CC BY
98
= 24
Энергобезопасность и энергосбережение
УДК 662.998
Особенности использования современных теплоизоляционных материалов на полимерной основе
В. Б. Тихонов,
кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций ВТУ при Спецстрое России М. П. Колесниченко,
начальник кафедры строительных конструкций ВТУ при Спецстрое России
Рациональное применение теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет уменьшить потребность в основных строительных материалах, снизить массу наружных ограждающих конструкций (стен, покрытий и др.), сократить расход топлива на отопление зданий.
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, теплопотери, тепловое сопротивление, теплопроводность.
Известно, что около 70 % всей тепловой энергии, вырабатываемой в нашей стране, расходуется на отопление зданий и сооружений. Потери тепла при отоплении составляют примерно 30 % от всего готового потребления теплоэнергоресурсов. До 68 % теп-лопотерь в здании происходит через ограждающие конструкции [1]. Из них до 67 % - через стены, чердак и полы, и 33 % - через окна и двери. В настоящее время значительно повышены требования к энергосбережению, в том числе к теплопотерям через строительные конструкции зданий и сооружений. Прием объектов в эксплуатацию и обследование существующих зданий осуществляются с использованием тепловизионных приборов.
Особая роль при решении задач, поставленных новой редакцией СНиП «Строительная теплотехника» [2], отводится теплоизоляционным материалам. В России в настоящее время производится 7,58,0 млн м3 в год всех видов теплоизоляционных материалов (при потребности не менее 10 млн м3). До 60 % из них составляют минераловатные изделия, 13 % -стекловатные утеплители и 27 % - строительные пенопласты. Высокая гигроскопичность и, как следствие, увлажнение минераловатных и стекловатных теплоизоляционных материалов значительно повышают их коэффициент теплопроводности.
Нормами проектирования для России предусматривается повысить тепловое сопротивление ограждающих конструкций в среднем в 1,5 раза. Эти требования возможно осуществить только путем расширения использования в строительстве эффективных теплоизоляционных материалов. Так, например, минераловатный утеплитель толщиной 1 см по номинальному тепловому сопротивлению эквивалентен кирпичной кладке толщиной 10-12 см, керамзитобе-тону толщиной 5-7 см. Показано также, что для изготовления теплоизоляционных материалов расход
топлива в 10-11, а трудоемкость в 20-25 раз ниже по сравнению с взаимозаменяемым по тепловому сопротивлению количеством глиняного кирпича. Масса готовой продукции при этом почти в 20 раз меньше.
Особенно эффективна теплоизоляция стен жилых зданий и трубопроводов. Замена однослойных легкобетонных стеновых панелей трехслойными, имеющими наружные несущие слои из железобетона, асбестоцемента и др., и внутренние - из эффективного утеплителя, обеспечивает снижение потерь тепла через стены в 3-5 раз и значительно уменьшает их массу. Хорошая же теплоизоляция трубопроводов позволяет уменьшить теплопотери примерно в 15 раз в зависимости от температуры поверхности трубопроводов. Особенно выгодно использование теплоизоляционных материалов в холодильных агрегатах, так как затраты энергии на единицу мощности при получении холода в 20 раз больше, чем тепла.
Основной тенденцией развития промышленности по производству теплоизоляторов и их применению в строительстве является наращивание выпуска материалов на основе полимеров - пенопластов и легких бетонов с легким полимерным заполнителем.
Теплоизоляционные материалы должны обладать стабильными теплофизическими и физико-механическими свойствами, не выделять токсичных веществ и пыли в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации. К их основным теплофизическим свойствам относятся теплопроводность и предельная температура применения, а к физико-механическим - средняя плотность, прочность и деформативность [3].
