ПОЛИМЕРНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ и изделия

Полимерные теплоизоляционные материалы относятся к группе наиболее эффективных. К ним относятся материалы на органической (синтетической) основе: пенопласты (пенополистирол, пенополиуретаны, фенолформальдегидные и др.), сотопласты, материалы на основе синтетических волокон.

По сравнению с неорганическими утеплителями (минеральной и стеклянной ватой) пенопласты применяются в несколько меньших объемах. Однако в последние годы в связи с изменением требований к термическому сопротивлению ограждающих конструкции объем производства пенопластов значительно возрос и продолжает расти. Так, в трехслойных панелях наилучшие результаты по сопротивлению теплопередаче получают, используя пенополистирол, фенольно-резольный пенопласт, пенополиуретан.

Рост промышленного производства и применения пенопластов обусловлен также 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 предложения по техническим решениям теплоэффективных наружных стен жилых зданий, выполненных с применением пенопластов. В современных условиях новые нормы по тепловой защите можно обеспечить, используя утеплители на органической основе.

Современные пенопласты нашли широкое применение как легкие конструкционные и теплоизоляционные материалы, их используют для изготовления двух- и многослойных сэндвич-конструкций. Такие конструкции часто применяют в качестве несущих и навесных стеновых панелей и перегородок быстровозводимых зданий. В декоративных целях сэндвич-панели используются для защитной и декоративной облицовки, в том числе
и при реконструкции.

Материалы на основе полимеров, содержащие в своем составе газовую фазу, называются газонаполненными (газосодержащими) полимерными теплоизоляционными материалами.

Основной структурой газосодержащих материалов является газоструктурный элемент, состоящий из собственно газовой ячейки и стенок из полимерной фазы, который повторяется с определенной периодичностью в объеме материала.

Газосодержащие полимерные материалы по структуре можно разделить на несколько групп (рис. 13.1):

Рисунок 13.1 - Группы структур полимерных теплоизоляционных материалов:

а - закрытопористая; б - открытопористая; в - интегральная, г – синтактная (с полыми заполнителями)

• пенопласты — материалы с системой изолированных не сообщающихся между собой ячеек, содержащих инертный газ и разделенных тонкими стенками — перегородками;

• поропласты — материалы с системой сообщающихся ячеек, заполненных газом (данное разграничение весьма условно, так как в некоторых случаях ячеистая и пористая структуры образуются одновременно);

• интегральные пеноматериалы имеют четко выраженный градиент плотности при переходе от поверхности к центру изделия, изготовленного за одну технологическую операцию;

• синтактные пенопласты — материалы, структура которых формируется путем введения полых заполнителей;

• сотопласты — с регулярно повторяющимися полостями правильной геометрической формы, которые получают литьем стенок или их прессованием без вспенивания;

• волокнистые — материалы, структура которых образована переплетением синтетических волокон.

Содержание газовой фазы в пено- и поропластах в зависимости от способа ее введения, свойств полимерной матрицы и метода переработки может достигать 98%, что позволяет регулировать плотность материала в широких пределах: от плотности полимера до плотности газовой фазы (плотность воздуха — 1,3 кг/м³).

Свойства пенопластов

Свойства пенопластов определяются, прежде всего, свойствами полимерной основы, объемом и характером распределения газовой составляющей.

Плотность и пористость. Пористость и средняя плотность пенопластов являются одним из основных показателей, характеризующих их свойства. Эти характеристики обусловлены относительным содержанием полимерной и газовой фаз, видом полимера, характером пористой структуры: геометрической формой и размерами пор, соотношением замкнутых и сообщающихся пор.

По значению средней плотности пенопласты подразделяются на легкие (ρ=5...50 кг/м³), средние (ρ=50...150кг/м³), плотные (ρ=150...400 кг/м³). Полимерные теплоизоляционные материалы, производимые в настоящее время для строительных целей, обладают плотностью в пределах от 10 до 250 кг/м³).

Структура промышленных пенопластов характеризуется полифракционным распределением пор: форма, размер пор, толщина межпоровых перегородок колеблются в широких пределах. Наиболее равномерной мелкоячеистой структурой характеризуются пенопласты на основе термопластов, получаемых по прессовой технологии. Для заливочных пенопластов характерна вытянутостъ пор в направлении вспенивания, что определяет анизотропию их свойств в разных направлениях. Структуру и плотность пенопластов можно регулировать, меняя содержание порообразователя, вводя дополнительно поверхностно-активные вещества, эмульгаторы, наполнители и т.д.

Физико-механические показатели. Прочностные показатели пенопластов зависят от вида полимера, на основе которого получен материал, и от его плотности. Мелкопористые пенопласты с преобладанием закрытых пор отличаются большей прочностью, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами, произведенные из одного и того же полимера.

Особенностью прочностных свойств пенопластов, как и всех полимеров, является отклонение как от свойств идеально упругих тел, для которых характерна (в соответствии с законом Гука) пропорциональность  напряжения и деформаций, так и от свойств идеально вязких жидкостей, для которых напряжение пропорционально скорости деформаций. При сжатии у пенопластов отсутствует хрупкое разрушение и четко выраженная характеристика прочности. Поэтому изучение сжатия пенопластов сводится к анализу их деформативности. Чаще всего показатель прочности при сжатии определяют при 10% деформации.

