемым из соответствующих сопл, направленных перпендикулярно к движению струи расплава.

Расплав в волокна распушивают также центробежным способом. Этот способ основан на том, что вытекающая из печи струя расплава попадает на дисковую, чашечную или валковую центрифугу и благодаря быстрому ее вращению разбивается на отдельные волокна. Чаще применяют центробежно-дутьевые установки, в которых превращение струи расплава в волокно осуществляется совместным сочетанием обоих способов. Полученный таким образом волокнистый материал в дальнейшем используют как засыпочный теплоизоляционный материал и как сырье для изготовления войлока матов, шнуров, плит, скорлуп, различных сегментов для отепления трубопроводов и т. п.

Вспучивание и технология получения поризованных материалов базируется на термической обработке исходного минерального сырья или соответствующих шихт из него. Во время термической обработки совершаются почти одновременно два процесса, имеющих существенное значение. Первый — появление в обжигаемой породе или шихте некоторого количества расплава (жидких фаз) и второй — процесс газообразования. Последний является результатом выгорания органических веществ, выделения элементов химически связанной воды, разложения карбонатов и других солей, выделяющих газообразные продукты, а также результатом окислительно-восстановительных реакций, при которых из исходного сырья или соответствующих шихт при температурах обжига выделяются те или иные газы. Последние, не имея возможности пробиться из обжигаемой массы наружу, вследствие значительной вязкости расплава вспучивают и таким образом поризуют его.

Способностью к вспучиванию при быстром нагревании обладают некоторые горные породы и минералы — перлит, вермикулит, некоторые виды глин, в результате выделения из них при высокой температуре водяного пара или другого газа. Они при этом обычно (за исключением вермикулита) переходят в пластично-вязкое (пиропластическое) состояние. Коэффициент вспучивания — отношение объемов материала после и до нагрева — колеблется в широких пределах в зависимости от температуры и скорости ее подъема.

Образование пористой структуры без вспучивания имеет место при удалении парообразователя. В качестве парообразователей при этом используют воду, легколетучие жидкости, выгорающие добавки. Из масс с высоким содержанием воды (гидромасс) формуют древесно-волокнистые, торфяные, асбестоцементные теплоизоляционные плиты. Ячеистые бетоны способом высокого водозатворения изготовлять неэффективно, так как при этом требуется большой расход теплоты на испарение влаги. Высокую пористость за счет выгорающих добавок достигают при получении теплоизоляционных керамических изделий.

Неплотную упаковку как способ получения теплоизоляционных материалов используют при изготовлении изделий из волокнистых и зернистых компонентов.

Пористость волокнистых материалов обусловлена взаимным пе­реплетением волокон, образующих жесткий каркас. Объем пор при этом зависит от диаметра волокон, их упругости, свойств поверхности. Более высокая пористость достигается длинноволокнистым ма­териалом. При получении теплоизоляционных материалов широко используют волокна, получаемые механическими, термическими, гидравлическими и другими способами диспергации неорганического и органического сырья. Изделия из волокон часто формируют с различными вяжущими (фибролит, арболит, минераловатные плиты и др.) или без них (прошивные минераловатные маты и др.).

При использовании зернистых компонентов неплотная упаковка достигается гранулометрическим составом частиц, обеспечивающим повышенную межзерновую пустотность. Таким путем получают различные сыпучие (засыпные) материалы.

3. Виды воздействия на окружающую среду при производстве теплоизоляционных материалов

Понятие геоэкологических рисков в современной литературе используется довольно часто. Но применение такой терминологии, как правило, связано с экономическими потерями при разработке месторождений или устройстве трубопроводов. Если понимать под геоэкологическими рисками произведение вероятности наступления аварийной ситуации на производстве и величины ущерба от этой аварии, то необходимо проводить их анализ и оценку при проектировании, эксплуатации производств различных строительных материалов. Потребности строительной отрасли в минераловатных изделиях оцениваются специалистами из Института экономики Сибирского отделения РАН в 0,1 м³ в год на жителя. Мировое производство минеральной ваты составляет около 5 миллионов тонн в год. Производства минераловатных изделий создают негативные нагрузки на все геосферы: литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу.

Среди негативных воздействий следует выделить: санитарно-гигиенические аспекты воздействия волокон на организм человека, возможные эмиссии из связующих веществ, энергозатраты и выделения при сжигании топлива, возможные выделения в окружающую среду побочных продуктов. Все перечисленные воздействия следует учитывать на разных стадиях производственного процесса. Для обеспечения качества минераловатного производства, в том числе в геоэкологическом аспекте, следует принимать во внимание следующие факторы:

1. Качество сырья (модуль кислотности; доступность в регионе).

2. Энергоемкость производства (тип технологического оборудования; первичные энергозатраты на единицу продукции; возобновляемые энергоресурсы).

