Текст книги "Технология кровельных и гидроизоляционных материалов"

4.3 Формование

Формование является одной из наиболее важных технологических операций, позволяющей получить изделия определенной формы и размеров. В технологии гидроизоляционных материалов наиболее распространенной операцией формования является каландрирование. Схема производства пленочных ГИМ, на которой наряду с каландрированием показаны и другие технологические операции, представлена на рисунке 20.

1 – емкости гранулированных полимеров; 2 – склад каучукообразных материалов; 3 – ёмкости битума и антисептика; 4 – насосы; 5 – трёхходовые краны; 6 – дозаторы битума и антисептика; 7 – нож для резки каучука; 8 – дозаторы гранулированных полимеров; 9 – весы для каучукообразных полимеров; 10 – вальцы для пластикации каучука; 11 – смеситель; 12 – вальцы; 13 – шприц-машина со щелевой головкой; 14 – каландр; 15 – охлаждающий транспортер; 16 – посыпное устройство; 17 – намоточный станок

Рисунок 20 – Технологическая схема производства (смешение, формование и уплотнение) пленочных материалов

Каландр представляет собой механизм, применяемый для формования пленочного материала из предварительно перемешанной смеси. Основным элементом конструкции является станина, на которой монтируется от двух до пяти валков диаметром до 600 мм и длиной до 2 м. Схема расположения валков представлена на рисунке 21.

а – двухвалковые с вертикальным (1) и горизонтальным (2) расположением валков; б – трехвалковые с вертикальным (1), Г-образным (2) и треугольным (3) расположением валков; в – четырехвалковые с вертикальным (1), Г-образным (2) и Z-образным расположением валков

Рисунок 21 – Расположение валков в каландрах

Валки полые и имеют по окружности отверстия для подачи в них теплоносителя с целью регулирования температуры поверхности валков. Валки могут вращаться с одинаковой либо различной скоростью как за счет фрикционного контакта, так и от своего вала редуктора. Относительно друг друга валки располагаются по вертикали, по горизонтали, Г-образно, L-образно, по треугольной схеме. Каждый валок, как правило, имеет свою температуру поверхности.

На каландры смесь подается после предварительной обработки в смесителях (роторном), вальцевания, а иногда и после пропускания через шприц-машину, из которой масса выходит в виде пластин толщиной от 5 до 8 мм с необходимой температурой.

Каландрируют резиновые и полимерные смеси. Скорость каландрирования до 30 м/мин. Температура первых двух каландрирующих валков находится в пределах от 50 °C до 90 °С. При работе каландра на заданном режиме толщина пленки определяется и регулируется автоматическими приборами. В процессе каландрирования с формированием пленки осуществляется вытягивание, перемешивание, прессование и истечение. На рисунке 22 показаны схемы взаимодействия валков и каландриуемой массы.

1 – подача массы с лотка с большим запасом; 2 – подача массы с лотка с нормальным запасом; 3 – подача массы со шприц-машины (наилучший вариант); 4 – подача массы без лотка с большим запасом; 5 – подача массы без лотка с нормальным запасом; 6 – нормальный процесс каландрования

Рисунок 22 – Схема взаимодействия валков каландра и каландрируемой массы

Кромки образующегося полотна обрезаются с обеих сторон на ширину от 50 до 70 мм, что устраняет сбег ленты со средней линии, исключает усадку полотна, имеющую место по краям пленки. Для исключения слипания пленки в рулонах её перед намоткой посыпают тальком. Намотка осуществляется на бумажные втулки или деревянные скалки. Схема намоточного станка представлена на рисунке 23.

1 – стойки; 2 – корпуса подшипников; 3 – запорное устройство; 4 – ось ведущего привода; 5 – диск фракционный стационарный; 6 – шкив тиксотропный ведомый; 7 – штурвал регулировки силы прижатия ведомого шкива к фрикционному диску; 8 – шкив тиксотропного привода (ведущий); 9 – редуктор червячный; 10 – квадрат скалки

Рисунок 23 – Схема намоточного станка

К формованию и уплотнению относят ещё две технологические операции – экструзия и прессование.

Экструзия – это операция непрерывного выдавливания размягченного материала через отверстие определенного сечения – мундштук. Осуществляется в экструдере – шнековом (червячном) либо с помощью шприц-машины, представленной на рисунке 24.

