Повышение эффективности поризованных гипсовых материалов за счет введения фотокатализаторов

Повышение эффективности поризованных гипсовых материалов за счет введения фотокатализаторов

Реферат

Повышение эффективности поризованных гипсовых материалов за счет введения фотокатализаторов

Введение

Для человека характерна своя среда обитания. Важна температура, влажность и чистота воздуха в доме, правильный уровень освещения, чистота воды. На сегодняшний день наиболее комфортабельными и экологически чистыми являются мультикомфортные дома. Мультикомфортный дом - симбиоз энергоэффективного и максимально комфортного дома. Он обеспечивает наивысший уровень комфорта при минимальных затратах энергии.

При строительстве мультикомфортного дома решаются три основные проблемы.

Энергетическая - на жизнеобеспечение зданий расходуется более 40% всей производимой энергии (по данным стран Евросоюза).

Микроклимат в помещении - до 30% зданий не обеспечивают здоровый микроклимат. Человек проводит 90% своего времени в помещениях.

Загрязнение окружающей среды - используется большое количество строительных материалов негативно влияющих на экологию [1].

Одним из самых эффективных способов снижения потребления энергии является применение энергоэффективных строительных систем и материалов. Мультикомфортное строительство активно применяется в странах западной Европы и Скандинавского полуострова. Суммарный эффект экономии тепла во вновь возводимых жилых и коммерческих зданиях здесь составляет 50-70%. В частности, в Дании уже сейчас возводятся здания, при эксплуатации которых расходуется 16 кВт·ч/м² в год, что на 70% ниже текущих энергетических затрат. Основной принцип создания мультикомфортного дома - комплексный подход к решению задачи. Конечный результат строительства в равной степени зависит, как и от проектирования, так и от процесса возведения дома. Важно обеспечение высокого уровня теплозащиты всех ограждающих конструкций здания, применение энергосберегающих окон, установка энергоэффективного теплогенерирующего оборудования, систем вентиляции с рекуперацией тепла, энергоэффективного освещения, регулирующих арматур на приборах отопления и счетчиков. Технология создания мультикомфортных домов подходит как для индивидуального жилищного строительства, так и для многоквартирных домов и офисных зданий, она используется как для строительства новых домов, так и для реконструкции старых. Теплоизоляция зданий и сооружений преследует несколько целей: повышение уровня комфортности, тепло- и звукоизоляции, экономию топливных ресурсов и сокращение эксплуатационных расходов. Однако в понятие энергоэффективного дома входит не только теплоизоляция конструкций, но и специальные инженерные решения систем вентиляции и теплоснабжения. Повышение энергоэффективности домов это еще и частичное решение экологической проблемы, так как создающее «парниковый эффект» выделение СО₂ при сжигании топлива для отопления и подогрева воды оказывает на усложнение экологической ситуации наибольшее воздействие.

Концепция мультикомфортных домов будущего заключается в том, что жилище обогревается не современными отопительными системами, а теплотой, выделяемой обитающими в нем людьми и животными, работающими бытовыми электроприборами и нетрадиционными источниками энергии, например, солнечной, горячих источников и др. Основана концепция на том, что расчетные суммарные тепловыделения людей, животных и приборов сравнимы с мощностью современных отопительных систем. Недостающую теплоту предлагается восполнять с помощью автономных генераторов на природных источниках тепла и только в случае крайней необходимости минимально использовать современных энергоносителей: угля, нефти, мазута. Для строительства, как правило, выбираются экологически корректные материалы, часто традиционные - гипсовые материалы, газобетон, дерево, камень, кирпич. В последнее время часто строят мультикомфортные дома из продуктов рециклизации неорганического мусора - бетона, стекла и металла. В Германии построены специальные заводы по переработке подобных отходов в строительные материалы для энергоэффективных зданий.

1. Стандарты мультикомфортных зданий

В Европе существует следующая классификация зданий в зависимости от их уровня энергопотребления (согласно энергетической директиве Евросоюза по энергетическим характеристикам зданий от 2002 г.).

Табл. 1 Классификация зданий по энергоэффективности в соответствии с «директивой Евросоюза по энергетическим характеристикам зданий от 2002 г.».

. Стандарты мультикомфортных зданий в России

фотокатализ подвесной потолок мультикомфортный

Первым шагом к реализации мер по повышению энергоэффективности в нашей стране стала «Энергетическая стратегия России до 2020 года», принятая в 1992 году. В 2003 году был принят Федеральный закон «Об энергосбережении», в котором уделялось большое внимание повышению энергетической эффективности зданий и использования энергосберегающих материалов при их строительстве. Выход закона послужил толчком для разработки комплекса нормативных документов, регулирующих различные аспекты энергоэффективности на федеральном и региональном уровне. В их числе был СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», а также Территориальные строительные нормы «Энергетическая эффективность в жилых и общественных зданиях», которые действуют в 52 субъектах РФ. Сегодня в России реализуется несколько федеральных и региональных программ по повышению энергоэффективности. Среди них можно выделить Федеральную целевую программу «Повышение эффективности энергопотребления в Российской Федерации на 2008-2015 годы», а так же совместный проект России и ЕС - «Энергоэффективность на региональном уровне в Архангельской, Астраханской и Калининградской областях [2].

