CC BY
91
Газопроницаемость трехслойных диффузионных мембран Jutavek 115 и Delta-Vent S при высоких перепадах давления
К.С.Шагинян, А.Ю.Окунев
В строительстве часто возникает проблема создания слоя, защищающего конструкцию от воздействия ветра, влаги, пыли, а также обеспечивающего ее дополнительную герметизацию. Одним из способов ее решения является применение так называемых паропроницаемых мембран, которые еще называют диффузионными, дышащими, па-ропроводящими и т.д. По величине паропроницаемости диффузионные строительные мембраны разделяют на псевдодиффузионные (паропроницаемость 20-300 г/м2 в сутки), диффузионные (паропроницаемость 400-1000 г/м2 в сутки ) и супердиффузионные (паропроницаемость от 1000 и выше г/м2 в сутки) [1].
Диффузионные мембраны представляют дополнительный уровень защиты фасадных и кровельных строительных утепленных конструкций, при правильном применении которых обеспечиваются их защита от влаги и сохранение свойств минераловатных утеплителей, а также дополнительная защита по воздухопроницанию, особенно в бревенчатых и брусовых домах.
Кроме того, применение диффузионной мембраны в утепленных мансардах позволяет оптимизировать строительство, поскольку после ее установки на кровле здание уже защищено от дождя, что упрощает обустройство утепления и кровельного покрытия.
Различают следующие виды строительных диффузионных мембран [1]:
- перфорированные мембраны. Представляют собой армированные пленки или комбинированные ткани Ютафол-Д, Свитапфол-Д, Сильвер-Д, Гуттафол-ВБ90, Элвитек (производства Чехии, Польши, Финляндии и других стран). В них воздух и водяной пар проходят через колотые отверстия диаметром ~ 0,5 мм, расположенные с частотой 2-3 отверстия на 1 см2. Воздух вместе с водяным паром проходит через отверстия небольшой суммарной площади, поэтому паропроницаемость таких материалов крайне низка - до 40 г/м2 в сутки;
- пористые волокнистые однослойные нетканые мембраны (рис. 1). Производятся по нетканой технологии «спанбонд», то есть путем аэродинамической раскладки термопластичных волокон с последующим их скреплением и уплотнением термическим способом. Данные материалы со структурой фильтра имеют множество межволоконных сквозных, открытых микропор, через которые воздух проходит вместе с водяным паром. Паропроницаемость прямо пропорциональна воздухопроницаемости, обратно пропорциональна
водонепроницаемости и зависит от размера пор и степени гидрофильности их стенок;
- трехслойные пленочные мембраны (рис. 1). В отличие от пористых мембран, в трехслойных повышено сопротивление воздухопроницанию. Способы получения супердиффузионных пленок заключаются во введении в матрицу термопластов несовместимых полимеров или неорганических микрочастиц. После обработки материала образуются области мембраны (в десятки нанометров), которые избирательно сорбируют и десорбируют молекулы Н2О, обеспечивая тем самым ее высокую паропроницаемость.
В результате через пленку с высокой скоростью транспортируются отдельные молекулы газообразной воды (пара), имеющие размеры на уровне 0,25 нанометра. Движущей силой диффузии молекул воды является разность в абсолютной влажности по сторонам пленки. В то же время другие молекулы воздуха сорбируются в меньшей степени, что обеспечивает их меньшую проницаемость при том же перепаде парциального давления. Таким образом, трехслойные мембраны, в отличие от пористых, применяемых в строительстве, по своим свойствам являются «селективными», то есть пропускающими различные компоненты с различной проницаемостью.
Жидкая вода, состоящая из агрегированных молекул, связанных между собой водородными связями, так называемых ассоциатов размером 0,1 мм и более, не способна проникать в межфазную систему многокомпонентного полимера. Однако приложение большого внешнего давления (4-5 м водяного столба) открывает поры и позволяет жидкой, связанной
Внешний вид ветрозащитных мембран Delta-Vent S и Jutavek 115
104
3 2013
воде проникать через такую диффузионную мембрану. Малая механическая прочность внутренних наполненных пленок плотностью 30-60 г/м2 компенсируется трехслойной конструкцией, в которой внешние слои могут иметь любую требуемую механическую прочность без уменьшения паро-проницаемости. Таким образом, трехслойная диффузионная
мембрана обеспечивает высокие значения паропроницае-мости, обладая при этом существенным сопротивлением воз-духопроницанию и являясь гидроизолирующим материалом.