Прессование осуществляют с помощью обогреваемых прессов при изготовлении листовых материалов и плит. В технологии гидроизоляционных материалов таким образом перерабатывают термореактивные полимеры. Обогрев прессов осуществляется паром или водой. Усилие прессования – от 100 до 500 кН.

1 – редуктор с электродвигателем; 2 – загрузочный люк; 3 – шнек; 4 – корпус; 5 – щелевая головка; 6 – позонный обогрев корпуса

Рисунок 24 – Шприц-машина со щелевой головкой

Вспенивание – способ изготовления пористых герметизирующих прокладок и жгутов обработкой жидких или вязкотекучих полимеров с помощью газов. Последние выделяются при протекании реакций между компонентами или при разложении порофоров, выделяющих газ при нагревании до температуры текучести полимера. Порофоры – (NH₄)₂CO₃ и NaHCO₃, для которых характерны обратимые термические разложения и органические соединения – необратимые разложения.

Напыление – нанесение вещества в дисперсном состоянии на поверхность изделий или полуфабрикатов для получения тонких пленок, предохраняющих изделие от коррозии или физического износа. Используют порошкообразные полимеры, которые наносят на подогретую поверхность защищаемой конструкции. Последующее самослипание напыленных частиц создает покрытие в виде сплошной пленки. Для напыления используют газопламенный, вихревой и псевдоожиженный способы.

Пропитка и допропитка кровельного картона горячим битумом и битумнополимерной массой – одна из важнейших операций в технологии гидроизоляционных материалов. Процесс проводится в пропиточных ваннах при температуре 180-200°С. При погружении картона в расплавленный битум наблюдается испарение влаги с поверхности волокон. Часть пара, устремляясь во внутренние слои картона, подсушивает его и частично защемляется там битумом. Благодаря этому до 30 % пор остается незаполненными битумом. Для большей полноты пропитки необходимо охладить полотно картона от 180 °С до 140 °C (воздухом либо более холодным битумом); при этом перегретый пар сорбируется волокнами картона, что способствует допропитке картона битумом.

5 Сырье и полуфабрикаты для производства ГИМ

Используются органическое сырье: битумы, дегти, полимеры, растворители, пластификаторы и др.; неорганические – порошкообразные и волокнистые наполнители, посыпочные вещества: песок, отходы слюды, мелкозернистый щебень и т.п.

5.1 Органические вяжущие вещества

К органическим вяжущим относят вещества на основе высокомолекулярных углеводородов. Основными из них являются битумы, дёгти, полимеры.

Битумы и дёгти являются вяжущими коагуляционного твердения. Они представляют собой продукты химической переработки нефти, углей, горючих сланцев, древесины.

Битумы – органические вяжущие чёрного или тёмно-бурого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, т.е. соединений с серой, азотом и кислородом. При комнатной температуре битумы могут быть жидкими, вязкими и жидко-вязкими, при нагревании переходят в легкоподвижные жидкости, при охлаждении вновь застывают. Плотность – около 1 г/см³. Хорошо растворяются в органических растворителях. По происхождению битумы бывают природные и искусственные – нефтяные.

Химический состав битумов, %: С – от 70-80; Н – от 10 до 15; О – от 5 до 10; S – от 1 до 5; N – до 1. S , N , O – входят в состав активных функциональных групп.

В состав битумов входят углеводороды метанового (C_NH_2N+2), нафтенового (C_NH_2N) и ароматического (C_NH_2N-6) рядов. В состав основной части молекул битума входит от 25 до 150 атомов углерода. Молекулярная масса составляет от 400 до 5000 кислородных единиц.

Ароматические углеводороды более устойчивы к атмосферным воздействиям. Метановые (парафины) имеют прямую цепь; при охлаждении способны выкристаллизовываться, ухудшая свойства битумов.

Нафтеновые углеводороды при окислении частично переходят в смолы.

Свойства битумов определяются их групповым составом, который устанавливают по различию растворимости битумов в органических растворителях и адсорбируемости на различных адсорбентах.

Групповой состав битумов представлен маслами, смолами, асфальтенами, карбенами, карбоидами, асфальтогеновыми кислотами, парафинами.

Указанные компоненты группового состава различаются между собой химическим составом, длиной и типом молекулы, свойствами, содержанием в битуме.

Масла – растворяются в бензине или эфире. Молекулярная масса – от 300 до 600; содержание в битуме – от 30 % до 60 %.