Табл. 2 Расход тепловой энергии по типам зданий в России

Табл. 3 Стандарты строительства РФ

. Материалы комфортной среды

Комфорт - совокупность благоприятных условий (температурно-влажностный режим, акустический комфорт, пожарная безопасность, чистота воздуха), обеспечивающихся различными системами, а так же современными строительными материалами.

На сегодняшний день комфортабельность является одной из ведущих характеристик при выборе жилья. Комфорт достигается несколькими системами, а так же использованием современных высокотехнологичных строительных материалов в доме.

Теплоизоляция

Изоляция или отделение одного теплопроводящего тела от другого с помощью не проводящего тепло материала с целью уменьшения или предотвращения передачи тепла; также теплоизолирующий материал или конструкция [3]. От выбора теплоизоляции зависят энергозатраты на поддержание оптимальной температуры внутри здания. Наименьший коэффициент теплопроводности и лучшие экологические показатели имеет теплоизоляция на основе минеральной ваты. Положительными качествами минераловатных плит являются экологическая безопасность, высокие теплоизоляционные, звукоизоляционные и противопожарные свойства, негорючесть и долговечность. В соответствии с концепцией мультикомфортного дома, повышение теплотехнической эффективности здания достигается за счет увеличения толщины теплоизоляционного слоя, устранения мостиков холода и снижения воздухопроницаемости конструкций. Экологически чистым конструкционно-теплоизоляционным материалом является газобетон. Основной недостаток газобетона - более высокая теплопроводность по сравнению с изделиями из минеральной ваты. Так же возможно применение конструкционно-теплоизоляционных поризованных гипсовых блоков для возведения межкомнатных перегородок внутри зданий. Данный материал обладает низкой теплопроводностью, а также способствует созданию оптимального микроклимата внутри помещения.

Табл. 4 Значение коэффициента теплопроводности различных материалов по СНиП II-3-79 для нормальной и влажной зоны.

Пожарная безопасность

Горение - сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Описать природу горения можно как бурно идущие окисление. Ключевым фактором, определяющим пожарную опасность строительных материалов, является сырье, из которого они изготовлены. В этой зависимости их можно разделить на три большие группы: неорганические, органические и смешанные. Горению подвержены материалы, имеющие в своем химическом составе углерод, то есть органические и смешанные. При выборе отделочных и теплоизоляционных материалов крайне важна их степень пожарной опасности. Для повышения эффективности противопожарной безопасности в современном строительстве используется большое количество отделочных материалов на основе гипса: листовые материалы для облицовки стен и потолков, лицевые элементы подвесных потолков.

Табл. 5 Разделение материалов по классу горючести согласно СНиП 21-01-97

Акустический комфорт

Под звукопоглощением понимается процесс преобразования энергии звуковых волн в тепловую энергию при распространении звука в среде или при падении звука на границу двух сред [16]. Наиболее отчетливо процесс звукопоглощения наблюдается в тех случаях, когда на границе с воздушной средой размещают материалы, у которых свойства превращать колебательную энергию звуковой волны в тепловую выражены наиболее ярко. Проблема решается за счет применения перфорированных материалов для облицовки стен и потолков. На сегодняшний день широко используются лицевые элементы подвесных потолков на основе гипса и минеральной ваты. Звукоизоляция - снижение уровня шума, проникающего в помещения извне. В качестве звукоизолирующих материалов в мультикомфортном строительстве преимущественно применяется звукоизоляция на основе минеральной ваты, так же возможно применение поризованных гипсовых материалов.

Табл. 6 Значение коэффициента звукопоглощения различных материалов.

Температурно-влажностный режим

Температура и влажность воздуха - важные показатели определяющие степень комфорта помещения. На сегодняшний день существуют строительные материалы, способные регулировать влажность воздуха. Любые материалы и изделия на основе гипса - сухие гипсовые смеси для выполнения штукатурных или облицовочных работ, самовыравнивающиеся стяжки под покрытия для полов, гипсокартонные листы, панели гипсопрокатных перегородок, пазогребневые плиты - отличаются высокой паропроницаемостью. Гипс - материал способный «дышать», то есть, поглощать из помещения влагу, если она в избытке и отдавать, если воздух становится очень сухим. При высокой влажности воздуха в помещении способность гипса впитывать влагу можно увеличивать за счет добавления сорбентов при производстве, например силикагеля. Так же влажность воздуха в помещении, в меньшей степени, по сравнению с гипсовыми материалами способны регулировать ячеистые бетоны.

В качестве теплорегулятора возможно использование гипсокартона, с добавлением капсулированного парафина. Этот материал обладает теплоаккумулирующими свойствами. Высокие температуры расплавляют парафин, и благодаря своим свойствам он поглощает избыток тепла. При понижении температуры вещество снова затвердевает, выделяя тепло в помещение.

Чистота воздуха

Атмосферный воздух всегда содержит какие-либо загрязнения, связанные с различными природными процессами (эрозия почвы, вулканические загрязнения и т.п.). Более существенные - техногенные факторы загрязнения атмосферы. Все это создает необходимость очистки воздуха. Частью инженерных систем зданий являются системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Так же обеспечивать чистоту воздуха внутри помещения может использования современных строительных материалов, таких, как гипсоцеолитовые листы.

