Теплоизоляционные материалы на органической основе

Строго говоря, разделение теплоизоляционных материалов на органические и неорганические весьма условно. Между тем для удобства изложения сути вопроса о производстве и применении теплоизоляционных материалов такое разделение представляется уместным, поскольку в большинстве случаев именно от того, какова основа теплоизоляционного материала, зависят его свойства, а, следовательно, и области его применения.

Пенополимеры

Пенопласты представляют вторую основную группу теплоизоляционных материалов [15, 20-22]. К ним относятся пенополистирол, пенополиуретаны, пенополиизоционаты, фенодформальдегидные и карбамидформальдегидные пенопласты. Появились на рынке России вспененные каучуки и вспененный полиэтилен.

Пенно- и поропласты получают вспениванием соответствующего полимера при расширении равномерно распределенного в нем газа. Они представляют собой структурированную систему, отдельные ячейки которой связаны в общий каркас, придающий системе определенную жесткость. Ячейки, имеющие вначале шаровидную форму, при дальнейшем расширении газа деформируются и принимают форму многогранников, вытянутых в направлении вспенивания. Применение газообразных веществ, которые способны проникать через полимерную пленку и частично разрушать ее, способствует получению поропластов, а при равномерном вспенивании и достаточной устойчивости пены в процессе ее отвердения получают пенопласты. Устойчивость пены возрастает с уменьшением размеров ячейки и увеличением толщины и прочности пленки полимера, образующего ячейку. С увеличением степени вспенивания и уменьшением расчетной плотности пенопласта устойчивость пены уменьшается. Минимальная допустимая плотность для данного пенопласта определяется свойствами исходных материалов (для пенополиуретана ППУ – 20 кг/м³). Давление газа внутри ячейки должно быть меньше разрушающего, значение которого различны для различных композиций.

Для получения пенопластов применяют [172-175] различные полимеры, в частности полистирол, поливинилхлорид, полиуретаны, полиоксиды, феноло- и мочевиноформальдегидные смолы, полиэтилен, а также некоторые кремнийорганические полимеры. Исходными материалами для получения вспененных пластмасс также являются газообразователи, отвердители, пластификаторы. В пенопластах наполнителем служит газ, пузырьки которого более или менее равномерно распределены по всему объему материала. Для создания в пластмассах газовых ячеек применяют различные газообразователи, а ячеистую структуру получают в результате физических, химических и механических процессов. Сущность химических процессов газообразования заключается в разложении вещества с выделением газов, насыщающих расплавленную пластмассу. Физические процессы вспенивания основаны на способности расплавленных полимеров растворять инертные газы, а при остывании и снижении давления происходит выделение этих газов в виде отдельных пузырьков и образование ячеистой структуры. Механические процессы получения пенопластмасс заключается в насыщении газом расплавленной массы при интенсивном перемешивании или барботировании.

Газообразователями могут служить карбонаты натрия и аммония, динитрил азоизомасляной кислоты, диазоаминобензол и другие. Это твердые вещества, разлагающиеся с выделением азота и диоксида углерода. Жидкие газообразователи, например спирт, бензин, бензол, и другие, меньше применяются, так как они не обеспечивают получения пенопластмасс высокого качества.

Газонаполненные пластмассы с преобладающим большинством изолированных ячеек называют пенопластами, а если преобладают сообщающиеся ячейки, то такие материалы называют поропластами. Те и другие различаются по свойствам и имеют различное применение, так, поропласты проницаемы для воды и газов, однако имеют по сравнению с пенопластами худшие теплоизоляционные свойства. Необходимо учитывать, что деление газонополненных материалов на поропласты и пенопласты весьма условно, так как на практике не удается получать вспененную пластмассу только с сообщающимися или только с изолированными порами. При очень малых колебаниях технологического режима один и тот же материал может получиться с различным соотношением открытых и закрытых пор. Свойства пенопластов зависят во многом от размеров и формы структурных элементов ячеек. Так, механические свойства жестких полимеров значительно улучшаются, если газовые ячейки имеют небольшие размеры [172], зависящие от состава исходной композиции и режима пенообразования (диаметра пузырьков и толщины стенок).