Смолы – молекулы циклические или гетероциклические, молекулярная масса – от 600 до 1000; высокое содержание S, O, N обусловливает их повышенную поверхностную активность (адгезию); содержание в битумах – от 20 % до 40 %.

Асфальтены – твердые неплавкие вещества плотностью более 1 г/см³, молекулярная масса изменяется от 1200 до 6000; в бензине нерастворимы; растворимы в хлороформе и горячем бензоле; содержание в битуме – от 10 % до 40 %; повышают температуростойкость, вязкость и твёрдость битумов; под действием ультрафиолета переходят в карбены.

Карбены и карбоиды – содержатся в крекинг-битумах в количестве от 1 % до 3 %. По свойствам карбены близки асфальтенам, но содержат больше углерода и имеют большую плотность; растворимы только в сероуглероде CS₂. Карбоиды не растворимы в известных растворителях.

Асфальтогеновые кислоты растворяются в этиловом спирте, полярны, относятся к ПАВ. Содержание в битумах достигает 3 %. Обеспечивают высокую адгезию битумов к каменным материалам.

Парафины – твердые метановые углеводороды. Ухудшают свойства битумов (повышают хрупкость). В битумах содержатся в количестве от 6 % до 8 %.

По внутреннему строению битумы – коллоидная система, дисперсной средой в которой является раствор смол в маслах, а дисперсной фазой – асфальтены, карбены и карбоиды с размером частиц от 18 до 20 мкм.

Природные битумы образовались из нефти под воздействием биологических и климатических факторов, в результате чего из нефти частично испарялись лёгкие соединения, происходили процессы окисления и полимеризации.

Содержатся в пористых горных породах либо скапливаются на поверхности земной коры в виде озёр. Содержание битума в породах составляет от 5 % до 20 %.

Нефтяные битумы получают при переработке нефти следующими способами:

1) атмосферно-вакуумной перегонкой получают остаточные битумы – гудроны;

2) окислением нефтяных остатков (гудронов) кислородом воздуха – окисленные битумы;

3) окислением (путём продувки воздухом) крекинг-остатков, образующихся при переработке мазута способом крекинга (при высоких температурах и давлениях) – крекинговые битумы.

Наиболее распространены окисленные битумы. Характер процесса окисления определяется исходной температурой размягчения гудрона (от 18 °С до 22 °C по КиШ – прибору «кольцо и шар»), расходом воздуха, продолжительностью и температурой окисления (от 250 °С до 280 °C).

Окисление может осуществляться в аппаратах периодического либо непрерывного действия. Агрегатами периодического действия являются аппараты полуколонного типа, при объединении их в группу из трёх аппаратов они могут работать по непрерывной схеме.

Схема работы аппарата полуколонного типа представлена на рисунке 25, а конструктивные особенности подобных аппаратов на рисунке 26. Технологическая схема окисления битума в этих установках изображена на рисунке 27.

Рисунок 25 – Полуколонный аппарат

1– корпус; 2 – штуцер для отвода газа; 3 – стояк; 4 – часть стенки корпуса; 5 – маточник

Рисунок 26 – Схема маточников (барботеров) в горизонтальном (а) и вертикальном (б) конвертерах

Аппарат полуколонного типа представляет собой вертикально расположенный цилиндрический сосуд диаметром 2,5 м и высотой 15 м. Рабочая вместимость 50 м³. По центру расположена труба для подачи воздуха, которая до дна не доходит на расстояние от 0,5 до 0,6 м и заканчивается крестообразным барботёром. Последний имеет отверстия, расположенные под углом 30° к осям труб. Через отверстия подаётся воздух под давлением 0,2 МПа, под действием струй которого битум приводится во вращение, а воздух поднимается вверх, насыщая и окисляя битум.

1 – битумный куб; 2 – труба для отвода отработанного воздуха и газа; 3 – труба для подачи воздуха; 4 – компрессор; 5 – воздушная магистраль; 6 – насосы; 7 – магистраль для подачи битума; 8 – холодильник для охлаждения битума; 9 – маточник; 10 – газосборник; 11 – дымовая труба; 12 – теплообменник (ёмкость) для тяжелого нефтяного остатка; 13 – магистраль для подачи гудрона; 14 – раздаточник

Рисунок 27 – Технологическая схема производства окисленного битума в установках периодического действия

Горизонтальные конвертеры имеют емкость 35 м ³, диаметр 3 м и длину 5 м.