Теплопроводность является важнейшим свойством теплоизоляционных материалов. Коэффициент теплопроводности этих материалов в сухом состоянии должен быть не более 0,175 Вт/(м-К)
идииииии
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 25 =
при 25 °С. Требования к коэффициенту теплопроводности материалов указываются в нормах при следующих стандартных температурах его определения: +25 °С, если они используются при температурах до +200 °С; +125 °С - до +500 °С и +300 °С -свыше +500 °С соответственно.
На теплопроводность материалов оказывает влияние целый ряд факторов: пористость (или средняя плотность), характер пор, их размеры и распределение, химический состав, влажность, температура, давление.
Так как из всех широко распространенных и доступных веществ наименьшей теплопроводностью обладает воздух, помещенный в поры, то основная идея получения эффективного теплоизоляционного материала состоит в предельном насыщении его порами. Поэтому первая особенность такого материала - большой относительный объем воздуха, содержащийся в его составе. В материалах, отвечающих требованиям теплоизоляции, общая пористость достигает 60-95 %.
С увеличением средней плотности (уменьшением пористости) теплопроводность материалов растет (рис. 1). На практике удобнее судить о теплопроводности по средней плотности, которая для теплоизоляционных материалов должна быть не более 500 кг/м3.
Рис. 1. Зависимость теплопроводности материала от его плотности
С увеличением пористости теплопроводность материала снижается. Менее теплопроводными являются материалы с мелкопористой структурой при равномерном распределении замкнутых пор.
Это объясняется тем, что с увеличением размеров пор, а особенно с образованием сквозных каналов, существенное значение приобретает передача тепла внутри пустот от стенки к стенке путем конвекции.
Абсолютное большинство строительных материалов (в том числе теплоизоляционных) имеет капиллярно-пористую структуру, заполненную в основном воздухом, теплопроводность которого зависит от диаметра пор [3].
Так, в мелких порах теплопроводность воздуха имеет самое маленькое значение Ха{г=0,023 Вт/(м-К). В крупных порах теплопроводность его из-за влияния конвекции возрастает до ^ай.=0,053 Вт/(м-К).
В порах диаметром меньше 5 мм явление конвекции наступает при разности температур 100 °С, а в порах диаметром более 10 мм - уже при разности температур 2 °С.
Влажность резко увеличивает теплопроводность материала. Вода, занимающая часть объема пор, имеет коэффициент теплопроводности в 20 раз больше, чем воздух. В связи с этим даже незначительное содержание ее в материале существенно повышает теплопроводность. Для материалов, находящихся в условиях отрицательных или знакопеременных температур, наличие в них влаги особенно недопустимо, так как коэффициент теплопроводности льда почти в 4 раза превышает коэффициент теплопроводности воды и в 80 раз - воздуха. Поэтому теплоизоляционные материалы необходимо предохранять от увлажнения на всех этапах технологического процесса устройства теплоизоляции и, в частности, при их транспортировке и хранении.
На теплопроводность материалов влияет также температура, при которой происходит передача тепла. С увеличением этой температуры коэффициент теплопроводности материалов, как правило, возрастет.
Предельная температура применения теплоизоляционного материала важна в случае изоляции нагретых поверхностей. При ее назначении учитывают деструктивные явления, происходящие в материале при его длительном нагревании. Для некоторых полимерных теплоизоляционных материалов предельные температуры применения приводятся в табл. 1.
Таблица 1
Предельные температуры применения полимерных теплоизоляционных материалов
Материал Предельная температура применения, °С
Мипора на основе фенольно-формальдегидной смолы 200
Пенофенопласт на основе новолачной смолы 100
Пеноплен марки ПУ-101 на основе полиуретана 50
Пенополистирол марки ПС-1 на основе полистирола 70
Пенопласт марки К-40 на основе кремнийорганических соединений 250
Пенополивинилхлорид на основе поливинилхлорида 60
Пенопласт на основе резольных фенолоформальдегидных смол 130
С увеличением пористости прочность материала уменьшается и улучшаются его теплозащитные свойства. Поэтому необходимо уметь правильно выбирать нужный теплоизоляционный материал, сообразуясь с его прочностью и теплопроводностью. Теплоизоляционные материалы должны иметь проч-
ДМИЭИИИИ!
