Теплоизолирующее покрытие на основе жидкой фольги и полых микросфер Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 699.86

Ю.Ф. ПАНЧЕНКО, инженер (indyboot@list.ru), Г.А. ЗИМАКОВА, канд. техн. наук,

О.А. СТЕПАНОВ, д-р техн. наук, Д.А. ПАНЧЕНКО, инженер, Тюменский государственный

архитектурно-строительный университет

Теплоизолирующее покрытие на основе жидкой фольги и полых микросфер

В настоящее время приоритетной задачей является реализация национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России». При реализации программы предусматривается повышение надежности и долговечности зданий, обеспечение требуемого микроклимата при одновременном снижении удельного энергопотребления на отопление. Общерос-сийские требования по энергосбережению регламентируют значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

Современные решения по улучшению теплотехнических параметров ограждающих конструкций могут быть реализованы за счет применения специальных рулонных материалов и окрасочных составов, сочетающих в себе теплоизоляционную и теплоотражающую функции. Первые представляют собой основу из вспененного полиэтилена, покрытую с одной или обеих сторон алюминиевой фольгой, способной отражать инфракрасное излучение [1]. Недостатком данного материала является трудность его монтажа, невысокая температурная стойкость полимерной основы и низкая паропро-ницаемость. Вторые являются вязкожидкими композициями, состоящими из стеклокерамических микросфер, связующего, титанового пигмента, пластификаторов и растворителей, которые при нанесении на поверхность ограждающей конструкции образуют тонкопленочное покрытие, обладающее теплоизолирующей способностью за счет низкой теплопроводности микросфер и отражающей способностью за счет титанового пигмента. Отражающая способность титанового пигмента сводится к его белому цвету и является незначи-

тельной. Другой вариант теплоотражающего материала — «жидкая фольга» представляет собой лакокрасочную композицию, содержащую в своем составе алюминиевый пигмент, которая при нанесении на обрабатываемую поверхность образует тонкое покрытие серебристого цвета с высокой степенью блеска. Теплотехническая эффективность такого покрытия обусловливается только его отражательной способностью и является незначительной.

Однако устройство внутренней теплоизоляции путем применения таких материалов приводит к образованию конденсата за счет резкого падения температуры на поверхности стены за теплоотражающим покрытием. Для устранения этого недостатка необходимо выполнять обшивку стены с теплоотражающим покрытием гипсокартонными листами. Это приводит к снижению эквивалентного коэффициента теплопроводности воздуха [2] в воздушной прослойке по сравнению с прослойкой без покрытия, что исключит образование конденсата на внутренней поверхности стены. Варианты рассматриваемых конструкций представлены на рис 1.

Геометрические и физические параметры конструкций представлены в таблице 1.

Расчет конденсации влаги в ограждении выполнен графическим методом. При этом ограждение вычерчивается в масштабе сопротивлений паропроницанию его слоев. Определяется падение температуры в ограждении и по значениям температуры строится линия изменения максимальной упругости водяного пара в ограждении (линия Е). Затем строится линия падения упругости водяного пара (линия е).

Если линии Е и е не пересекаются, то это указывает на отсутствие конденсации водяного пара в ограждении, так как при этом в любой плоскости ограждения действительная упругость водяного пара оказывается ниже максимальной упругости, что исключает возможность его конденсации. Если же линии Е и е пересекаются, то это значит, что в ограждении возможна конденсация.

При расчетах влажностного режима многослойных ограждений описанным методом встречается затруднение в нахождении точек касания линий е и Е, так как при этом между точкой касания и точкой ев линия падения упругости водяного пара может оказаться ломаной.

