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 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 А – полиол Voratec (для всех исследуемых систем);

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.