Внутри конвертера на расстоянии от 0,3 до 0,5 м от дна расположены две трубы с отверстиями, направленными вниз под углом 45 °. Размеры отверстий увеличиваются от середины к концам труб. Эти трубы-маточники (барботеры) по середине соединены общим патрубком с приваренным к нему стояком (такая же труба). Конец стояка выведен наружу, по нему подается воздух от воздуходувки в барботеры. Вверху корпуса имеется штуцер для отвода газов из конвертера, люк с крышкой для наблюдения и штуцеры для установки измерительных приборов. Конвертеры облицованы кирпичом; снизу имеются топки для сжигания топлива – газа или мазута.

1 – ёмкость для сырья; 2 – компрессорная установка; 3 – воздушная магистраль; 4 – паровая магистраль; 5 – обратная воздушная магистраль с ловушками; 6 – битумные кубы; 7 – насос; 8 – аварийная ёмкость; 9 – парообразователь; 10 – раздаточник; 11 – подающая магистраль; 12 – обратная магистраль; 13 – насос; 14 – куб

Рисунок 28 – Технологическая схема производства окисленного битума в установках непрерывного действия

Нефтяной битум более высокого качества получается в аппаратах трубчатого типа, работающих по непрерывной схеме. Трубчатый реактор состоит из серии вертикальных труб диаметром 200 мм и высотой 10 м, соединенных между собой переходными звеньями. Общая длина труб реактора – 310 м, рабочая вместимость – 9,75 м³.

С одного конца реактора осуществляется подача в него воздуха и битума – исходного и рециркулята, – а другой конец реактора соединен с сепаратором, где происходит отделение газа от битума. Газ сжигается в печи дожига, а битум частично идет на рециркуляцию, а частично в продуктовый бак.

1 – реактор; 2 – сепаратор; 3 – циклонная печь; 4 – продуктовый бак; 5 – продуктовый насос; 6 – насос сырьевой паровой; 7 – насос циркуляционный паровой; 8 – электродвигатель

Рисунок 29 – Аппарат трубчатого типа

Реакция окисления протекает при температуре от 260 °C до 270 °С. Производительность реактора – от 15 до 17 т/ч при получении битума с температурой размягчения в интервале от 85 °C до 95 °С по КиШ. Рециркуляция окисленного битума позволяет обеспечить устойчивость процесса окисления битума в реакторе. Чем больше кратность циркуляции, тем устойчивее протекает процесс окисления. Но увеличение коэффициента кратности циркуляции повышает расход электроэнергии, поэтому значение коэффициента поддерживают в пределах от 6 до 10.

Свойства зависят от структуры, состава и температуры. Полярность молекул характеризует распределение электрических зарядов на молекулах компонентов битумов. Она определяет адгезию, когезию, величину и скорость смачивания.

О полярности органических вяжущих судят по коэффициенту растворимости, рассчитываемому по формуле

где А – растворимость битума в метиловом спирте, %;

В – растворимость битума в бензоле, %.

Для нефтяных битумов значения коэффициента растворимости α изменяются от 5 до 35. Чем больше коэффициент растворимости, тем выше полярность и тем лучше сцепление битума с минеральными материалами. Адгезия битумов в отношении каменных материалов оценивается по сохранению плёнки на щебне в процессе кипячения его зёрен в воде.

Вязкость вязких битумов определяется по глубине проникновения иглы в битум в течение 5 с при температуре 25 °C либо в течение 60 с при температуре 0 °C. Определяемая при этом пенетрация является величиной обратной вязкости. Переход от пенетрации к динамической вязкости осуществляется по формуле Зааля

где ηн – динамическая вязкость, Па∙с;

П – пенетрация , град.

Вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения, с, определённого количества битума через отверстие вискозиметра при стандартной температуре. Обозначение вязкости C⁵₂₅ либо C¹⁰₆₀, где верхний индекс характеризует диаметр отверстия, мм; нижний – температуру испытания °С.

При повышении температуры вязкость битумов снижается. Графическая зависимость вязкости битумов от температуры представлена на рисунке 30.

Рисунок 30 – Изменение вязкости битумов при нагревании

Пластичность вязких битумов характеризуется их растяжимостью (дуктильностью). Определяется при температурах 0 °C и 25 °С и обозначается D₀ и D₂₅; измеряется в см.

Температура размягчения характеризует переход битума из твёрдого или вязкопластического состояния в жидкое. Определяется на приборе “кольцо и шар” (КиШ).

