CC BY
247
УДК 67.15.55
СТРОИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
О. А. Голубчиков
Ивановский государственный химико-технологический университет ООО «Технофом», Иваново
В статье представлен обзор свойств теплоизоляционных материалов, применяемых в гражданском и промышленном строительстве. Сопоставлены характеристики традиционных и вновь разработанных теплоизоляционных материалов.
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, свойства, обзор, пенлит,
техфом, получение.
Отечественный опыт, как и опыт передовых стран в реализации проблемы энергосбережения показывает, что наиболее эффективным путем ее решения является сокращение потерь тепла через ограждающие конструкции зданий, сооружений, промышленного оборудования, тепловых сетей.
Применение современных теплоизоляционных материалов ведет к значительному сокращению потребления тепла, как в сфере производства строительных материалов, строительных работах, так и в сфере эксплуатации объектов гражданского и промышленного строительства.
Организация производства достаточного количества теплоизоляционных материалов для всех видов гражданского и промышленного строительства может в значительной степени снизить объем инвестиций в развитие производства строительных материалов, в строительство и развитие топливно-энергетической базы.
Посчитано, что строительство с использованием современных теплоизоляционных материалов, включая затраты на их разработку и строительство заводов, в три-четыре раза эффективней, чем традиционное строительство, ведущее к энергоемкому производству строительных материалов, освоению новых месторождений топлива, его добыче, транспортировке, переработке и сжиганию.
Распределение объемов выпуска утеплителей по стране характеризуется значительной неравномерностью. Ряд
крупных регионов, таких как Архангельская, Калужская, Костромская, Орловская, Кировская, Астраханская, Пензенская, Курганская и другие области, Республика Марий Эл, Чувашская республика, Калмыкия, Адыгея, Карелия, Бурятия и другие не имеют своего производства эффективных теплоизоляционных материалов. Многие регионы страны производят утеплители в явно недостаточном количестве.
Относительно благополучным является Северо-Западный регион, а наибольшие проблемы с утеплителями собственного производства в Северном, Приволжском, Южном и Западно-Сибирском регионах.
В настоящее время структура объемов выпуска утеплителей в России близка к структуре, сложившейся в зарубежных странах, где волокнистые утеплители занимают примерно 60 % от общего выпуска теплоизоляционных материалов.
До периода рыночных реформ большая часть объема выпускаемых теплоизоляционных изделий была ориентирована на их промышленное использование, а интересы жилищного строительства, особенно индивидуального, оставались на втором плане. В настоящее время номенклатура выпускаемой продукции все больше отвечает условиям жилищного строительства, где наряду с традиционным требованием низкой теплопроводности появляются требования по прочности, долговечности, био-, водо- и атмосферо-стойкости.
Необходимо отметить, что в России потребность только жилищного сектора строительства в эффективных утеплителях в 2010 году может составить 25-30
3
млн. м .
Следует признать, что качество и ограниченная номенклатура отечественных утеплителей, выпускаемых многими предприятиями Российской Федерации, не отвечает нуждам жилищного строительства. Это позволяет ведущим фирмам западных стран успешно продавать свою продукцию на рынках России (до 60 % в 2005 - 2009 г.г.). Показательны в этом отношении данные, представленные в разделе «Информационная система по строительству» портала «Ноу-хаус.ру» [1].
Вместе с тем, отечественное производство вполне способно реализовать политику импортозамещения на весь объем строительства. Массовое жилищное строительство не может ориентироваться на зарубежные поставки. Потребность
этого сектора в эффективных утеплителях ежегодно возрастает и должна быть удовлетворена, в основном, за счет отечественных производителей.
С химической точки зрения, теплоизоляционные материалы можно разделить на три группы: полимерные органические, минеральные и композиционные. Для целей строительства в основном производятся полимерные и композиционные теплоизоляционные материалы. Так называемые неорганические волокнистые теплоизоляционные изделия, в большинстве случаев, для обеспечения механической прочности в качестве связующего содержат органические смолы и, следовательно, должны классифицироваться как композиционные. Характеристики основных типов строительных теплоизоляционных материалов под их торговыми наименованиями, обозначениями и ценами суммированы в табл. 1.
