Получение теплоизоляции из пенополиуретана

За последние годы в свете энергоэффективных технологий возрос интерес к сокращению тепловых потерь зданий, холодильных установок за счет усовершенствования теплоизоляции. 

Отсутствие изоляции или ее низкое термическое сопротивление приводят к невозможности создания и поддержания заданных теплового и влажностного режимов, а также повышению расхода энергоносителей.

Поэтому возрастает важность корректного выбора теплоизоляционного материала.

Требования к теплоизоляционным материалам

К материалам предъявляется ряд требований, основные из которых:

1. Низкая теплопроводность λ, что обеспечивает поддержание стабильной температуры, сбережению электроэнергии, предотвращению образования конденсата.
2. Соответствие требованиям пожаробезопасности.
3. Достаточная механическая прочность для сопротивления расчетным воздействиям при транспортировке, укладке и эксплуатации.
4. Удовлетворительная себестоимость для исключения  ограничения возможности применения.
5. Экологическая и гигиеническая безопасность.

Характеристики пенополиуретана

Показатель	ППУ
Теплопроводность λ, Вт/(м·К)	0,025 – 0,04
Плотность ρ, кг/м3	20 – 200
Объем пор, %	не менее 95
Прочность на изгиб, кПа	70 – 190
Прочность на сжатие, кПа	более 40
Гигроскопичность и водопоглощение	не более 1-3%
Коэффициент паропроницаемости, кг/(м·с·Па)	6,3·10–12

Помимо удовлетворительных первоначальных свойств, теплоизоляция должна сохранять их на протяжении нормативного срока эксплуатации.

Современный рынок материалов для утепления предлагает:

• минераловокнистые материалы,
• вспененный каучук,
• пенополиуретан,
• пенополистирол,
• пенополиэтилен

в виде плит, матов и блоков.

Получение пенополиуретанов

Пенополиуретаны относятся к термореактивным или термонеобратимым полимерам  и получаются путем вспенивания полиуретанов – продуктов поликонденсации ди- или полиизоцианатов (общая формула R–N=C=O, где R – углеводородный радикал) с двух- или трехатомными спиртами (полиолами). При вспенивании получают пенопласты, которые представляют собой материалы, имеющие мелкие замкнутые поры, что и позволяет использовать их в качестве эффективной теплоизоляции.

Этот материал обладает великолепными эксплуатационными свойствами:

• теплоизоляционные,
• высокая механическая прочность,
• хорошая адгезия ко всем строительным и конструкционным материалам,
• стойкость к микроорганизмам,
• прекрасная технологичность.

Пенополиуретаны относятся к сгораемым, но трудно воспламеняемым материалам, область их эксплуатации от –180 до 120^оС.

Тепловая изоляция на основе ППУ практически не насыщается влагой, но в то же время «дышит», т.е. пропускает избыток влаги в окружающую среду. Поэтому полиуретаны необходимо использовать с применением дополнительных герметичных кожухов, защищающих от проникновения влаги их воздуха.

Жесткий пенополиуретан стоек к воздействию нефтепродуктов, ароматических углеводородов, масел, спиртов, а также кислот, щелочей (кроме концентрированных).

ППУ позволяет создавать изоляционные конструкции как из готовых плит, так и выполнять такие конструкции на месте производства работ путем заливки жидких компонентов материала (изоцианат – компонент А, полиол – компонент Б и вспениватель – компонент С) в замкнутый объем.

Толщина изоляции из ППУ обычно не превышает 25-30 мм, в то время как, например, теплоизоляцию из стекловаты нельзя выполнить менее 60-70 мм.

Пенообразователи — вспениватели

При заливании полиуретановой композиции в качестве пенообразователей полиуретанов раньше применяли в основном фреоны R 11 и R 12 (около 13% от общего объема полимерной композиции). Хлорфторуглероды хорошо зарекомендовали себя практически во всех системах жестких ППУ. Однако эти вещества входят в группу продуктов, негативно влияющих на озоновый слой и запрещены.