Такие мембраны востребованы в строительной отрасли. Они также используются для снижения конвективной составляющей теплопотерь в минеральной вате и повышения
Трехслойная мембрана «Тектотен», внутренняя пленка - полипропилен, 40г/м2
Спанбонд, полиэтиленовое волокно, 60 г/м2
Спанбонд, полипропиленовое волокно, 110 г/м2
Поверхность, увеличение х300
Поверхность, увеличение х300
Поверхность, увеличение х300
Разрез поперечный, увеличение х800
Поверхность, увеличение х100
Разрез поперечный, увеличение х800
Рис.1. Микрофотографии трехслойной мембраны «Тектотен» - 120 г/м2, однослойной мембраны из полиэтиленового волокна - 60 г/м2, однослойной мембраны из полипропиленового волокна - 110 г/м2 [1]
Рис. 2. Схема экспериментального стенда
X
50 45
40 -
35 30 25 20 15 10 5 0
y = 5,2183x0,4854 J^
y = 4,9877x0,4885
1 1
0
20
40
60
избыточное давление с лицевой стороны мембраны
избыточное давление с тыловой стороны мембраны
Перепад давления, кПа
Рис. 3. Зависимость удельного потока воздуха через мембрану Jutavek 115 от перепада давления при различной ориентации мембраны
0 10 20 30 40 50 60
Перепад давления, кПа
Рис. 4. Зависимость удельного потока воздуха через мембрану Delta-Vent S от перепада давления
_о
ел 0 20 40 60
Перепад давления, кПа
4 избыточное давление с лицевой стороны мембраны
—избыточное давление с тыловой стороны мембраны
Рис. 5. Зависимость удельного потока углекислого газа через мембрану Jutavek 115 от перепада давления при различной ориентации мембраны
герметичности ограждающих конструкций (например, бревенчатых и брусовых домов) перед утеплением.
Важной характеристикой мембран является их воздухопроницаемость, исследования которой в настоящее время носят фрагментарный характер, а обычно представляемые производителями технические характеристики содержат лишь сведения о паропроницаемости и гидроизоляционных свойствах их продукции.
В рамках настоящей статьи анализируются результаты исследований трехслойных мембран Jutavek 115 и Delta-Vent S на проникание через них воздуха и углекислого газа.
На рисунке 2 представлена схема экспериментального стенда, на котором проводились исследования.
Установка включает компрессор, мембранную ячейку, регулирующие дроссели, расходомер и манометр. Принцип ее работы состоит в подаче воздуха компрессором, сбросе избыточного потока через дроссель на выходе компрессора и подаче его на одну сторону мембраны в мембранной ячейке, выход из которой частично закрыт дросселем. Давление измеряется манометром, а проникший через мембрану поток - расходомером. Для потоков ячейки использованы обозначения: входной поток - питание, выход из области высокого давления - ретентат, низкого - пермеат.
В процессе проведения исследования регулировали давление дросселями и измеряли зависимость потока пермеата от давления. При измерении потока углекислого газа вместо компрессора и сбросового дросселя использовали баллонный углекислый газ (высший сорт по ГОСТ 8050-85), давление при этом регулировали редуктором на баллоне, а выход ретентата закрывали дросселем.
Для проведения исследований, изложенных в статье, разработана специальная мембранная ячейка. Она состоит из двух фланцев прямоугольной формы 88х258 мм, изготовленных из стеклотекстолита, рабочая площадь мембраны в ячейке - 44х214 мм.
Результаты испытаний на воздухопроницаемость мембраны Jutavek 115 представлены на рисунке 3. Измерения проводились при перепадах давления до 0,5 атм (50 кПа). Следует отметить, что выбранный диапазон перепадов давления существенно выше реализуемого перепада в ходе эксплуатации на ограждающих конструкциях зданий, поэтому
106 3 2013
полученные значения не следует использовать при проектировании ветрозащиты зданий. Проведенные исследования показывают свойства мембран в относительно жестких условиях по давлению и представляют интерес при разработке газоразделительных систем на основе такого типа мембран.
На рисунке 3 помимо экспериментальных данных приведены также степенные функции, аппроксимирующие экспериментальные зависимости. Можно видеть, что ориентация мембраны не оказывает существенного влияния на газоперенос. Степенные зависимости относительно хорошо аппроксимируют экспериментальные данные, за исключением крайней точки, при этом имеют степень, близкую к 0,5. Далее величину степени аппроксимирующей степенной зависимости будем называть показателем фильтрации.
