Анализ теплоизоляционных материалов на основе растительных волокон при помощи программы Altami Studio
Аннотация – В статье представлены результаты анализа теплоизоляционных материалов, изготовленных на основе растительных волокон. Предполагается использование вторичного сырья предприятий по переработке льна — очес льняной — в качестве волокнистого наполнителя для производства теплоизоляционных блоков.
В статье представлены результаты исследований микроструктуры льняного очеса и льняных волокон, проводимых при помощи световой микроскопии и электронной микроскопии, соответственно. Проведен ряд экспериментов, направленных на определение физико-механических характеристик теплоизоляционных материалов. Результаты испытаний подтверждают более высокую эффективность изоляционных плит, изготовленных из льняного очёса, по сравнению с теплоизоляционным материалом на основе льняного волокна. Определены основные факторы, способствующие уменьшению коэффициента теплопроводимости теплоизоляционного материала из льняных очесов.
Введение
Одной из приоритетных задач в условиях глобального энергетического кризиса остается развитие производства эффективных строительных материалов и экономия топливно-энергетических ресурсов, в том числе минимизация тепловых потерь за счет строительства, сооружения объектов и внешнего технологического оборудования.
Основным решением в снижении затрат на тепловую энергию является улучшение теплового сопротивления оболочек зданий с помощью теплоизоляционных материалов.
Изоляционные материалы на основе растений, помимо значительной экономии теплоэнергетических ресурсов, могут способствовать улучшению экологических условий, в том числе сокращение выбросов СО2.Таким образом, разработка новых эффективных теплоизоляционных материалов на основе растительных волокон, отвечающих вышеуказанным критериям, очень актуальна в области производства изоляционных материалов.
Изоляционные плиты «Экотеплин», выпускаемые в России, можно считать успешным развитием в этой области. Плиты изготавливаются из льняного волокна и связующего крахмала. Бораты используются для средств тушения и биорезистентности. [3], [4].
Исследования проводились в Рижском техническом университете с целью разработки теплоизоляционных материалов на основе костры, гидравлической извести и различных добавок. В результате были получены теплоизоляционные материалы с плотностью 312 — 337 кг / м3 и с теплопроводностью в диапазоне от 0,0101 Вт / (м ° С)
Материалы и методы
Анализ микроструктуры льняных очесов и поверхности льняных волокон проводили при помощи световой микроскопии. Анализ микроструктуры на оптическом микроскопе Altami MET 5 С позволяет получить изображения поверхностной структуры анализируемых объектов. Микроскоп оснащен специальной лампой на объективе, основанная на отражении света. Полученные изображения были отображены на экране компьютера и записаны на жесткий диск. Программное обеспечение Altami Studio позволяет комбинировать полученные последующие изображения фрагментов образцов для увеличения площади изображения анализируемого материала.
Основной ряд экспериментов, направленных на определение физико-механических свойств образцов, проводился отдельно для волокнистого наполнителя из льняных очесов и льняных волокон, а также для волокнистого наполнителя, изготовленного из смеси льняных очесов и льняных волокон в пропорции 80 к 20.
Определение термической проводимости изоляционных материалов, изготовленных на основе растительных волокон
На начальном этапе исследований в качестве исходного сырья для получения эффективного волокнистого наполнителя для теплоизоляционных плит рассматривались следующие растительные волокна: крапива, тростник, лен, льняные очесы, кора масличной пальмы. В качестве связующего использовали силикат натрия. Теплопроводимость определялась для заполнения волокна различного происхождения в теплоизоляционных материалах с плотностью 50 кг / м3.
Среди материалов, полученных из растительных волокон, наименьшая скорость теплопроводимости оказалась у образцов, полученных из крапивы и льняных очесов, равная 0,041 Вт / (м ° С), что составляет на 0,0060,014 Вт / (м ° С ) ниже, чем показатели материалов, основанных на других типах анализируемых волокон.
Применение световой и электронной микроскопии в анализе микроструктуры льняных очесов и волокон
Изображения льняного волокна (рис.1) и льняного очеса (рис.2) были получены с помощью световой микроскопии, соединяющей изображения последовательных фрагментов анализируемого образца. Например, на рис.2 изображен льняной очес длиной 6 см. Выделенной рамкой фрагмент на рисунке, представлен в увеличенном виде на рис. 2 (b).
