STADIUL ACTUAL PRIVIND EFICIENȚA ENERGETICĂ …4 [308553]
CUPRINS
CAPITOLUL I
STADIUL ACTUAL PRIVIND EFICIENȚA ENERGETICĂ ……………………………….4
1.1. Introducere …………………………………………………………………………………………….. 4
1.2. Dezvoltarea eficienței energetice ………………………………………………………………… 7
CAPITOLUL II
PROPRIETĂȚILE TEHNICE ALE MATERIALELOR COMPOZITE CA PRODUSE TERMOIZOLANTE ……………………………………………………………………. 9
2.1. Densitate aparentă ……………………………………………………………………………………. 9
2.2. Comportarea la apă și la vapori de apă ……………………………………………………….. 9
2.3. Caracteristici mecanice10
2.4. [anonimizat] ………………………………………………………………………………………………………………….10
2.5. Posibilitatea de fixare pe / în structura elementelor de construcție…………………………..11
2.6. Posibilitatea aplicării de straturi cu rol de protecție și finisaj…………………………………..12
2.7. Emisia de substanțe periculoase sau poluante…………………………………………………….12
2.8. Proprietăți termice ale fibrelor naturale ………………………………………………………………12
2.8.1. Conductibilitatea termică …………………………………………………………………….13
2.8.2. Termostabilitatea fibrelor …………………………………………………………………….14
2.8.3. Comportarea la aprindere și ardere …………………………………………………….14
2.9. Proprietățile mecanice ……………………………………………………………………………………..15
2.10. Capacitatea de dispersie în matricea polimerică ………………………………………………..16
2.11. Aspectul de formă al fibrelor celulozice …………………………………………………………16
2.12. Unghiul de înclinare a microfibrilei față de axa fibrei ………………………………………..17
2.13. Tipuri de polimeri utilizați la obținerea materialelor compozite pentru izolarea termică a clădirilor …………………………………………………………………………………………………………………..17
2.14. Matrici polimerice utilizate la obținerea materialelor compozite ……………………….18
2.14.1 Rășini fenolformaldehidice ………………………………………………………………18
2.14.2. Rășinile melaminoformaldehidice ……………………………………………………19
2.14.3. Poliesterii ………………………………………………………………………………………19
2.14.4. Rǎșinile furanice …………………………………………………………………………….20
2.14.5. Adezivi pe bază de lignină ………………………………………………………………20
CAPITOLUL III
Materiale folosite pentru izolarea termică a clădirilor…………………………………………….22
3.1. Materiale termoizolante din materiale sintetice ……………………………………………………23
3.2. Materiale termoizolante din materiale naturale ………………………………………………….25
3.2.1 Lâna ………………………………………………………………………………………………..25
3.2.2. Cânepa …………………………………………………………………………………………..26
3.2.3. Inul ………………………………………………………………………………………………..26
3.2.4. Fibre din lemn ………………………………………………………………………………….27
3.2.5. Plăci de plută expandată …………………………………………………………………..28
3.2.6. Celuloza …………………………………………………………………………………………29
Capitolul IV
Studiu de caz …………………………………………………………………………………………………….31
4.1. Tipuri de panouri din materiale regenerabile studiate …………………………………………31
4.2. Descrierea materialelor folosite ………………………………………………………………………… 31
4.2.1. Perlit expandat ………………………………………………………………………………..31
4.2.2. Tulpini de floarea soarelui …………………………………………………………………..33
4.2.3. Puzderii de cânepă …………………………………………………………………………..35
4.2.4. Amidon ………………………………………………………………………………………….36
4.3. Tehnologia de realizare a panourilor termoizolante …………………………………………..37
4.4. Rezultate obținute la panourile studiate …………………………………………………………..41
4.5. Fețele panourilor termoizolante ………………………………………………………………………..43
4.6. Aplicații pe diverse tipuri de pereți ………………………………………………………………….49
4.6.1. Aplicație pe un perete din cărămidă placat cu panoul R3 ………………………50
4.6.2. Aplicație pe un perete din beton placat cu panoul R3 …………………………….53
4.6.3. Aplicație pe un perete din BCA (beton celular autoclavizat) placat cu panoul R3 ……………………………………………………………………………………………………………………………..56
4.7. Modul de prindere al panourilor compozite pe perete ……………………………………….59
CAPITOLUL V ……………………………………………………………………………………………………62
Concluzie ……………………………………………………………………………………………………………62
BIBLIOGRAFIE ………………………………………………………………………………………………..64
CAPITOLUL I. STADIUL ACTUAL PRIVIND EFICIENȚA ENERGETICĂ
1.1 Introducere
Clădirile au suferit de-a lungul timpului diverse schimbări ce au depins de mai mulți factori, cum ar fi condițiile climatice, materialele de construit, condițiile de amplasament, scopul pentru care au fost construite și cerintele de aspect estetic. Acestea au o diversitate de funcțiuni și forme. Cladirile sunt construite pentru diferitele nevoi ale societății dar în primul rând au rol de adăpost împotriva intemperiilor atmosferice, ca spațiu de locuit privat, pentru asigurarea unor condiții de muncă și nu în ultimul rând pentru depozitarea lucrurilor.
Clădirea ca adapost reprezintă o diviziune fizică a habitatului uman și se împarte in:
– interior (un loc pentru confort și siguranță)
– exterior (un loc care în timp se poate deteriora )
Primul adăpost construit pe Pământ datează din vremurile ancestrale ale umanității, de mai bine de 500.000 ani, prin primul stramoș al omului, Homo erectus. Pentru crearea microclimatului interior cerut este nevoie de o cantitate însemnată de energie. Deci, construirea și folosirea unei clădiri, au un impact enorm asupra mediului. Clădirile nu utilizează numai resurse cum ar fi materiale de construcție și energie, ci acestea favorizează generarea de deșeuri și emisii dăunatoare în atmosferă. Cum economia și populația sunt în continuă creștere, proiectanții și constructorii trebuie să răspundă la noile cerințe pentru clădiri, care să asigure securitate, acces ușor, condiții bune de locuit și un impact cât mai mic supra mediului. Recentele răspunsuri la cerințele de schimbare pentru o clădire integrată, impun o abordare sinergetică, luând în considerare toate fazele ce țin de ciclul de viață al acesteia. Această abordare “durabilă” vine să susțină o creștere a încrederii în conservarea și protecția mediului și în obținerea de rezultate optime. Obiectivele principale pentru proiectarea durabilă sunt legate de prevenirea diminuării resurselor de energie, apă și materiale brute, prevenirea degradării mediului cauzată de amenajări și de infrastructură, pe parcursul ciclului de viață al acestora, crearea unui mediu locuibil, confortabil, sigur și productiv.
Materialele cu structură bio-compozită utilizate ca materiale termoizolante pentru clădirile de locuințe și infrastructură sunt materiale noi, emergente, care pot juca un rol semnificativ în următoarea generație de materiale utilizate în acest domeniu. Dezvoltarea de materiale durabile, ca alternativă la materialele pe bază de petrol sunt soluții căutate pentru a reduce dependența de importurile de petrol, pentru a reduce emisiile de dioxid de carbon și pentru a genera mai multe oportunități economice pentru sectorul agricol și forestier. Disponibilitatea cercetării în sensul identificării de materii prime compatibile din resurse regenerabile și dezvoltării unor materiale sustenabile de tipul structurilor bio-compozite oferă posibilitatea de protejare a mediului, de reducere a consumului de energie, prin proprietățile lor de izolare termică și fonică și de reducere a emisiilor compusilor organici volatili. Dezvoltarea acestor materiale noi, constă atât în înlocuirea fibrelor de armare sintetice cu fibre naturale cât și a matricii polimerice din materialele compozite cu rășini de tip biopolimer.
În cadrul proiectului au fost realizate studii cu privire la tipurile de materiale compozite din resurse regenerabile utilizate la izolarea termică a clădirilor și la tipurile de materii prime utilizate pentru obținerea acestora (cu accent pe fibrele naturale și matrici biopolimerice) în scopul dezvoltării unei tehnologii flexibile de obținere a unor panouri compozite (structură tip sandwich) cu performanțe bune în procesul de izolare termică a clădirilor.
Studiile și cercetările efectuate au vizat următoarele activități:
Stadiul de utilizare a materialelor compozite din resurse regenerabile la izolarea termică a clădirilor unde s-au evidențiat tipurile de materiale utilizate în prezent în acest domeniu, cu accent pe materialele biocompozite din fibre naturale în matrici ceramice sau polimerice și pe proprietățile tehnice ale acestora din punct de vedere al izolării termice, izolării fonice, rezistența la atacul factorilor de mediu fizici și microbiologici;
Tipuri de fibre naturale utilizate la obținerea materialelor compozite pentru izolarea termică a clădirilor , cu accent pe fibrele lignocelulozice provenite din plante anuale și din deșeurile agricole (paie de cereale, in, cânepă etc), precum și pe structura macromoleculară și proprietățile mecanice, termice și metodele de modificare a suprafeței acestora în scopul compatibilizării și îmbunătățirii capacității de dispersie în matricea polimerică.
Tipuri de polimeri utilizați la obținerea materialelor compozite pentru izolarea termică a clădirilor unde s-au scos în evidență performanțele polimerilor naturali în procesul de obținere a materialelor compozite pentru construcții, respectiv a adezivilor obținuți prin utilizarea cantităților mari de biomasă disponibilă sub diverse forme: hidrați de carbon, taninuri și lignin, aceste tipuri de polimeri pot înlocui total sau parțial rășinile ureo- sau melamin formaldehidice sau a polimerilor sintetici în general, utilizați în prezent la obținerea materialelor compozite utilizate în construcții.
Încercări preliminare de obținere în laborator a elementelor structurale ale maetrialelor compozite. S-a derulat un program experimental preliminar care a avut ca scop evaluarea caracteristicilor de rezistență mecanică, a absorbției apei și a conductivității termice a unor materiale compozite obținute sub formă de foi de 200 g/m2 din amestec de fibre celulozice secundare și deșeuri minerale prelucrate. Rezultatele preliminare obținute vor sta la baza stabilirii tipurilor de materii prime care intră în structura materialului compozit (fețe și miez) astfel încât să fie obținute proprietăți corespunzătoare din punct de vedere al conductivității termice și al rezistenței la factoriii de mediu (umiditate, temperaturi extreme etc.).
Studiile documentare realizate în cadrul acestei etape vor sta la baza definirii direcțiilor de cercetare din aplicațiile experimentale care vor fi realizate în etapele viitoare, în vederea obținerii unor structuri compozite sustenabile, în strânsă corelație cu cerințele noilor tehnologii de izolare termică a clădirilor.
Primele construcții concepute și executate de omul primitiv, au fost realizate din plante anuale sau perene precum și din argilă neprelucrată. Astfel, din plantele perene, respectiv lemnul de diferite esențe, au fost realizate elemente de construcție structurale liniare, de tip stâlpi și grinzi. Din plantele anuale (ca de exemplu paie sau tulpini de plante de apă – stuf, papură, etc.) s-au realizat elemente de construcție cu rol de închidere și compartimentare (pereți exteriori, pereți interiroi, acoperișuri). Elementele de închidere realizate din tulpini de plante anuale asigurau izolarea termică și etanșeitatea la aer și apă.
Odată cu începerea utilizării pe scară din ce în ce mai largă a produselor prefabricate din argilă, de tipul cărămizilor arse la soare și ulterior în cuptoare la temperaturi ridicate (trebuie precizat că primul produs prefabricat utilizat în construcții a fost cărămidă arsă la soare), o parte din resursele vegetale regenerabile de tipul paielor, au fost utilizate ca materiale de degresare și de armare a compozițiilor pe bază de argilă. Aceste materiale oferă posibilitatea realizării unor produse din argilă de forme regulate și cu o constanță dimensională corepunzătoare utilizării la realizarea elementelor de construcție verticale ca urmare a faptului că în argila în care s-au adăugat fibre vegetale tensiunile de contractare la uscare sunt mai mici și prin urmare au o variație redusă a dimensiunilor.
