RO126952A2 - Compozit cu matrice polimerică bicomponent pentru reabilitarea termică a clădirilor - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un compozit cu matrice bipolimerică, pentru reabilitarea termică a clădirilor. Compozitul conform invenţiei cuprinde o matrice anorganică de structurare, pe bază de ciment întărit, respectiv, ipsos întărit, nisip pentru controlul densităţii, ca material de umplere, şi pentru controlul conductivităţii termice, granule de polistiren expandat tratate timp de 10 min, într-un amestecător cu ax oblic, cu un volum egal de soluţie conţinând 20 g/l NaOH, 50 g/l var nestins şi ioni de cupru dozaţi în soluţia de var stins la o concentraţie de 0,6...0,9 g/l, ca mediu de compatibilizare între matricea polimerică şi cea anorganică, o emulsie 35% de poliacetat de vinil, şi ca polimer de structurare a matricii, acid acrilic polimerizat in situ, materialul compozit rezultat prezintă, în funcţie de rapoartele de dozare a componentelor, o densitate de 200...2000 kg/m, o conductivitate termică de 0,055...0,185 W/(m grd) şi o rezistenţă la comprimare de minimum 90 KN/m.

Description

Compozit cu matrice polimerica bicomponent pentru reabilitarea termica a clădirilor

Invenția a cărei descriere se da in cele prezentate mai jos se refera la obținerea unor noi sorturi de compozite cu continui ridicat din polistiren expandat sau deșeuri din polistiren expandat, respectiv din alte deșeuri polimerice si care au proprietăți specifice folosirii lor la reabilitarea termica a clădirilor. Pentru fiecare caz de compozit, ce este revendicat ca soluție de obținere, se precizează care sunt aplicațiile practice de interes imediat.

Considerații privind elementele invenției

Economisirea energiei sau, mai bine zis, folosirea raționala a acesteia reprezintă, alaiuri de aplicarea tot mai susținuta de surse de energie alternativa, una din marile provocări ale societății postindustriale. Cu referire directa la sistemele de habitat, reabilitarea termica a acestora, respectiv dezvoltarea lor, cu minimizarea pierderilor de energie, sunt soluții tehnice importante subscrise cerinței de economosire a energiei. La modul concret, aceasta soluție are in vedere protejarea construcțiilor cu straturi din materiale ușoare, cu conductivitate termica inferioara celei caracteristice materialului de baza. Sunt foarte cunoscute astfel de realizări materializate prin izolațiile cu polistiren expandat (PSE), caracterizate prin aceea ca materialul izolant se prezintă sub forma de placi cu greutate specifica intre 60 si 600 kg/m³ si conductivitate termica efectiva intre 0.08 si 0.25 W/(mxgrd); ele se aplica in formula sandwich pe una sau ambele fete ale peretelui de izolat, apeland in acest sens la fixare mecanica sau lipire cu adeziv. Mult mai puțin cunoscute sunt cazurile in care polistirenul expandat este utilizat ca element de baza al unor compozite cu rol de izolare termica si care pot avea diverse forme de prezentare, mergând de la mortare uscate pana la placi, cărămizi, blocheti etc. Aceste soluții de izolare ce implica, intr-un fel sau altul, dispersarea granulelor poroase din PSE in masa de beton sau mortar prezintă avantaje fata de metoda sandwich exprimate prin aceea ca elimina sau diminuează: a) condensarea umidității in material; b) dezvoltarea coloniilor de insecte sau a celor de animale mici in golurile mari ale materialului; c) riscul de accelerare a focului sau a fumegarii in caz de incendiu. Reducerea consumului de energie in exploatarea construcțiilor, legata de producerea de materiale termoizolante supereficiente si de problema reciclării unor deșeuri industriale sau din gospodarii, a devenit o problema de mare actualitate. Sunt întâlnite astazi o serie de compozite, mai mult sau mai puțin ușoare si chiar bune termoizolatoare, care conțin ca material de umplere deșeuri din sticla [1], cenușa de termocentrala [2, 3], pulpa de hârtie rezultata din fabricație sau din procesarea colectei de hârtie [4], deșeuri acrilo-butadien-stirenice[5], resturi din sârme de otel [6], cărămizi ușoare, maruntite sau resturi de expandate tocate [7], pudra de cauciuc, cauciuc de anvelope ( inclusiv inserția tocata) precum si deșeuri de cabluri electrice tocate [8]. Polistirenul expandat si deseurile sale au in acest sens multe utilizări dintre care se menționează: a) utilizarea acestuia ca adaos in beton in domeniul de concentrație volumica de 10% - 30% când reduce densitatea betonului de la 2455 kg/m^Jla 2080 kg/m³ si-i conferă o mai buna stabilitate la solicitare prin cicluri de îngheț - dezgheț [9]; b) adaugarea deșeurilor maruntite de polistiren expandat ca umplutura in materialele pe baza de ghips, inclusiv la rigips, când se ajunge la compozite ușoare de 200 - 600 kg/m³ care au conductivitatea termica intre 0.15 si 2 W/(m*grd) [10]; c) reluarea deșeurilor maruntite de polistiren expandat ca parte de materie prima la fabricarea plăcilor de termoizolare [II], In toate cazurile, aderenta component! lor discreti ai compozitului la matricea de fixare a acestora este foarte importanta in procesul de fabricare al acestuia. In cazul in care componentii discreti ai compozitului sunt de tip polimeric, data fiind diferența mare de structura si comportament intre aceștia si matricea anorganica derivata din ciment, in procedura de realizare a unui astfel de compozit trebuiesc realizate condiții de natura fizico-chimica care sa duca la crearea unor interacțiuni puternice intre polimer si matrice [12-14], Problema interacțiunii intre componentele discrete ale compozitului cu matrice anorganica pe baza de ciment ia forme specifice in special după natura acestora. In anumite condiții si, mai ales, in cazurile in care componenta discreta in comozii este de natura polimerica, rezultanta forțelor de intercatiune se manifesta printr-o acțiune ce separa, in faza de formarea a compozitului, solidul de suspensia de înglobare, acțiune cunoscuta sub numele de ne-udare (nonOFICIUL DE STAT PENTRU INVENȚII Șl MĂRCII Cerere de brevet de invenție cx 00^2^Nr............. -Y0-(JE-7Crro·