= 26
Энергобезопасность и энергосбережение
ность, достаточную для транспортирования, складирования и использования в конструктивных элементах зданий и сооружений. Требования к прочности приводятся в ГОСТ на соответствующие теплоизоляционные материалы. В среднем прочность теплоизоляционных материалов на сжатие находится в пределах 0,1-1,5 МПа и только у некоторых (наиболее прочных) может достигать 5-10 МПа (пеностекло, шлакопеноситаллы и др.).
Деформативные свойства теплоизоляционных материалов характеризуются их относительной сжимаемостью. При использовании в конструкциях на теплоизоляцию могут воздействовать сжимающие нагрузки, уплотняя ее и, тем самым, увеличивая ее теплопроводность. В определенной степени это неизбежно и разрешается нормами.
Чем жестче материал, тем меньше его сжимаемость, но выше теплопроводность. Таким образом, главными при получении теплоизоляционных материалов являются различные технологические приемы, обеспечивающие получение материалов высокопористой структуры с преобладанием замкнутых, равномерно распределенных пор малого диаметра.
Теплоизоляционные материалы классифицируют по следующим признакам:
- по виду основного исходного сырья: органические и неорганические;
- по структуре: волокнистые, ячеистые и зернистые;
- по форме: рыхлые, плоские, фасонные и шнуровые;
- по горючести: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые (группа горючести, к которой относятся отдельные виды материалов и изделий, указывается в соответствующих ГОСТ);
- по классам теплопроводности:
• класс «А» (низкой теплопроводности - коэффициент теплопроводности при температуре 25 °С 0,06 Вт/(м-К));
• класс «Б» (средней теплопроводности 0,06 < 0,115 Вт/(м-К));
• класс «В» (повышенной теплопроводности 0,115 < 0,175 Вт/(м-К));
- в зависимости от средней плотности: особо низкой плотности (ОНП), марки: 15, 25, 35, 50, 75, (кг/м3, не более); низкой плотности (НП), марки: 100, 125, 150, 175 (кг/м3, не более); средней плотности (СП), марки: 200, 225, 260, 300, 350 (кг/м3, не более) и плотные (Пл), марки: 400, 450, 500 (кг/м3, не более);
- по деформативности (сжимаемости): мягкие (М), £ >30 % под удельной нагрузкой 0,002 МПа; полужесткие (П), (6 % < £ < 30 %), жесткие (Ж), (£< 6 %), повышенной жесткости (ПЖ), £ < 10 % под удельной нагрузкой 0,04 МПа; твердые (Т), £ < 10 % под удельной нагрузкой 0,1 МПа.
Ниже рассматриваются основные органические теплоизоляционные материалы на полимерной основе [4].
Газонаполненные пластмассы представляют собой двухфазные системы, состоящие из полимерной матрицы и равномерно диспергированной в ней газовой фазы. По структуре их можно подразделить
на две группы: с замкнутыми ячейками - пенопла-сты, и с сообщающимися между собой ячейками -поропласты. Пористость газонаполненных пластмасс составляет 90-98 %. Образование пористой структуры осуществляют химическим и физическим способами. Химический способ заключается в том, что газообразование происходит в результате химического взаимодействия компонентов смеси, а физический - в результате термического или каталитического разложения вводимых в композицию газообразующих веществ или испарения при нагревании легкокипящих компонентов (порофоров).
Многие газонаполненные пластмассы сочетают в себе высокие теплоизоляционные свойства с хорошими прочностными и эксплуатационными показателями. Поэтому они находят все большее применение в строительстве. Наибольшее распространение имеют пенопласты на основе фенолоформальдегидных и полистирольного полимеров.
Эффективность применения пенопластов можно продемонстрировать следующим примером: 1 м2 утеплителя в навесных стеновых панелях из пенопласта весит 1,5-2 кг, а из минераловатной плиты или ячеистого бетона - 25-65 кг.