În contextul actual al dezvoltării durabile, când se pune un accent deosebit pe conservarea resurselor, izolarea termică a clădirilor nu mai are un caracter opțional aceasta devenind obligatorie cu precădere în zonele geografice în care condițiile climaterice o impun. Energia utilizată în exploatarea clădirilor este destinată realizării unui mediu interior sănătos și confortabil, respectiv încălzirii în perioada rece a anului, răcirii în perioada caldă, iluminatului și ventilării. În perioada premergătoare declanșării crizei energetice, perioadă în care asigurarea calității mediului constituia exclusiv problema instalațiilor, era unanim acceptată ideea privind relația directă între consumul energetic și calitatea mediului interior, ceea ce însemna că o creștere a consumului energetic conduce automat la creșterea calității mediului interior în general și a confortului în special și invers, reducerea consumului energetic are drept consecință condiții inferioare de viață și de confort. Era recunoscut chiar un conflict inevitabil între consumul energetic redus și un mediu interior sănătos și confortabil.
Cercetările orientate în direcția identificării unor strategii și mijloace de rezolvare a problemelor energetice și mai recent a celor de mediu, în cadrul generos oferit de conceptul dezvoltării durabile, au demonstrat că printr-o abordare interdisciplinară, multicriterială a concepției clădirilor, este pe deplin posibilă o bună calitate arhitecturală, un mediu interior agreabil, confortabil și sănătos și un consum de energie redus. Aceste atribute definesc o clădire eficientă energetic.
În cele mai multe situații de izolare termică a clădirilor din România se utilizează materiale mai ieftine dar care sunt clasificate de către Agenția de cercetare a cancerului drept periculoase pentru om. Cele mai utilizate materiale folosite în vederea reabilitării termice a clădirilor sunt:
– polistirenul expandat (EPS – EN13163);
– polistirenul extrudat (XPS – EN13164);
– produse obținute din vată minerală (EN 13162);
– produse obținute din spumă rigidă din poliuretan (PUR – EN 13165);
– produse fabricate din spumă fenolică (PF – EN 13166);
– produse obținute din sticlă celulară (CG – EN 131167);
– produse obținute din vată de lemn (WW – EN 13168);
– produse obținute din perlit expandat (EPB – 13169);
– produse obținute din plută expandată (ICB – 13170);
– produse obținute din fibre de lemn (WF – 13171);
În prezent, au fost întreprinse o serie de cercetări în vederea identificării unor soluții performante pentru izolarea termică a clădirilor care să utilizeze materiale „prietenoase mediului“. Aceste materiale sunt constituite din fibre naturale cuprinse într-o matrice de polimeri pe bază de bio-lianți din resurse regenerabile, iar utilizarea lor tinde să rezolve o parte din aceste probleme legate de mediu și de sănătatea populației. [1]
1.2. Dezvoltarea eficienței energetice
Principala provocare a timpurilor noastre este reorientarea energetică. Sectorul clădirilor consumă aproximativ 40 % din energia finală. Destul de mulți proprietari de clădiri cred în mod greșit, că cel mai mare consum de energie se datorează folosirii aparaturii electrice, însă pe primul loc se află alimentarea cu caldură. Termenul de eficiență energetică se referă la multe modalități prin care putem obține același avantaj încălzire, lumină etc.) dacă folosim mai puțină energie. În acest domeniu sunt incluse de la becurile economice și izolarea mai bună a caselor până la automobile eficiente. Eficiența energetică este și profitabilă pentru că prin economisire de energie, economisim și bani.
Eficiența energetică are foarte multe efecte benefice, de exemplu, o casă sau un imobil bine izolat va fi mai racoroasă pe timp de vară și mai calduroasă pe timp de iarnă. Un alt exemplu ar fi, dacă un automobil folosește mai puțin combustibil pentru aceiași distanță parcursă, înseamnă ca este mai eficient. Cu alte cuvinte eficiența este de fapt “mai bine cu mai puțin”. Eficiența energetică are un potențial foarte mare. Pentru a avea economii mari din eficiență, nu trebuie sa faci doar un pas din zece, ci cu câți vei realiza mai mulți pasi cu atât vei avea o eficiență mai bună și vei putea observa o reducere de energie de 4, până la 10 ori față de nivelul actual.
Sa luam exemplul unei case. Dacă izolăm corespunzator întregul exterior al casei, de la acoperis la pivniță, chiar dacă necesită o investiție mare, vei avea nevoie de mult mai puțină căldură astfel vei putea sa iți intalezi un sistem de încălzire mai mic și mai ieftin, iar asa vei recupera mai repede din investiție.
La final va fi o casă care are nevoie doar de o treime din energia pe care o consuma înainte, fără să mai adaugi costuri suplimentare de construcție. Dacă am izola și mai mult și am instala și un sistem de ventilație eficient, necesarul de energie pentru încălzire s-ar reduce la o zecime, sună bine și parcă desprinse din filmele de la Hollywood, dar mii de astfel de case super-eficiente s-au construit în Europa în ultimii 10 ani. Cel mai important domeniu pentru reușita reorientării energetice este domeniul construcțiilor. În acest domeniu se află un potențial foarte mare care poate fii pus economic în practică. Din punct de vedere al proteției climatice realizarea cu succes a reorientării energetice în domeniul construcțiilor este un obiectiv de o importanță globală.
Din perspectiva zilelor noastre , avem 2 obiective esențiale, unul din ele este reducerea necesarului de caldură al clădirilor cu 20% până în anul 2020 și al celui de energie primară cu 80% până în 2050. Pentru a putea fi realizate trebuie sa fie un angajament al politicii, industriei, științei, cercetării , distribuției energetice etc.
Cerințele legislative europene și mondiale în domeniul protecției mediului și al conservării resurselor energetice, susțin utilizarea materiale naturale, sustenabile și nepoluante, nefosile, care să înlocuiască resursele limitate de combustibili fosili.
La nivelul Uniunii Europene s-au adoptat o serie de acte normative cunoscute sub termenul generic de Pachetul 20-20-20, prin care se dorește combaterea schimbărilor climatice și promovarea utilizării surselor regenerabile de energie.
Acest pachet legislativ stabilește trei ținte de atins până în anul 2020:
reducerea cu 20% față de anul 1990 a emisiilor de gaze cu efect de seră,
pondere de 20% din consumul previzionat de energie in Uniunea Europeana să provină din surse regenerabile de energie
reducerea cu 20% a folosirii energiei primare prin îmbunătățirea eficienței energetice.
Cele trei ținte ale pachetului European 20-20-20 pot fi atinse prin adoptarea unui program intens si extins la scară națională de exploatare și utilizare a resurselor locale de materiale naturale de constructii, pentru izolarea clădirilor și pentru energie sustenabilă.
Ținând cont de direcțiile ce trebuie adoptate în următorii ani de fiecare stat al Uniunii Europene, este necesar să se găsească resurse și materiale care, utilizate în construcțiile civile și industriale ca materiale izolatoare, să reducă cât mai mult consumul de energie.
În România, această directivă a început a fi pusă în aplicare (deocamdată la un nivel scăzut), prin utilizarea polistirenului expandat la izolarea termică a clădirilor.
Având în vedere implicațiile pe care aceste materiale le au asupra mediului și sănătății populației, identificarea unor soluții performante pentru obținerea materialelor utilizate la izolarea termică a clădirilor, trebuie, pe de o parte să asigure cel mai bun echilibru între eco-durabilitate și eficiență energetică, iar pe de altă parte să utilizeze materii prime „prietenoase mediului“.
Astfel de materiale pot fi constituite din fibre naturale cuprinse într-o matrice de polimeri pe bază de bio-lianți din resurse regenerabile, iar utilizarea lor tinde să rezolve o parte din aceste probleme legate de mediu și de sănătatea populației.
Capitolul 2. Proprietățile tehnice ale materialelor compozite ca produse termoizolante
Principalele caracteristici tehnice pe care trebuie să le îndeplinească produsele termoizolante destinate utilizării în construcții se referă la:
– densitate aparentă
– conductivitate termică
– comportare la apă și la vapori de apă
– caracteristici mecanice
– comportarea la temperatură scăzută
– temperatură ridicată și variații de temperatură
– posibilitatea de fixare pe / în structura elementelor de construcție
– posibilitatea aplicării de straturi cu rol de protecție și finisaj
– emisia de substanțe periculoase sau poluante.
2.1. Densitate aparentă
După cum este cunoscut, între densitatea aparentă și valoarea conductivității termice a unui material este o strânsă legătură, în sensul că un produs cu densitate aparentă mică este mai bun izolant termic decât un produs compact, cu densitate aparentă mare. Astfel, produsele cu densitate aparentă mică au un volum de goluri de aer mai mare. Trebuie precizat că proprietățile de izolare termică nu depind numai de procentul de goluri, ci depind și de dimensiunea golurilor și mai ales de faptul că golurile de aer trebuie să fie închise, astfel încât să nu comunice unul cu altul sau cu mediul extern.
Trebuie semnalat faptul că produsele termoizolante sub formă de fibre, au o conductivitate termică mai mică decât produsele care includ pori mici închiși, ca efect al transferului termic prin convecție, care se manifestă în spațiile libere dintre fibre. Astfel, pentru acest tip de produse termoizolante, conductivitatea termică optimă se obține la o anumită valoare a densității aparente, nu la valoarea cea mai mică a acesteia.
2.2. Comportarea la apă și la vapori de apă
Pentru ca să își păstreze proprietățile de izolare termică, produsele termoizolante trebuie să aibă porii închiși iar matricea solidă dintre pori să fie stabilă la apă. Un astfel de material termoizolant, care să aibă pori închiși iar matricea solidă care îmbracă întreaga suprafață a porilor să fie stabilă la apă. Un astfel de material este puțin utilizat, deoarece are un preț de cost relativ ridicat, ca de exemplu produsele termoizolante din sticlă celulară. În marea majoritate a cazurilor, materialele termoizolante au pori mai mult sau mai puțin deschiși. În cazul în care un astfel de material vine în contact cu apa, volumul de aer din porii deschiși este înlocuit cu apă iar conductivitatea termică crește semnificativ ca urmare a valorii conductivității termice a apei care este de cca. 10 ori mai mare decât conductivitatea termică a aerului. Trebuie precizat că materialele termoizolante din fibre nu au o comportare bună la apă, datorită absorbției mari de apă. Totuși, comportarea la apă a acestor materiale poate fi semnificativ îmbunătățită prin protejarea lor cu straturi impermeabile la apă. Comportarea materialelor termoizolante la difuzia vaporilor de apă trebuie evaluată atât în funcție de tipul și natura produsului termoizolant cât și în funcție de alcătuirea de ansamblu a elementului de construcție în care este înglobat produsul. Evaluarea comportării la difuzia vaporilor de apă se face pentru elementul de construcție în ansamblu, astfel încât acesta să permită difuzia vaporilor de apă, de la mediul interior la cel exterior, fără acumulare de umiditate, de la sezonul rece, în care se produce acumulare de umiditate la sezonul cald, în care se realizează evaporarea umidității. Materialele termoizolante pe bază de fibre prezintă o permeabilitate ridicată la difuzia vaporilor de apă. Acest lucru are efecte favorabile în cazul amplasării produsului termoizolant la fața exterioară a elementului de construcție, întrucât permite libera difuzie a vaporilor de apă.
O comportare mai puțin favorabilă apare în cazul în care între produsul termoizolant pe bază de fibre și atmosfera exterioară se interpune un strat cu permeabilitate mică la vapori de apă, caz în care libera difuzie a vaporilor de apă este împiedicată de stratul mai impermeabil la vapori, iar vaporii de apă se acumulează în produsul termoizolant. În acest caz, comportarea la difuzia vaporilor de apă poate fi îmbunătățită prin aplicare pe fața “caldă” a stratului termoizolant, a unui strat de protecție cu rol de barieră contra vaporilor de apă.
2.3. Caracteristici mecanice
În general, un material termoizolant având o densitate mică are și performanțe mecanice reduse. Proprietățile mecanice necesare pentru un material termoizolant se referă la faptul că acesta să aibă o rezistență la întindere și compresiune care să permită fixarea/înglobarea în alcătuirea/structura unui element de construcuție și după caz, aplicarea unui/unor straturi de protecție (mecanică, hidrofugă, împotriva focului, etc.).
