ПОЛИМЕРНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Воздействие влаги

Очень важным свойством теплоизоляционных строи­тельных материалов является способность их противо­стоять действию влаги и увлажняться при этом в мини­мальной степени. Использование водостойких, негигрос­копичных и паронепроницаемых теплоизоляционных ма­териалов позволяет упростить и, следовательно, удеше­вить строительные конструкции, а также повысить тер­мическое сопротивление теплоизоляционного слоя и снизить эксплуатационные расходы па отопление. До появления пористых полимерных материалов не сущест­вовало столь водостойких и столь долговечных тепло­изоляционных материалов. Чтобы добиться высокой гигроскопичности и надежной паронепроницаемое™ на­ших традиционных теплоизоляционных материалов — стеклянной и минеральной ваты и изделий из них, дре­весноволокнистых и древесностружечных плит, цемент­ного фибролита, ячеистых бетонов н др., необходимо бы­ло устраивать продухи н конструкциях, дополнительные наронзоляцпоппые слои, подвергать специальной обра­ботке поверхности теплоизоляционных материалов, делая их гидрофобными, или применять обвертывание поро - и водонепроницаемыми пленками 'из синтетических мате­риалов. Эти дополнительные сложные и дорогостоящие мероприятия полностью отпадают при использовании для теплоизоляции материалов на полимерной основе.

Отношение материалов к воздействию влаги опре­деляется такими свойствами их, как водопоглощение, гигроскопичность, водостойкость, паронепроницаемость, стойкость при попеременном увлажнении и высушива:- нии и в конечном счете их влажность. В ряде случаев между этими свойствами имеется определенная связь. Например, влажность материала оказывает очень силь­ное влияние на его теплопроводность.

Структура теплоизоляционных материалов является основным фактором, определяющим их поведение при взаимодействии с влагой. Наилучшими гидрофобными свойствами обладают материалы с замкнутопористой структурой, а наихудшими — с открытыми сообщающи­мися порами. Объемный вес материала также является важным фактором при воздействии влаги на поро - и 'пенопласты.

Водопоглощение. Водопоглощение ПТМ может ха­рактеризоваться отношением количества поглощенной воды к общей площади поверхностей всех граней образ­ца (кг/м2) или к объему образца (объемное).

Для определения водопоглощения в кг/м2 используют не менее трех образцов кубической формы размером 30Х30Х30±0,5 мм. Образцы должны иметь ровную по­верхность без видимых дефектов материала, следов ме­ханической обработки и без поверхностной технологиче­ской пленки. Перед испытанием образцы следует высу­шить при 40°С для приближения к постоянному весу.

Выдержку образцов в воде и их гидростатическое взвешивание проводят в прямоугольных рамках (корзи­нах), изготовленных из нержавеющей проволоки. Во избежание всплывания образцов пенопласта к этим рам­кам прикрепляется компактный груз весом около 30 г.

Образцы, измеренные с точностью до 0,1 мм, помеща­ют в проволочные рамки и погружают в дистиллирован­ную воду с температурой 15—20°С. Погруженные образ­цы не должны соприкасаться друг с другом и со стен­ками сосуда. Воздушные пузырьки, появляющиеся на по­верхности образца, снимают с помощью стеклянной па­лочки. По истечении 5 мин проводят первое взвешива­
ние и определяют вес образца с рамкой о грузом в воде Р с точностью до 0,01 г. После 24-ч выдержки образцов в открытом сосуде с водой при втором взвешивании оп­ределяют вес образца с рамкой и грузом в воде Р2.

Водопоглощение Wp в кг/м2 вычисляют по формуле

(28)

За окончательный результат принимается среднее арифметическое из трех измерений.

