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:
- Низкая теплопроводность λ, что обеспечивает поддержание стабильной температуры, сбережению электроэнергии, предотвращению образования конденсата.
- Соответствие требованиям пожаробезопасности.
- Достаточная механическая прочность для сопротивления расчетным воздействиям при транспортировке, укладке и эксплуатации.
- Удовлетворительная себестоимость для исключения ограничения возможности применения.
- 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 120оС.
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 25-40оС, 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.