Data depozit...................... _

FORM. B 01 - cititi Ghidul de completare

-²W-W²-wetting). In condiții de non-weting întărirea suspensiei, datorita reacției de priza a componentilor din suspensia de înglobare, conduce la craparea compozitului, întrucât fazele devin segregate [15], Pentru acest tip de compozite cerința de a ajunge la materiale finite cu conductivitate termica mica, apte a fi folosite la controlul intrării sau evacuării căldurii din incinte, impune ca raportul volumic polimer/suspensie de înglobare sa fie cat mai mare, iar polimerul sa fie cat mai poros, întrucât in pori trebuie sa ramana cat mai mult aer (cel mai bun izolant termic). Creșterea conținutului de aer sau gaz in compozit poate fi obtinuta si prin acțiune in faza de suspensie prin formarea acesteia dintr-o spuma persistenta, sau din generarea in aceasta, prin reacții chimice, a unor gaze [16,17],

O a treia soluție de a avea compozite cu comportare termoizolatoare, cu conținut de polistiren expandat, consta in a realiza o matrice polimerica bicomponenta cu granulele de PSE drept component discret, in care sa se disperseze component! anorganici ce dau reacții de priza împreuna cu aditivii de compatibilizare a fazelor. Ideea acestei soluții este noua si ea se diferențiază net de soluțiile in care, intr-o matrice polimerica adusa la starea de lichid prin solubilizare in dizolvant sau prin topire, se aduc componeti minerali, cu sau fara poluanti, astfel incat, pe aceasta baza, sa se dezvolta o aplicație punctuala [18]

Prezenta solicitare de brevet are in vedere o noua tehnologie de obținere si de aplicare a unor compozite cu proprietăți de izolare termica, in care polistirenul expandat granular, sau provenit din reciclare, formează componentul dispersat in matricea polimerica bicomponent, la nivele de concentrație ce asigura controlul densității si a conductivității termice a acestor materiale.

Descrierea invenției:

Compozit cu matrice polimerica bicomponent pentru reabilitarea termica a clădirilor

Tehnologia dezvoltata pentru obținerea compozitelor cu matrice polimerica bicomponent, de conductivitate termica scăzută, este data schematic prin schema operațiilor unitare (SOP), prezentate in figura 1. La modul concret, aici este cazul fluxului tehnologic pentru compozitul in care matricea anorganica este dezvoltata pornind de la ciment portland. Operațiile si materialele din schema tehnologica, mai sus menționata, sunt comune tuturor cazurilor in care se sintetizează un compozit formulat ca produs prin forma si compoziția sa in constituienti.