Для определения объемного водопоглощения из сере­дины трех плит выпиливают по одному образцу разме­ром 50X50X50 мм. Образцы высушивают при 60°С в течение 3 ч, после чего взвешивают с точностью до 0,01 г. Затем образцы опускают в воду с температурой 20±5°С и с помощью груза обеспечивают их полное погружение. Через 24 ч образцы вынимают, протирают фильтроваль­ной бумагой и взвешивают с точностью до 0,01 г.

Водопоглощение образца (U^0) в процентах по объему вычисляют по формуле

К = 100

Где Р[ — вес образца до погружения в воду в г; Pi — вес образца после насыщения водой в г; V — объем образца в см3.

Водопоглощение (объемное) вычисляют как среднее арифметическое результатов трех определений.

Гигроскопичность полимерных теплоизоляционных материалов может колебаться в весьма значительных пределах и зависит в первую очередь от вида применя­емого полимерного материала, его объемного веса, по­ристости и влажности среды: чем выше гигроскопичность материала, тем ниже его теплоизоляционные свойства При испытании материалов на гигроскопичность следует обращать внимание на динамику сорбционного увлажне­ния во времени.

Характерны изменения гигроскопичности различных марок пенополистирола во времени, представленные па рис. 25. Как видно, гигроскопичность этих марок пено­полистирола зависит и от объемного веса: при его умень­шении гигроскопичность пенополистирола марки ПС-4 возрастает, причем особенно резко в период испытании от 14 до 28 суток. Если за первые 7 суток увлажнение не превышало 3%', то за вторые 7 суток оно составляло примерно 5%, а за последующие 14 суток достигло 16%. Гигроскопичность пенополистирола марки ПС-1, несмот­ря на значительную разни­цу объемного веса испытуе­мых образцов, можно счи­тать практически одинако­вой, не имеющей сколь-ли - бо заметных изменений, ни процента влажности, ни ди­намики ее нарастания в пе­риод испытаний.

Наименьшей гигроско­пичностью обладают фено- ло-формальдегидные пено пласты, а наибольшей — мо - чевино-формальдегидиые по- ропласты. Также совершен­но различна динамика их увлажнения во времени. В табл. 7 приведена гигроско­пичность феноло-формаль - дегидного пенопласта и ди­намика ее нарастания в те­чение 14 суток. Данные табл. 7 показывают, что фе- ноло-формальдегидный пенопласт набирает вла! у прак­тически в течение первых 7 суток до достижения равно­весного состояния.

Совсем иную динамику увлажнения имеет весьма рас­пространенный мочевино-формальдегидный поропласт, обладающий минимальным объемным весом и мини­мальной теплопроводностью. На рис. 26 показаны велн-
чины гигроскопичности и динамика насыщения поропла - стов типа «мипора» с объемным весом 11,4 и 9Я кг! м3.

По-видимому, для некоторых поропластов (в том числе и для мочевино-формальдегидных) основное влия­ние на гигроскопичность оказывает не объемный вес, а

Химический состав полимерной основы и структура изделия.

Водостойкость пористых теплоизоляционных материалов характеризуется коэффициен­том водостойкости, который равен отношению прочности образца при 10%-ном сжатии после нахождения его в тече­ние определенного времени п воде, к прочности его при 10%- ном сжатии в сухом состоянии.

Все традиционные теплоизо­ляционные материалы при ув­лажнении значительно снижа - ло-формальдегидные пено - ристики (до 7%). Полимерные материалы являются водостой­кими, особенно пенопласты на основе полистирола, почти не теряющие прочности как после суточного, так и после 28-суточного пребывания в воде.

Паропроницаемость материалов характеризуется спо­собностью пропускать оодяные пары при наличии раз­ности парциальных давлений у поверхностей.

Коэффициент паропроницаемости ц выражается в ZIM-4-Mm рт. ст. и вычисляется по формуле

РЬ

И = ----------- ТПГ' (30)

Со —Л,) F-Z

Где Р — количество водяного пара, прошедшего через образец, в г; Ь — толщина образца в м; 1В и /„ — разность упругостей паров на внутренней и наружной сторонах образцов в мм рт. ст.; F — пло­щадь образца в ж2; г — продолжительность испытания в ч.