Основным недостатком газонаполненных пластмасс является их низкая теплостойкость и горючесть с выделением токсичных продуктов.
Пенопласт на основе фенолоформальдегидных смол получают из жидких резольных фенолофор-мальдегидных полимеров и вспенивающего агента, представляющего собой смесь соляной и ортофос-форной кислот с мочевиной.
Полистирольный пенопласт изготавливают чаще всего беспрессовым способом из суспензионного (бисерного) полистирола в виде гранул 0,53 мм, содержащего в качестве порофора мономер изопентан.
Пенопласты на основе полиуретана получают в результате сложных реакций, протекающих при смешивании полиэфира, диизоцианата и воды в присутствии порообразавателей, катализаторов и эмульгаторов. Пенополиуретаны занимают одно из первых мест среди полимерных теплоизоляционных материалов. Они выпускаются в виде жестких и эластичных изделий. Для теплоизоляции применяют в основном жесткие изделия, а эластичные - в качестве гермети-ков. Основные характеристики пенопластов [5] приводятся в табл. 2.
Перспективными представляются пенопласты, получаемые вспениванием на месте укладки из заливочных фенолоформальдегидных и полиуре-тановых композиций (однако следует помнить о токсичности соединений, входящих в их состав).
Выводы
Статистические данные подтверждают настоятельную необходимость расширения использования полимерных теплоизоляционных материалов в строительстве. При выборе конкретного полимерного тепло-
идииииии
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 27 =
Таблица 2
Основные характеристики некоторых пенопластов
Пенопласты на основе Марка по средней плотности Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) Предел прочности, МПа
изгиб сжатие
фенолоформальдегидных смол 50, 75, 100 0,04-0,047 0,06-0,26 0,11-0,5
кремнийорганических соединений (пенопласт марки К-40) 260 0,043 0,58 0,95
полистирола 15, 20, 25, 30, 40 0,037-0,04 0,07-0,08 0,1-0,4
пенополистирола марки ПС-1 75-225 0,03-0,044 - 0,3-3,0
полиуретана 100-200 Около 0,056 0,4-0,65 0,55-2,2
изоляционного материала необходимо хорошо представлять и учитывать его свойства, на которые влияют состав и структура материала. Зная пористость, среднюю плотность и вид полимера по отношению к теплу (термопластичный или термореак-
тивный), уже можно прогнозировать свойства теплоизоляционного материала, в том числе коэффициент теплопроводности и предельную температуру применения, и избежать досадных ошибок в его применении.
Литература
1. Баженов Ю. М., Король Е. А., Ерофеев В. Т., Митина Е. А. Ограждающие конструкции с использованием бетонов низкой теплопроводности. - М.: АСВ, 2008. - 319 с.
2. СНиП 11-3-79*. Строительная теплотехника. Сайт Gostrf. Госты, стандарты, нормативы. [Электронный ресурс]. Код доступа: http://www.gostrf.eom/Basesdoc/1/1896/index.htm
3. Коноплев С. Н., Кузьмин В. И., Лукьянчик Г. В., Тихонов В. Б. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. СПб.: МО РФ, 2006. - 497 с.
4. Худяков В. А., Прошин А. П., Кислицына С. Н. Современные композиционные строительные материалы. -Ростов н/Д.: Феникс, 2007. - 220 с.
5. Пособие по физико-механическим характеристикам строительных пенопластов и сотопластов. - М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1977. - 79 с.
Features of the use of modern polymer-based insulating materials
V. B. Tikhonov, M. P. Kolesnichenko
Rational use of insulation materials in construction to reduce the need for basic building materials, reduce the weight of enclosing structures (walls, roofs, etc.) to reduce fuel consumption for heating build-
Keywords: insulation, heat loss, heat resistance, thermal conductivity
ДМИЭИИИ1И