Гипсоцеолитовые листы - это гипсовые листы с добавлением микропористой горной породы цеолита в виде зерен размером до 1 мм. Данный материал обладает хорошей воздухопроницаемостью, высокими сорбирующими свойствами, а так же способствует ионному обмену. Данные свойства гипсоцеолитовых листов позволяют им очищать воздух в помещениях от большинства вредных веществ, таких как формальдегиды, хлорсодержащие углеводороды, бензол, тритиломин, аммонийсодержащие углеводороды, ароматические углеводороды [4]. Гипсово-цеолитовые листы широко применяются при устройстве подвесных потолков с предварительно перфорированными листами, а так же при отделке стен. Данный материал имеет большой потенциал дальнейшего развития.

Одним из перспективных направлений обеспечения экологической чистоты воздуха является применение фотокатализаторов (оксидов некоторых металлов).

. Применение реакции фотокатализа в строительных материалах

На современном этапе развития науки фотокатализ определяют как «изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ (фотокатализаторов), которые поглощают кванты света и участвуют в химических превращениях участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействие и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий».

Эффект фотокатализа - минерализации газообразных загрязнений на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения - открыт в 20-е годы прошлого века, но активные исследования проводятся в последние 10-15 лет [6].

В качестве фотокатализатора в настоящее время широко используется диоксид титана, в частности при фотолизе воды, как экономически выгодного способа получения водорода. Фотокаталитические процессы также можно использовать и для очистки воздуха. Нанесенный на оксидную матрицу диоксид титана под действием энергии света, кислорода из воздуха и воды, образует свободные радикалы, которые способны разрушить органические и неорганические загрязнения.

Диоксид титана широко используется не только как индивидуальное соединение, но и, как покрытие, которое наносят на пористые оксидные матрицы (SiO2) для увеличения его удельной поверхности, механической прочности повышения термической и увеличения селективности получаемых на его основе катализаторов.

Диоксид титана существует в виде трех полиморфных форм: анатаза, рутила и брукита. Наибольшую активность в фотостимулированных каталитических и фотоэлектрических реакциях проявляет диоксид титана, находящийся в анатазной модификации. Усиление фотоактивности объясняется более высоким положением уровня Ферми у анатаза по сравнению с рутилом.

Диоксид титана добавляется при производстве цементов, разработанных группой Italcementi. Изделия из такого цемента обладают свойствами самоочищения и удаления загрязнений из атмосферы. Исследования показывают, что использование цемента с содержанием диоксида титана уменьшают содержание Cox в среднем на 80% [5].

. Теоретические предпосылки к производству лицевых элементов подвесных потолков на основе гипса с добавлением фотокатализаторов

Задача современного строительства - создание комфортных условий проживания, которые связаны с созданием: температурно-влажностного режима, акустического комфорта, пожарной безопасности, экологической чистоты, ограничивающих влияние вредных компонентов и радиации.

В связи с этим все большее внимание уделяется материалам, обеспечивающим очищение атмосферы (воздуха). Этому направлению в настоящее время уделяется большое внимание со стороны зарубежных ученых.

Проблема чистого воздуха внутри помещения находится в центре внимания здравоохранительных органов и строительных компаний. В настоящее время решением этого вопроса активно занимаются в США и Западной Европе. Целый ряд фирм занимается разработкой материалов обеспечивающих улучшение параметров воздушной среды [10].

Одним из путей решения этой проблемы является применение фотокатализаторов в производстве лицевых элементов подвесных потолков. Диоксид титана является эффективным фотокатализатором. Данный минерал может эффективно работать совместно с поризованными материалами на основе гипса и обеспечить окисление вредных веществ, таких как окись углерода и двуокись азота в воздухе.

Окись углерода - газ, образующийся при неполном сгорании топлива, который имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха, что делает его особенно опасным. Ежегодно происходят многочисленные случаи отравления окисью углерода со смертельным исходом в жилых помещениях. Источниками высоких концентраций окиси углерода могут быть неправильно установленные или неграмотно эксплуатируемые приборы, работающие на газе или твердом топливе. Признаками выделения окиси углерода служат пятна или отложения сажи, а также окрашивание пламени в желтый или оранжевый цвет. При использовании твердого топлива необходимо время от времени проверять, наличие запаха или дыма [13].

Двуокись азота и прочие оксиды азота - это газы, образующиеся при сгорании топлива, например, в автомобилях [14]. Повышенный уровень оксидов азота может наблюдаться при использовании газовых плит, керосиновых нагревателей и других приборов, работающих на газе. Источником оксидов азота может быть наружный воздух, особенно в больших городах и прочих сильно загрязненных населенных пунктах.

Для улучшения санитарно-гигиенических показателей внутренней среды помещений необходимо создание материалов, обладающих возможностью снижения концентрации вредных веществ в воздухе, создающих акустический комфорт и огнезащиту несущих конструкций.

Одним из наиболее распространенных отделочных материалов применяемых в современном строительстве являются лицевые элементы подвесных потолков, которые, как правило, решают задачи обеспечения акустического комфорта и огнезащиты несущих конструкций.

Применение акустических отделочных материалов тесно связано с проблемой борьбы с шумом, которая в настоящее время является одной из наиболее важных социальных проблем и приобретает такое же значение, как борьба с загрязнением воздушного и водного бассейнов. Наряду с созданием бесшумных машин и оборудования, применением рациональных архитектурно-планировочных решений, использование звукопоглощающих облицовок является в ряде случаев наиболее выгодным и удобным, а часто и единственным способом борьбы с шумом.