Сравнивая характеристики на рисунках 3 и 4, можно отметить, что общий уровень воздухопроницаемости обеих мембран близок, однако фактор фильтрации (показатель степени аппроксимирующей функции) в случае мембраны Delta выше, что приводит к более низким значениям потоков воздуха в случае снижения перепада давления. Если воспользоваться полученными аппроксимациями, то при перепаде 50 кПа на мембране Jutavek 115 расчетное значение потока воздуха составляет 1,2 м3/м2/ч, в то время как на мембране Delta-Vent S - 0,3 м3/м2/ч, то есть в четыре раза ниже. Другими словами, по результатам расчетов мембрана Delta-Vent S является лучшим барьером воздухопроницанию в ограждающих конструкциях зданий, чем Jutavek 115.
При исследовании проницаемости мембраны Jutavek 115 по углекислому газу (рис. 5) была обнаружена существенная асимметрия транспорта газа [2]. Асимметрия выражается в виде существенной зависимости показателя фильтрации от направления течения, при этом кривые пересекаются при перепаде давления на уровне 20 кПа.
Пользуясь полученными степенными зависимостями, можно оценить способность мембраны, связанную с удалением углекислого газа из помещения. Ограничимся случаем, когда мембрана разделяет хорошо перемешиваемый комнатный и уличный воздух. В уличном воздухе возьмем концентрацию углекислого газа 0,04% (об.), а в комнатном - 0,09% (об.) [3]. Перепад парциального давления углекислого газа на мембране составит 50 кПа, что по полученным степенным зависимостям дает значения 1,6 м3/м2/ч при подаче с ты-
Мембранная ячейка в сборе
ловой стороны и 0,15 м3/м2/ч - с лицевой. Для сравнения: человек при дыхании выделяет около 40 л/ч углекислого газа, то есть для очистки воздуха по данному компоненту достаточно лишь 1/40 м2 мембраны, тыловой стороной обращенной к помещению (квадрат 16х16 см). Приведенная оценка также требует уточнения, поскольку эксперименты проводились при достаточно большом перепаде давления и в условиях измерения потока чистого газа. В случае проникания компонента газовой смеси при близких давлениях по обе стороны мембраны становится несущественной конвективная составляющая газопереноса, к тому же оказывает влияние диффузионный транспорт через мембрану.
В заключение отметим, что в статье представлены первые результаты по циклу исследований свойств паропроницаемых мембран в лаборатории №51 НИИСФ РААСН, проводимых авторами по собственной инициативе и направленных на уточнение свойств мембран как в строительном, так и смежном применении, например в рекуператорах вентиляционного тепла и влаги и газоразделительных устройствах.
Выражаем благодарность ООО «ТРАНСКОНТАКТ» и OOO «Doerken» за предоставленные материалы для исследований.
Литература
1. Официальный сайт компании Tectothen: http://www. tectothen.com/articles/3.htmL
2. Kurchatov I.M., Laguntsov N.I., Pisarev G.I., Tronin V.N., Uvarov V.I., Okunev A.Yu. Anisotropic Gas Transfer trough ^e Composite Membranes// Ars Separatoria Acta 5 (2007). Р. 45-54.
3. Окунев А., Шагинян К., Умнякова Н., Смирнов В., Ан-дрейцева К. Вентиляция помещений: комплексный подход // Коммунальный комплекс России. 2011. №7 (85). С. 22-27.
Literatura
1. OficiaLnyj sajt kompanii Tectothen: http://www.tecto-then.com/articles/3.html.
3. Okunev A., Shaginjan K., Umnjakova N., Smirnov V., An-drejceva K. VentiLyaciya pomeshchenij: kompLeksnyj podhod // KommunaLnyj kompLeks Rossii. 2011. №7 (85). S. 22-27.
Jutavek 115 and Delta-Vent S Gas Permeabilities under
High Pressure Drops. By K.S.Shaginyan, A.Yu.Okunev
The resuLts of tests of three-Layer diffusion membranes Jutavek 115 and DeLta-VENT S on the permeabiLity of air and carbon dioxide at a pressure drop up to 50 kPa. A non-Linear dependence and the effects of asymmetry of transport are dicovered. Based on the resuLts of the approximation of vaLues of air fLow and carbon dioxide at 50 ^a pressure difference.
Ключевые слова: мембрана, мембранный модуль, диффузия, асимметрия, углекислый газ.
Key words: membrane, membrane moduLe, diffusion, asymmetry, carbon dioxide.