2.4. Comportare la temperatură scăzută, temperatură ridicată și variații de temperatură
Materialul termoizolant trebuie să fie stabil la temperaturile corepunzătoare mediului de exploatare. Stabilitatea se referă atât la variațiile dimensionale, astfel încât să nu prezinte dilatări, contracții sau deplanări ale suprafeței peste limitele admise de straturile pe care/între care urmează să fie înglobat produsul termoizolant precum și să nu își degradeze capacitatea de izolare termică sub efectul temperaturilor scăzute, temperaturilor ridicate sau variațiilor de temperature (atât diurne cât și sezoniere). Comportarea la temperaturi ridicate este deficitară în cazul produselor termoizolante la care fibrele sunt liate cu adezivi organici. De asemenea, temperatura maximă de utilizare a fibrelor de natură vegetală este limitată și de temperatura de autoaprindere a acestor produse.
Pentru a avea o comportare favorabilă la temperaturi scăzute este necesar ca produsul termoizolant să fie stabil la apă, deci să aibă pori închiși, care să nu comunice între ei. În caz contrar, produsul termoizolant trebuie să permită aplicarea unor straturi de protecție împotriva apei și umidității, astfel încât să nu fie favorizată acumularea de apă care să se transformă din stare de vapori în stare lichidă și apoi în stare solidă, ca efect al temperaturilor scăzute.
2.5. Posibilitatea de fixare pe / în structura elementelor de construcție
Întrucât materialele termoizolante nu au performanțe mecanice și de rigidate suficiente pentru a prelua solicitările mecanice la care este supus un element de constrcuție, este necesar ca acestea să fie fixate/lipite de un strat suport care să preia aceste solicitări, fără a induce eforturi secționale în produsul termoizolant. Din această cauză, materialele termoizolante trebuie să permită aplicarea lor, prin unul din următoarele moduri de fixare:
– adezivă, prin lipirea pe suport prin intermediul unui produs adeziv
Pentru fixarea produselor termoizolante cu produse adezive este necesar ca produsul adeziv să nu reacționeze cu produsul termoizolant (să nu influențeze rigiditatea sau să reacționeze chimic în sensul modificării caracteristicilor de izolare termică sau chiar să îl dizolve). De asemena, produsul adeziv trebuie să fie stabil la temperaturile corespunzătoare mediului de exploatare, astfel încât să păstreze matricea solidă, să nu devină fragil la temperaturi scăzute și să nu prezinte tendință de înmuiere sau curgere sub efectul temperaturilor ridicate.
Fig. 1 Lipirea plăcii de termoizolație cu adeziv
– mecanică, prin fixarea cu piese mecanice, de regulă de tip tije cu cap plat sau prevăzute cu șaibe denumite si “ciuperci”.
Pentru fixarea mecanică produsul termoizolant trebuie să permită executarea operațiilor de găurire și debitare, fără tendințe de dezintegrare sau de degradare a integrității muchiilor.
Fig. 2 Prinderea plăcii de termoizolație cu “ciuperci”
2.6. Posibilitatea aplicării de straturi cu rol de protecție și finisaj
După cum s-a arătat, materialele termoizolante, mai ales cele pe bază de fibre celulozice, nu au performanțe mecanice și stabilitate la apă și umiditate corepunzătoare mediilor de exploatare a construcțiilor. Din această cauză, este necesar ca ele să fie protejate cu straturi din materiale care să le confere protecție împotriva agenților mecanici și climatici. Pentru ca straturile de protecție să aibă eficiența dorită, este deosebit de important ca ele să fie alese astfel încât să nu conducă la degradarea proprietăților de izolare termică (ca de exemplu straturi de protecție realizate din mortare pe bază de lianți hidraulici aplicate pe produse sensibile la apă și umiditate).
2.7. Emisia de substanțe periculoase sau poluante
Ca orice produs destinat utilizării în construcții și materialele termoizolante care urmează să fie realizate în urma desfășurării activităților prezentului proiect de cercetare, nu trebuie sa emită substanțe periculoase sau poluante peste limitele admise prin reglementările legislative în vigoare. În prezent este în vigoare Regulamentul (CE) nr. 1907/2006 al Parlamentului European și al Consiliului privind înregistrarea, evaluarea, autorizarea și restricționarea substanțelor chimice (REACH).
2.8. Proprietăți termice ale fibrelor naturale
Principalele proprietăți termice ale fibrelor naturale, în general, pe baza cărora se stabilesc cele mai adecvate domenii de utilizare, (în cazul nostru izolarea termică a clădirilor) precum și valorile celor mai indicați parametrii tehnologici din procesele de fabricație sunt:
• conductibiliatea termică
• căldura specifică
• termostabilitatea
• rezistența la aprindere
2.8.1. Conductibilitatea termică
Conductibilitatea termică este proprietatea unui material de a fi străbătut de un flux de căldură sub acțiunea unei diferențe de temperatură, adică proprietatea materialului de a transporta căldura dintr-o zonă unde temperatura este mai ridicată spre o zonă unde temperatura este mai scăzută. Conductibilitatea termică a unui corp se poate aprecia prin conductivitate, care este numeric egală cu cantitatea de căldură ce trece în unitatea de timp prin unitatea de suprafață separatoare când gradientul de temperatura este egal cu unitatea. Coductivitatea termică este o constantă a fiecărui material (substanțe) a cărei valoare depinde de densitate, porozitate, umiditate, temperatură etc. Capacitatea de izolare termică a unui corp este invers proporțională cu conductivitatea termică a corpului considerat.
Conductivitatea termică a fibrelor naturale diferă de la un tip de fibră la altul, dar comparativ cu conductivitatea aerului este mult mai mare. Astfel, conductivitatea fibrelor de lână este de 7,3 ori mai mare decât a aerului, iar a fibrelor de bumbac de 17,5 ori.
Pentru a fi considerat termoizolant, un material trebuie să îndeplinească următoarea condiție: conductivitatea termică de calcul să fie mai mică sau cel mult egală cu 0,10 W/(m2K).
Comparativ cu alte materiale utilizate în prezent în procesul de izolare termică a clădirilor, conductivitatea termică a fibrelor lignocelulozice este mai redusă, ceea ce constituie un argument important în recomandarea acestora ca agenți de ranforsare în materialele compozite utilizate la izolarea termică a clădirilor (tabelul 1).
Tabelul 1 Comparație între conductivitatea termică a unor materiale
Capacitatea de izolare termică a materialelor compozite ce conțin fibre naturale nu este dependentă semnificativ de natura și tipul fibrelor, ci de cantitatea de aer staționar intra- și interfibrilar. Astfel, capacitatea de izolare termică a fibrelor sau a materialelor compozite care conțin fibre, va fi cu atât mai mare, cu cât structura și starea de suprafață a acestora (prezența cavităților, porozităților etc.) va permite înglobarea unei cantități mari de aer staționar. În plus, materialele compozite ranforsate cu fibre lignocelulozice au și proprietăți de izolare fonică, comparativ cu alte tipuri de materiale.
2.8.2. Termostabilitatea fibrelor
Termostabilitatea fibrelor reprezintă proprietatea acestora de a nu-și modifica semnificativ însușirile într-un anumit interval de temperatură. Termostabiliatea fibrelor se apreciază prin evaluarea modificării caracteristicilor, survenite ca urmare a unui tratament termic urmat de condiționare. Din punct de vedere al termostabilității fibrele se împart în:
– fibre cu termostabilitate redusă, cele la care se înregistrează modificări ale caracteristicilor la temperaturi de 70°C – 90°C;
– fibre cu termostabilitate normală, cele care nu suferă modificări esențiale până la temperaturile de 120°C – 150°C;
– fibre cu termostabilitate ridicată, cele a căror caracteristici se păstrează la temperaturi de peste 200°C – 250°C.
2.8.3. Comportarea la aprindere și ardere
Rezistența la aprindere a fibrelor se apreciază prin capacitatea acestora de a se opune arderii atunci când vin în contact direct cu flacăra. Din acest punct de vedere fibrele se clasifică în:
– inflamabile, care se aprind ușor și propagă continuu flacăra, întreținând arderea (fibrele celulozice naturale și artificiale, poliacrilinitrilice etc);
– inflamabile, care se aprind, dar nu întrețin arderea, se sting de la sine după îndepărtarea flăcării (fibrele naturale animale, poliesterice, poliamidice etc);
– neinflamabile nu se aprind și nu întrețin arderea (azbest, stică, policlorvinilidenice etc) fibrelor.
Fibrele celulozice (naturale și artificiale) se aprind ușor, ard continuu, iar în urma arderii rezultă o cenușă fină, excepție face acetatul, care prin combustie se topește, lasând un rezidiu cărbunos. Bumbacul prin ardere degajă un miros specific (de hârtie arsă), iar în stare presată are proprietatea de a arde mocnit, fără flacără. Arderea fără flacără poate dura câteva zeci de ore. Dacă arderea mocnită ajunge într-o zonă mai afânată, atunci pot izbucni flăcările. Fibrele animale (părurile și mătasea) se aprid ușor în contact direct cu flacăra, dar nu întrețin arderea, se sting de la sine după îndepărtarea flăcării, din care cauză unii autori consideră că aceste fibre fac parte din categoria fibrelor neinflamabile. Prin ardere degajă un miros specific (de păr ars) și lasă un rezidiu spongios, sfărâmicios aderent la fibră.
Din aceste motive, se recomandă ignifugarea (aditivi pe bază de acid boric etc.) acestor fibre atunci când sunt utilizate în materialele compozite destinate izolării termice a clădirilor.
2.9. Proprietățile mecanice
S-a dovedit experimental că, proprietățile de rezistență a fibrelor provenite din materiale lignocelulozice și astfel potențialul de utilizare a acestora ca agenți de armare în materialele compozite crește pe măsură ce structura fibrei celulozice este redusă la unitățile elementare (microfibrile). Astfel, în literatură sunt date diverse valori ale modulului elastic al acestor elemente structrurale, care variază între 70 – 150 GPa. Din punct de vedere teoretic, dacă structura poate fi redusă la nivelul cristalitelor, atunci modulul elastic are valoarea de aprox. 250GPa. În practică însă, nu există încă o tehnologie care să conducă la obținerea acestei valori. (tabelul 2 )
Celuloza extrasă din cochilia animalelor marine (tuinicina) a fost utilizată ca agent de armare în materiale polimerice. Aceste structuri microcristaline produse pe cale biologică, sunt aproape lipsite de defecte și impurități și au proprietăți fizice asemănătoare cu cele ale cristalelor perfecte. Alte studii au la bază utilizarea celulozei bacteriene, produsă din speciile de Acetobacter, care prezintă proprietăți unice cum ar fi : rezistența mecanică ridicată și o rețea fibroasă de înaltă puritate și finețe.
Tabelul 2 Relația structură – proprietăți mecanice în fibrele celulozice
2.10. Capacitatea de dispersie în matricea polimerică
O dispersie corespunzătoare a fibrelor lignocelulozice în matricea polimerică implică o separare a fibrelor (fibrele nu trebuie să fie aglomerate) astfel încât fiecare fibră să fie înconjurată de polimer. O insuficientă dispersie a fibrelor celulozice în matricea polimerică are ca rezultat obținerea unor materiale compozite cu proprietăți mecanice neuniforme. Este important să se asigure o dispersie omogenă a fibrelor în scopul obținerii unor materiale compozite cu maximum de rezistență și performanță. Există doi factori importanți care influențează capacitatea de dispersie a fibrelor: caracterul hidrofil al fibrelor celulozice, (prezența legăturilor de hidrogen între fibre), lungimea fibrei și cornificarea fibrelor în timpul uscării. Acești factori trebuie luați în considerație și la tendința de aglomerare a fibrelor celulozice în timpul amestecării.
Lungimea fibrei este un parametru critic. Astfel, o valoare prea ridicată a lungimii fibrelor va avea ca rezultat aglomerarea și „încurcarea” acestora, iar o valoare prea redusă a lungimii va avea ca efect reducerea suprafeței de transfer a sarcinii pentru realizarea unui proces de armare corespunzător. Date de literatură, evidențiază valoarea de 0,4 mm ca fiind optimă.
