CC BY
32УДК 678.71:692.415
Н.Д. СЕРЕБРЕННИКОВА1, канд. техн. наук, заведующая лабораторией долговечности строительных материалов и герметизации, С.И. БОЯРИНОВ1, старший научный сотрудник лаборатории долговечности строительных материалов и герметизации; С.И.ФЕДОТОВ2, канд. техн. наук, руководитель отдела Инновации в строительстве, Г.В. АФАНАСЬЕВА2, канд. хим. наук, специалист по развитию бизнеса Tyvek®
1 ГУП «НИИМосстрой» (119122, Москва, ул. Винницкая, 8)
2 ООО «Дюпон Наука и Технологии» (127614, Москва, ул. Крылатская, 17 а, стр. 3)
Влияние воздействия ультрафиолетового облучения и циклических воздействий температуры на долговечность полимерных микропористых материалов для строительства кровельных и стеновых конструкций
Представлены сравнительные испытания различных видов диффузионных мембран методом искусственного старения путем воздействия ультрафиолетового облучения и циклических воздействий температуры. Показана зависимость прочностных показателей и гидроизоляционных свойств в зависимости от времени воздействия. На основании экспериментальных данных установлено, что долговечность (срок службы) ветрозащитных мембран из полиэтилена флэш-спанбонд (производства Люксембург) составляет более 20 лет эксплуатации. Образцы ветрозащитных мембран: трехслойная микропористая мембрана российского производства и трехслойная микропористая мембрана с двумя слоями полипропиленового спанбонда иностранного производства оказываются недостаточно стойкими к климатическим воздействиям. Долговечность этих мембран по результатам ускоренных циклических испытаний составляет менее 10 лет. Различие в результатах ускоренного старения полимерных материалов связано с различной структурой, толщиной функционального слоя и наличием/отсутствием антиоксидантов и УФ-стабилизаторов, которые защищают полимер от разрушения под воздействием температуры и УФ-излучения. В связи с этим представляется целесообразным и актуальным определять стойкость полимерных мембран, используемых в строительстве кровли и стеновых ограждающих конструкций, к воздействию УФ и высокой температуры.
Ключевые слова: диффузионная мембрана, долговечность, УФ-облучение, временная кровля.
N.D. SEREBRENNIKOVA1, Candidate of Technical Sciences, Head of Building materials' durability and sealing laboratory, S.I. BOYARINOV1, senior researcher, Building materials' durability and sealing laboratory; S.I. FEDOTOV2, Candidate of Technical Sciences, Head of Innovations in construction department, DuPont Science and Technologies, Ltd, G.V. AFANASIEVA2, Candidate of Chemical Sciences, specialist in business development, Tyvek®
1 SUE "NIIMosstroy" (8, Vinnitskaya Street, Moscow, 119122, Russian Federation)
2 DuPont Science and Technologies, Ltd (Structure 3, 17a, Krylatskaya Street, Moscow, 127614, Russian Federeation)
The impact of exposure to ultraviolet radiation and cyclical influences of temperature on the durability of microporous polymeric materials for construction of roofing and wall structures
Comparative tests of different types of diffusion membranes with the use of the artificial aging method by means of exposure to ultraviolet radiation and cyclic influence of different temperatures are presented. The dependence of strength indexes and waterproofing properties on time of exposure is shown. On the basis of experimental data it is established that the durability (service life) of wind-protective membranes made of flash-spunbond polyethylene (produced in Luxemburg) is over 20 years of operation. The following wind-protective membranes - a three-layer microporous membrane of Russian production and three-layer microporous membrane with two layers of spunbond polypropylene of foreign production - are insufficiently resistant to climatic influences. Durability of these membranes according to the results of accelerated tests is less than 10 years. The difference in the results of accelerated aging of polymeric materials is associated with different structure, thickness of a functional layer and the presence/ absence of antioxidants and UV-stabilizers, which protect the polymer from destruction under the influence of temperature and UV- radiation. In connection with this it is reasonable and actual to determine the stability of polymeric membranes used in construction of roofs and wall enclosing structures to the UV-radiation and high temperature. Keywords: diffusion membrane, durability, UV-radiation, temporary roof.
В последние годы появилось большое количество производителей, предлагающих ветрогидроизоляци-онные полимерные материалы для строительства — диффузионные мембраны, микропористые материалы, микроперфорированные пленки. При выборе категории материалов для испытаний были приняты гидроветроизоляционные материалы, которые монтируются непосредственно на утеплитель без дополнительного вентиляционного зазора, что связано с распространением таких технологий монтажа на российском строительном рынке. Основная функция таких материалов в защите утеплителя от внешней влаги и воздействия ветра, выведение водяных паров из конструкции, а также предотвращение эмиссии волокон утеплителя. При этом стоимость материалов варьируется в очень широком диапазоне. В данном исследова-
нии представляло интерес проведение сравнительных испытаний разных категорий материалов, присутствующих на рынке и дифференцирование их в процессе эксплуатации в зависимости от стойкости и долговечности, а также сохранение необходимых свойств (водонепроницаемость и прочность материала) при эксплуатации.