3. Качество и количество связующего вещества.

4. Возможные выделения в окружающую среду (оказывающие воздействие на парниковый эффект; потенциал разрушения озона; закисление почв; фотохимический смог).

5. Особенности эксплуатации (теплотехнические свойства; водопоглощение; диаметр волокон; противопожарные свойства; паропроницаемость; воздухопроницаемость свойства при длительных нагрузках).

Как известно, в качестве сырьевых компонентов для изделий из минеральной ваты выступают горные породы (диабазы, базальты), а также отходы, образовавшиеся при производстве бетона. Кроме того, в состав минераловатных изделий входят связующие вещества (например, фенолформальдегидные смолы) и вещества, повышающие прочность адгезии волокон со связующим. Месторождения базальта, используемого для производства минеральной ваты, расположены во многих регионах от Ровненской области (Украина) до Судунтуйского месторождения Читинской области. Основным критерием возможности использования сырья является модуль кислотности, характеризующийся отношением количества оксидов SiO₂ и Al₂O₃ к количеству оксидов СаО и MgO. Все базальтовые породы классифицированы по качеству в зависимости от величины модуля кислотности. Как правило, считается, что расстояния для транспортировки сырьевых компонентов до производства не должны превышать 150 км, но выполняется это для минераловатной промышленности далеко не всегда. Часто, когда значения модуля кислотности отличаются от оптимальных, приходится готовить многокомпонентную шихту с добавкой оксидов щелочноземельных металлов, что некоторым образом усложняет технологический процесс.

В целом производственный процесс изготовления минераловатных изделий может быть разделен на несколько этапов: получение расплава (вагранка, индукционная или плазменно-дуговая печь), вытягивание волокон, добавление связующего, формирование изделий (плиты, маты, сегменты и др.). Каждый из этапов, в свою очередь, оказывает определенное воздействие на окружающую среду, связанное, в частности, с энергозатратами. В связи с этим ведутся исследования с целью уменьшить энергоемкость технологии. Например, в индукционных печах и вагранках расход энергии получается 5−6 кВт•ч/ кг расплава, а в плазменно-дуговых этот показатель в 2−3 раза ниже. Энергозатраты на расплав шихты максимальны при использовании газового пламени в ванной печи (свыше 30 МДж/ кг). Наиболее точные данные можно получить по данным о полном технологическом процессе, в таком случае удельными единицами могут явиться кубометр или килограмм минеральной ваты. В таблице 1 приведены данные о воздействиях на окружающую среду по всему технологическому процессу в расчете на 1 кг минеральной ваты. Воздействия приведены в кг эквивалентного вещества, оказывающего негативный эффект при попадании в биотоп.

Таблица 1 Удельные энергозатраты и воздействия на окружающую среду при производстве минераловатных изделий

При эксплуатации изделий из минеральной ваты должны учитываться такие ее свойства, как сорбционное увлажнение, средний диаметр волокон, показатели теплопроводности, парои воздухопроницаемости. Например, минераловатные изделия из соображений безопасности должны иметь диаметр волокон не менее 4 мкм, поскольку волокна диаметром менее 3 мкм относятся к категории, опасной при вдыхании пыли. В частности, химический состав базальтовых масс из Читинской области позволяет создавать волокна диаметром около 8 мкм эффективных как с точки зрения теплоизоляционных свойств, так и с позиций безопасности. В то же время ведутся исследования в направлении создания супертонких искусственных минеральных волокон, которые могут растворяться в физиологической среде человеческого организма. Модификация минераловатных изделий алюмокальциевым шламом позволяет улучшить теплотехнические характеристики и показатели воздухопроницаемости. В то же время алюмокальциевый шлам является осадком техногенного происхождения, что требует дополнительных исследований по безопасности его применения для модификации волокнистых материалов. Специалисты среди требований к изделиям из минеральной ваты рассматривают такие и свойства, как невысокое водопоглощение, противопожарные свойства, устойчивость при длительных нагрузках и др.

Особенно важной проблемой всего жизненного цикла теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон является вопрос их переработки по окончании периода использования по назначению. Некоторые изделия могут повторно использоваться для изготовления волокна, но этот процесс осложняется при увеличении количества связующего.

Выше перечислен ряд воздействий производств минеральной ваты на окружающую среду и рассмотрены их особенности по различным стадиям жизненного цикла минераловатных материалов. Каждое из приведенных воздействий представляет собой фактор риска от геоэкологических проблем до вопросов, связанных с охраной труда на соответствующих предприятиях. Под управлением производственными рисками следует понимать комплексные мероприятия организационного и технического характера, основывающиеся на результатах количественного анализа.