In preambulul descrierii se precizează care sunt cerințele de calitate impuse materiilor prime considerate in schema tehnologica din figura 1. In schema redata nu este trecuta si faza de tratare cu compatibilizant pe baza de soluție de poliacetat de vinii. Este recomandat ca adaugarea acestuia sa se faca la sfârșitul etapei de amestecare II.

Figura 1. Schema operațiilor unitare la fabricarea compozitelor cu matrice polimerica bicomponent

Cimentul utilizat la obținerea de noi compozite pentru reabilitarea termica a clădirilor a fost ciment Portland conform STAS 10092/1978 (echivalent european SR EN 197-1/2002), caracterizat in principal prin aceea ca are compoziția in oxizi si sulfați după cum urmeaza: Oxid de calciu (CaO) -61-67%, dioxid de siliciu (SiO₂) - 19-23%, Oxid de aluminu (AI₂O₃) - 2.5-6%, Oxid feric (Fe₂O₃) - 0-6%, sulfați 1.5 - 4.5%. El trebuie sa fie nu mai vechi de 6 luni, sa nu aiba mai mult de 3% umiditate, sa nu prezinte aglomerări, iar finețea măcinării sa fie exprimata printr-un diametru mediu de volum de sub 50 microni.

Apa folosita in dezvoltarea lucrării de fata a fost apa curenta de calitate potabila, caracterizabila cantitativ printr-o conductivitate electrica de pana la 300 pS.

Varul uscat, sau mai corect varul stins, este identificat ca pulbere uscata de hidroxid de calciu cu puritate peste 75% si care are o umiditate ce nu depășește 3,5%.

Granulele de PSE sortat 0.5-3 mm pot avea ca origine principala materialul separat din colecta urbana. Pentru a asigura condițiile de mărime ceruta, deseurile din PSE separate din colecta trebuiesc maruntite. Prima soluție de maruntire eficienta a acestora a fost cea a folosirii unei mori cu ciocanele in care sita de refuz este de 3.5 mm, iar alimentarea cu deșeuri se face dintr-un orificiu in care deseurile sunt spalate sub jet de apa. A doua soluție de maruntire care a dat rezultate a fost maruntirea intr-un dezintegrator cu ax veritcal, cu doua rânduri de cutite, si cu sita de refuz de 4mm in care materialul se alimentează printr-un orificiu unde se spala cu apa. Cu succes a fost folosit si polistirenul expandat granulat utilizat la fabricarea plăcilor din PSE.

Ipsosul de construcție se folosește ca înlocuitor al cimentului, caz in care rezulta compozite

FORM. B 01 - citit! Ghidul de completare

Ο 1 Ο - Ο Ο 5 3 2 - _{tt t} , 1 8 -06- 2010 ce se supun restricțiilor impuse de acest material.

Soluția cu ioni de Cupru este reprezentata de un concentrat alcalin, obtinut pornind de la o soluție NaOH de 20 g/L in care se dozeaza, sub agitare, CuSO₄ pana la nivelul de concentrație de 50 g/L si apoi b^CCh astfel ca sa se ajunga la concentrația de 30g/L.

Emulsia de poliacetat de vinii (PAV) are concentrația in PAV de 35% si se prepara printrun procedeu tipic de polimerizare in emulsie intr-o singura etapa, cu respectarea retetei data in tabelul 1.

Tabelul 1. Dozarea constituientilor si condiții de lucru la obținerea unei emulsii de 35% PAV

Apa, (kg/kg susp.)	0.644
Monomer — Acetat de vinii (AV), (kg AV/kg susp.)	0.347
Emulgator — Dodecil sulfat de sodiu (SDS), (kg SDS/kg susp.)	0.05
Inițiator radicalic — persulfat de potasiu (PK), (kg PK/kg susp.)	0.0035
Timp de reacție, (h)	5
Temperatura de reacție, (°C)	45

Se precizează faptul ca trebuie respectat cu strictete timpul aferent polimerizarii, astfel incat conversia monomerului a fie aproape totala (min. 98%). In caz contrar, la procesarea compozitului, monomerul nereactionat duce la gonflarea particulelor de polistiren expandat, care astfel isi pierd porozitatea inițiala. Gradul ridicat de polimerizare mai este cerut si de faptul ca monomerul nereactionat se eliberează din emulsie, putând conduce la depășirea concentrației limita de compuși organici volatili in spațiul de lucru.