Показатели паропроницаемости различных ПТМ значительно отличаются друг от друга и зависят от структуры материала, его пористости и характера пор.

Коэффициенты паропроницаемости различных марок пенопластов и поропластов колеблются в пределах (0,02Я 1,9)10 2 R/м ч мм рт. ст

П-ароироницаемость полимерных теплоизоляционных материалов значительно ниже, чем у других материалов. Это объясняется тем, что у пенопластов, несмотря на высокую общую пористость, количество открытых пор все же меньше, чем у других теплоизоляционных мате­риалов (табл. 8).

ТАБЛИЦА 8. КОЭФФИЦИЕНТ ПАРОПРОНИЦАЕМОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

TOC o "1-3" h z Шлаковая вата.................................................. 300

Цементный фибролит....................................... 320

Древесноволокнистые плиты.......................... 300

Пенополивинилхлорид ПВХ-Э....................................... 220

Пенополистирол ПСБ...................................... 24

Стойкость при переменном увлажнении и высуши­вании теплоизоляционных материалов характеризуется способностью сохранять свою прочность при поперемен­ном увлажнении и высушивании.

Предварительно измеренные и взвешенные образцы погружают в воду. Через 3 ч их вынимают из сосуда, взвешивают и сушат в сушильном шкафу 3 ч при 50°С Образцы замеряют и взвешивают после каждого цикла: все заметные признаки разрушения — трещины, отслаи­вания, выкрашивания ребер и пр. — также фиксируются после каждого цикла.

После установленного числа циклов увлажнения и вы­сушивания образцы испытывают на сжатие для опреде­ления коэффициента стойкости Коэффициент стоп кости ПТМ находится в пределах 0,6—1 и вычисляется по формуле

Ясж

Кс = —— , (31)

"сж

Где Кс — коэффициент стойкости при попеременном увлажнении и высушивании Rcn< — прочность при 10%-ном сжатии до испыта­ния в кгс(см- /?'сж — то же, после 25 циклов в кгс/смS.

На рис. 27 показана зависимость водопоглощения от объемного веса и динамика поглощения и отдачи влаги пепополистиролом. Водопоглощенпе достигает напболь meii величины и первые циклы испытания и в дальнейшем
растет незначительно. Водоотдача при высушивании в первые циклы испытаний примерно в два раза меньше величины водопоглощения.

У пенополивипилхлорида марок ПВХ-1 и ПВХ-2 во­допоглощенне после 25 циклов достигает величины, поч­ти вдвое большей, чем водоотдача, и прочность этих мате­риалов после 25 циклов испытания может значительно снижаться (в пределах 3—34%).

Можно считать, что водоотдача различных материа­лов зависит главным образом от их структуры (порн-

' Loi Lll) М.11ГрИ.1ЛП|1 с LlpllMcplli1 о I1III.IM4II.IM Ofil.CMIIUM Весом, по с различной структурой после 25 циклов испы­тания значения водоотдачи совершенно различны.

Различный характер пор (открытые и закрытые) и различная межзерновая пористость материала вызыва­ют и различные значения влагоотдачи по величине и времени.

Снижение прочности материалов при многократном увлажнении и высушивании объясняется ослаблением и частичным разрушением при этом стенок пор.

Для определения влажности изделий из трех плит выпиливают по три образца размером 50X50X50 мм: Один из середины и два на расстоянии 50 мм от края плиты.

Каждый образец взвешивают с точностью до 0,01 г, А затем высушивают в сушильном шкафу при 60°С в те­чение 3 ч, после чего взвешивают повторно.

Влажность W каждого образца в % вычисляют по формуле

W = 100, (32)

Где Р и Pi — масса образца в г соответственно до и после высуши­вания.

Влажность плит вычисляют как среднее арифмети­ческое значение результатов определений девяти образ­цов.