Среди вспененных пластмасс особое место занимают [175] эластичные пеноматериалы, например поролоны и губчатые изделия, получаемые из латексных пен на основе каучука с добавлением ПАВ и желатинизирующих агентов, которые при низкой кажущейся плотности (30-40 кг/м³) обладают хорошими теплоизоляционными свойствами.

Низкий коэффициент теплопроводности пенопластов объясняется тем, что 90-95 % их объема составляет газ или воздух, являющиеся плохим проводником тепла. Для улучшения ТИ свойств определенного пенопласта в композицию вводят вещества с высокой излучательной способностью или вспенивают пенопласт более тяжелым газом. Большие размеры молекул тяжелых газов затрудняет диффузию их через полимерные стенки, поэтому тяжелые газы удерживаются в ячейках в течение многих лет и снижают теплопроводность пенопластов.

Хотя в принципе можно вспенивать любой полимер, газонаполненные пластмассы чаще всего получаются на основе полиэфируретана, полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена, фенольно- и мочевиноформальдегидных, эпоксидных и других смол. Например, серийно выпускаются [176-185] марки пенопластов: эластичные пенополиуритановые поропласты [ППУ-ЭТ (ЭМ, ЭФ, Э, ЭП, 201, 202, 203)]; ППУ для напыления [ППУ-Зн (9н, 13н, 304н, 308н)]; заливочные ППУ [ППУ-З(ЗС, 9, 10, 305, 306, 307, 402, СТВ)]; пенополистиролы (ПС-1; ПС-4, ПСБ-С, ПСБ, ПСВ-Н-20); пенополивинилхлориды (ПВХ – 1, ПВ – 1 винипор); пенополивинилформалин (ТПВФ – 1, ТПВФ – 2, МПВФ, ТПАФ – 3, ТПВФ - А); поливинилхлоридный поропласт (ПХВЭ); пенополиэтилены (ППЭ – 2, ФЭП - 1); фенольные пенопласты (виларес, резонен, ФРП – 1); мочевиноформальдегидные (МФП – 1, БТПМ – 1, мипора); пенополиэпоксидные [ПЭ – 1 (2, 2т, 5, 6, 7)]; пенофенопласты [ФК – 20 (20А20, 40)].

Все многообразие способов получения пено – и поропластов можно свести к двум основным методам:

1. Прессовой метод – когда измельченную и перемешанную пресс-композицию, в которую входит смола, газообразователь и различные добавки, прессуют под давлением до 25 МПа при температуре около 200 °С. В процессе прессования и нагрева полимер переходит в вязкотекущее состояние, и газообразователь начинает выделять газ, равномерно распределяющийся в полимере. Полученная монолитная газо-насыщенная композиция вспенивается при соответствующей температуре, а пенистая структура фиксируется при охлаждении ниже температуры стеклования полимера. Прессовый метод требует использования мощного прессового оборудования и специализированных пресс-форм. Поэтому его применяют на специализированных химических заводах.

2. Беспрессовый метод – когда композиция вспенивается газами, выделяющимися в результате химической реакции компонентов (химическое вспенивание), парами специально вводимой в рецептуру низкокипящей жидкости (физическое вспенивание), или воздухом, насыщающим композицию при ее механическом взбивании (механическое вспенивание). Отверждение вспененной смеси может происходить при нормальной или повышенной температуре. Вспенивание производят как заливкой (в закрытых формах или замкнутых полостях элементов конструкции), так и напылением на изделия исходной композиции.

При введении в состав жестких пенополиуретанов легких минеральных заполнителей получают [175] изобетоны, обладающие высокими ТИ свойствами, удельной прочностью, коррозионно -, влаго и огнестойкостью. Основные его характеристики: ρ = 220 кг/м³; λ = 0,047 Вт/(м×К) при 20 °С, предел прочности при сжатии 0,6-0,8 МПа; водопроницаемость почти равна нулю.

Повышение качества теплоизоляции зданий обеспечивает значительную экономию средств на отопление. По ТИ свойствам слой пенополиуретана (ППУ) толщиной 2,5 см эквивалентен слою кирпича толщиной 52 см, армированного бетона – 130 см. Для обеспечения теплоперепада 10 °С достаточен слой ППУ толщиной 5 см. Коэффициент теплопроводности ППУ – 0,023 Вт/(м×К) значительно ниже чем у других строительных материалов – пеностекло 0,070; газобетон 0,14; древесина 0,162; железобетон 1,51 Вт/(м×К).