Capacitatea slabă de dispersie a fibrelor celulozice datorată caracterului hidrofil al acestora poate fi îmbunătățită printr-o serie de metode care implică modificarea superficială a fibrelor prin modificarea chimică a grupelor hidroxil ale celulozei care sunt localizate la suprafața fibrelor. În acest scop, fibrele celulozice sunt supuse unor pretratamente chimice aplicate cum ar fi: acetilare, introducerea de noi grupe funcționale (grefare), organosilanare, sau se recomandă utilizarea agenților de dispersie pe bază de acid stearic sau ulei mineral. Aceste pretratamente aplicate fibrelor pentru creșterea capacității de dispersie și pentru hidrofobizare, implică introducerea în matricea compozită, alături de fibre și polimeri, a unui al treilea component care poartă numele de agent de compatibilizare sau de cuplare. Acești auxiliari au rolul de a îmbunătăți proprietățile superficiale și adeziunea dintre fibrele celulozice și polimer. Asigurarea unei bune adeziuni la interfața fibre celulozice – polimer va avea ca rezultat obținerea unor materiale compozite cu caracteristici de rezistență și duritate corespunzătoare. O altă problemă a capacității de dispersie reduse a fibrelor lignocelulozice în matricea polimerică o constituie fenomenul de cornificare ca rezultat al aglomerării ireversibile a fibrelor în timpul procesului de uscare prin formarea unor legături suplimentare de hidrogen în zona amorfă a structrurii celulozei. În timpul evaporării apei prin uscare, fibrele și peretele celular al fibrelor se contractă și ca rezultat crește intensitatea forțelor de legătură. Pentru a preveni acest fenomen, este indicat ca la izolarea fibrelor lignocelulozice din speciile vegetale procesul de uscare să fie condus prin atomizarea suspensiei apoase de fibre.
2.11. Aspectul de formă al fibrelor celulozice
Aspectul de formă al fibrelor este definit ca raportul dintre lungime și diametru, reprezintă un parametru critic pentru materialele compozite. O exprimare a raportului de formă a fibrelor (lc/d) a fost propusă de Cox pe baza analizelor efortului de forfecare, având următoarea ecuație:
Lc /d = fu / 2y , în care: lc – lungimea critică a fibrei; d – diametrul fibrei; fu – rezistența la tracțiune critică: y – efortul de forfecare la interfața fibră – polimer
Pentru o rezistență la tracțiune critică controlată, ecuația arată o relație invers proporțională între lungimea și diametrul fibrei și efortul de forfecare. Se consideră că pentru o armare maximă a materialelor compozite există un aspect de formă critic care poate fi definit ca aspectul de formă minim al fibrei în care se produce forfecarea maximă pentru o sarcină dată. Dacă aspectul de formă este mai mic decât această valoare critică, atunci transferul efortului de forfecare va fi insuficient și prin urmare armarea produsă de fibre va fi ineficientă. Contrar, dacă aspectul de formă este foarte ridicat, fibrele se aglomerează în „ghemuri” în timpul amestecării cu polimerul, provocând probleme de dispersie.
2.12. Unghiul de înclinare a microfibrilei față de axa fibrei
Așa cum s-a menționat în paragrafele anterioare, fibrele celulozice sunt membrane compozite formate din câteva straturi elementare:
– peretele primar
– stratul secundar care este format din starturile S1, S2 și S3.
Stratul S2 are cea mai mare grosime și conferă rigiditate fibrei. Unghiul de înclinare a microfibrilelor reprezintă o caracteristică importantă pentru caracterizarea fibrelor celulozice, măsurarea acestui parametru constituind un pas important în procesul de înțelegere și cunoaștere a elasticității și a proprietăților de rezistență a fibrelor în general. Cu cât unghiul de înclinare a microfibrilei față de axul fibrei este mai redus, cu atât rezistența mecanică și elasticitatea fibrei sunt mai ridicate.
2.13. Tipuri de polimeri utilizați la obținerea materialelor compozite pentru izolarea termică a clădirilor
Declanșarea crizei petroliere a dus la scăderea producției de compuși macromoleculari sintetici, respectiv la creșterea prețului lor, deschizând orizonturi largi pentru valorificarea materialelor de proveniență naturală, cum ar fi de exemplu cele lignocelulozice. Polimerii naturali ca atare, sau modificați chimic pot participa la realizarea unor compozite (polimeri naturali / polimeri sintetici) sub formă de umplutură, fibre de armare componente de amestecare, copolimeri grefați pentru a oferi în ansamblu proprietăți legate de destinația structurilor realizate:
-controlul și reglarea comportării față de apă
-rezistența la foc și căldură
-prelucrabilitatea prin diferite metode
-biodegradabilitatea etc.
Pentru realizarea unor corelații structură – proprietăți – domeniu de utilizare devine astfel necesar studiul polimerilor naturali constituenți ai structurilor compozite cât și stabilirea posibilităților de realizare a unor materiale compozite cu diferite caracteristici.
In general, un material compozit se obține atunci când se combină două sau mai multe componente cu structură fizică chimică diferită, compatibile parțial sau total incompatibile, pentru a rezulta un nou material cu funcționalități superioare celor caracteristice elementelor initiale.
În funcție de matricea folosită se disting trei mari categorii de materiale compozite și anume:
– cu matrice ceramică
– cu matrice metalică
– cu matrice polimerică
Compozitele cu matrice ceramică au fost realizate în vederea obținerii unor structuri capabile să reziste la diverse condiții extreme. Majoritatea materialelor ceramice monolitice, prezintă o excelentă stabilitate termică, dar se caracterizează printr-o rezistență scăzută la fracționare, durabilitatea și rezistența find rezultatul direct al puternicilor legături covalente direcționale. Produsele de tipul ceramicelor, metalelor refractare și al celor intermetalice sunt recomandate pentru temperaturi operaționale mai mari de 1600°C, nefiind necesară armarea.
Compozitele cu matrice metalică armată cu fibre prezintă rezistențe și rigidități îmbunătățite, comparabile cu cele ale aliajelor metalice nearmate. De asemenea, avantajele matricelor metalice sunt asemănătoare cu cele polimerice și anume: modul de forfecare mare, rezistență la temperaturi ridicate și umezeală, temperatură de topire ridicată, stabilitate dimensională, asamblare și durabilitate sporite.
Compozitele cu matrice polimerică se bazează pe sinergismul între fibrele de înaltă performanță și matrice. Fibrele sunt înzestrate cu un modul de rezistență ridicat în timp ce matricea acoperă umplutura atât de bine încât conferă rezistentă la intemperii și coroziune.
2.14. Matrici polimerice utilizate la obținerea materialelor compozite
2.14.1 Rășini fenolformaldehidice
Rășinile fenolformaldehidice se obțin prin policondensarea fenolului și a derivaților cu aldehida formică sau omologii acesteia. Policondensarea fenolului cu aldehida formică parcurge, de obicei mai multe etape prin care se realizează trei tipuri de polimeri (novolacuri, rezoli, rezite), deoarece într-un astfel de proces fenolul se comportă ca un monomer trifuncțional. În practică însă, reacția este oprită după obținerea unor intermediari metastabili, solubili și fuzibili care, ulterior, pot fi trecuți ușor în produse tridimensionale prin simplă încălzire sau adăugarea unor noi cantități de reactivi. Policondensarea fenolului cu aldehida formică în mediu acid (novolacuri).
Produsele de policondensare ale fenolului cu aldehida formică în prezența catalizatorilor acizi și la un raport molar aldehidă-fenol subunitar au fost denumite novolacuri. În practică sinteza novolacurilor se realizează în medii apoase la pH < 5 și rapoarte aldehidă/fenol < 0,8. Pentru un exces mare de fenol, produsele de policondensare vor fi alcătuite din izomeri cu câteva unități fenolice, în timp ce la cantități comparabile de aldehidă și fenol se pot realiza catene cu 10-15 unități fenolice. Mecanismul policondensării fenolului cu aldehida formică la pH acid este electrofil. Partea a doua a procesului de sinteză a novolacurilor comportă condensarea metilolfenolilor cu fenolul și are ca rezultat obținerea compușilor dinucleari. În această etapă se presupune formarea ionilor benzil ca intermediari care atacă una din pozițiile reactive ale fenolului. Odată obținuți, alcoolii fenolici reacționează foarte rapid cu fenolul, viteza procesului fiind mai mare decât aceea a interacțiunii cu aldehida formică.
Creșterea dimensiunilor moleculare ale rășinilor rezolice are loc prin homopolicondensarea metilolfenolilor, reacție considerată ca fiind cea mai importantă în faza a doua a procesului. Formarea punților metilenice decurge fie prin intermediul unei legături eterice cu formarea ulterioară de metilenglicol, fie direct prin interacțiunea a doi metilolfenoli, când se eliberează aldehida formică.
2.14.2. Rășinile melaminoformaldehidice
Rășinile melaminoformaldehidice se obțin prin reacția de policondensare a melaminei cu aldehida formică. Melamina conține trei grupe aminice și poate reacționa cu șase molecule de aldehidă formică conducând la hexametilolmelamina. Aceasta este sensibilă la acțiunea căldurii și prin încălzirea soluțiilor ei apoase are loc formarea rășinii propriu zise. Reacția are loc mai ușor în mediu acid decât în mediu alcalin sau neutru. S-a constatat că atunci când se lucrează cu raporturi aldehidă formică/ melamină obțin pentametilolmelamina care conduce la polimeri liniari.
În mediu acid, se presupune că aceste produse se găsesc sub formă de monoclorhidrat, capabili de a ioniza cu separarea ionilor de clor, devenind astfel cationici. Sub această formă, rășina se reține ușor pe fibre, chiar din cele mai diluate soluții.
2.14.3. Poliesterii
Polisterii sunt combinațiile macromoleculare obținute prin reacția diolilor cu acizii dicarboxilici sau derivații acestora și care au ca funcție internă gruparea –COO-.
De mult timp, prin proprietățile ei remarcabile, a câștigat o largă utilizare o clasă de poliesteri modificați cu acizi grași, cunoscuți sub denumirea de poliesteri nesaturați. Aceștia, prin caracteristicile lor, îmbină armonios proprietățile de flexibilitate ale peliculelor pe bază de uleiuri sicative, cu cele de luciu, duritate și stabilitate chimică, proprii peliculelor din poliesteri. Datorită acestui fapt, în comparație cu alte peliculogene, producția poliesterilor nesaturați continuă să ocupe o poziție dominantă. În plus, prin variația în limite largi, atât cantitativ cât și calitativ, a reactanților, se poate realiza acoperirea unei game foarte largi de proprietăți. Poliesterii nesaturați sunt produse vâscoase, rezultate din policondensarea acizilor polibazici cu alcoolii poliatomici și acizi grași din uleiurile vegetale. La fabricarea acestei grupe de polimeri se pot folosi atât uleiurile vegetale ce conțin esteri ai acizilor grași cu glicerina, cât și acizi grași liberi. Drept component acid mai pot servi colofoniul, acizii grași din uleiul de tal, acidul benzoic, 2-etil-hexanoic și alții.
2.14.4. Rǎșinile furanice
Rășinile furanice reprezintǎ o clasǎ importantǎ de rǎșini sintetice obținute din substanțe chimice simple cu structurǎ furanică, care se pot clasifica dupa urmatoarele criterii:
– dupǎ tipul monomerilor de bazǎ folosiți în reacțiile de policondensare:
a) rǎșini furanice simple rezultate prin autopolicondensarea aceluiași tip de monomer furanic (furfurol sau alcool furfurilic);
b) rǎșini furanice mixte rezultate prin policondensarea a 2, 3 sau chiar 4 monomeri, din care unul este de tip furanic (furfurol sau alcool furfurilic), iar celǎlalt de altǎ naturǎ (fenolic, ureic, melaminic).
– dupǎ procedeul de întǎrire:
a) rǎșini furanice cu întǎrire la rece;
b) rǎșini furanice cu întǎrire la cald.
– dupǎ compoziția chimicǎ a catenei:
a) rǎșini furanice simple de tip furfurolic;
b) rǎșini furanice simple de tip furilic;
În țara noastrǎ unicul producător de rășini furanice este SC VIROMET SA Victoria, care fabricǎ mai multe tipuri din astfel de produse folosind ca materii prime ureea, fenolul, formaldehida și alcoolul furfurilic. Ele sunt comercializate sub denumirea de URELIT FR pentru cele cu reticulare la rece și URELIT FC pentru cele cu reticulare la cald. Rășinile furanice mixte cu alcool furfurilic tip URELIT FR1, URELIT FR3 și URELIT FR4, de exemplu, sunt de tip ureo-formaldehid-furilic, fiind obținute prin reacția ureei cu formaldehida și alcoolul furfurilic. Acestea sunt utilizate în calitate de liant pentru prepararea amestecurilor de formare și de miezuire la turnarea pieselor din fontă, oțel și metale neferoase. Reticularea lor are loc la temperatura mediului ambiant utilizȃnd întăritorii specifici cu denumirile tehnice de SBM-20, STM-20, SBA-21.