5. Атмосферостойкость

Атмосферостойкостыо материала называют его спо­собность в условиях эксплуатации противостоять разре­шающему воздействию естественных климатических ус­ловий — положительных и отрицательных температур, солнечной радиации, влаги, ветра, состава окружающего воздуха и других климатических факторов в течение определенного периода времени. Атмосферостойкость теплоизоляционных материалов определяют по измене­нию за определенный период времени присущих им пер­воначальных свойств.

Так как большинство теплоизоляционных полимер­ных материалов при эксплуатации ограждаются от непо­средственного воздействия на них некоторых наиболее активных атмосферных влияний (например, солнечной радиации), мы ограничимся здесь рассмотрением лишь |с факторов атмосферостопкосгп материалов, которые могут практически влиять на успешную их работу и длительность эксплуатации.

Морозостойкостью называется способность теплоизо­ляционного материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и опаивание без признаков разрушения и без зна штель - ного понижения прочности. Морозостойкость пористых теплоизоляционных материалов определяют в соответ­ствии с требованиями, предъявляемыми к этой группе материалов; образцы при испытаниях замораживают при температуре минус 17—20°С и оттаивают при плюс 15—18°С. Испытание включает 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Показателем морозостойкости поропластов является изменение прочности при 10%-ном сжатии после испы­тания Этот показатель называют коэффициентом моро­зостойкости. Одновременно определяют водопотлощение поропластов после оттаивания.

Воздухопроницаемость теплоизоляционных полимер ных материалов, так же как и паропроницаемость их, характеризуется способностью материала пропускать воздух при наличии разности давления у поверхностей.

Коэффициент воздухопроницаемости / выражается в кг]м ■ ч ■ мм вод. ст. и вычисляется по формуле

Wb

J=7TP' <33)

Где № — количество воздуха в кг, прошедшего через 1 м2 испытуе­мого образца в течение 1 ч; B — толщина образца в м; F — пло­щадь образца в ж2; Ар — разность давлений воздуха с обеих сторон образца в мм вод. ст.

Коэффициент воздухонепроницаемости в значитель­ной степени зависит от структуры материала и его по­ристости: если поры крупные и сообщающиеся между собой, то воздухопроницаемость больше, если они мел­кие и замкнутые, то меньше.

Воздухостойкостью называется способность материа­ла сохранять свои свойства при интенсивном обдувании воздухом в течение продолжительного времени.

Воздухостойкость определяется коэффициентом воз- духостойкости Квс, вычисляют который по формуле

Кз

К„ с=-Г~. (34)

А ИТ!

Где RЩ и WIiii предел прочности при нинбе и N.Rli'M enoriierrr

Ill-linn III II Hill' le III'III. I | Л1П1М

Теплоизоляционные материалы испытывают обдувая образцы искусственным потоком воздуха при направлен­ном движении воздушной Струи с температурой 18— 20°С и относительной влажностью 65%. При расходе воздуха 100 л/мин продолжительность обдувания состав­ляет 500 ч.

Образцы приготовляют в форме кубов, как для испы­таний на прочность при сжатии. Обдувают их в камере, оборудованной компрессором для подачи воздуха через газовый счетчик с постоянной скоростью.

Испытания образцов различных пено - и поропластов, проведенные во ВНИИНСМ, показали, что предел проч­ности их, как правило, не снижается.

Теплостойкостью называется способность материалов сохранять свои свойства при нагревании в свободном со­стоянии или под нагрузкой. Теплостойкость всех поли­мерных теплоизоляционных материалов зависит в ос­новном от свойств и качества полимера, применяемого для его изготовления.

Термопластичные полимеры при увеличении темпера­туры из относительно твердого состояния переходят в состояние мягких каучукоподобных веществ, что корен­ным образом меняет их свойства и прочностные харак­теристики.