Пенопласты могут эффективно использованы в трехслойных стеновых панелях, которые в некотором роде аналогичны двутавровой балке: они совмещают несущие и ограждающие (теплоизоляционные) функции. В качестве наружных обшивок таких панелей используют асбоцемент, стеклопластики, защищенные от коррозии сталь и алюминий, а в качестве ТИ – пенопласты, а также соты в сочетании с пористым материалом, волокнистые и коробчатые заполнители [186 - 196].

По сравнению с волокнистыми утеплителями пенопласты применяются в значительно меньших объемах. Однако в последние годы в связи с изменением требований к термическому сопротивлению ограждающих конструкций объем производства пенопластов значительно возрос и продолжает расти. Это в первую очередь обусловлено значительно меньшими в сравнении с другими утеплителями удельными капитальными затратами на организацию их производства. Очевидно, в ближайшие годы эта тенденция сохранится. Об этом свидетельствуют также многочисленные технические решения теплоэффективных наружных стен жилых зданий, выполненные с применением пенопластов.

Наиболее широко применяемым в отечественном строительстве пенопластом является пенополистирол. Объем производства беспрессового пенополистирола составил в 2002 году около 1,5 млн. м³. Лидерами по производству пенополистирола в стране являются комбинат «Стройпластмасс» (г. Мытищи) и «ТИГИ-Кнауф» (г. Красногорск, Московская область, г. Колпино, Санкт-Петербург).

В г. Реже (Свердловская область) освоено первое в России производство экструдированного пенополистирола на отечественном оборудовании, разработанном НПП «Экспол» и ОАО «Полимер-стройматериалы». Мощность производства — 54 тыс. м³ в год на трех линиях. Этот материал обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным, получаемым из полистирольного бисера прогревом его паром в замкнутом объеме. Это, прежде всего, закрытая пористость и вследствие этого минимальное водопоглощение и повышенная прочность. Долговечность экструдированного пенополистирола превышает 50 лет. Такой материал все больше вытесняет блочный пенополистирол в Западной Европе, США и Канаде. Очевидно, и в нашей стране этот материал имеет большое будущее. В 1998 году в г. Кириши начал выпускать продукцию завод фирмы ООО «Пеноплекс» по производству экструзионного пенополистирола.

Жесткий заливочный пенополиуретан производится в России главным образом для изоляции труб тепловых сетей. Крупнейшим заводом, производящим предизолированные пенополиуретаном трубы в полиэтиленовой оболочке, является СП «Мосфлоулайн». Завод оснащен оборудованием, поставленным голландской фирмой «Селмерс».

Кроме заливочных пенополиуретанов заводского изготовления, достаточно широко применяются напыляемые композиции. С их помощью производят теплоизоляцию резервуаров нефтепродуктов и сжиженных газов, утепляют промышленные холодильники и строительные ограждающие конструкции зданий. Этот вид теплоизоляционных работ хорошо освоен такими известными российскими фирмами, как АО «Стройтеплоизоляция» (г. Москва), АО «Теплоизоляция» (г. Самара) и др.

В современных условиях как существующие, так и перспективные нормы можно обеспечить, используя утеплители на органической основе. Так, в трехслойных панелях существующего парка форм наилучшие результаты по сопротивлению теплопередаче получают, используя пенополистирол (с термическим сопротивлением 2,07—3,9 м² °С/Вт), фенольно-резольный пенопласт (2,03—3,85 м² °С/ Вт) и плиты из минеральной ваты (2,29-3,2 м² °С/Вт).

Для возведения стен и покрытий одноэтажных производственных зданий применяют панели унифицированные бескаркасные двухслойные (ТУ 480-1-166—92). Панели изготавливаются непрерывным способом, включающим формование металлической глубоко гофрированной облицовки и вспенивание композиционной новолачной смолы в этой облицовке (АО «Стройперлит», г. Мытищи). При ширине 1219 мм панели могут иметь длину от 2400 до 7200 мм, причем они имеют плотность 18,5 кг/м³. По боковой грани плиты имеют герметичный замок, что облегчает сборку конструкции. Тем же предприятием выпускаются плиты теплоизоляционные из перлитопластбетона. Являясь, по сути, наполненным пенопластом, этот утеплитель работает при температуре от —60 до +130 °С. Плиты изготавливаются трех сечений: 1000х40, 1000х50, и 1200х50 мм. Длина определяется заказчиком в пределах 1,5—3,5 м. Все оборудование — отечественного производства.