2.14.5. Adezivi pe bază de lignină
In mod curent, 90% din cantitatea totală de adezivi folosiți în industria lemnului este reprezentată de 4 tipuri de rășini termoreactive: ureo-, fenol-, rezorcinol- și melamin-formaldehidice, obținute din produse petroliere (rășinile fenol- și rezorcinol-formaldehice) sau din gaze naturale (rășinile ureo- și melamin-formaldehidice). O problemă majoră în sinteza acestor adezivi este asigurarea disponibilităților de materie prima în condițiile distribuției neuniforme a rezervelor petroliere și a reducerii acestora, ceea ce determina în final costul produselor finite. Se apreciază că ponderea acestor rășini în costul final al produselor este de 25%. cu toate că reprezintă numai 5-10% din materia primă necesară. Pentru eliminarea acestor dificultăți cercetările au fost orientate în vederea obținerii adezivilor prin utilizarea cantităților mari de biomasă disponibilă sub diverse forme: hidrați de carbon, taninuri și lignină.
În acest sens, s-a studiat posibilitatea folosirii ligninei în înlocuirea atât a adezivilor tradiționali (în totalitate sau parțial), cât și a materiilor prime folosite la sinteza rășinilor termoreactive. Motivul utilizării ligninei în aceste sisteme adezive este determinat de o serie de caracteristici particulare:
– polimer polifenolic cu un grad ridicat de ramificare, care posedă o varietate de grupe funcționale ce pot constitui centre reactive potențiale pentru modificările chimice sau biologice.
– rezerve mari de lignină provenite din dezincrustarea lemnului în industria celulozei: se estimează că aproape 30 de miloane de tone de lignină sunt produse anual
– costul redus
– rezistența remarcabilă la acțiunea microbiologică.
Valorificarea ligninelor tehnice (lignosulfonați, alcalilignină, lignină organosolv) în sistemele adezive ca substituent al rășinilor fenol- și ureoformaldehidice s-a axat pe următoarele direcții:
– folosirea ligninei ca adeziv, datorită comportării similare cu rășina fenolformaldehidică;
– bținerea de adezivi lignin-fenolformaldehidici prin:
– înlocuirea rășinii fenolformaldehidice cu lignină modificată/nemodificată; substituirea fenolului la sinteza rășinii fenolformaldehidice;
– obținerea de adezivi lignin-ureoformaldehidici prin înlocuirea rășinii ureoformaldehidice cu lignină modificată/nemodificată.
CAPITOLUL 3. Materiale folosite pentru izolarea termică a clădirilor.
În urmatoarele rânduri o să vorbesc puțin despre câteva din cele mai utilizate materiale pentru termoizolația unei clădiri. Cel mai folosit material pentru construirea panourilor termoizolante este polistirenul. În anul 1845 Glenard și Boudault obțin stiren prin distilarea unei rășini de palmier, iar Hofman și Blythe obțin polistiren prin încălzirea la 2000 C a stirenului. Abia în anul 1930 începe fabricarea la scară industrială a polistirenului.
Materialele pentru izolarea termică a unei cladiri au valori ale capacității de izolare termică de 0,035 până la 0,6 Watt pe metru și grad Kelvin. Aceste materiale se împart în grupe de conductibilitate termică (WLG). Această împărțire conține grupe de la WLG 020 până la WLG 060. De exemplu, un material cu λ = 0,040 W/mK este încadrat în grupa WLG 040. De reținut ar fi, cu cat WLG este mai mic, cu atat materialul izoleaza mai bine.
Materialele termoizolante se împart în mai multe categorii:
1. Materiale termoizolante sintetice
– Spume dure din polistiren ( extrudate – XPS și cu particule – EPS)
– Spume din polistiren extrudat
– Spume din polistiren expandat
– Spume dure din poliuretan (PUR)
2. Materiale termoizolante naturale (regenerabile)
– Lâna
– Cânepa
– Inul
– Plăci din fibre de lemn
– Resturi de cereale
– Baloturi din paie
– Vată din lemn și plăci multistrat în construcție ușoară
– Plută
– Celuloză etc.
3.1. Materiale termoizolante din materiale sintetice
Polistirenul
În primul rând polistirenul se împarte în 2 categorii:
– polistiren expandat
– polistiren extrudat
Polistirenul expandat este folosit mai mult în costrucții pentru izolații termice, dar și în alte scopuri, a ajuns să fie unul din cele mai răspândite tipuri de masă plastică, cu un consum mondial de miliarde de kilograme pe an. Polistirenul este realizat din stiren monomer, un polimer aromatic sintetic, un lichid petrochimic. Poate avea structură rigidă sau sub formă de spumă. Scopul general al polistirenului este de a fi curat, dur și friabil (se sfărâmă , sparge ușor).
Fig. 1 Polistiren expandat.
Polistirenul este o barieră destul de slabă împotriva oxigenului și a vaporilor de apă și are o temperatură de topire relativ scăzută.
Printre caracteristicile polistirenului putem enumera câteva importante:
– este solid la temperatura camerei,
– este prelucrabil prin încălzire (termoplastic),
– are o temperatură de topire la aproximativ 100 grade Celsius și redevine solid prin răcire și este utilizat ca material industrial (de construcție) sub formă masivă sau spongioasă.
Polistirenul nu este folosit doar în construcții, ci are diferite utilități precum producția de tacâmuri de unică folosință, carcase pentru CD-uri, rame pentru plăcile de înmatriculare sau alte produse unde se dorește un plastic rigid și economic.
Fig. 2 Polistiren extrudat.
Principala diferență între polistirenul expandat și polistirenul extrudat este, rezistența la umiditate și rezistența la compresiune, unde polistirenul extrudat este mai rezistent. Diferența între ele ca și capacitate izolantă este foarte mică.
Ca o comparatie în funcție de grosime, un polistiren expandat cu grosimea de 7 cm echivaleaza ca și capacitate izolantă, cu un polistiren extrudat cu grosimea de 5 cm și să nu uităm o altă diferență destul de importantă între ele, ar fi prețul, polistirenul extrudat este mai scump decât polistirenul expandat.
Un alt material sintetic ar fi spuma poliuretanica, acesta este o spuma ce furnizeaza solutii bune pentru o gama variata de provocari in industria constructiilor si industria prelucratoare.
Fig. 3 Aplicare spumă poliuretanică.
Spuma poliuretanică este un produs foarte bun. Clădirile izolate cu această spumă sunt unele dintre cele mai eficiente și confortabile construite. Chiar dacă are o conductivitate termică foarte bună are marele dezavantaj ca și polistirenul că nu este un material natural, regenerabil.
3.2. Materiale termoizolante din materiale naturale
3.2.1 Lâna
În cazul solicitării fizice a fibrei de lână sa observat că această fibră se rupe cu greu. Rezistența la flambaj este de peste 20000 (n.trad.), datorită acestei elasticități, lâna are o stabilitate și o durată de viață mare.
Protecția la incendiu a fibrei de lână este foarte bună, având punctul de autoaprindere la 560 grade, datorită acestui lucru lâna se aprinde cel mai greu dintre toate fibrele naturale.
Datorită structurii fibroase, stabilitatea formei și elasticitatea se modifică extrem de puțin, chiar și în cazul unei proporții de 16% umiditate din greutatea proprie, la fel prorietațile de izolare termică, conductibilitatea termică se modifica foarte puțin.
Izolația din lână de oaie este un material unic deoarece prin capacitatea sa de a respira, poate absorbii și elibera umiditatea din aerul înconjurător, fără să compromită eficiența termică. Atunci când fibrele de lână absorb umiditatea, ele generează cantități mici de caldură și ajută la prevenirea formării condensului, respectiv al mucegaiului.
Fig. 4 Termoizolație din lână.
Lâna fiind un material higroscopic, asta însemnând că poate absorbii de pana la 30 % -40% din propria greutate în umiditate, fără a devenii umed la atingere. Această proprietate specifice izolației din lână nu compromite capacitatea sa de izolare, față de izolația din vată de sticlă sau celuloză.
Izolația termică din lână, în funcție de producator și agremente tehnice, conductivitatea termică este λ= 0,035 W/ mK – 0,040 W/mK.
Alte avantaje ale izolației din lână de oaie ar fi că se poate monta fără echipament de protecție, nu produce iritații pe piele sau la ochi și nu conține substante periculoase.
Lâna poate îmbunătații calitățile aerului din încăpere, reducând substanțele nocive deoarece are o mare capacitate de a prelua substanțe dăunatoare din aer, ba mai mult poate descompune formaldehidă pe durata unor decenii.
Pe langă toate avantajele de mai sus, lâna mai are un mare avantaj, este o materie primă regenerabilă.
3.2.2. Cânepa
Cânepa este folosită de mii de ani ca materie primă, aceasta fiind valoroasă pentru producția de ulei, hartie, medicamente și îmbrăcaminte.
Fiind o materie primă ce se regenerează, cânepa este în măsură să limiteze problemele legate de mediu și să îmbunătățească solurile. În Germania sa permis din nou plantarea unor specii sărace în substanțe narcotice, dupa 1996, iar pe plan mondial industria cânepii înregistrează progrese, din cânepă se realizează o foarte mare varietate de produse.
Canepa Thermo produsă de firma Hock realizează protecție termică atat pe timp de iarnă cât și pe timp de vară.
Fig. 5 Placă de termoizolație din cânepă.
Conductibilitatea termică a acestei izolații este de λ = 0,040 W/mK
Capacitatea de acumulare termică: 1,6 kJ(/(kgK)
Densitatea la crud: cca. 38 kg/m cub
3.2.3. Inul
Utilizarea inului în domeniul construcțiilor a fost considerabil extinsă și a ajuns în punctul culminant la confecționarea de plăci pentru izolare împotriva căldurii și zgomotului. Un material de construcție este ecologic încă de la obținerea materiei prime. Cei ce vor alege încă din prima fază, ca materia primă sa fie ecologică, mai tarziu va culege roadele. În primul rând caștigă țara dacă materia primă provine din aceata și poate fi regenerate prin recultivare.
După ce ajunge în stadiul de a fi recoltat, inul este extras cu tot cu rădăcină din sol și apoi acesta este lăsat pe sol fiind întors și vânturat de câteva ori. În acest fel are loc o “maturare” completă a plantelor de in. Ca urmare a acestui proces, separarea fibrelor și parților lemnoase ale plantei de in, se pot efectua mult mai ușor.
Inul, în calitate de termoizolant este un material durabil, fiabil și sigur atât pentru oameni cât și pentru mediul înconjurător. În prezent există sub formă de saltele pentru izolarea acoperișurilor și pereților exteriori și sub formă de fibră pentru acoperirea crăpaturilor dintre lemn și planșee.
Conductivitatea termică a izolației din in se situează în jurul valorii de 0,037 W / mK conform DIN 18165 WLG 040
Fig. 6 Placă de termoizolare din in.
3.2.4. Fibre din lemn
Plăcile de izolare din fibre de lemn sunt produse din resturi de lemn.
Fig. 7 Plăci de izolare din fibre de lemn.
Fibrele acestor resturi sunt desfăcute și în funcție de procedeul de producție (umed sau uscat) sunt reasamblate și fixate sub forma unor plăci de izolare.
Domenii de utilizare și punerea în operă.
Numeroasele posibilități de aplicare și o serie de avantaje tehnice privind climatul din încăperi a condus la faptul că placile izolatoare din fibre de lemn au avut în ultimii ani cea mai mare creștere a vânzărilor deși conjuctura industriei construcțiilor a cunoscut o scădere pronunțată în acest interval de timp.
Deoarece între timp sa trecut de la armarea plăcilor cu fibre sintetice la fibre de armare naturale, domeniul de utilizare a acestor plăci de izolare din fibre de lemn sa extins și la alte aplicații, printre care și izolarea între căpriori.