Термореактивные полимеры, как, например, феноло - и мочевино-формальдегидные и полиуретановые, явля­ются значительно более теплостойкими. В пено - и поро - пластах, изготовляемых из этих полимеров, образуются термостойкие химические связи. Все же при достижении предельной температуры и у этих полимеров начинается процесс термоокислительного распада и деструкции ма­териала.

Показателем теплостойкости теплоизоляционного ма­териала в свободном состоянии служит величина объ­емных деформаций, определяемая по формуле

О-—^------------------------------------------ >00%, (35)

»о

Гдо D — величина объемных деформаций; V0 — первоначальный объ­ем образца в еж3; V — объем образца после тепловой обработки в См3.

Испытание на теплостойкость проводят следующим образом. Образцы материалов, изготовленные как для испытания па сжатие, помещают в сушильный шкаф и naipcnai.IT при 00, 80. 100. 120, МО, 1С»(), ISO и 200"С нс. че - дующем порядке. Сначала все образцы выдерживают при 60°С в течение 30 мин, затем часть образцов выни­мают из шкафа, охлаждают в эксикаторе в течение 15 мин, осматривают и фиксируют внешние измене­ния — искривление поверхности, трещины, деформации, изменение цвета и пр., после чего их испытывают на прочность при 10%-ном сжатии.

Остальные образцы выдерживают в течение 30 мин При каждой следующей температуре сушки (80, 100°С и т. д.). Через каждые 30 мин образцы вынимают, охлаж­дают и проводят указанные определения и испытания.

Отношение прочности образцов, вынутых из шкафа после нагрева при определенной температуре, к исход­ной прочности и есть значение коэффициента стойкости материала прн данной температуре.

Для определения теплостойкости под нагрузкой (на­пример, пенополистирола ПСБ) от трех различных пар­тий отбирают три плиты, из середины которых выпилива­ют по одному образцу размером 150ХЮ0Х50 мм. Каж­дый образец пригружают со стороны верхней плоскости (в плане 150ХЮ0 мм) до достижения равномерно сжи­мающего усилия 0,05 кгс/см2, после чего замеряют высо­ту образца Hi с точностью до 0,5 мм. Затем образцы по­мещают в сушильный шкаф, в котором постоянно под­держивают температуру 70±1°С. Через 5 ч образцы из­влекают из сушильного шкафа и замеряют высоту каж­дого образца hi.

Относительное сжатие образца Ко-т (теплостойкость) в % при 70°С вычисляют по формуле

К0Т11 = Hl~h2 ЮО, (36)

Hi

Где H, и Л2 — средняя высота нагруженного образна в мм соответст­венно до и после испытания.

Относительное сжатие вычисляют как среднее ариф­метическое результатов испытаний трех образцов.

6. Огнестойкость

Огнестойкостью называется способность материала выдерживать без разрушения действие высоких темпе­ратур н открытого пламени. Огнестойкость характеризу­ется степенью возгораемости. Лее строительные материа­лы, в том числе п полимерные, ие. чятен по степени возго­раемости па четыре - группы: несгораемые, грудпосгорае - мые, трудновоспламеняемые и сгораемые. Степень воз­гораемости определяется при помощи двух методов: «огневой трубы» и «калориметрии».

Метод «огневой трубы» применяется для всех мате­риалов и является экспресс-методом. Он заключается в поджигании образцов размером 150Х35ХЮ мм при по­мощи газовой или спиртовой горелки в течение 2 мин в «огневой трубе». Образец подвешивают в центре метал­лической трубы на крючке в вертикальном положении, так, чтобы нижний конец образца выступал из трубы на 5 мм. Труба изготовлена из черной жести толщиной 1 мм, диаметр трубы 50 мм, высота 105 мм. Под образ­цом устанавливают горелку. Расстояние от верхней кром­ки горелки до образца 10 мм. Высота пламени газовой горелки 40, спиртовой 55 мм. Максимальное время дей­ствия газовой горелки 2, спиртовой 2,5 мин, минималь­ное— до момента возгорания образца. После удаления пламени горелки фиксируют продолжительность само­стоятельного горения и тления образца. Потери веса оп­ределяют взвешивая образец до и после испытания. По­терю веса рассчитывают по формуле

В = Ю0%, (37)

А

Где В—.потеря веса при горении в %; А и Б — вес образца соот­ветственно до и после испытания.