Большинство имеющихся на рынке ТМ можно подразделить на следующие основные подгруппы:

1. Минераловатные и стекловатные плиты и маты.

2. Пенопласты: пенополистирол, пенополиуретан, пеноизол.

3. Вата и плиты из растительных, древесных волокон или волокон животного происхождения.

4. Вспученные природные материалы: пеностекло, перлит, вермикулит, пенокерамика и др.

Материалы из первой подгруппы получают путем расплава каменного или стеклянного сырья и далее из этих волокон формируют плиты или маты различной плотности, при этом в процессе производства расходуется большое количество энергии. В качестве связующего для плит используют порядка 5% синтетических фенолформальдегидных и др. полимеров. Свойства плит и матов из минеральных и стеклянных волокон зависит в частности от их плотности, размеров волокна, количества связующего, способа формования и т. д.

Данные ТМ относятся в основном к группе негорючих материалов, хотя при высокой температуре синтетическое связующее выгорает и плита рассыпается на отдельные волокна. При низких плотностях плиты и маты имеют очень большую сжимаемость под нагрузкой и воздухопроницаемость. Если при эксплуатации конструкций водяные пары попадают в данный утеплитель, то, проходя через стену, конденсируются в воздушных порах, что приводит к резкому снижению теплопроводности материала. Отсюда обязательным условием применения минераловатных и стекловатных плит является устройство сплошной пароизоляции с внутренней поверхности дома и, соответственно, устройство приточно-вытяжной вентиляции. Устройство сплошной пароизоляции предотвращает в некоторой степени попадание в жилые помещения формальдегида, фенола и других вредных, канцерогенных веществ, выделяющихся из связующего весь период эксплуатации данных ТМ.

Материалы второй группы получают путем вспучивания и формования различных полимеров. Свойства также зависят от рода полимера (полистирол, полиуретан, карбамидоформальдегид и др.), плотности и способа формования (экструзия или беспрессовый метод). Экструзионные пенопласты имеют в основном замкнутую пористость и как следствие низкую теплопроводность и водопоглощение. Пенопласты не экструзинонные имеют более высокое водопоглощение и при увлажнении сильно теряют теплопроводность. Данные материалы, как правило, хорошо горят и при горении выделяют сильные отравляющие вещества (например синильную кислоту, формальдегид). Неспроста пенополистирол, имеющий одну из самых высоких температур горения 1100 градусов Цельсия, применяли в напалмовых бомбах. В течение всего срока эксплуатации данные материалы, разлагаясь, выделяют стирол, формальдегид и другие канцерогенные вещества, отрицательно воздействующие на здоровье человека. Происходит усадка материалов, причем скорость этих процессов постепенно затухает. В первые месяцы эксплуатации пенополистирол дает очень сильную усадку, поэтому его даже рекомендуется перед применением вылеживать на складах. Теплопроводность с годами существенно увеличивается. Многие исследования показали, что срок эксплуатации данных материалов незначителен — 10−15 лет, особенно сильно это проявляется при нагреве солнечными лучами.

Третья группа ТМ наиболее обширна — сюда входят материалы из распушенных растительных и древесных волокон: древесноволокнистые плиты, целлюлозная вата (эковата), маты из льняного, конопляного, коксового, хлопкового волокна, а также овечья шерсть, утиный пух. Данные материалы производят обычно из вторичных ресурсов, отходов производства: макулатуры, опилок, старых джинсов и др. Из всего разнообразия на нашем рынке в основном представлены первые три. Данные органические волокнистые материалы имеют существенное отличие от минеральных волокон и пенопластов — они способны своими капиллярными волокнами впитывать излишки влаги и проводить ее через стены к наружной поверхности, воздушные поры при этом остаются сухими и поэтому теплопроводность при увлажнении до 20−23% практически не меняется. При использовании таких ТМ для изоляции дома устройство сплошной пароизоляции не требуется, т. е. вентиляция дома происходит естественным способом через стены (как в бревенчатом доме), тем самым в доме поддерживается наиболее комфортный климат. Для предотвращения возгорания и гниения в целлюлозную вату вводят антипирены и антисептики (бура и борная кислота) — нелетучие, не канцерогенные, безвредные для человека минеральные вещества. Древесная или целлюлозная вата в отличие от плит и матов подается в конструкцию по шлангу пневмотранспортом, заполняя все полости и создавая бесшовную изоляцию, устраняя утечки тепла по щелям на контакте конструкции и изоляции, существенно повышая энергоэффективность теплоизоляции. Данные материалы требуют наименьшее количество энергии при их производстве.

ТМ четвертой группы получают путем вспучивания природных минеральных веществ: вулканических стекол, перлитов, глин и др. Материалы не горючие, не гниющие, а пеностекло еще и не поглощает влагу, хотя имеют чуть более высокие показатели теплопроводности. Они не выделяют ничего вредного при эксплуатации, но на их производство расходуется большое количество энергии.