Таблица 1

Рис. 1. Варианты наружных стеновых конструкций: 1 - гипсокартонный лист; 2 - теплоотражающее покрытие; 3 - воздушная прослойка; 4 -штукатурное покрытие; 5 - кладка из керамического кирпича рядового толщиной 0,38 м; 6 - пенополистирол толщиной 0,05 м; 7 - кладка из керамического кирпича лицевого (толщиной 0,13 м)

Вариант конструкции по рис. 1 Толщина стены, м Сопротивление теплопередаче, м2.С/Вт Сопротивление паропроницанию, Па.ч.м2/мг

а 0,62 3,4 3,88

б 0,6 2,52 3,72

rj научно-технический и производственный журнал

J^J ® август 2012 8э"

--^

Рис. 2. Влажностный режим ограждений

Поэтому в таких случаях точки ев и ен соединяются прямой линией, а при пересечении линии ев и ен с линией Е из этих точек проводятся прямые, касательные к последней. Схемы влажностного режима конструкций представлены на рис. 2.

Прямая, соединяющая точки ев и ен (пунктирная линия), пересекается с линией максимальной упругости водяного пара Е, следовательно, в стенах будет происходить конденсация водяного пара.

Были рассмотрены и другие варианты конструкций, и расчеты свидетельствуют о том, что для обеспечения требуемого для Тюмени сопротивления теплопередаче стены необходимо применять теплоизоляционный материал, при этом материал наружного слоя всегда будет иметь теплопроводность выше, чем промежуточного, что неизбежно приводит к конденсации влаги на границе этих слоев.

Рассмотренные конструкции были выбраны с точки зрения обеспечения требуемого сопротивления теплопередаче и минимального количества конденсирующейся влаги. Количество конденсирующейся влаги незначительное и составляет 0,108 г на 1 м2.

Целью проводимых исследований являлась разработка высокоэффективного теплоизолирующего материала, который обладал бы низкой теплопроводностью, высокой отражающей способностью, был экологически чист, прост в изготовлении и применении, при этом не снижал долговечность стены и улучшал микроклимат в помещении. Все это может быть реализовано за счет применения теплоизолирующего покрытия, состоящего из акрилового полимера, полых алюмосиликатных микросфер, алюминиевого пигмента и добавок. Особое

Таблица 2

Насыпная плотность, кг/м3 Размер (фракция), мм Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С)

400 0,005-0,05 0,105

350 0,05-0,1 0,122

300 0,1-0,35 0,134

Таблица 3

Материал а в с

Вязкожидкая композиция 0,863 0,00125 0,0037

Покрытие 1,298 0,0063 0,0083

Таблица 4

Показатель а в с

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м2-оС) 0,863 0,00125 0,0037

Плотность теплового потока, Вт/м2 1,298 0,0063 0,0083

Таблица 5

Показатель а в с

Плотность теплового потока, Вт/м2 0,035 0,87 39,4

внимание при выборе материалов для внутренней отделки помещений уделяется горючести. Согласно данным [3] теплостойкость полимеров определяют методами термогравиаметрии и дифференциально-термического анализа. При использовании гравиметрии количественной характеристикой термостойкости является температура, при которой начинается интенсивная потеря массы образца, и температура, при которой потеря массы составляет не более 50% от исходной. Для полиакрилатов температура начала интенсивной потери массы составляет 440оС, а температура, при которой потеря массы составляет не более 50% от исходной, — 550оС, что позволяет отнести данное лакокрасочное покрытие к группе горючести Г1.

В качестве алюминиевого пигмента использовалась алюминиевая паста серии Лдиашй КР'^1500, пред-

39,6

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Концентрация микросфер, об.%

Рис. 3. Влияние концентрации микросфер на коэффициент теплопроводности покрытия

38,4

37,2 -

36

ё 34,8

33,6

25 30 35 40 45 50 55 60 Содержание маталлического пигмента, мас.%

65

Рис. 4. Влияние концентрации микросфер на плотность теплового потока

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 84 август 2012 М *

Таблица 6

4 6 8 10 12 14 16 Содержание металлического пигмента, мас.%

18

Рис. 5. Зависимость плотности теплового потока от содержания алюминиевого пигмента

ставляющая собой водную суспензию, содержащую 60% невсплывающего алюминиевого пигмента. В качестве связующего использована водная дисперсия сополимера эфира акриловой кислоты и стирола Асгу!ехтм 430. Входящие в состав покрытия полые алюмосиликатные микросферы должны иметь размер 5—50 мкм.