Catalizatorii de polimerizare sunt reprezentati de sistemul redox de inițiere pentru polimerizarea acidului acrilic, format din metabisulfit de sodiu (MS) si persulfat persulfat de potasiu (PK). Atat pulberea de metabisulfitul de sodiu cat si cea de persulfatul de potasiu trebuie sa aiba nivelul de calitate tehnic pur.

Monomerul reprezentat de acidul acrilic trebuie sa fie de calitate tehnica sau mai bun, fara a avea continui de oligomeri mai mare de 1,5 %

Pulberea de Aluminiu este produsul comercial cu minim 92% aluminiu, in care materialul activ este sub forma de particule, nu mai mari de 70 μ, acoperite cu un strat micronic de colofoniu.

1. Soluție tehnologica privind obținerea PSE tratat.

In schema operațiilor unitare, przentata in figura 1, cu referire la granulele de PSE, se arata ca acestea, pentru a fi folosite in proces, trebuie tratate in vederea compatibilizarii cu matricea anorganica a compozitului. La modul concret aceast tratament consta in contactarea, prin amestecare, intr-un amestecator cu ax oblic, a unui volum dat de granule cu volum egal de soluție alcalina de hidroxid de calciu si hidroxid de sodiu, obtinuta prin dozarea intr-o soluție de NaOH 20 g/L a varului pana la nivelul de concentrație de 50 g/L. După o durata de contactare de 10 minute, amestecul se toarna pe o sita cu ochiuri mai mici de 0.5 mm (filtrare), care separa soluția alcalina de granulele de polistiren. Granulele de polistiren tratate se usucă in curent de aer, cel mai bine intr-un uscator in stat fluidizat. Granulele uscate se pot stoca in vederea folosirii lor ulterioare. In cazul fabricării in banda a compozitelor cu matrice bipolimerica se poate continua cu materialul umed dar scurs. Soluția de hidroxid de calciu remanenta se completează si se refoloseste; nu este recomandata pastrarea îndelungata din cauza carbonatarii acesteia. Pentru a conferi granulelor de PSE o activitate antimicrobiana, se poate proceda la dozarea, in soluția de var stins, a soluției cu ioni de Cupru, astfel incat nivelul concentrației ionilor Cu⁺² in soluția de tratare sa fie cuprins intre 0.6 si 0.9 g/L. In acest caz granulele, atat cele uscate, cat si cele umede, conțin in pori si pe suprafața, sorbiți fizic, compuși de cupru ce vor conferi proprietatea menționata.

2. Retete de lucru si metodologia procesării

In tabelul 2 sunt prezentate rețetele de lucru pentru cateva din cele mai interesante cazuri de compozite cu matrice bipolimerica. Cele cu continui de granule PSE, cu sau fara adaos de Al ca agent de porogenare, se raportează la martorul Bl. Tot in acest tabel este dat si timpul de întărire,

FORM. B 01 - cititi Ghidul de completare

Λ-2 ο 1 0 - 0 0 5 3 2 - 1 8 -06- 2DÎ0 definit ca timpul trecut de la adaugarea in masa de sinteza a catalizatorului redox de polimerizare a acidului acrilic pana la depășirea stării de gel. Acest timp este legat de temperatura de sinteza care in cazurile prezentate a fost de 25°C.

Tabelul 2. Compoziția de calcul a compozitului cu matrice bipolimerica si evoluția cu aceasta ____________________a timpului de întărire primara a compozitului. _________________

Proba	Apa (kg/kg)	Ciment (kg/kg)	Acid acrilic (kg/kg)	Inițiator redox’1’ (kg/kg) MS/PK	PSE (kg/kg)	Al (kg/kg)	Emulsie PACV35% (kg/kg)	Timp de întărire’2’ (min)	Temp de reacție (°C)
Bl	0.4615	0.4615	0.0738	0.0015/0.0015	0	0	0	4	25
B2	0.4615	0.457	0.0738	0.0015/0.0015	0.0046	0	0	10	25
B3	0.4615	0.446	0.0738	0.0015/0.0015	0.0046	0.0108	0	8	25
B4	0.301	0.3762	0.1581	0.0015/0.0015	0.0183	0	0.143	8	25
B5	0.301	0.338	0.1581	0.0015/0.0015	0.0183	0.056	0.143	10	25
B6	0.317	0.3762	0.167	0.0015/0.0015	0.0368	0	0.14	13	25
B7	0.301	0.301	0.1581	0.0015/0.0015	0.0376	0.0567	0.143	16	25
	Ipsos (kg/kg)
B8	0.301	0.3762	0.158	0.0015/0.0015	0.0368	0	0.142	7	25
B9	0.301	0.301	0.158	0.0015/0.0015	0.0368	0.056	0.142	11	25
B10	0.301	0.3762	0.158	0.0015/0.0015	0.0185	0	0.142	9	25
Bl 1	0.301	0.321	0.158	0.0015/0.0015	0.0185	0.056	0.142	12	25