Переход битума в хрупкое состояние наблюдается при температуре затвердевания, которую определяют на приборе Фрааса, схема которого представлена на рисунке 31. Ей соответствует появление первой трещины в слое битума, нанесённого на стальную пластинку, подвергаемую изгибу при охлаждении со скоростью 1 °C в минуту. Чем ниже температура хрупкости, тем более трещиностойки материалы на основе этого вяжущего.

Количественной характеристикой вязкого состояния является интервал пластичности – разность температур размягчения и хрупкости битумов. Чем больше интервал, тем выше качество битума.

1 – сосуд Дьюара; 2 – пробирка; 3 – соосные трубки; 4 – захваты; 5 – латунная пластинка с испытуемым образцом; 6 – термометр; 7 – механизм перемещения внутренней трубки

Рисунок 31 – Прибор для определения температуры хрупкости битума (Фрааса)

Теплоустойчивость битумов характеризуется не только температурой размягчения, но и индексом пенетрации

где А – коэффициент, рассчитываемый по формуле

где П25 – пенетрация при 25 °C;

tp – температура размягчения, С по КиШ.

Битумы с ИП менее 2 имеют повышенную чувствительность к изменению температуры, а с ИП более 2 характеризуются высокой термоустойчивостью и малой хрупкостью при низких температурах.

Температура вспышки определяется нагревом открытого тигля с битумом. Периодически к поверхности битума подносят зажженную спичку. За характеристику принимают температуру, при которой пары образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени.

Начальную температуру, когда пламя держится более 5 с, называют температурой воспламенения.

Теплопроводность битума составляет от 1,45 до 1,47 Вт/(м∙К).

В зависимости от основных свойств и назначения битумы подразделяют на следующие разновидности и марки.

Нефтяные дорожные: БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300, БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300 [24].

Цифры дроби показывают на допустимые для данной марки пределы показателей пенетрации при 25 °C.

Кровельные и гидроизоляционные битумы: пропиточные – БНК-40/180 и БНК45/190; покровные – БНК-90/40 и БНК-90/30 [12]. Числитель дроби указывает среднее значение показателей температуры размягчения, в °С, знаменатель – среднее значение пенетрации при 25 °C.

Твердые строительные битумы: БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10 предназначены для изоляции нефте– и газопроводов [10]. Числитель указывает температуру размягчения, а знаменатель – средние значения пределов изменения пенетрации.

Битумы нефтяные изоляционные: БНИ-IV-3, БНИ-IV, БНИ-V; применяют для изоляции трубопроводов от коррозии [13].

Битумы хрупкие марок Б, В и Г выпускают для лакокрасочной промышленности [22]. Характеризуются высокой температурой размягчения (от 100 °С до 135 °C), малой пенетрацией (от 5° до 10°) при 25 °С, полной растворимостью в льняном масле.

Жидкие битумы при нормальных условиях характеризуются жидкой консистенцией [16]. В зависимости от класса и вязкости различают марки:

– среднегустеющие – СГ 40/70 , СГ 70/130, СГ 130/200;

– медленногустеющие – МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, МГО 130/200. Битумы марок МГО получают из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или из их смесей.

Цифры в маркировке – условная вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при температуре 60 °C.

Битумы класса СГ – среднегустеющие, получают разжижением вязких дорожных битумов легкими фракциями нефтепродуктов; классов МГ и МГО – медленногустеющие. Битумы класса МГ получают разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами.

При получении битумов класса СГ в качестве разжижителя используют бензин, лигроин, керосин; при получении медленногустеющих – масляные нефтепродукты, природные смолистые нефти, мазут.

При разжижении битумов вязкие битумы нагревают до температуры от 80 °C до 90 °С, если применяют лёгкие разжижители, и от 130 °C до 140 °С при использовании более тяжелых разжижителей. Последние также предварительно нагревают в отдельной емкости, а затем добавляют в разжижаемый битум при перемешивании.

Жидкие битумы используют как подогретыми до 100 °C, так и в холодном состоянии (при температуре от 15 °С до 20 °C). Со временем жидкие битумы загустевают за счет испарения летучих фракций, окисления и других процессов.

К основным свойствам жидких битумов относят условную вязкость, скорость загустевания, свойства остатка после испарения летучих фракций (температура размягчения), адгезию, температуру вспышки, погодоустойчивость.