С целью получения материала с оптимальными теплоизоляционными свойствами было изучено влияние размера и насыпной плотности микросфер на теплопроводность покрытия (при 45% концентрации микросфер), что представлено в табл. 2.

Для того чтобы полученный материал обладал оптимальными теплоизоляционными свойствами, изучено влияние концентрации микросфер и количества пластификатора на плотность лакокрасочной композиции и готового покрытия. С этой целью выполнен полномасштабный двухфакторный эксперимент, относительная погрешность экспериментальной зависимости составляет 3%.

Зависимость плотности от состава материала имеет следующий вид:

р = а-вП-с-МС,

(1),

где а, в и с — эмпирические коэффициенты, приведенные в табл. 3; П и МС — расход пластификатора и микросфер соответственно, %.

В качестве оцениваемых теплотехнических параметров приняты теплопроводность и изменение плотности теплового потока, проходящего через конструкцию при нанесенном на ее поверхность покрытия.

Влияние концентрации микросфер на теплотехнические свойства покрытия изучалось при содержании алюминиевого пигмента 10 % от массы связующего.

Зависимость теплопроводности покрытия от концентрации микросфер представлена на рис. 3. Теплоотражающая способность покрытия в зависимости от концентрации микросфер оценивалась по изменению плотности теплового потока проходящего через конструкцию при нанесенном покрытии. Влияние концентрации микросфер на плотность теплового потока, представлено на рис. 4.

Исследование экспериментальных данных и установление зависимостей теплотехнических свойств покрытия от состава выполнено с использованием программы Лёуепсеё ОгарИег, относительная погрешность эмпирических зависимостей составляет 3,5%.

Теплотехнические характеристики теплоотражающего

Наименование показателя Значение

Плотность в жидком состоянии, кг/м3 700

Плотность покрытия, кг/м3 900

Теплопроводность покрытия, Вт/(м°С) 0,1

Время высыхания до степени 3 при (20±2)оС, ч 1

Укрывистость, г/м2 170

Условная вязкость при температуре (20 ± 0,5)°С по вискозиметру ВЗ-246 диаметром сопла 4 мм, с, не менее 80

Прочность покрытия при растяжении, кгс/см2 8

Адгезия покрытия, МПа к металлу к бетону, кирпичной кладке 0,65 0,82

покрытия в зависимости от содержания алюмосиликат-ных микросфер описываются квадратным уравнением:

у = а-МС2-в-МС + с,

(2),

где а, в и с — коэффициенты квадратного уравнения, представленные в табл. 4; у — коэффициент теплопроводности покрытия или плотность проходящего теплового потока при нанесенном покрытии.

Экстремум функции, при котором плотность теплового потока минимальна, соответствует 48% содержанию микросфер.

Влияние содержания алюминиевого пигмента на плотность теплового потока, проходящего через конструкцию, представлено на рис. 5 и может быть выражено зависимостью:

у = а-АП2-в-АП + с,

(3),

где а, в и с — коэффициенты квадратного уравнения, представленные в табл. 5; у — плотность проходящего теплового потока при нанесении покрытия.

Экстремум функции, при котором плотность теплового потока минимальна, соответствует 12,5 % содержанию алюминиевого пигмента.

В результате проведенных исследований разработано теплоотражающее покрытие, свойства которого представлены в табл. 6.

Таким образом, из вышеизложенного можно сделать вывод, что разработанный теплоотражающий материал на основе акрилового полимера, алюмосиликатных полых микросфер и алюминиевого пигмента при нанесении на внутреннюю поверхность ограждающей конструкции создает покрытие толщиной 0,6—0,9 мм и позволяет повысить термическое сопротивление ограждающей конструкции на 35 %.

Ключевые слова: теплоизоляция, теплоотражение, микросферы, алюминевый пигмент

Список литературы

1. Евсеев Л.Д. Внутреннее и наружное утепление строительных ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2009. № 3. С. 14—15.

2. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. 256 с.

3. Михайлин Ю.А. Тепло-, термо- и огнестойкость полимерных материалов. СПб.: Научные основы и технологии, 2011. 415 с.

2

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® август 2012 85