Plăcile de izolare din fibre de lemn sunt cel mai bine folosite în urmatoarele domenii de utilizare:
– Izolarea acoperișurilor, inclusiv ca al doilea strat pe care se scurge apa, respectiv ca strat inferior lipit sau fațuit și limitat ca acoperire provizorie de urgență pentru o perioadă de câteva săptămâni.
– Pentru învelirea acoperișurilor parțial circulabile cu piciorul
– Izolarea golurilor închise
– Izolarea pereților despărțitori ușori
– Izolarea între căpriori etc.
Conductivitatea termică a acestor plăci din fibre de lemn se situează între valorile de 0,038-0,047 W/ mK
Unele avantaje a acestor plăci izolante din fibre de lemn sunt urmatoarele:
-Protecție împotriva umidității
-Protecție la arșită
-Economisirea de energie
3.2.5. Plăci de plută expandată
Această placă este obținută din materie primă naturală, placa de plută expandată reprezintă o protecție excelentă împotriva crăpării, iar asociată cu alte componente ca adezivul sau ipsosul, rezultă un finisaj modern.
Acest sistem modern de acoperire a pereților are drept rezultat o protecție excepțională împotriva frigului și umidității, de altfel fiind cel mai econom finisaj, care poate fi folosit în toate construcțiile, noi și vechi. Pentru aplicare este nevoie doar de o bază solidă. Protecția termică înseamnă o reducere a costurilor cu energia – un factor foarte important. Ca și izolare fonică, reduce substanțial zgomotele exterioare.
Avantaje:
– Stabilitate dimensională
– Produs natural (sănătos)
– Confort – izolator sănătos
– Capacitate excelentă de a respira
– Economie de energie
– Eficiență de durată
Caracteristici tehnice:
– Coeficient de conductivitate termică: 0,037 – 0,040 w/mK
– Nu absoarbe apa prin capilaritate. [2]
Fig 8 Placă de plută expandată.
3.2.6. Celuloza
Fibrele celulozice secundare (din hârtii și cartoane recuperate), ca izolator de umplutură, reprezintă, conform unor studii, materialul care răspunde cel mai bine cerințelor dezvoltării durabile, considerând impactul asupra mediului pe întreaga durată de viață a produsului termoizolator. În general aceste fibre sunt protejate cu aditivi pe bază de bor, pentru o bună comportare la foc, dar există și soluții care evită folosirea acestor substanțe, cu scopul de a oferi un material întru totul ecologic.
Energia înglobată în producerea termoizolației din fibre celulozice secundare este considerată a fi mai redusă față de cea a oricărui material termoizolator obținut industrial. Contribuie la controlul umidității mediului interior prin absorbția și eliberarea vaporilor de apă, umiditatea relativă a materialului termoizolator din celuloză putând atinge valoarea de 99,5% fără a rezulta efecte negative semnificative asupra calității acestuia.
Este permeabil la transferul aerului. Prin ardere, materialul izolant pe bază de fibre celulozice este carbonizat la suprafață, iar stratul superficial astfel format va proteja straturile interioare ale materialului.
Izolațiile din fibră celulozică Isofloc prezintă un coeficient al conductivității termice de 0,033 W/mK. Utilizarea materialelor izolante pe bază de fibre celulozice reduce cheltuielile de exploatare a clădirilor cu până la 40% față de cazul utilizării materialelor tradiționale. Statisticile demonstrează că pe parcursul primului an de utilizare, se amortizează costurile termoizolării elementelor de construcție.
Fig. 9 Izolație din fibră celulozică.
Izolarea termică pe baza bulgărilor din pastă celulozică uscată se pretează foarte bine la clădirile construite în perioada 1900-1970 când, din punct de vedere constructiv, erau prevăzute spații despărțitoare în pereții clădirii. (Fig. 12)
Fig. 10 Modalitate de aplicare a fibrelor celulozice.
1 tencuială; 2 zidărie; 3a cavitate de ventilare; 3b granule (bulgări) din fibre celulozice; 4 perete exterior
Capitolul 4. Studiu de caz
4.1. Tipuri de panouri din materiale regenerabile studiate
Am experimentat 4 tipuri de panouri, numite R1, R2, R3 și R4. Compoziția lor pentru R1, R2 SI R3 este urmatoarea: perlit expandat, fibre vegetale din tulpini de floarea soarelui și amidon de porumb.
R4 conține: Perlit expandat, fibre din puzderii de cânepă și amidon de porumb.
Tabel 1 Compozitia si cantitatea materialelor folosite.
4.2. Descrierea materialelor folosite.
4.2.1. Perlit expandat
Dintre resursele naturale cu aplicații în construcții, insuficient exploatată și utilizată, o reprezintă roca perlitică. Perlitul este o rocă vulcanică, cu structură vitroasă, de compoziție riolitică, cu 2-5% apă de constituție. Perlitul are proprietățile unui material cu stabilitate chimică și termică, proprietate considerată premisă importantă pentru “tehnologii curate” în condițiile executării lucrărilor de construcții și procesării materialelor de construcții cu utilaje performante, corect exploatate.
Perlitul nu poluează atmosfera cu emisii de compuși toxici periculoși (pulberi cu metale grele și hidrocarburi policiclice aromatice).
Fig. 1 Perlit brut
În ceea ce privește apa și solul, perlitul este de asemenea nepoluant prin lipsa compușilor cu metale grele și a compușilor organici toxici periculoși. Deoarece perlitul este o formă a sticlei naturale este clasificat din punct de vedere chimic inert și are pH-ul aproximativ 7. Perlitul este extras din mină și expandat în majoritatea țărilor: Statele Unite, China, Grecia, Japonia, Ungaria, Armenia, Italia, Mexic, Filipine și Turcia. La noi în țară perlitul este obținut și expandat la Medieșu Aurit cu diferite granulații și proprietăți (tabelul 2). Prin încălzire (850 – 1110°C) expandează, mărindu-și de 10-20 ori volumul, generând astfel un material ușor, incombustibil.
Fig. 2 Perlit expandat
Fig.3 Perlit expandat – forma fizică și structurală
Tabelul 2 Caracteristicile fizico-chimice ale perlitului expandat
Dintre avantajele utilizării perlitului se pot enumera:
– greutate mică
– ușor de exploatat, amestecat, transportat
– umiditate foarte mică (< 1 %)
– bun izolator termic, acustic, ignifug.
Datorită caracteristicilor specifice și avantajelor utilizării sale, perlitul asigură beneficii economice în domeniul construcțiilor, fiind folosit pentru obținerea materialelor termoizolatoare și de finisare: tencuieli ușoare, mortare de protecție ignifugă, cărămizi și blocuri ceramice ușoare, materiale compozite fasonate, plăci pentru plafoane, dale, placaje exterioare etc., aspecte confirmate și în multe studii și rapoarte de cercetare. (Singh și Garg, 1991; Demirboga et al, 2001;. Demirboga și Gul, 2003; Lanzon și Garcia-Ruiz, 2008; Sari et al, 2009. ; Sengul et al, 2011;. Çelik, 2010).
În cadrul programului de laborator s-a utilizat o formă de perlit expandat – Harbolite 350 – sub formă de pulbere, de culoare alb-cenușiu, cu diametrul mediu al particulei de cca. 25 µ.
4.2.2. Tulpini de floarea soarelui
Restricțiile legate de tehnologiile de recoltare și conținutul mare de apă și cenușă, împiedică în prezent utilizarea tulpinilor de floarea soarelui în scop energetic. În condițiile unei producții de tulpini de floarea soarelui de cca 10t/h trebuie identificate soluții pentru valorificarea acestora. În acest scop s-au realizat studii și cercetări pentru utilizarea acestor deșeuri agricole ca agenți de ranforsare în structura materialelor compozite pentru izolarea termică a clădirilor. Astfel, în studiile lor (Binici et al., 2014) afirmă că materialele compozite cu conținut de fibre din tulpini de floarea soarelui au un coeficient de conductivitate termică de 0,1642 W/mK, mai mic decât al altor materiale de construcții utilizate în prezent. În sprijinul acestor rezultate, în cadrul programului experimental au fost utilizate fibre măcinate din tulpinile de floarea soarelului provenite de pe ternurile agricole (culturile agricole 2014), în diferite variante de structuri miez pentru materialele compozite.
Prelucrarea tulpinilor de floarea soarelui
Tulpinile de floarea soarelui au fost măcinate integral (cu tot cu partea de măduvă) în stare uscată în moara de laborator până la dimensiunea de 1 – 3 mm. Moara de laborator este prevăzută cu un sistem de site de dimensiunea 1 – 3 mm și un sac de filtrare a aerului (figura 4).
Tulpini de floarea soarelui Măcinare (mărunțire)
Tulpini de floarea soarelui măcinate: dimensiunea de 1 – 3 mm
Fig.4 Instalația de laborator pentru prelucrarea tulpinilor de floarea soarelui
4.2.3. Puzderii de cânepă
Planta de cânepă este alcătuită din patru părți : semințe, frunze, fibre și partea lemnoasă a tulpinii. Partea din plantă utilizată în compoziția materialelor de construcții este partea lemnoasă mărunțită – care arată ca un rumeguș și este numită puzderie. Interesul utilizării în construcții a resturilor lignocelulozice rezultate din procesarea cânepei, a atins în ultimii ani un nivel ridicat, prin implicarea în procesul de cercetare și dezvoltare a materialelor pe bază de puzderii de cânepă, a companiilor internaționale de renume, universități și institute de cercetare.
Puzderiile de cânepă sunt așchii lemnoase, plate și elongate ce rezultă din zdrobirea tulpinii plantei de cânepă în procesul de extracție a fibrelor. Ele reprezintă aproximativ 65% din tulpina uscată a plantei .
Dintr-un simplu calcul matematic rezultă faptul că dintr-un hectar de cânepă cu productivitate medie de 8 tone, rămân 5,2 tone de puzderii ce pot fi utilizate în domeniul obținerii materialelor de construcție. Importanța acestei resurse este relevată prin culturile pe suprafețe întinse. România a reprezentat un important cultivator de cânepă cu 35.500ha în 1980, 46.600ha în 1985, intrând în declin cu culturi de 16.600ha în anul 1990. La ora actuală, în Anglia, există un interes crescut pentru realizarea de tencuieli, pardoseli, blocuri si pereți turnați în structuri de lemn sau metal, cu materiale compozite realizate din puzderii de cânepă înglobate în matrice ceramică, special concepută pe bază de var. Un astfel de material compozit este Tradical® Hemcrete®, produs al companiei Lime Technology, material cu densitate mică ce se aplică prin pulverizare sau turnare în structura de lemn. Biocompozitul prezintă (conform datelor furnizate de companie) rezistență la foc și dăunători, izolare termică și fonică ridicată, etanșarea construcției și permeabilitate bună a vaporilor și este folosit atât pentru construcția de pereți noi cât și în restaurarea clădirilor istorice sau locuințelor.
Fig. 5 Puzderie de canepa
Cânepa poate absorbi până la 20% din greutatea sa în umiditate, fără nici o deteriorare a performanței termice, spre deosebire de izolațiile din fibre sintetice. Izolația din cânepă are capacitatea de a regla umiditatea din încăpere. Pentru a nu influența negativ această trăsătură, trebuie folosite folii și bariere de vapori care permit transferul umidității. Izolațiile din fibre de cânepă au o conductivitate termică scăzută, cu o valoare de 0,040 W/mK.
Puzderiile de cânepă utilizate în cadrul programului experimental au fost obținute sub formă de praf care a fost sitat manual cu ajutorul unei site cu ochiuri de 0,25 mm2 . În urma procesului de sitare s-a separat o fracțiune cu dimenisuni de 0,1 – 0,2 mm și o fracțiune cu dimensiuni de 0,5 – 1mm. Au fost utilizate ambele fracțiuni la obținerea materialelor compozite.
4.2.4. Amidon
Pentru conferirea rezistenței structurii miez termo-izolante se pot folosi adezivi naturali sau sintetici, la alegerea acestora fiind luate în considerare criterii de rezistență a structurii, precum și economice. Amidonul este unul dintre biopolimerii naturali utilizați cel mai mult pentru obținerea materialelor ecologice ca substituient al compoușilor greu biodegradabili obținuți prin procese de sinteză și din combustibili fosili.