Характеристики теплоизоляционных материалов3
Таблица 1
Т еплоизолятор 1, мВт/(м-К) ПБ й?, кг/мЗ (7, Па Т -Т 1 шш 1 шах Цена, руб/м3
ПСБ-С-15 41 Г4, ВЗ, ДЗ 10 50 -60 - 65 1100
ПСБ-С-50 40 Г4, ВЗ, ДЗ 50 200 -60 - 65 2600
ШЗАХРБ 34 Г4, ВЗ, ДЗ 45 500 -50 - 80 3,800
ПС-4-60 28 Горюч. 40 650 -65 - 70 11600
ППУ напыл. 36 Г4, ВЗ, ДЗ 8 50 -50-120 16000
ППУ пресс. 30 ГЗ,ВЗ, ДЗ 22 120 -50-120 14200
Пенлит-120 33 Г1,В1,Д1 120 120 -50-120 3700
Пенлит-150 38 Г1,В1,Д1 150 150 -50-120 4300
Изовер КТ40 41 Г1 11 3 -60 - 650 1560
Изовер ОГ-Р 39 нг 80 40 -60 - 250 5200
Термобазальт РГ35 37 нг 35 1,5 -60 - 950 1650
Жесткие баз. плиты 41 нг 200 70 -60 - 250 6500
Техфом-120 35 нг 120 250 -50 - 70 4100
Техфом-150 40 нг 150 500 -50 - 70 5400
а ПБ - характеристики пожарной безопасности, X - коэффициент теплопроводности, сі - плотность, а - предел прочности при сжатии, Тт]іГТта^ температурный интервал эксплуатации
Следует отметить, что нередко про- онных материалов, как правило, умалчи-
изводители и дилеры завышают потреби- вая об их недостатках. В связи с этим не-
тельские характеристики теплоизоляци- обходимо отметить, что теплопровод-
ность вспененных материалов определяется природой полимера лишь в малой степени, а в основном размерами пор [2], свойствами газа их заполняющих, характером пористости (открытая - закрытая) и содержанием влаги в изоляторе в условиях его эксплуатации. Принимая во внимание длительный срок эксплуатации строительных теплоизоляторов, следует
Температурная зависимость коэ
заключить, что каким бы газом поры не заполнялись в процессе производства, со временем это будет воздух. Таким образом, коэффициент теплопроводности те-плоизолятора не может быть ниже, чем у воздуха, и он растет с увеличением температуры. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности воздуха [3] представлена в табл. 2.
Таблица 2 иента теплопроводности воздуха
Т, °С 1, мВт/(м-К) Т, °С X, мВт/(м-К) Т, °С 1, мВт/(м-К) Т, °С X, мВт/(м-К)
-150 11,6 40 27,1 140 34,3 250 42,1
-100 16,0 60 28,5 160 35,8 300 45,4
-50 20,4 80 29,9 180 37,2 350 485
0 24,3 100 31,4 200 38,6 400 51,5
20 25,7 120 32,8
Среди строительных теплоизоляционных материалов на органической основе наибольшее распространение получили вспененные полимеры, пенополистрол, обычно называемый просто пенопластом, пенополиуретан, пеноизол (полимер, получаемый кислотным отверждением вспененной мочевино-формальдегидной смолы) и пенополиэтилен. Эти строительные теплоизоляторы перечислены в порядке убывания объемов их использования, причем области применения пенополи-этилена в строительстве весьма ограничены.
Основная масса пенополистирола производится методом спекания его вспененных гранул при повышенной температуре. Под названием пенопласт он производится в виде плит различной плотности под марками ПСБ-15, ПСБ-25 и др., где цифры характеризуют плотность материала. Пенопласт отличается чрезвычайно высокой пожарной опасностью. Чтобы в какой-то мере ее понизить в состав полимера вводятся антипирены. Такие материалы в обозначении марки содержат букву С, например ПСБ-С-15. В последнее время освоено промышленное производство теплоизоляционных материалов из экструдированного пенополистирола
URSA XPS, XPS Технониколь URSA N-III-I, и во Владимире (ООО «Инкомпен») налажено производство пенополистирола, получаемого вспениванием под высоким давлением (пенопласты типа ПС). По сравнению с ПСБ эти материалы отличаются существенно более высокой механической прочностью и улучшенными показателями пожарной безопасности. Основная область применения изделий на основе пенополистирола - термоизоляция ограждающих конструкций зданий и сооружений.
