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