Шум на производстве и в быту наносит большой ущерб, вредно воздействует на организм человека, снижает производительность труда, вызывает тяжелые профзаболевания. Установлено, что шум является причиной быстрой утомляемости и снижения работоспособности. Под воздействием шума происходит ряд изменений в организме человека, выражающихся в нарушении функционального состояния нервной системы [11]. Вопросы борьбы с шумом приобретают особо важное значение еще и потому, что интенсивность шума в производственных, административных и общественных помещений постоянно возрастает.

Большое внимание к акустическим материалам будет понятно, если учесть, что правильно выполненная обработка шумных помещений акустическими материалами позволяет уменьшить уровень звукового давления на 6-8, а в ряде случаев и на 10-15 дБ.

Так, если шум превышает нормальные требования на 15-20 дБ, то, как сообщают исследования, производительность труда снижается на 10-20%. У операторов шумного цеха устойчивость ясного видения в течение смены уменьшается в 5,5 раза. На предприятиях с преобладанием средне- и высокочастотных шумов шум является основной профессиональной вредностью [16]. Особенно сильно шум оказывает вредное воздействие на организм подростков - снижается работоспособность, затрудняется мышление, ухудшается подвижность, нарушается деятельность сердечно-сосудистой системы [11].

В России проблеме борьбы с шумом уделяется общегосударственное значение. Ряд постановлений предусматривает систему мероприятий, обеспечивающих снижение уровня шума и исключающих вредное воздействие на организм человека.

Устройство подвесных потолков и возможность снижения уровня шума за счет применения эффективных акустических материалов позволяет использовать для тех же целей помещения с меньшей кубатурой. Уменьшение помещений идет, как правило, за счет снижения высоты потолков, без ухудшения санитарно-гигиенических условий, что позволяет, с одной стороны, достичь значительной экономии строительных материалов, а с другой - использовать для административных и служебных помещений здания до 20 и более этажей.

Учитывая требования, которые предъявляются на современном этапе строительства к акустическим характеристикам помещений, стоит задача разработки и применения универсальных отделочных материалов, обладающих звукопоглощением в широком диапазоне частот и имеющих привлекательный внешний вид. Такие материалы должны обеспечивать изменение звукопоглощающей способности за счет соответствующего монтажа или применения в конструкциях согласно назначению помещений.

Поризованные гипсовые материалы относятся к звукопоглощающим пористым материалам с достаточно высокими декоративными качествами и могут применяться в помещениях самого различного назначения с относительной влажностью не более 70%.

Эксплуатация современного помещения принципиально отличается от эксплуатации зданий и помещений, построенных до 70-х годов ХХ века. Создание комфортных условий за счет устройства кондиционирования, вентиляции, освещения, применения автоматических устройств, сигнализации и т.д. вызывает необходимость устройства подвесных потолков. Подвесные потолки в этом случае решают целый ряд проблем, связанных с эксплуатацией помещений:

скрытое расположение светильников, проводки, вентиляции;

возможность периодического обновления устаревших материалов;

обеспечение огнезащиты несущих строительных конструкций.

Вопросами, связанными с изучением поглощения звука пористыми материалами, занимались многие ученые, как в нашей стране, так и за рубежом. Большой вклад в теоретические разработки процесса звукопоглощения внесли Л. Рэлей, К. Цвиккер, К. Костен, Л. Беранек, Е. Скучик и другие зарубежные ученые [11]. Ряд важных работ по изучению механизма звукопоглощения и исследованию определяющих параметров был выполнен в нашей стране Юдиным Е.Я., Осиповым Г.Л., Велижаниной К.А., Борисовым Л.А. и другими [16].

Механизм звукопоглощения заключается в том, что при падении звуковой волны на пористый материал, воздух, находящийся в порах, приходит в колебание и благодаря сопротивлению трения и вязкости воздуха часть звуковой энергии превращается в тепло. При этом за счет теплопроводности стенок пор происходит рассеивание энергии. Кроме того, при неидеальной упругости скелета материала могут происходить релаксационные потери энергии [12].

Развитие многоэтажного строительства с применением каркасных типов зданий значительно увеличивает нагрузки на несущие элементы и перекрытия.

Особую опасность для таких частей здания представляет воздействие высоких температур, появление которых возможно во время пожаров. В этом случае весьма положительную роль играют декоративно-акустические материалы, применяемые с целью огнезащиты несущих конструкций. Воспринимая основные тепловые нагрузки, декоративно-акустические материалы обеспечивают работу наиболее ответственных элементов в условиях, близких к нормальным. Исходя из условий огнезащиты, декоративно-акустические материалы должны обладать высокой огнестойкостью, относится к категории несгораемых или трудносгораемых материалов.

Архитектурно-строительная практика должна располагать материалами для устройства не только акустических, противопожарных (огнестойких) и других однозначных по функции подвесных потолков, но и для устройства потолков многофункциональных, с помощью которых одновременно можно решать как сложные функционально-технологические и инженерные задачи, так и разнообразные проблемы общественного интерьера и экологической безопасности, достигая при этом высокого эстетического уровня.