В зависимости от значений модуля упругости пенопласты разделяют на жесткие и эластичные. К жестким относятся материалы, имеющие прочность при сжатии при 10% деформации более 0.15 МПа (фенолформальдегидный пенопласт (ФФП), жесткий пенополиуретан (ППУ), экструзионный пенополистирол (FinC) и др.), к эластичным — менее 0,01 МПа (пенополиэтилен (ПП), эластичный ППУ, пенокаучук). Полужесткие пенопласты характеризуются промежуточными показателями прочности.

Теплофизические свойства. Одним из важнейших свойств пенопластов является теплопроводность, которая значительно ниже, чем у минеральных теплоизоляционных материалов, и составляет 0,023...0,052 Вт/(м·К), что делает их наиболее эффективными материалами для тепловой зашиты. Теплопроводность пенопластов зависит от средней плотности, вида полимера, размера и типа пор, от природы газа, заполняющего поры. Для каждого пенопласта существуют оптимальные значения средней плотности, отклонения от которых приводят к повышении) теплопроводности. При чрезмерном снижении средней плотности возрастет количество крупных и сообщающихся пор, следовательно, увеличивается перенос тепла конвекцией, т.е. повышается λ. При увеличении ρ_ср снижается общая пористость, что также приводит к повышению λ. Природа газа, заполняющего поры, оказывает существенное влияние на теплопроводность: λ_{воздуха}=0,023, а λ_СО2 = 0,019 Вт/(м К).

Теплостойкость и температура применения пенопластов зависят, прежде всего, от вида полимера, применяемого для их изготовления. Пенопласты на основе термопластичных полимеров (полистирол, полиэтилен и др.) при повышении температуры из твердого состояния переходят в эластичное со значительными деформациями. Их можно применять при Т_экс <60...75^оС. Пенопласты на основе термореактивных полимеров (фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные, полиуретановые и др.) являются значительно более теплостойкими (Т_экс ≈ 150...200^оС). Однако при достижении предельных температур начинается процесс термоокислительного распада и деструкции.

Огнестойкость (горючесть) пенопластов зависит от вида полимерной матрицы. Различают горючие (сгораемые) материалы, которые самостоятельно поддерживают горение в течение более 1 мин (полистирол); трудносгораемые (самозатухаюшие) при вынесении из пламени тлеют, а затем затухают (поливинилхлорид).

Отношение к действию воды. Одним из важнейших свойств пенопластов является их способность противостоять действию влаги.

Водопоглощение пенопластов характеризуется отношением количества поглощенной  влаги  к обшей площади, кг/м², или к объему образца (объемное), %. Минимальные значения водопоглощения характерны для прессовых пенопластов.

Гигроскопичность (сорбционная влажность) пенопластов может колебаться в значительных пределах и зависит, прежде всего, от вида полимера, характера и размера пор, влажности среды. Минимальные значения характерны для экструзионного пенополистрола, максимальные — для карбамидных поропластов.

Наибольшей паропроницаемостью характеризуются пенопласты с открытыми сообщающимися порами, наименьшей — имеющие плотную поверхностную пленку (экструзионный пенополистирол и напыляемый пенополиуретан).

Эксплуатационная стойкость. Эксплуатационная стойкость полимерных теплоизоляционных материалов определяется способностью противостоять разрушающему воздействию климатических факторов: знакопеременных температур, солнечной радиации, влажности, окислительному действию кислорода воздуха, биологическим воздействиям и т.д.

При длительном воздействии повышенных температур, ультрафиолетового излучения, кислорода воздуха, механических и других факторов в пенопластах происходят процессы старения (термическая, механическая, фотохимическая, биологическая деструкции). Эти процессы вызваны образованием свободных радикалов, разрывом макромолекул, т.е. деполимеризацией, и, как следствие, образованием микротрещин, а затем и макротрещин.

Главным фактором, определяющим долговечность полимерных материалов, является энергия связи между атомами макромолекул, на величину которой можно влиять, регулируя плотность сшивки молекул, изменяя рецептуру композиций. Основным методом повышения эксплуатационной стойкости является применение стабилизаторов — веществ, блокирующих процессы деструкции. В настоящее время нет единых методов стабилизации, как нет и одинаковых стабилизирующих всществ для всех полимеров. Однако, существуют некоторые общие приемы стабилизации: подавление цепных реакций деструкции, акцентирование низкомолекулярных продуктов деструкции, управление процессом распада и т.д.

Для каждого процесса старения также применяют свои стабилизаторы: химические акцепторы, антиоксиданты, светостабилизаторы, фунгициды и т.д. Стабилизаторы вводят в полимер на стадии его получения, так и при приготовлении сырьевой композиции для конкретных условий применения.

Полистирольный пенопласт

Полистирольный пенопласт (ГОСТ 15588-86 «Плиты пенополистирольные. Технические условия») является наиболее распространенным полимерным теплоизоляционным материалом. Это обусловлено рядом его несомненных достоинств: он доступен по цене, нетоксичен, прост в изготовлении, сырье недефицитно. Это термопластичный полимер, поэтому в настоящее время пенопласт на его основе получают как с применением повышенного давления, так и беспрессовыми методами.

Таблица 13.2 - Технические характеристики беспрессового пенополистирола