In ceea ce privește desfasurarea secvențiala a sintezei acestor tipuri de materiale compozite, asa cum rezulta si din figura 1, pentru lucrul in șarje, se procedează după cum urmeaza: 1) se fixeaza masa compozitului brut si cu compoziția din tabelul 2 se calculează cantitatile de component! necesari preparării șarjei, 2) se alege tipul de prezentare a compozitului (placa, blocheti, forme profilate etc.) si se procedează la pregătirea formelor pentru turnare. 3) intr-un malaxor, convenabil ales, se adauga si se amesteca in următoarea ordine cimentul (ipsosul in cazul B8-B11), granulele de PSE, tratate conform descrierii de la paragraful 1, apa si emulsia de poliacetat de vinii (PACV), 4) se constata omogenizarea masei de sinteza cu obținerea unei paste de viscozitate medie si granule de PSE uniform repartizate, după care se procedează la adaugarea acidului acrilic, 5) după 1-1.5 minute de amestecare se adauga componenta redox de polimerizare si imediat pulberea de Al, 6) se constata, prin creșterea viscozitatii, începerea formarii rapide in masa de sinteza a acidului poliacrilic/simultan cu o ușoara expandare, datorata începerii degajării de hidrogen din reacția Al cu apa din sistem, 7) masa de sinteza se toarna rapid in formele pregătite, procedând la acoperirea lor cu o folie de polietilena si o placa de nivelare, 8) după o ora, când reacția de polimerizare s-a terminat complet, se indeparteaza placa de nivelare si folia de polietilena, lasand materialul in forma pana a doua zi când acesta poate fi decofrat, 9) usacrea normala, in curent de aer, finalizează obținerea pieselor de compozit inițial stabilite. Se precizează ca din momentul adaugarii catalizatorului de polimerizare si pana la finalizarea turnării in forma durata de timp trebuie sa fie maxim la nivelul timpului de întărire din tabelul 2.

Datele din tabelul 3 arata cum se modifica densitatea (p), conductivitatea termica (λ) si rezistenta la compresiune (F_c) a probelor de compozit bipolimeric considerate in tabelul 2. Se observa ca dublarea concentrație de acid acrilic in masa de sinteza imbunatateste rezistenta la compresiune a compozitului, in timp ce creșterea concentrației de granule PSE, respectiv a celei de pulbere de Al reduce densitatea si conductivitatea termica.

Tabelul 3. Valorile proprietăților de caracterizare a compozitelor bipolimerice cu compoziția ______________________________________specificata in tabelu!2______________________________________ Proprietate Codul probei

Bl	B2	B3	B4	B5	B6	B7	B8	B9	B10	Bll	Obs. Valorile prezenatte sunt valori medii
Fc , (kN/nr)	330	117	103	135	118	97	91	82	76	98	87
Ă(W/(m grd)	0.19	0.115	0.102	0.09	0.087	0.079	0.066	0.073	0.062	16.12	15.05
P (kg/m1)	2074	947	915	590	560	305	273	288	261	494	423

FORM. B 01 - cititi Ghidul de completare

Claims (2)

1. Procedeu de obținere a unui compozit cu matrice bipolimerica, cu utilizare principala la reabilitarea termica a clădirilor, caracterizat prin aceea ca polimerul de control a conductivității termice si densității este reprezentat de granule tratate de PSE, iar polimerul de legare este acid poliacrilic si ca matricea anorganica este dezvoltata pe baza de ciment Portland, pentru care se dau compozițiile recomandate conform tabelului 2 si fluxul de sinteza asa cum rezulta din detalierea de la paragraful 2 al descrierii brevetului

2. Procedeul, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea ca dezvoltarea matricii anorganice a compozitului bipolimeric se face pe baza de ipsos de construcție.