Независимо от вида и назначения лицевых элементов подвесных потолков все они должны в большей или меньшей мере обладать звукопоглощающими свойствами. В связи с этим в качестве исходной позиции создания эффективных акустических материалов было выбрано звукопоглощение, которое явилось определяющим при разработке структуры, составов, технологии изготовления и применения поризованных гипсовых материалов.

Применение гипсового вяжущего в качестве основного компонента при получении многофункциональных поризованных гипсовых материалов с добавлением диоксида титана связано с его доступностью, простоте получения при низких энергозатратах, технологичностью в переработке, гигиеничностью и декоративностью. В нашей стране имеются огромные запасы гипсового камня, расположенные в европейской части России, Сибири и Средней Азии. Общие промышленные запасы гипсового камня составляют около 1,5 млрд. тонн. [17].

Целесообразность широкого применения в современном строительстве гипсовых вяжущих подтверждают масштабы переработки гипсового камня и гипсосодержащих отходов в промышленно развитых странах.

Так переработка гипсового сырья в США составляет 19,3 млн. т, в Японии находится на уровне 5,5 млн. т. Крупными переработчиками гипсового сырья являются фирмы Франции, ФРГ, Испании и других стран. Затраты условного топлива на производство 1 т цемента составляют 47 кг. Несколько выше затраты условного топлива при производстве высокопрочного гипсового вяжущего. [6].

Однако применение гипсовых вяжущих в современном строительстве имеет незначительные масштабы. Ограниченное применение гипсовых вяжущих связано с их низкой водостойкостью и ограниченной номенклатурой изделий. Такое положение нельзя считать нормальным, особенно применительно к отделочным материалам, которые эксплуатируются в благоприятных температурно-влажностных условиях. Кроме того, достижения науки и техники позволяют целенаправленно регулировать свойства как самих гипсовых вяжущих, так и изделий на их основе - прочность, атмосферо- и водостойкость, действие температур и другие. [8].

К гипсовым вяжущим относятся продукты, получаемые при тепловой обработке гипсового камня, состоящего в основном из СаSO₄×2H₂O. В результате тепловой обработки возможно получение a и b полугидрата, a и b - обезвоженного полугидрата, a и b - растворимого ангидрита и нерастворимого ангидрита СаSO₄ [18].

Наибольший интерес для практических целей имеют a и b - полугидрат. Это модификации гипсового вяжущего отличаются условиями образования и свойствами. a - полугидрат получается при давлении выше атмосферного в условиях высокого парциального давления водяных паров. b - полугидрат получается при удалении воды в парообразном состоянии при сохранении внешних размеров частиц. b - полугидрат представляет собой агрегаты, состоящие из мелких, часто бесформенных кристаллов, более реакционноспособен, требует больше воды затворения. a - полугидрат представляет крупные, хорошо оформленные кристаллы, отличается более плотным строением и малой удельной поверхностью, в связи с чем водопотребность ниже, а прочность выше [14]. Сроки схватывания a - полугидрата больше, т.к. растворимость его частиц на 20-30% ниже растворимости более мелких частиц b - полугидрата.

Большое значение при получении поризованных гипсовых материалов имеют сроки, характеризующие процесс гидратации и набора прочности. Согласно теории твердения гипсовых вяжущих полуводный гипс при затворении водой растворяется, образуя пересыщенный раствор двуводного сульфата кальция. В результате выделения и роста кристаллов двуводного сульфата кальция смесь схватывается и твердеет. Набор прочности происходит по мере перехода воды затворения в связанную кристаллизационную воду. При этом весь процесс перехода гипсового вяжущего в гипсовый камень подразделяется на три периода: индукционный (растворение полугидрата и образование насыщенного раствора), кристаллизационный (выделение двуводного гипса в виде высокодисперсных кристаллов и образование коллоидной массы), рекристаллизационный (перекристаллизация мелких кристаллов и коллоидных частиц в более крупные, что соответствует твердению системы и росту прочности) [9].

В качестве метода получения поризованных гипсовых материалов предполагается использовать метод сухой минерализации пены гипсовым вяжущим. Получение поризованных гипсовых материалов методом сухой минерализации пены предполагает, что структура таких материалов закладывается на стадии получения пены. Поэтому, исходя из требований к структуре поризованных гипсовых материалов с добавлением диоксида титана, должны быть рассмотрены вопросы, связанные с формированием таких структур: виды и свойства пен, виды ПАВ, применяемых для вспенивания растворов, основы минерализации пены гипсовым вяжущим [8].

К пенам относятся дисперсные системы, состоящие из пузырьков или ячеек газа, разделенных пленками жидкости. Газообразная фаза в пенах рассматривается как дисперсная среда, а жидкость, образующая пленочный каркас, как непрерывная дисперсионная среда. При определенных условиях жидкая фаза может переходить в твердую. Тогда дисперсионной средой является твердое вещество. В этом случае получение ячеистых материалов на основе гипсовых вяжущих и вспененных ПАВ заключается в переводе жидкой фазы раствора ПАВ в твердую фазу, состоящую из двуводного гипса, путем минерализации пены.