Amidonul oferă condițiile cele mai bune privind condițiile de fabricare a cleiului, diponibilitate, prețul de cost și rezistența structurilor obținute. Utilizarea cleiului de amidon prezintă următoarele avantaje:
– rezistența structurilor este suficient de ridicată;
– este ușor de preparat și nu este toxic;
– poate fi îndepărtat cu ușurință de pe echipamente;
– cleiul de amidon permite destrămarea ușoară în ciclul de reutilizare a materialului izolant;
– costul cleiului de amidon este redus.
Cleiul de amidon prezintă și o serie de dezavantaje:
– necesită controlul riguros al temperaturii în zona de lipire, respectiv atingerea punctului de gelifiere, în caz contrar rezistența lipiturilor va fi scăzută;
– excesul de apă introdus cu cleiul în cantitate relativ mare din cauza conținutului redus de substanță solidă, determină echiparea liniei tehnologice de fabricație cu o parte uscătoare relativ dezvoltată;
– amidonul este mediu nutritiv pentru microorganisme, a căror activitate determină scăderea rezistenței lipiturilor în timp.
Datorită avantajelor legate de prepararea și utilizarea sa și în ciuda dezavantajelor menționate, cleiul de amidon este un adeziv cu potențial ridicat pentru fabricarea umpluturilor de tip miez pentru obținerea structurilor cu proprietăți termoizolante. Alte tipuri de cleiuri, în special cele sintetice, nu par foarte atractive din cauza prețului ridicat, problemelor care apar la utilizare și compatibilității cu mediul înconjurător.
Pentru a fi folosit ca adeziv amidonul trebuie solubilizat și de o deosebită importanță pentru capacitatea adezivă este fenomenul de gelifiere care se instalează în momentul în care, ca efect al creșterii temperaturii, sistemul apă-amidon își mărește brusc viscozitatea și devine transparent. Mai mult, la temperaturi ridicate (90°C – 180°C) și sub influența unor forțe de forfecare mari, amidonul se topește și curge, permițând utilizarea sa în procese de extrudere, injecție sau turnare în matrițe similar cu polimerii termoplastici sintetici.
Fig.6 Structuri compozite cu amidon
4.3. Tehnologia de realizare a panourilor termoizolante
Pentru obținerea materialelor compozite a fost realizata o matrita din metal cu urmatoarele dimensiuni: 300 mm x 300 mm x 100 mm.
Fig. 7 Matrița pentru obținerea materialelor compozite
Procesul tehnologic de obținere a materialelor compozite în cele patru variante compoziționale, cuprind următoarele etape:
– prelucrarea materiilor prime
– prelucrarea și cântărirea fibrei vegetale
– preparare soluții de matrici polimerice (prepararea cleiului de amidon )
– amestecarea tuturor componentilor.
Fig.8 Schema de obținere a variantelor experimentale de material compozit.
Realizarea amestecului de materiale si obținerea de panoul termoizolant din materiale naturale si regenerabile.
Fig. 9 Adăugarea tulpinilor măcinate.
Fig. 10 Adăugarea perlitului expandat
Fig. 11 Omogenizarea acestor 2 materiale.
Fig. 12 Formarea amidonului.
Fig. 13 Omogenizarea amidonului.
Fig. 14 Omogenizarea acestor materiale și adăugarea de apă necesară.
Fig. 15 Așezarea materialului în matriță
Fig. 16 Presarea materialului în forma stabilită
Fig. 17 Dupa presare
Uscarea probelor de materiale compozite s-a realizat la temperatura mediului.
Evaluarea caracteristicilor de calitate specifice. În această etapă, pentru toate mostrele de materiale compozite obținute s-a pus accentul pe evaluarea densității aparente și a conductivității termice, având în vedere că aceste materiale sunt destinate pentru obținerea miezului structurii tip sandwich a panoului compozit.
4.4. Rezultate obținute la panourile studiate
Probele de materiale compozite au fost evaluate din punct de vedere al caracteristicilor specifice materialelor cu proprietăți termoizolante, respectiv conductivitate termică, rezistența termică și densitate aparentă (tabelul 3).
Tabelul 3 Caracteristicile calitative ale mostrelor de materiale compozite matrice perlit
Analizând rezultatele obținute pentru mostrele de materiale compozite din seria 2 cu matrice perlit, prezentate în tabelul 3, se poate observa că în general, toate probele au coeficienți de conductivitate termică cu valori cuprinse între 0,05 și 0,11 [W/mK], apropiate de cele ale materialelor utilizate în prezent la izolarea termică a clădirilor (figura 18).
Fig.18 Comparație între conductivitatea termică a materialelor compozite obținute și a materialelor sintetice utilizate în prezent la izolarea termică a clădirilor
Se observă, de asemenea că adaosul de fibre vegetale la matricea de perlit expandat duce la reducerea coeficientului de conductivitate termică.
Evaluarea conductivității termice
Conductivitatea termică a probelor de material compozit s-a determinat în laborator cu echipamentul tip HLC A 90 – aparat cu o singurăprobă, cu configurație simetrică, cf. metoda de încercare utilizată este conform standardului SR EN 12667:2002 “Performanța termică a materialelor și produselor de construcție”.
Fig. 19 Echipament pentru determinarea rezistenței termice și conductivității termice
Capacitatea de izolare termică a materialelor compozite ce conțin fibre naturale nu este dependentă semnificativ de natura și tipul fibrelor, ci de cantitatea de aer staționar intra- și interfibrilar. Conductivitatea termică depinde de densitatea aparentă și implicit de volumul de goluri (pori), dar în mod esențial depinde de:
-distribuția uniformă a porilor în întreg volumul
-de dimensiunea porilor
-de faptul ca porii să nu comunice unul cu altu, respectiv întreaga suprafață laterală a fiecărui por să fie mărginită de matricea solidă a materialului.
Pentru produsele termoizolante sub formă de fibre, valoarea cea mai bună a conductivității termice se obține în cazul unei anumite valori a densității aparente, respectiv pentru cazul în care spațiul de aer dintre fibre are grosimea optimă. Aceste aspecte sunt confirmate de altfel de rezultatele obținute pentru această serie de materiale compozite, unde se poate observa că nu există o proporționalitate între densitatea aparentă și coeficientul de conductivitate termică.
Chiar dacă valorile coeficientului de conductivitate termică pentru compozitele obținute în această serie de experimente (λ=0,05 ÷ 0,11W/mK), sunt mai mari decât cele ale polistirenului expandat (λ=0.036÷0.046W/mK) trebuie menționat că din punctul de vedere al toxicității acestuia din urmă, este de preferat a se utiliza la izolarea termică a clădirilor civile si industriale cu materiale compozite cu inserții din materiale ecologice. În plus, fabricarea acestor materiale compozite implică valorificarea resurselor naturale de materii prime minerale (depozite de roci perlitice etc.) și a deșeurilor agricole (resturi de cereale, tulpini, floarea soarelui etc..).
4.5. Fețele panourilor termoizolante
În urma analizei studiilor documentare și a rezultatelor obținute în prima etapă a proiectului s-a stabilit ca materialele biocompozite ce vor fi obținute în cadrul programelor experimentale, să fie realizate sub formă de panouri modulare în alcătuire multistrat (structura tip sandwich) cu configurație ordonată, dimensiunile panoului fiind modulate atât în functie de dimensiunile uzuale ale clădirilor (deschidere, travee, înălțime nivel) cât și de posibilitățile de manipulare, ridicare și transport, avându-se în vedere utilizarea cu precădere a unor sisteme de mașini de capacitate mică, pentru a satisface cerințele ecologice și pe parcusrul proceselor de montare a lor.
Fiecare strat din alcătuirea panoului trebuie să aibă caracteristici specifice, în conformitate cu funcțiunea preconizată: protectie mecanică, termică, fonică, protecție ignifugă, protecție împotriva agenților climatici, etc.
Astfel, structura materialului compozit (dimensiuni 30 x 30 x 10 cm) va fi sub formă de panou tip sandwich, care presupune un ansamblu de trei tipuri de elemente cu proprietăti specifice, după cum urmează :
– Suprafața exterioară și suprafata interioară (fețele panoului compozit) – un amestec bazat pe fibre lignocelulozice în matrice de polimeri naturali și sintetici; acest amestec poate fi obtinut în două moduri: fie prin includerea directă a fibrelor lignocelulozice în matricea bioliant sau prin obținerea într-o primă etapă a unei foi rezistente de hârtie din fibre vegetale lignocelulozice și apoi impregnarea acesteia cu amestec de lianți naturali și sintetici și aditivi cu protecție antimicrobiană și ignifugă.
– Miezul compozit – amestec de fibre vegetale lignocelulozice provenite din deșeuri agricole, deșeuri de la prelucrarea lemnului, hârtii și cartoane reciclate, puzderii de la prelucrarea plantelor tehnice, nămol de la epurarea apelor; în matrici minerale și polimerice; structura miez trebuie să prezinte cu precădere proprietăți bune de izolare termică și rezistență mecanică la manipulare și exploatare.
– Sistemul de asamblare – a acestor două elemente astfel încât să se obțină un panou cu structură compactă ușor de manipulat și de montat pe pereții clădirilor; asamblarea celor două componente se va face în timpul procesului de obținere și finisare a structurii miez prin sisteme tip adeziv (introducerea în compoziția miezului a unor rășini cu capacitate de încleiere ridicată la temperatura mediului ambiant).
Fig. 20 Structura generală de materiale biocompozite.
În acest scop, în activitățile următoare din cadrul acestei etape, se vor stabili materiile prime si auxiliare, metodele și modul lor de prelucrare, precum și proportia optimă de utilizare astfel încât să fie îndeplinite cerințele tehnice și funcționale impuse materialului compozit în ansamblu. Se vor analiza metodele de obținere/prelucrare a fibrelor lignocelulozice (din deșeuri de lemn, plante anuale, deșeuri lignocelulozice), a matricelor minerale și de polimeri, prin tratamente mecanice și dacă este cazul prin metode chimice sau combinate, astfel încât acestea să asigure stabilitatea fizică și structurală a materialului compozit.
Formarea foilor de laborator
Formarea și uscarea foilor de hârtie s-au realizat în conformitate cu prevederile STAS 6095/3:1990, pe aparatul Rapid Kothen, după următoarea compoziție și codificare (tabelul 4):
Tabelul 4 Compoziția fibroasă a foilor de material compozit obținute în laborator.
Foile compozite obținute au fost caracterizate din punct de vedere al proprietăților de rezistență mecanică, dar și din punct de vedere al proprietăților specifice materialelor compozite utilizate la izolarea termică a clădirilor (conductivitate termică, absorbția apei, permeabilitatea la vapori). Rezultatele obținute sunt prezentate în tabelul 5.
Tabelul 5 Caracteristicile de calitate a foilor de material compozit obținute în laborator.
În vederea obținerii unor caracteristici de calitate specifice (adeziunea la miezul panoului compozit, proprietăți de rezistență la umiditate ridicată, etc.) materialele compozite sub formă de foi, astfel obținute și caracterizate au fost tratate la suprafață cu ajutorul dispozitivului de laborator bară Mayer, cu rășini ureoformaldehică de tip Kronocol SU66 (soluție 50%). (Figura 20)
Fig. 21 Etapele procesului de tratare la suprafață a foilor de materiale compozite
După uscare, foile de materiale compozite au fost condiționate în atmosferă cu temperatură și umiditate constante ( 23°C și 50% umiditate relativă) și apoi au fost supuse, în aceleași condiții la încercările considerate reprezentative pentru utilizarea ulterioară a acestora: proprietăți de rezistență mecanică, absorbția apei, densitate aparentă. Rezultatele obținute sunt prezentate în tabelul 6.
Tabelul 6 Caracteristicile de calitate ale foilor de material compozit după tratamentul la suprafață cu rășină ureoformaldehidică Kronocol SU 66
Analizând rezultatele prezentate în tabelul anterior se poate observa că absorbția apei s-a îmbunătățit semnificativ pentru probele tratate la suprafață comparativ cu hârtia suport, cu atât mai mult cu cât în compoziția hârtiei suport au fost adăugați aditivi de încleiere.