Материалы, самостоятельно горящие и тлеющие в те­чение более 1 мин и имеющие потерю веса более 20%. относятся к группе сгораемых материалов. Материалы, характеризующиеся потерей веса менее 20%. и материа­лы, имеющие потерю веса более 20%, по самостоятельно не горящие, могут быть отнесены к группе трудновоспла - меняемых; для окончательной оценки горючести их ис­пытывают по методу калориметрии. Материалы, которые при нагревании до 750°С не горят, не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для их воспламенения от поднесенного пламени, и имеют потерю в весе после испытания образца менее 10%, относятся к несгорае­мым. При использовании метода «огневой трубы» соз­даются очень жесткие условия испытания материалов, та, к как труба обеспечивает конденсацию тепла около образца, а вертикальное положение образца способству­ет наилучшим условиям его горения. Поэтому данные, получаемые но >тому методу, исключают возможность ошибки в определении группы горючих материалов, иг-
смотря на то, что показатели горючести определяются ча­стично (определение времени самостоятельного горения и тления) па основании визуальных наблюдении.

При испытании по методу калориметрии образец размером 75X30 мм, толщиной 10 мм (порошкообразный в сетчатой корзиночке) помещают в герметически закры­ваемую огневую камеру, в которую подают воздух и из которой отсасывают газообразные вещества разложения материала. Огневая камера окружена водяной рубаш­кой. Источником поджигания образца служит электро­нагреватель и пламя газовой горелки.

В процессе опыта фиксируют температуру воды ка­лориметра, мощность и время действия электронагрева­теля, расход и время подачи газа. По данным опыта рас­считывают показатель возгораемости К, выражаемый от­ношением количества тепла, которое выделяется образ­цом в процессе опыта <7тэо, к количеству тепла от источ­ника поджигания Q„:

(38)

Для каждого материала проводят ряд опытов, в ко­торых каждый раз используется новый образец и варь­ируется количество тепла, подаваемого от источника поджигания. Опыты проводят в направлении получения максимального значения показателя К, на основе кото­рого материалы классифицируются по группам возго­раемости.

Группа возгораемости строительных материалов по методу калориметрии

Значение К Возгораемость материала

Несгораемый Трудносгораемый Трудновоспламеняемый Сгораемый

Метод калориметрии применяется в тех случаях, ког­да при определении возгораемости по методу «огневой трубы» возникают сомнения, к какой группе отнести дан ный материал, а также при испытании всех вновь создан­ных синтетических или впервые употребляемых матери­алов. Этот метод наиболее точен, но и наиболее трудо­емок.

Так как многие полимерные теплоизоляционные ма­териалы но • 111 лI методам классифицируют! как сюр, ie
Мые материалы, применяются другие методы испытании, позволяющие выделить менее пожароопасные материа­лы из числа сгораемых. Например, для пенополистирола ПСБ определяется время самостоятельного горения. Для этого из середины трех плит выпиливают по одному об­разцу размером 140Х30ХЮ мм, которые высушивают при 60°С в течение 3 ч. Образец подвешивают в верти­кальном положении на штативе и выдерживают в пламе­ни спиртовой горелки в течение 5 сек. Высота пламени горелки от конца фитиля должна составлять примерно 50 мм, а расстояние от образца до фитиля горелки — 10 мм. Затем горелку убирают и по секундомеру фикси­руют время, в течение которого продолжается горение образца. За время самостоятельного горения плит вида ПСБ-С принимают среднее арифметическое значение ре­зультатов испытаний трех образцов.