Свойства пены зависят прежде всего от вида ПАВ, применяемых в качестве пенообразователей, и от способа вспенивания. Все ПАВ по характеру адсорбции и механизму стабилизации дисперсных систем делятся на низкомолекулярные и высокомолекулярные. В свою очередь низкомолекулярные ПАВ делятся на коллоидные и мицеллярно-растворимые. Известно, что в качестве пенообразователей хорошо работают мицеллообразующие ПАВ, которые в дальнейшем и были использованы в работе.

К низкомолекулярным относятся соединения дифильного характера, имеющие гидрофильную и гидрофобную составляющие. Гидрофильная часть представлена, как правило, одной или несколькими полярными группами, например: ^-ОН, ^-СООН, ^-SO₃H, ^-OSO₃H, ^-COOMe, ^-N⁺(CH₃)₃I^- По назначению низкомолекулярные ПАВ делятся на смачивателя, эмульгаторы, моющие средства, пенообразователи и др. По химическим свойствам они делятся на анионактивные (соли карбоновых кислот, алкилсульфаты, алкилсульфонаты), катионоактивные (аммониевые основания, соли аминов и т.д.), неионогенные (спирты, эфиры и т.д.).

Анионные ПАВ при диссоциации образуют отрицательно заряженные органические ионы, определяющие поверхностную активность. К анионным ПАВ относятся соли карбоновых кислот (RCOOMe), соли сульфоэфиров (ROSO₃Me), соли сульфоновых (RSO₃Me) и сульфиновых (RSO₂Me) кислот и др. Анионактивные ПАВ занимают ведущее место по объему производства в виде алкиларилсульфонатов, алкилсульфатов и алкилкарбонатов. Из алкиларилсульфонатов важное место занимают алкилбензолсульфонаты натрия С₁₂Н₂₄С₆Н₄SO₂ONa (сульфонолы), из алкилсульфатов - первичные (AlKCH₂OSO₂ONa), вторичные алкилсульфонаты и другие производные.

Катионные ПАВ при диссоциации образуют положительно заряженные органические ионы, обуславливающие поверхностную активность. К этому виду ПАВ относятся высокомолекулярные амины, получаемые из жирных кислот, жирных спиртов, хлоропарафинов RCH₂NH₂, RNH₂. В России был разработан ряд высокоэффективных катионных ПАВ на основе алкилбензола (катапины и катамины). По объему катионные ПАВ вырабатываются в меньших масштабах.

Неионогенные ПАВ практически не образуют ионов в водном растворе. К неионогенным ПАВ относятся полиоксиэтиленовые и полиоксипропиленовые эфиры жирных и смоляных кислот, полиоксиэтиленовые эфиры жирных спиртов, производные жирных аминов, амидов, эфиров фенола, крезола, алкилоламиды. Наиболее распространенными ПАВ этой группы является полиэтиленгликолевый эфир алкилфенола.

Амфолитные ПАВ образуют при диссоциации в водном растворе в зависимости от условий или анионактивные или катионоактивные вещества. К амфолитным ПАВ относятся карбоксибетаины, сульфобетаины, аминокарбоновые кислоты и их соли.

Особенностью низкомолекулярных коллоидных ПАВ является то, что при достижении предела растворимости они не выпадают в виде осадка или жидкости, а образуют в растворителе конгломераты, называемые мицеллами. Причиной мицеллоообразования является наличие в молекуле сильно полярной группы и гидрофобного радикала. При образовании конгломератов возникает энергетически более выгодное состояние системы: гидрофильные группы окружены гидрофильными, а гидрофобные - гидрофобными. Предел истинной растворимости, при которой появляются мицелы, называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ).

Высокомолекулярные ПАВ принципиально отличаются от классических дифильных ПАВ. Высокомолекулярные ПАВ состоят из большого числа повторяющихся звеньев, каждое из которых имеет полярные и неполярные группы. По характеру диссоциации высокомолекулярные ПАВ могут быть анионными, катионными, неионогенными и амфолитными или полифункциональными. К высокомолекулярным ПАВ относятся полимеры на основе поливинилового спирта, полиакриловая кислота, полиакриламид, поливинилацетат и другие [19].

Характерными отличиями низко- и высокомолекулярных ПАВ являются:

пенообразующая способность низкомолекулярных ПАВ лучше, вследствие более значительного понижения поверхностного натяжения;

для стабилизации межфазовой поверхности высокомолекулярных ПАВ требуется значительно больше, чем низкомолекулярных, но они обеспечивают, как правило, более устойчивые системы;

при применении высокомолекулярных ПАВ на межфазовой поверхности имеет место необратимая адсорбция;

равновесие а поверхности раздела фаз устанавливается для низкомолекулярных ПАВ за несколько минут, для высокомолекулярных - за несколько часов;

молекулы низкомолекулярных ПАВ на поверхности раздела фаз имеют вертикальную ориентацию, высокомолекулярных - горизонтальную при низких концентрациях и неупорядоченную в виде глобул при повышенных концентрациях [15].

Изучение пенообразующей способности ПАВ должно сводиться к определению вспениваемости данного ПАВ, устойчивости пены и условий, способствующих стабилизации цены. Основными показателями оценки свойств пены являются средняя плотность, стабильность (устойчивость) и дисперсность. Средняя плотность пены отражает количество жидкой фазы, находящейся в пенной системе. Часто средняя плотность заменяется обратной величиной 1/r - кратностью вспенивания представляющей отношение объема пены к объему исходного раствора. Стабильность характеризует стойкость пены во времени - способность сохранять общий объем, дисперсионный состав, препятствовать истечению жидкости (синерезису) и укрупнению пузырьков (каолесценции).