При выборе теплоизоляции здания руководствуются условиями эксплуатации конкретной конструкции. Характерный пример — брусовые или бревенчатые дома, отапливаемые периодически, например дровяным камином. При утеплении наружных стен по фасаду необходимо учитывать, что брусовая стена не может быть пароизолирована изнутри дома, а делать пароизоляцию между брусом и теплоизоляцией — значит создавать условия для конденсации влаги в деревянной стене, что приведет к разрушениям и сокращению срока службы здания. Единственным правильным решением в данном случае будет использовани целлюлозной или древесной ваты, которые не требуют устройства пароизоляции и способны выводить влагу по капиллярам (как деревянный брус) на фасад, где она испаряется.

4. Методы снижения воздействия на окружающую среду теплоизоляционных материалов

Воздействие на здоровье человека. Ответить на вопрос, какие вредные продукты содержатся в защитных материалах, трудно, т. к. изготовители, как правило, не публикуют данные о составе материалов, во-первых, по соображениям охраны сведений о технологии производства, во-вторых, чтобы не волновать покупателей.

Если рассмотреть основные компоненты, из которых изготавливают защитные материалы, то растительные и минеральные составляющие, как правило, не вызывают сомнений с точки зрения воздействия на здоровье. Вместе с тем синтетические материалы, изготовленные на основе искусственных продуктов, могут оказаться вредными для здоровья. Поэтому сырьевые составляющие таких материалов проходят предварительную обработку, после которой их вредное воздействие уменьшается.

При переработке минеральное волокно измельчают до такой степени, что его частицы при попадании в легкие человека могут вызвать нежелательные последствия. Для предотвращения этого в состав вносят связывающие компоненты, в результате чего создается относительно безопасный основной продукт, используемый для изготовления защитных материалов. Однако искусственные строительные материалы все же могут содержать остаточные компоненты, которые вредно воздействуют на организм человека.

Вместе с тем весьма сложен вопрос о том, какие вредные последствия могут вызывать отдельные компоненты защитных материалов, использованных в конкретной конструкции, содержащей эти материалы. Известно также, что и естественные материалы способны выделять вредные вещества, как, например, при нагреве пробки. С учетом изложенного выше вредное воздействие любых материалов необходимо ограничивать правильным выполнением монтажа.

Во всяком случае материал под плавающим покрытием или алюминиевой фольгой оказывает, несомненно, меньшее вредное воздействие на воздух в помещении, чем при закрытии его деревянным покрытием.

Воздействие на окружающую среду. Все используемые в строительстве материалы рано или поздно совершают своеобразный круговорот в природе: когда они старятся, их отправляют на специальные свалки, где сжигают в специальных устройствах. С этой точки зрения в строительстве предпочтительнее использование материалов растительного или минерального происхождения, которые не выделяют при переработке вредных веществ.

Обработка материалов. Различные материалы требуют и различных методов обработки. В основном защитные материалы можно крепить к конструкциям гвоздями, болтами или шурупами. При создании сплошных наружных покрытий защитные плиты прибивают гвоздями и облицовывают с помощью специальных клеящих составов. В случае защиты двухскатных кровель методы обработки должны указываться изготовителями.

Производство волокон при использовании разных видов сырья практически не будет отличаться друг от друга по степени воздействия на окружающую среду. Если же учитывать производство сырья, то для базальтового волокна и минерального — это только добыча нерудных полезных ископаемых, производимая с низкими энергетическими затратами. Для стекловолокна — это комплекс сложных и энергоемких механических и химических процессов с использованием ряда реактивов, производимых другими предприятиями химической отрасли промышленности.

Кроме того, необходимо отметить следующее. Базальтовые волокна длинные и тонкие. В мате они спутываются и держатся без связующего. Для транспортировки и придания базальтовому материалу «товарного вида» маты иногда простегивают нитью или обшивают тканью. В изделиях из стекловаты и минерального волокна всегда используют связующие — для придания им формы, защиты от влаги, повышения механических характеристик, повышения биостойкости и т. п. (то есть для исправления свойств самих волокон). В качестве связующего в подавляющем большинстве случаев используются фенольные смолы (от 1,5 до 10% по массе изделия). Все производители минеральных и стеклянных теплозвукоизоляционных изделий на фенольной связке должны иметь соответствующие гигиенические сертификаты и разрешения. Вместе с тем открытым остается вопрос об экологичности их производства (фенол признан канцерогеном), накоплении продуктов распада в помещениях (проблема «фенольных домов»), эксплуатации в особых условиях. Помещения, утепленные материалами с фенольным связующим, должны быть холодными и чаще проветриваться.