Целью данной работы была оценка стойкости к климатическим воздействиям ветрозащитных мембран различных марок ветрогидроизоляционных материалов, применяемых в кровельных и стеновых конструкциях, по результатам ускоренных испытаний в течение 24 условно-годовых циклов старения в соответствии с ГОСТ 30973—2002. Работа проводилась в лаборатории долговечности строительных материалов и герметизации ГУП «НИИМосстрой».
Таблица 1
Режим Орошение соляным раствором Облучение УФ, ч Орошение щелочным раствором Замораживание, ч Орошение кислым раствором Нагрев Длительность цикла, ч
III - 3 - 3,5 - 15 21,5
Примечания: 1. Температура выдержки при замораживании для режима III - минус 30оС; минус 50оС - каждый шестой цикл. 2. Температура выдержки при нагреве для всех режимов - (60±2)°С при относительной влажности воздуха (90-100%).
В качестве образцов для испытаний были выбраны изоляционные материалы, которые монтируют непосредственно на утеплитель. В эксперименте были использованы: диффузионная мембрана из полиэтилена флэш-спанбонд ПЭ (производство Люксембурга), трехслойная микропористая мембрана ПП1 (производство РФ) и трехслойная микропористая мембрана с двумя слоями полипропиленового спанбонда ПП2 (иностранное производство). Образцы мембран — полотна шириной 1,5 м (акт отбора образцов от 17 мая 2013 г.). Для испытаний было подготовлено по 6 образцов размерами 300x250 мм и по одному образцу размерами 200x200 мм каждой марки ветрозащитных мембран.
Испытания на стойкость к климатическим воздействиям проводили в соответствии с нормативным документом, предназначенным для испытания полимерных материалов, эксплуатирующихся в естественных условиях (ГОСТ 30973—2002 «Профили поливинилхлорид-ные для оконных и дверных блоков. Метод определения сопротивления климатическим воздействиям и оценки долговечности).
Сущность метода заключается в определении изменений характерных показателей старения материала в процессе циклического влияния положительных и отрицательных значений температуры, влажности, ультрафиолетового облучения и слабоагрессивных химических растворов, имитирующих критические эксплуатационные нагрузки.
При испытании ветрозащитных мембран в режим климатических воздействий были внесены некоторые изменения. Исключено действие агрессивных сред как не имеющих место в условиях эксплуатации ветрозащитных мембран. Дополнительно материал подвергали УФ облучению в течение 24 ч перед проведением циклических испытаний образцов по принятому режиму для имитации условий эксплуатации мембраны в качестве временной кровли или покрытия стен до монтажа кровельного или фасадного покрытия.
Общее количество УФ-излучения в аппарате искусственной погоды (АИП) в течение 24 ч составляло по-
Рис. 1. Макроструктура поверхности ветрозащитной мембраны: образец 2 (ПП1) после 24 циклов испытаний
рядка 2000 Вт/(м2.ч) (интенсивность УФ-излучения в АИП 70-80 Вт/м2), это соответствует примерно 2—4 неделям воздействия солнца в июле на поверхность кровли или стеновой конструкции для широты Москвы (ГОСТ 16350-80).
В качестве характерных показателей старения при определении стойкости к климатическим условиям и оценке долговечности были приняты следующие:
— разрывная сила при растяжении в продольном направлении на образцах-полосках размером (300x50) мм;
— разрывная сила при растяжении в поперечном направлении на образцах-полосках размером (300x50) мм;
— водонепроницаемость при давлении 0,001 МПа в течение 72 ч.
Материал считается выдержавшим испытание в течение определенного количества циклов, если разрывная сила при растяжении в поперечном и продольном направлениях не изменялась более чем на 40% от исходного значения и материал при этом оставался водонепроницаем (ГОСТ 30937—2002).
В работе были использованы аппаратура и приборы:
— аппарат искусственной погоды АИП с ксеноновой лампой (ГОСТ 23750—79), обеспечивающий интенсивность УФ-излучения в диапазоне длин волн 280 — 400 нм 70—80 Вт/м2 при (53+2)оС, и с системой периодического орошения образцов водой;
— морозильная камера, обеспечивающая поддержание минус 50оС;
— гигростат с повышенной влажностью (97±3) % при 60оС;
— разрывная машина Инстрон (Англия), обеспечивающая измерение нагрузки с погрешностью не более 1% от измеряемой величины, с автоматической записью кривой нагрузка — деформация; скорость подвижного захвата 1—1000 мм/мин;
— прибор для определения водонепроницаемости образцов (ГОСТ 2678).