Дисперсность характеризует пену средним размером ячейки, распределением ячеек по размерам. При изучении ПАВ, пригодных для применения при получении поризованных гипсоцеолитовых материалов, ставится задача получить устойчивую пену с определенной дисперсностью.

Многими работами показано, что устойчивость пен определяется прежде всего природой пенообразующего вещества. Низкомолекулярные ПАВ дают пены, устойчивость которых достигает максимального значения при ККМ, после чего снижается практически до нуля. Уменьшение концентрации ПАВ ниже той, которая соответствует предельной адсорбции, понижает устойчивость пены, повышение - увеличивает остаточную концентрацию ПАВ в жидкой фазе.

Устойчивость пен из растворов анионных ПАВ практически всегда выше, чем из растворов неионогенных. В ряду алкилсульфатов стабильность пен непрерывно увеличивается и становится максимальной при наличии в цепи 12 атомов углерода. Значительно менее устойчивую пену образуют алкилсульфонаты.

Большое влияние на вспениваемость и устойчивость пены оказывает температура и рН раствора. Установлено, что в области положительных температур вспениваемость анионоактивных ПАВ увеличивается, а, пройдя некоторых максимум, начинает снижаться. Значения температурного максимума зависят от вида ПАВ и могут быть от 20 до 90°C и даже выше [16].

Устойчивость пен из растворов анионных ПАВ в кислой среде заметно увеличивается, а в щелочной - снижается. Устойчивость пен из растворов неионогенных ПАВ практически всегда ниже, чем из растворов анионных ПАВ. Кроме того известно, что устойчивость пен в значительной степени зависит от кратности вспенивания. Увеличение кратности вспенивания приводит к утончению пленок между ячейками, что вызывает повышение жесткости пены. Однако требования к пене определяются ее технологическим назначением, поэтому применение жестких пен не всегда является возможным.

Учитывая хорошую пенообразующую способность и устойчивость в кислых средах для дальнейшей работы будут использованы, главным образом, ПАВ анионного класса. Наряду с устойчивостью пены на формирование структуры материала при сухой минерализации оказывает плотность и дисперсионный состав пены. Плотность пены зависит от соотношения жидкой и газовой фаз и может колебаться от 0,5 r_ж (r_ж - плотность жидкой фазы) до значений, близких к нулю. Одну и ту же плотность пены можно получить при разном дисперсионном составе. На дисперсность пен существенное влияние оказывают физико-химические свойства раствора (s, m, Спав), способ вспенивания, конструкция и режим работы пеногенератора. При изучении этого вопроса исходным положением является то, что плотность пены тесно связана с водопотребностью гипсового вяжущего и диоксида титана, а условие обеспечения высокого звукопоглощения требует наличия максимально развитой поверхности пор, основа которых закладывается при получении пены.

Опыты показывают, что монодисперсные пены отличаются большим содержанием жидкой фазы и низкой устойчивостью

Монодисперсные пены, позволяют получить минимальную плотность поризованных гипсовых материалов с добавлением диоксида титана свыше 500 кг/м³ на b-модификации и около 800 кг/м³ на a-модификации.

Известны два способа получения пены: диспергационный и конденсационный. При диспергационном способе пена образуется в результате совместного диспергирования пенообразующего раствора и воздуха. Конденсационный способ основан на изменении параметров физического состояния системы, вызывающих перенасыщение раствора газом. К этому же способу относится образование пен в результате химических реакций, сопровождающихся выделением газообразных продуктов.

Наиболее широкое применение в технологии строительных материалов и других областях техники находит диспергационный метод. Для разработки предложений по получению пены нужной дисперсности и плотности был рассмотрен механизм формирования ячеек при диспергационном методе. По принятым представлениям формирования пены при механическом перемешивании идет за счет измельчения пузырьков лопастям. Формирование структуры пены складывается не только за счет дробления, но, главным образом, за счет разности скоростей рабочего органа и пеномассы.

Более надежное получение определенного дисперсионного состава пены отмечается при применение неподвижных сеток. В этом случае дисперсный состав регулируется за счет изменения плотности сеток и скорости прохождения раствора ПАВ и воздуха. Пена, полученная с применением сеток (струйные пеногенераторы), отличается, как правило, большей однородностью по размеру ячеек. Кратность пены в обоих случаях хорошо регулируется путем изменения соотношения расхода ПАВ и воздуха, подаваемых в пеногенератор.

Устойчивость минерализованной пены зависит прежде всего от устойчивости чистой пены, а также от свойств, концентрации и дисперсности твердой фазы.

Исходя из этих положений, можно сказать, что минерализация пены гипсовым вяжущим носит сложный характер.