Основное требование к альтернативным вспенивателям – температура кипения при атмосферном давлении должна находиться в пределах 25-40^оС, т.е. вещество должно быть жидкостью при комнатной температуре для возможной его заливки.

За последнее десятилетие было исследовано большое количество альтернативных вспенивающих агентов в отношении их технологической пригодности, токсичности, воздействия на окружающую среду и экономическую целесообразность. Среди возможных заменителей R 11 и R 12 рассматривались  гидрохлорфторуглероды, гидрофторуглероды, углекислый газ, пентан и некоторые углеводороды. Доказано, что изоляционные и другие характеристики пены, получаемой в случае использования фреонов R 141 и R 134а, а также изомеров пентана по своим показателям равны или превосходят характеристики ППУ, в которых используется R 11.

В качестве переходного вспенивателя (разрешенного к применению до 2005 года) был предложен гидрохлорфторуглерод R 141b, являющийся невоспламеняемым, низкотоксичным веществом, хорошо смешивающимся с полиолом. Теплоизоляция, полученная при его использовании, равноценна теплоизоляции, которую обеспечивает использование фреонов, поэтому он применяется и поныне на российском рынке.

Разработан вариант применения в качестве вспенивателя полностью озонобезопасных гидрофторуглерода R 134а и циклопентана, но в этом случае требуется реконструкция технологического оборудования.

Сравнительная характеристика полиуретанов, полученных при использовании различных вспенивателей

Показатели		Вспениватель
		R 11	R 141b	R 134a	Циклопентан
Пожаро- и взрыво-безопасность		Нет	Да	Нет	Да
Состояние при нормальных условиях		Жидкость	Жидкость	Газ	Жидкость
λ, Вт/(м·К) вспенивателя ППУ на его основе		0,008 0,019–0,02	0,0095 0,021	0,013 0,025	0,01 0,02 – 0,022
Прочность при сжатии, кПа		130	140	–	150
Плотность готового изделия (в ядре), кг/м3		32	34	–	37
Плотность свободного вспенивания, кг/м3		20 – 22	20 – 22	–	22 – 24
Время старта пены Время гелеобразования Время окончания подъема пены	лабораторная проба, с	10 – 14 72 – 82 120 – 140	11 – 15 80 – 90 125 – 145	–	11 – 15 70 – 90 90 – 110
Время старта пены Время гелеобразования Время окончания подъема пены	машин-ная проба, с	6 – 8 46 – 46 80 – 105	7 – 8 49 – 59 85 – 110	–	5 – 7 45 – 55 60 – 80

компонент Б – SD 114/100 (вспениватель R 11), SD 211/100 (вспениватель R 141b), SD 172/100 (вспениватель циклопентан).

Предпочтение отдается циклопентану, т.к он имеет коэффициент теплопроводности 10 мВт/(м·К), что на 10% ниже, чем для остальных изомеров. Технологические характеристики получения пены при использовании циклопентана не уступают пенам, в которых движущей силой являются R11 или R141b. Показатели, характеризующие качество теплоизоляции (теплопроводность, механическая прочность, объемная плотность), у всех рассматриваемых материалов находятся практически на одном уровне.

Таким образом, на основании экспериментально полученных результатов можно говорить о том, что технологические условия получения, эксплуатационные характеристики готовой пенополиуретановой теплоизоляции на циклопентане равноценны аналогичным параметрам изоляции, полученной с использованием R11.

Однако нельзя не сказать о том, что использование циклопентана в качестве вспенивателя ППУ имеет взрыво- и пожароопасность углеводорода при концентрациях уже от 1,4 до 8,0 объемных %. Поэтому использование циклопентана требует организации противопожарных мероприятий.

Низкий молекулярный вес циклопентана по сравнению с галогенсодержащими пенообразователями позволяет значительно снизить его содержание в полимерной композиции, что приводит к повышению вязкости полиольного компонента Б.

Таким образом, циклопентан является одним из перспективных вспенивающих агентов при изготовлении жестких теплоизоляционных материалов на основе двухкомпонентных озонобезопасных пенополиуретановых систем.