Вспененный пенополиуретан производится двумя способами: напылением и вспениванием в пресс-формах. При сравнимых теплоизоляционных характеристиках материалы, полученные вспениванием под давлением, по механической прочности на порядок превосходят напыленную изоляцию. В основном пенополиуретан используется как теплоизолирующий материал трубопроводов горячего теплоснабжения.
Теплоизоляционные материалы на основе вспененных полимеров обладают принципиально неустранимым недостатком. Независимо от способа получения они горючи и обладают чрезвычайно высокой пожарной опасностью. Общеизвестны
стификатора, пеноизол стареет и проседа-
примеры двух пожаров. В 1993 г. полностью сгорела утепленная пенополистиро-лом кровля цеха двигателей КАМАЗА. 440 тыс м2 за 4 часа! В клубе «Хромая лошадь» горел пенополистирол, и пожар продолжался всего лишь 3 минуты!
Существенно, что при пиролизе пенополистирол выделяет сильнотоксичные, а пенополиуретан ядовитые газообразные продукты - синильную кислоту и органические цианиды.
Пеноизол получают холодным отверждением вспененной мочевино-формальдегидной смолы марки ВПСГ под действием кислотного катализатора, обычно фосфорной кислоты. Этот теплоизоля-тор имеет очень низкие показатели механической прочности и поэтому может использоваться только в качестве заливочного. Вспененную смолу в стадии отверждения заливают под небольшим давлением в полости строительных конструкций. Несмотря на то, что в состав смолы ВПСГ при ее производстве вводится поливиниловый спирт, выполняющий функцию пла-
ет. В результате через 5-7 лет эксплуатации в строительных конструкциях, термоизолированных пеноизолом, появляются тепловые мостики, резко снижающие сопротивление теплопередачи.
В последнее время получен новый теплоизоляционный материал на основе вспененной мочевиноформальдегидной смолы под торговым названием «пенлит» [4, 5]. Благодаря высокой доле азота и кислорода, приходящегося на один атом углерода в составе этого полимера, он не способен к самостоятельному горению и в условиях пожара разлагается, не выделяя токсичных продуктов. Относительно высокая термостойкость пенлита и безопасность в пожарном отношении позволяет использовать изделия из него для термоизоляции трубопроводов горячего теплоснабжения и технологических трубопроводов, в том числе на пожароопасных химических и нефтехимических предприятиях (рис.1). Существенно, что стоимость теплоизоляционных «скорлуп» из пенлита вдвое ниже, чем пенополиуретановых.
Рис. 1. Фотографии трубопроводов Ярославского НПЗ, изолированные пенлитом,
белый цвет, Ду 159 и 210 мм,
Пенлит получают холодным отверждением вспененной мочевиноформальдегидной смолы под действием фосфорной или разбавленной серной кислоты. В 100-литровый реактор заливают 8-12 литров мочевиноформальдегидной смолы (КФМТ, ВПСГ или их анало-
ги), засыпают -200 г асбеста, добавляют 250 - 280 мл пенообразователя № 3 (30%-ный водный раствор триэтаноламмоний-ной соли л аур ил сульфата), 250 - 300 г пластификатора - низко- или высокомолекулярного органического соединения, по химической природе представляюще-
го собой полиол, карбоновую или поли-карбоновую кислоту, и взбивают пену при скорости вращения мешалки -750 об/мин. Когда объем пены достигнет 70 л в нее вливают 280 - 310 мл разбавленной серной кислоты (й = 1, 27 г/мл) и через 5 -7с пену выливают в форму, прижимая пуансоном.
Количество смолы, которую заливают в реактор, определяет плотность и механическую прочность конечного изделия, но в малой степени, его теплоизоляционные характеристики. Как правило, удовлетворительные во всех отношениях характеристики изделий получают из 9-литровой порции смолы. Количество асбеста, выполняющего роль армирующего наполнителя теплоизоляционного материала, определяется его качеством. Так длинноволокнистого асбеста марки А2 при одинаковых механических свойствах конечного продукта требуется вдвое меньше, чем асбеста марки А5 (150 г против 250). Количество отверждающей смолу кислоты определяется температурой пены: чем она выше, тем меньше требуется отвердителя. Следует иметь в виду, что скорость отверждения пены высока, поэтому в пределе температура пены не должна превышать 30 °С.
Среди теплоизоляторов на неорганической основе, используемых в строительстве, следует перечислить шлаковату, материалы на основе базальтового волокна и засыпные теплоизоляторы. Область применения материалы последнего типа, главным образом это вспученный вермикулит, керамзит и перлит, имеют ограниченные области применения и поэтому здесь не рассматриваются.