. Цели научной работы

Основной целью научной работы является повышение эффективности поризованных гипсовых материалов за счет введения фотокатализаторов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

обосновать возможность получения поризованных гипсовых материалов с добавлением фотокатализаторов, обладающих повышенной сорбционной способностью, высоким звукопоглощением и обеспечивающих огнезащиту несущих конструкций;

сформулировать требования к поризованным гипсовым материалам с добавлением фотокатализаторов с повышенной сорбционной способностью и их структуре;

обосновать возможность применения фотокатализаторов в качестве компонентов снижающих концентрацию вредных веществ в помещении в составе поризованных гипсовых материалов;

установить зависимости физико-механических и эксплуатационных свойств поризованных гипсовых материалов с добавлением фотокатализаторов от состава и технологических факторов;

исследовать влияние вида и содержания фотокатализаторов на способность материалов снижать концентрацию вредных веществ в помещении, звукопоглощение и пожарную безопасность;

определить технико-экономическую целесообразность производства поризованных гипсовых плит с добавлением фотокатализаторов;

для практического использования полученных материалов необходимо разработать технические условия на поризованные гипсовые плиты с добавлением фотокатализаторов.

Заключение

Правильный выбор строительных материалов и систем, строгое следование требованиям всех нормативных документов являются неотъемлемой частью при строительстве мультикомфортного дома. Основными преимуществами мультикомфортного дома являются: обеспечение здорового микроклимата, обеспечение экологической безопасности для окружающей среды, соответствие самым высоким требованиям по акустическому комфорту, пожарной безопасности и долговечности зданий.

Из приведенного выше материала можно сделать вывод, что возможно создание нового материала, применимого в производстве лицевых элементов подвесных потолков на основе гипса с добавлением фотокатализаторов. Данный материал позволит решить проблемы внешней выразительности, акустического комфорта, пожарной безопасности, а также чистоты воздуха в помещении.

Библиографический список

1.   Табунщиков Ю.А. Критерии энергоэффективности в «зеленом» строительстве // Энергосбережение. АВОК. - 2012. - №1.

2.   Журнал «Энергосбережение» №7/2012, рубрика: проектирование и нормативно-правовые документы.

3.   Хижняков С.В. Справочник теплоизолировщика. Л., 1980 Тепловая изоляция. М., 1985

4.      Орлов А.В Повышение эффективности поризованных гипсовых материалов за счет введения цеолитов, Москва, 2011

.        Костылева К.Л., Ищенко О.М. Диоксид титана. www.nanometr.ru/2008/04/22, конкурс научных статей.

.        Пармон. В.Н. Фотокатализ: Вопросы терминологии // Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии / Ред. К.И. Замараев, В.Н. Пармон. Новосибирск: наука, 1991, с 7-17.

7.   Аль Джунди Абдулькадер. Пеногипс сухой минерализации для стеновых конструкций: автореферат дис…. кандидата технических наук: 05.23.05. - Москва, 1992. - 20 c.: ил.

8.      Бессонов, И.В. Комплексные исследования теплофизических свойств пеногипса и возможности его применения в ограждающих конструкциях: диссертация… кандидата технических наук: 05.23.03. - Москва, 1996. - 180 с.: ил.

.        Воронин, В.А. Главный жизненный ресурс: воздушная среда помещений / В.А. Воронин. - СПб.: DEAN, 2004. - 126, [1] с.

.        Звукоизоляция и звукопоглощение / Е.С. Соколова, А.Е. Колесников. - Л.: ЛЭТИ, 1982. - 74 с.: ил.

.        Звукоизоляция и звукопоглощение: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Пром. и гражд. стр.-во» и «Теплогазоснабжение и вентиляция» / [Л.Г. Осипов и др.]; под ред. Г.Л. Осипова, В.Н. Бобылева. - М.: АСТ: Астрель, 2004 (СПб.: ОАО С.-Петерб. тип. ј 6). - 450 с

.        Золотникова, Г.П. Радиоактивное и химическое загрязнение окружающей ср. - Брянск: Пилиграм - Плюс, 2010.

14. Гипс: изготовление и применение гипсовых строит. материалов / [Х. Брюкнер, Е. Дейлер, Г. Фитч и др.]; Перевод с нем. В.Ф. Гончарова и др. - М.: Стройиздат, 1981. - 223 с.

.     Румянцев, Б.М. О научных основах поризации гипсовых систем: сборник докладов МГСУ / Б.М. Румянцев. - М.: типография МГСУ, 2003. - 4 с.

16.    Румянцев, Б.М. Технология декоративно-акустических материалов: учебное пособие / Б.М. Румянцев. - М.: типография МГСУ, 2010. - 283 с.\

.        Пименова, Л.Н. Оценка качества строительного гипса. Материаловедение. Строительные материалы [электронный ресурс]: комплексная лабораторная работа / Пименова Л.Н., Кудяков А.И., Черников М.И.; Томский гос. архитектурно-строит. ун-т, Ин-т заочного и дистанционного обучения. - Томск: ИЗиДО ТГАСУ, 2009. - 1 электронный оптический диск (CD-ROM); 12 см.

18. Ферронская, А.В. Производство и применение гипсовых материалов и изделий: терминологический слов.: (основные термины и определения на русском и немецком яз.) / А.В. Ферронская, В.Ф. Коровяков, А.Ф. Бурьянов; под общ. ред. А.В. Ферронской. - Москва: Изд-во Ассоц. строит. вузов, 2006 (М.: Типография «Наука»). - 263 с.

19.    Румянцев, Б.М. Опыт производства декоративно-акустических минераловатных плит акмигран / Б.М. Румянцев. - М.: ВНИИЭСМ, 1972. - 86 с.