Aceste probe au devenit în urma tratamentului la suprafață aproape impermeabile (absorbția apei 0,7 g/m2). Mai mult decât atât, după menținerea mostrelor de hârtie tratate la suprafață 1 h la temperatura de 60°C, acestea nu au înregistrat o scădere a rezistenței, observându-se chiar o oarecare îmbunătățire a acestui parametru. Îmbunătățirea caracteristicilor de rezistență poate fi pusă pe seama maturării probelor de hârtie tratate la temperaturi de peste 50°C. Aceste rezultate sunt promițătoare pentru rezistența foilor de material compozit la condițiile de mediu (umiditate și temperaturi extreme).
Pe baza rezultatelor obținute, mostrele de foi compozite tratate la suprafață au fost aplicate pe structura miez a materialului compozit, realizată în etapa anterioară a proiectului. Aplicarea s-a efectuat în stare umedă, imediat după aplicarea și uniformizarea stratului de acoperire pe suprafața foii de material compozit.
Structura sandwich astfel obținută (figura 21) a fost testată din punct de vedere al proprietăților de izolare termică și al permeabilității la apă. (tabelul 7)
Fig. 22 Structuri sandwich panou compozit.
Analizând rezultatele prezentate în tabelul 4 se observă că structura sandwich formată prezintă proprietăți foarte bune de rezistență la umiditate, pătrunderea apei în panoul compozit după 48 ore și în condiții de presiune de 2 atm., fiind zero.
Cu privire la proprietățile de izolare termică, mostrele obținute au înregistrat valori ale coeficientului de conductivitate termică între 0,0734 W/(mK) și 0,1353 W/(mK), comparabile cu ale materialelor care se utilizează în prezent la izolarea termică a clădirilor.
Tabelul 7 Caracteristicile de calitate ale panourilor compozite tip structură sandwich.
4.6. Aplicații pe diverse tipuri de pereți
Pentru aceste aplicații vom folosii panoul cu cea mai bună conductivitate termică dintre cele 4 panouri studiate, acesta fiind R3 având o conductivitate termică de 0,057 W/mK.
4.6.1. Aplicație pe un perete din cărămidă placat cu panoul R3.
Pentru calculul termotehnic vom folosii urmatoarele dimensiuni și materiale:
1. Tencuială interioară , 5 mm
2. Zid din cărămidă , 300 mm
3. Tencuială exterioara , 5 mm
4. Termoizolație (Panoul R3), 50 mm
În calcul vom folosii temperatura medie din Brăila (iarna), iar cum Brăila se află în zona 2, vom folosii -150 C pentru temperatura exterioară (te) și temperatura interioara (ti) de 200 C.
Vom calcula rezistența termică a fiecarui material în parte cu ajutorul formulei:
Rt=
Rezistența termică pentru tencuiala interioară:
Rt = = 0,0057
Rezistența termică pentru zidul de cărămidă:
Rt = = 0,468
Rezistența termică pentru tencuiala exterioară:
Rt=
Rezistența termică pentru termoizolație (panoul R3)
Rt=
Rt total = 0,125 + 0,0057 + 0,468 + 0,0051 + 0,877 + 0,042= 1,522
Temperatura pe fata interioara a elementului de constructie se calculeaza cu formula:
Tsi = Ti – · Rsi [șC]
Temperatura pe fata exterioara a elementului de constructie se calculeaza cu formula:
Tse = Ti – · ( Rsi + ) [șC]
Temperatura intr-un plan „j” din interiorul elementului de constructie se calculeaza cu formula:
Tk = Ti – · ( Rsi + ) [șC]
1. 2. . 3. 4.
Fig. 23 Perete din cărămida placat cu R3
T1 = 20 – 17,12 0 C
T2 = 20 – 16, 99 0 C
T3 = 20 – 6,23 0 C
T4 = 20 – 6,11 0 C
T5 = 20 – -14,05 0 C
T6 = 20 – -15 0 C
Fig. 24 Transferul de caldură al peretelui din cărămidă
Tabel 8 Rezultate obținute pe peretele din cărămidă
4.6.2. Aplicație pe un perete din beton placat cu panoul R3.
Pentru acest calcul vom folosii aceleași detalii ca în primul caz doar că în loc de zidul din cărămidă vom folosii un zid din beton.
Pentru calculul termotehnic vom folosii urmatoarele dimensiuni și materiale:
1. Tencuială interioară , 5 mm
2. Zid din beton , 300 mm
3. Tencuială exterioară , 5 mm
4. Termoizolație (Panoul R3), 50 mm
În calcul vom folosii temperatura medie din Brăila (iarna), iar cum Brăila se află în zona 2, vom folosii -150 C pentru temperatura exterioară (te) și temperatura interioară (ti) de 200 C.
Vom calcula rezistența termică a fiecărui material în parte cu ajutorul formulei:
Rt=
Rezistența termică pentru tencuiala interioară:
Rt = = 0,0057
Rezistența termică pentru zidul de beton:
Rt = = 0,172
Rezistența termică pentru tencuiala exterioară:
Rt=
Rezistența termică pentru termoizolație (panoul R3)
Rt=
Rt total = 0,125 + 0,0057 + 0,172 + 0,0051 + 0,877 + 0,042= 1,226
1. 2. 3. 4.
Fig. 25 Perete din beton placat cu R3
T1 = 20 – 16,43 0 C
T2 = 20 – 16,26 0 C
T3 = 20 – 11,35 0 C
Tk 4 = 20 – 11,21 0 C
Tk 5 = 20 – -13,82 0 C
Tk 6 = 20 – -15 0 C
Fig. 26 Transferul de caldură al peretelui din beton.
Tabel 9 Rezultate obținute pe peretele din beton
4.6.3. Aplicație pe un perete din BCA (beton celular autoclavizat) placat cu panoul R3.
Pentru acest calcul vom folosii aceleași detalii ca în cele două cazuri de mai sus doar ca în loc de zidul din caramidă și cel din beton vom folosii un zid din BCA.
Pentru calculul termotehnic vom folosii urmatoarele dimensiuni și materiale:
1. Tencuială interioară , 5 mm
2. Zid din BCA , 300 mm
3. Tencuială exterioară , 5 mm
4. Termoizolație (Panoul R3), 50 mm
În calcul vom folosii temperatura medie din Brăila (iarna), iar cum Brăila se află în zona 2, vom folosii -150 C pentru temperatura exterioară (te) și temperatura interioară (ti) de 200 C.
Vom calcula rezistența termică a fiecărui material în parte cu ajutorul formulei:
Rt=
Rezistenț termică pentru tencuiala interioară:
Rt = = 0,0057
Rezistența termică pentru zidul de beton:
Rt = = 1,071
Rezistența termică pentru tencuiala exterioară:
Rt=
Rezistența termică pentru termoizolație (panoul R3)
Rt=
Rt total = 0,125 + 0,0057 + 1,071 + 0,0051 + 0,877 + 0,042= 2,125
1. 2. 3. 4.
Fig. 27 Perete din BCA placat cu R3
T1 = 20 – 17,94 0 C
T2 = 20 – 17,84 0 C
T3 = 20 – 0,20 0 C
T4 = 20 – 0,12 0 C
T5 = 20 – -14,32 0 C
T6 = 20 – -15 0 C
Fig. 28 Transferul de caldură al peretelui din BCA.
Tabel 10 Rezultate obținute pe peretele din BCA.
4.7. Modul de prindere al panourilor compozite pe perete
Aplicarea experimentală s-a realizat pe suportul unui element de construcție vertical (perete din zidărie de cărămida tencuit). Suprafața suport a peretelui nu a prezentat defecte de planeitate. De asemenea, tencuiala este aderentă (la lovire ușoară cu un ciocan de lemn, sunetul a fost clar).
Întrucât masa plăcilor cu dimensiunile în plan de 300 mm x 300 mm și grosime mică, este redusă, dimensiunea pieselor de fixare mecanică s-a ales constructiv, pornindu-se de la diametrul minim de 6 mm, tija diblului de prindere putând fi realizată atât din oțel zincat, din aluminiu sau din mase plastice.
Procedeul de fixare mecanică a presupus realizarea următoarelor operații:
– pozarea, de probă, a plăcilor pe suprafața peretelui;
– așezarea plăcilor compozite pe suprafața peretelui, la poziția de montaj, concomitent cu presarea lor manuală;
– forarea primei găuri, la colțul de sus al plăcii, cu mașina de găurit cu burghiu vidia, atât prin placa compozită așezată pe suport cât și în stratul de rezistență al peretelui, până când s-a realizat adâncimea de încastrare a diblului în stratul de rezistență al peretelui (gaura s-a forat în dreptul colțului de sus al plăcii compozite, la o distanță interax, măsurată pe diagonala plăcii, între colțul plăcii și axa găurii, de 50 mm);
– extragerea burghiului din gaura forată la colțul de sus al plăcii;
– forarea celei de a doua găuri, la colțul de jos al plăcii, (amplasat pe linia diagonală cu axul primei găuri), cu mașina de găurit cu burghiu vidia, atât prin placa compozită așezată pe suport cât și în stratul de rezistență al peretelui, până când s-a realizat adâncimea de încastrare a diblului în stratul de rezistență al peretelui (gaura s-a forat în dreptul colțului de jos a plăcii compozite, la o distanță interax, măsurată pe diagonala plăcii, între colțul plăcii și axa găurii, de 50 mm);
– s-a introdus diblul prin gaura forată în placă și în perete, după care s-a fixat diblu;
– verificarea fixării plăcii, inclusiv a integrității acesteia în urma fixării.
Fig. 29 Probe fixate in situ – pe exteriorul unei clădiri.
Fig. 30 Probe fixate in situ – pe exteriorul unei clădiri, după 14 zile.
Plăcile fixate în perete au fost urmărite timp de 14 zile interval în care temperatura a variat între -8C și +10C. În acest interval de timp s-a constatat că plăcile nu au suferit modificări fiind supuse la vânt, ploaie și îngheț.
CAPITOLUL V. Concluzie
În urma rezultatelor pe cele trei tipuri de pereți am constatat că acest tip de panou termoizolant este eficient in toate cele 3 cazuri studiate și am ajuns la urmatoarele concluzii:
1. Plăcile compozite cu dimensiunile în plan de 300 mm x 300 mm și grosimea de 21mm, nu au prezentat abateri dimensionale peste toleranțele avute în vedere la conceperea și realizarea lor și au avut rigiditatea corespunzătoare pentru conservarea performanțelor fizico-mecanice în timpul operațiilor de depozitare, transport, manipulare și punere în operă;
2. Plăcile compozite se pot utiliza pentru placarea suprafețelor plane ale elementelor de construcție;
3. În cazul elementelor care au fost proiectate cu suprafețe poligonale sau circulare precum și pe elemente la care din diverse motive, suprafața are cavități sau abateri de la planeitate, plăcile compozite se pot utiliza numai în cazul în care urmează să fie fixate de un schelet suplimentar de fixare (ca de exemplu din montanți sau rigle, din lemn, profiluri metalice cu pereți subțiri sau mase plastice), încastrat în stratul de rezistență al elementului de construcție.
Pe lângă aceste concluzii am observat unele variații ale densității materialului in funcție de adaosul de fibre vegetale dar si o influență asupra conductivității termice a materialului dupa cum se poate observa in graficele de mai jos.
Fig. 31 Variația densității probelor de material compozit în funcție de adaosul de fibre vegetale
Fig. 32 Influența adaosului de fibre vegetale asupra conductivității termice a materialelor compozite
BIBLIOGRAFIE
[1]***http://www.iuses.eu/materiali/ro/MANUAL_PENTRU_ELEVI/Eficienta_energetica_in_cladiri.ppd
[2]***http://byconstruct.ro/?p=335
3.***https://ro.scribd.com/doc/215234989/Referat-despre-termoizolatie-la-Tehologia-Costructiilor-1-docx
4. ***http://www.spatiulconstruit.ro/ghid-de-constructii/materiale-termoizolante-object_id=23
5. Susanne Rexroth, Friedrich May, Ulrich Zink – Izolarea termică a clădirilor – soluții contemporane și adaptabile – Editura MATRIX ROM, București – 2016
6. S. Ionescu – Note de curs
7. Josef SPRITZENDORFER – Construcții sustenabile cu materiale “sanatoase” pentru locuire – Editura MATRIX ROM, București – 2012
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: STADIUL ACTUAL PRIVIND EFICIENȚA ENERGETICĂ …4 [308553] (ID: 308553)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.