Испытание проводилось в течение 24 циклов старения по режиму III (табл. 1), что соответствует 20 годам
Количество испытательных циклов (условных лет)
Рис. 2. Зависимость изменения разрывной силы при растяжении в % от количества циклов испытания: 1 - образец 1 (ПЭ); 2- образец 2 (ПП1); 3 - образец 3 (ПП2); растяжение:----вдоль;- поперек образца
54
март 2014
jVJ ®
Таблица 2
Наименование показателя Материал Исходные значения После 12 циклов После 24 циклов
Фактические данные Изменение показателя,% Фактические данные Изменение показателя,0/.
фактич. норма фактич. норма
Разрывная сила при растяжении в продольном направлении на образцах-полосках (300x50) мм, МПа Образец 1 (ПЭ) 1,62 1,61 0,6 Не более 40 1,44 1,11 Не более 40
Образец 2 (ПП1) 1,5 0,63 5,8 0,39 7,4
Образец 3 (ПП2) 2,11 1,61 2,36 1,42 3,27
Разрывная сила при растяжении в поперечном направлении на образцах-полосках (300x50) мм, МПа Образец 1 (ПЭ) 1,17 1,13 0,34 1 1,45
Образец 2 (ПП1) 0,93 0,37 6,02 0,29 6,88
Образец 3 (ПП2) 1,46 0,104 2,87 0,86 4,11
Водонепроницаемость при давлении 0,001 МПа в течение 72 ч Образец 1 (ПЭ) Отсутствие признаков проникновения воды Нет признаков проникновения воды Не изменился Нет признаков проникновения воды Не изменился
Образец 2 (ПП1) Отсутствие признаков проникновения воды Нет признаков проникновения воды Не изменился Нет признаков проникновения воды Не изменился
Образец 3 (ПП2) Отсутствие признаков проникновения воды Нет признаков проникновения воды Не изменился Нет признаков проникновения воды Не изменился
эксплуатации материала в климатических условиях со среднемесячной температурой воздуха в январе -20оС (ГОСТ 30973-2002).
Характерные показатели определяли по ГОСТ 2678. Испытание образцов выполняли при растяжении со скоростью 500 мм/мин.
Результаты визуального обследования после 24 циклов ускоренных испытаний показали, что образцы сохранили целостность размеров, отсутствуют трещины, дефекты, не отмечено изменений цвета.
Результаты испытаний образцов ветрозащитных мембран после 12 и 24 циклов климатических воздействий приведены в табл. 2.
Полученные результаты показывают, что образец 1 (ПЭ) является стойким к климатическим воздействиям. После 24 циклов старения показатели силы при растяжении в поперечном и продольном направлениях изменяются на 11-14%, что значительно ниже предельно допустимого значения (ГОСТ 30973-2002). Мембрана водонепроницаема при давлении 0,001 МПа в течение 72 ч при испытании по ГОСТ 2678.
Ветрозащитные мембраны образцов 2 (ПП1) и 3 (ПП2) оказываются недостаточно стойкими к климатическим воздействиям. У образца 2 (ПП1) существенно снижаются прочностные показатели в поперечном и продольном направлениях: после 12 циклов испытаний они изменяются на 58-60%, что ниже предельно допустимого значения, равного 40%. После 24 циклов отмечается дальнейшее снижение разрывной силы при растяжении этой мембраны на 69-74%, что связано с разрушением защитного слоя нетканого полипропилена; это хорошо видно на фотографии, сделанной на оптическом микроскопе (рис. 1).
Изменения характерных прочностных показателей образца 2 после 12 циклов климатических воздействий находятся в пределах нормы. После 24 циклов изменение показателя разрывной силы при растяжении в по-
перечном направлении несколько превышает норму, снижается на 41,1. Кроме того, при испытании на водонепроницаемость (ГОСТ 2678) при давлении 0,001 МПа в течение 72 ч отмечается проникновение воды по периметру образцов. При испытании образца при давлении 0,002 МПа в течение 2 ч отмечается проникновение воды по всей площади образца.
При исследовании образцов 2 и 3 отмечается понижение адгезии между слоями, уменьшение силы сцепления между ними, наблюдается расслоение образцов при испытании на растяжение. Данные изменения у образца 1 не зафиксированы в связи с монослойной структурой.