Из теплоизоляционных конструкций на полимерной основе представляют интерес разработанные ЦНИИПроектлегконструкция и выпускаемые АО «Мопопанель» (г. Талдом Московской области) кровельные панели полной заводской готовности (ТУ 5284-101-04614443-97). В качестве теплоизоляционного слоя в панелях применен пенопласт - «Ненорезол».

В течение последних лет на рынке России появился новый полимерный утеплитель — карбамидный пенопласт, получивший торговое название «Пеноизол». Разработчиком материала и оборудования для его производства является подмосковный Научно-технический центр «МЕТТЭМ» (г. Балашиха). Пеноизол представляет собой материал, изготовленный беспрессовым способом и без термической обработки из пенообразующего состава, включающего полимерную смолу, пенообразователь, воду и специальные модификаторы. Сырьем для производства пеноизола служат дешевые и недефицитные российские компоненты. Хорошие теплофизические характеристики материала, возможность приобретения у разработчика комплекта оборудования по его производству способствовали достаточно быстрому распространению пеноизола в стране. Так, газожидкостные установки НТЦ «МЕТТЭМ» -ГЖУ-1 сегодня работают в строительных организациях Московской области, Санкт-Петербурга, Минска, Кирова, Новосибирска, Сыктывкара, Сургута, Владикавказа, Кемеровской, Мурманской, Омской областей, в Татарстане и других регионах России. В настоящее время «МЕТТЭМ» много внимания уделяет вопросу долговечности пеноизола, поскольку для этого материала вопрос долговечности является определяющим, так как срок службы лимитирован деструкцией полимеров.

С середины 1970-х годов в мире началось развитие производства эластичных теплоизоляционных материалов для инженерных коммуникаций зданий. В настоящее время существует два вида подобной изоляции: вспененный полиэтилен и вспененный синтетический каучук.

Продукция наиболее высокого качества представлена на российском рынке зарубежными производителями: «Thermaflex» (вспененный полиэтилен), «Armstrong» (вспененный синтетический каучук). Такой теплоизоляционный материал поставляется в виде полых труб, готовых для монтажа, и в виде листового материала, свернутого в рулоны (иногда в нарезанных листах). Основными достоинствами этой продукции являются низкая теплопроводность (0,033-0,039 Вт/м×К, при 10 °С), высокое сопротивление проникновению пара (фактор m = 3000-7000) и стабильность всех теплофизических характеристик в период эксплуатации. Изоляция типа «Thermaflex» не пропускает влагу и имеет высокую химическую устойчивость. С появлением вспененных материалов открылись новые возможности для систем холодоснабжения и морозильного оборудования — как правило, наиболее энергоемких и сложных в обслуживании.

Повышенный спрос на эффективные утеплители для строительства вызвал всплеск активности разработчиков и производителей теплоизоляционных материалов. Ряд разработок при соответствующем доведении могут найти своего потребителя. К таким материалам на органической основе можно отнести «Юнипор» (ВНИИЖелезобетон), «Геокар» (ГИ Тверыражданпроект и Бежецкий механический завод).

Геокар — теплоизоляционный материал, в котором древесные опилки связаны мелкодиспергированным торфом. Этот материал, несмотря на то, что он, безусловно, горюч, обладает рядом достоинств, особенно в сельском строительстве: простота технологии, доступность исходных материалов, экологическая чистота и дешевизна.

При хороших теплотехнических показателях удельные капитальные затраты на строительство мощностей по производству пенопластов меньше, чем для других теплоизоляционных материалов. Меньшей получается и стоимость одного кубического метра пенопластов по сравнению с неорганической теплоизоляцией. Необходимостью удовлетворения потребностей строительства с меньшими затратами и объясняется в наше кризисное время увлечение пенопластами. Вместе с тем, если учитывать пожаробезопасность зданий и конструкций, их долговечность, стабильность теплотехнических и физических свойств во всем периоде их эксплуатации, приоритет должен быть отдан неорганическим утеплителям.