Полученные изображения свидетельствуют о том, что льняное волокно состоит из конгломерации более тонких волоконных пучков элементарных волокон, прочно прикрепленных друг к другу через элементарные волокна, в результате чего обеспечивается прочное продольное соединение волокнистой системы льняного стебля. В то же время льняной очес состоит из рваных пучков элементарных волокон (рис.2, a). В очесе элементарные волокна периодически соединяются друг с другом в связи с хаотическими контактными связями. В результате образуется каркас из сетчатого волокна, обеспечивающий прочное продольное соединение всей структуры льняного очеса. Очесы соединяются из-за боковых ответвлений в виде элементарных волокон, образующих пространственную сетчатую волокнистую систему. Элементарное волокно представляет собой клетку растения веретенообразной формы. На микроизображении (рис.2, b) в отраженном свете видно, что элементарные волокна образуют узкие внутренние каналы диаметром от 4 мкм до 6 мкм. Длина элементарных волокон колеблется от 10 мм до 40 мм при диаметре от 8 до 12 мкм.
В структуре элементарного волокна [14] различают несколько концентрически расположенных слоев, отличающихся различной степенью преломления. Первая область покрытия относительно тонкая, она в основном состоит из пектиновых веществ, которые склеивают клетки друг с другом. Первичная стенка, состоящая из целлюлозы со значительным содержанием гемицеллюлозы, пектинов и часто лигнина, образует следующую область. Вторичная стенка также образована из целлюлозы и характеризуется различными показателями преломления из-за меньшего количества добавок вышеупомянутых веществ. На начальном этапе развития элементарные волокна представляют собой, по существу, круглые клетки, заполненные плазмой. По мере роста соответствующей зоны эти клетки удлиняются, их покрытие значительно утолщается изнутри и достигает такой степени толщины, что внутренняя полость с плазмой видна как очень узкий канал.
Таким образом, полученные результаты световой микроскопии, направленные на анализ структуры волокна (рис.2, b), полностью подтверждают наличие пустотного канала в элементарном волокне.
Применение сканирующего электронного микроскопа позволило визуально подтвердить, что льняное волокно состоит из пучков элементарных волокон (рис.3, a). На изображении волокна рамка выделяет фрагмент, который увеличен на рис.3, b. Белыми образованиями, отмеченными стрелкой, являются микрофибриллы, образующиеся из-за наличия нецеллюлозных полисахаридов и пектина [15]. Проведенный анализ электронной микроскопии подтверждает морфометрические свойства элементарных волокон, определяемые при изучении льняного очеса с помощью световой микроскопии, а также позволяет определить, что размер пучков составляет от 50 мкм до 70 мкм в диаметре, при условии, что от 10 до 20 элементарных волокон расположены в структуре пучка. Данные микроскопического анализа показывают, что менее «грубая» и более эффективная теплоизоляционная структура микроячейки может быть образована из льняных очесов, чем из материалов на основе льняных волокон.
ВЫВОДЫ
Среди теплоизоляционных материалов на основе растительных волокон изоляционные материалы на основе льняных нитей или крапивных волокон демонстрируют лучшие показатели теплопроводности.
Проведенные исследования световой микроскопии позволили определить, что микроструктура льняного очеса образована из конгломерации хаотически взаимосвязанных элементарных волокон, что обусловливает формирование сетчатой волокнистой структуры льняного ноля. В процессе контакта льняные нити образуют пространственную микроволоконную волоконную систему. Установили, что элементарное волокно представляет собой микротрубку диаметром от 8 мкм до 12 мкм с пустым каналом диаметром от 4 до 6 мкм, который совместим с размером твердых волокон из минеральной ваты, обеспечивающей формирование эффективной изолирующей структуры.
Теплопроводимость полученных изоляционных материалов, изготовленных из льняных очесов, равна 0,036-401 Вт / (м ° С), а прочность на сжатие при 10% с деформацией от 0,11 ∙ 10-2 МПа до 0,33 ∙ 10-2 МПа и плотности от 50 кг / м3 до 110 кг / м3.
Определены факторы, которые оказывают значительное влияние на скорость теплопроводности волокнистого наполнителя: наличие волокон диаметром менее 20 мкм; наличие пустотных каналов в волокнах; хаотическая направленность волокон в пространстве, что обеспечивает формирование сетчатой структуры; уменьшение общей площади контакта волокон; уменьшение размера и локализации микрополей в структуре теплоизоляционного материала.