На основании экспериментальных данных по результатам 24 циклов ускоренных испытаний (режим III, ГОСТ 30973-2002) долговечность ветрозащитных мембран образца 1 составляет более 20 лет эксплуатации. Ветрозащитные мембраны образцов 2 и 3 оказываются недостаточно стойкими к климатическим воздействиям. Долговечность этих мембран по результатам ускоренных циклических испытаний составляет менее 10 лет эксплуатации.
Зависимость изменения разрывной силы при растяжении (вдоль и поперек) от количества циклов представлена рис. 2.
Выводы
Различие в результатах ускоренного старения полимерных материалов связано с различной структурой, толщиной функционального слоя и наличием/отсутствием антиоксидантов и УФ-стабилизаторов, которые защищают полимер от разрушения под воздействием температуры и УФ-излучения. В результате воздействия ультрафиолетового излучения и повышенной температуры в массе полимера начинаются процессы термоокислительной и фотохимической деструкции, которые протекают по свободнорадикальному механизму и характеризуются появлением активных центров. Данные про-
цессы, их механизм и способ стабилизации полимеров описаны в литературе, например [1, 2, 3, 4, 5].
В условиях реальной эксплуатации строительной мембраны в описанном выше процессе участвует атмосферный кислород, под действием которого полимерная цепь начинает разрушаться. После монтажа кровельного покрытия или облицовки данные процессы замедляются в полимерной массе мембраны, но при этом не прекращаются. Отсутствие антиоксидантов и УФ-стабилизаторов неблагоприятно сказывается на долговечности полимерных материалов, что описано в работах [6, 7, 8] на примере полимеров различного назначения.
В связи с этим представляется целесообразным и актуальным определять стойкость полимерных мембран, используемых в строительстве кровли и стеновых ограждающих конструкций, к воздействию УФ и высоких значений температуры. Данный показатель особенно важен для материалов, которые используются в качестве временной кровли. Учитывая, что производители в качестве срока использования мембран как временной кровли заявляют 3—4 месяца, данный показатель соответствует примерно 250 ч УФ-облучения в АИП при использовании мембраны в кровельной конструкции и 200 ч УФ-облучения в АИП для стеновых конструкций южной ориентации в летний период (ГОСТ 16350-80). Климат СССР. Районирование и статистические параметры для технических целей). Данные результаты могут быть использованы при разработке методики испытаний изоляционных полимерных материалов на долговечность для повышения качества и срока службы конструкции.
Список литературы / References
1. P. Vink and Th.J. van Veen The Mechanism of U.V.
Stabilization of polypropylene films by 2-Hydroxy-4-
octyloxybenzophenone. European Polymer Journal. Vol. 14, pp. 533-537.
2. L. Audouin, S. Girois, L. Achimsky and J. Verdu. Effect of temperature on the photooxidation of polypropylene films. Polymer Degradation and Stability. 1998. Vol. 60, pp. 131-143.
3. Abdelkader Dehbi, Amar Bouaza, Ahmed Hamou, Boulos Youssef, Jean Marc Saiter. Artificial ageing of tri-layer polyethylene film used as greenhouse cover under the effect of the temperature and the UV-A simultaneously. Materials & Design. 2010. Vol. 31. No. 2, pp. 864-869.
4. J.W. Chin, T. Nguyen, X. Gu, E. Byrd, J. Martin. Accelerated UV weathering of polymeric systems: recent innovations and new perspectives. Journal of Coatings Technology. 2006. No. 3, pp. 20-26.
5. Alexandre Francois-Heude, Emmanuel Richaud, Eric Desnoux, Xavier Colin. Influence of temperature, UV-light wavelength and intensity on polypropylene photothermal oxidation. Polymer degradation and stability. 2014. No. 100, pp. 10-20.
6. Grassi N., Skott Dzh. Destruktsiya i stabilizatsiya polimerov [Degradation and Stabilization of Polymers]. Moscow. Mir. 1988. 446 p.
Грасси Н., Скотт Дж. Деструкция и стабилизация полимеров / Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 446 с.
7. Zaikov G.E. Ageing and stabilization of polymers. Uspekhi khimii. 1991. Vol. 60. № 10, pp. 2220-2249.
Зайков Г.Е. Старение и стабилизация полимеров // Успехи химии. 1991. Т. 60. № 10. С. 2220-2249.
8. S.W. Bigger, J. Scheirs, O. Delatycki. Effect of light intensity on the photooxidation kinetics of high-density polyethylene. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 1992. No. 30, pp. 2277-2280.
9. F. Gugumus. Effect of temperature on the lifetime of stabilized and unstabilized PP films. Polymer degradation and stability. 1999. No. 63, pp. 41-52.
научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js 56 март 2014 Ы *