Шлаковата - морально устаревший материал. Она отличается сравнительно высокой теплопроводностью, гигроскопична и во влажном состоянии коррози-онно активна. Этот теплоизолятор повсеместно замещается более прогрессивными материалами. В настоящее время рынок уверенно завоевывается теплоизоля-
ционными изделиями на основе волокнистых материалов минерального происхождения. Их основное преимущество по сравнению с пенопластами - пожарная безопасность.
Вместе с тем, волокнистые материалы сами по себе неудовлетворительны по механическим показателям. Для этих материалов приводится такой показатель, как сжимаемость, составляющая 30, 40 и даже 60 %. Для обеспечения сколько-нибудь значительной прочности волокна минераловатных материалов связываются теми или иными органическими полимерами, фенолформальдегидной, мочеви-ноформальдегидной и другими смолами.
На практике достаточно широко применяются теплоизоляционные конструкции в виде сэндвичей типа металл-теплоизолятор-металл. Они весьма удобны для быстрого возведения сооружений промышленного назначения. Однако следует иметь в виду, что при воздействии повышенной температуры в условиях пожара органическое связующее тепло-изолятора полностью разрушается, и вся конструкция приходит в негодность.
Новым перспективным минеральным теплоизолятором является материал, получаемый холодным отверждением жидкого стекла, выпускаемый под торговым названием «полифом».
В заводских условиях теплоизоляционные изделия из полифома получают следующим образом. В аппарат-смеси-тель емкостью 1 м заливается 150 л натриевого жидкого стекла, 10 кг асбеста-хризотила и включается мешалка. Через 30с засыпается отверждающий реагент и одновременно, с помощью пеногенерато-ра, подается пена до заполнения аппарата. В качестве отвердителя могут использоваться разнообразные по природе соединения, например описанные в патенте [6]. В сумме при температуре 30 - 40 °С время перемешивания вспененной реакционной массы составляет 6 мин. Затем пена выливается в форму объемом 1 м3,
где выдерживается 2 часа. Первая стадия, отверждение пены, происходит за 25 - 30 мин. За это время пена «схватывается» и становится формоустойчивой. Последующие полтора часа необходимы для того, чтобы можно было разобрать форму и направить полученный параллелепипед на распиловку, которую осуществляют под размеры, заданные заказчиком. Плиты далее направляются в сушильное отделение, где выдерживаются при 30 -35°С в течение 8-12 часов. За это время завершается процесс отверждения материала и плиты достигают воздушно сухого состояния.
При плюсовых температурах окружающей среды термоизоляцию стен жилых и промышленных зданий можно проводить на строительной площадке с помощью передвижной пеногенерирующей установки.
Сочетание пожарной безопасности, высокой теплоизоляционной эффективности (коэффициент теплопроводности 0,035 - 0,040 Вт/(м-К) в зависимости от плотности материала 100 - 200 кг/м3), достаточной механической прочности
(предел прочности при сжатии 120 - 800 Па) гарантирует перспективы широкого применения этого нового теплоизолятора в промышленном и гражданском строительстве.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 10-03-00071 и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2011 годы». ГК 02.740.11.0106.
ЛИТЕРАТУРА
1. http://www.know-house.ru/waterproofing/
2. Кудряшов А. В., Панкратов А. В., Панов С. Ю. и др. Изв. вузов. Химия и хим. технология, 2008. Т. 51. Вып. 2. С. 92-94.
3. http://alldc.ru/articlel47
4. Голубчиков О. А., Щибров Б. Н., Стужина О. В., Попов В. И. Состав для изготовления теплоизоляционного материала. Патент РФ № 2317272 от 26.10.2005. С 2 БИ№ 5 от 20.02.08.
5. Голубчиков О. А., Щибров Б. Н. Тепло-, зву-ко-изоляционные материалы пенлит и пенлит-М. Журн. малые производства. 2006. № 1 (5). С. 30.
6.' Пат. США 3850650 А,С04В 38/00,26.11.1974.
Рукопись поступала в редакцию 24.11.2010.
BUILDING HEAT-INSULATING MATERIALS
О. Golubchikov
The review of building heat-insulating materials properties is presented. The characteristics of traditional and new heat-insulating materials are compared.
Key words: heat-insulating materials, properties, review, penlyt, techfoam, preparation.
