Строительные материалы и изделия

Теплоизоляционные пенопласты

Пенополиэтилен. Впервые вспененный полиэтилен ВД был получен в 1941 г. в США фирмой Du Pont.

Для получения пенопласта используют гранулированный по­лиэтилен. Вспенивание расплава осуществляют газами (азотом, углекислым газов, воздухом, пропаном), низкокипящими жид­костями (фреонами) и радиационным способом — воздействием ионизирующего излучения. При этом выделяется водород, кото­рый вспенивает полимер.

Из полиэтилена не удается получать пенопласты с кратностью (отношением объемов после и до вспенивания) больше 3 и соот­ветственно плотностью меньше 350 кг/м3 ввиду очень низкой вязко­сти расплава и невозможности получения устойчивой пены. У по­лиэтилена из-за высокой кристалличности имеется точка плавле­ния — узкий интервал температур, в котором вязкость изменяет­ся практически скачкообразно. Для увеличения кратности прибе­гают к «сшиванию» полимера воздействием либо органических перекисей, либо ионизирующего излучения (рентгеновского, уль­трафиолетового и др.). Пенополиэтилен изготавливают прессова­нием, экструзией, литьем под давлением и другими способами.

Прессование осуществляют при повышении и последующем сбросе давления, после чего материал вспенивается под действи­ем газообразователя. Этим способом получают пенополиэтилен плотностью 60...80 кг/м3 и выше с равномерной замкнутой пори­стостью.

При прямой экструзии смешанные с газообразователем грану­лы полиэтилена подаются в экструдер, где композиция нагрева­ется до температуры разложения газообразователя и выдавливает­ся через головку. Материал вспенивается в момент его выхода из головки. Этим методом можно получать низковспененный поли­этилен с плотностью более 400 кг/м3.

Экструзия с последующим вспениванием отличается тем, что материал при выходе из экструдера не вспенивается или вспени­вается неполностью и после охлаждения подвергается «сшиванию» и последующему вспениванию путем нагрева до температуры размягчения полиэтилена. В наиболее распространенных техноло­гических схемах «сшивание» предшествует вспениванию. Примене­ние радиационного метода «сшивания» позволяет получать равно­мерную структуру пенопласта. Водород, выделяющийся при облу­чении, действует одновременно и как нуклезиат[12], и как дополни­тельный порообразователь. Данный метод позволяет изготавливать высоковспененные полиэтилены с плотностью менее 100 кг/м3.

При методе литья под давлением экструдер пластифицирует (расплавляет) полимер, перемешивает его с порообразователем, и нагнетает в аккумулятор, откуда затем производится инжекция в форму. При низконапорном литье расплав впрыскивается в форму с недоливом, форма окончательно заполняется лишь при вспени­вании расплава. При высоконапорном литье производится инжек­ция полной дозы расплава и вспенивание при увеличении объема формы. Плотность получаемых этим способом пеноматериалов составляет более 300 кг/м3.

Средний радиус ячеек у несшитого пенопласта составляет около 150 мкм, а у химически сшитого — около 60 мкм. Малая доля открытых ячеек обусловливает низкое водопоглощение (0,5... 1,5 %) и высокую стабильность теплоизоляционных свойств.

Пенопласты на основе сшитых полимеров обладают высоки­ми упругоэластическими свойствами, они более устойчивы к пол­зучести и имеют меньшую остаточную деформацию после сня­тия нагрузки, чем несшитые пенополиэтилены. По сопротивле­нию сжатию химически сшитые пенополиэтилены относятся к полужестким и занимают промежуточное положение между эла­стичным пенополиуретаном и пенополистиролом. Химически сшитый пенополиэтилен легко ламинируется металлической фольгой без применения клеев — путем контактного прессова­ния с нагретым металлом. Ламинирование алюминиевой фоль­гой увеличивает свето - и теплоотражающие свойства пенополи­этилена, стойкость к ультрафиолетовому излучению и пожаро­безопасность.

Пенополиэтилен выпускается в рулонах длиной до 200 м, тол­щиной от 2 до 12 мм, шириной до 1,5...2,0 м и в листах толщиной до 15 мм и более под различными торговыми названиями, напри­мер: «Азуризол», «Изолон», «Пенофлекс», «Теплой», «Вилатерм» (ленты и жгуты, применяемые для уплотнения стыков между па­нелями в крупнопанельном строительстве). Плотность этих мате­риалов составляет 33... 100 кг/м3; коэффициент теплопроводнос­ти X = 0,03...0,05 Вт/(м • К).

Пенополистирол. Полистирол бывает прессовый, беспрессовый и экструдированный.

Прессовый пенополистирол получают из эмульсионного поли­стирола с использованием твердых газообразователей, разлагаю­щихся при нагревании с выделением газообразных продуктов. Из неорганических соединений применяются карбонат аммония (NH4)2C03 и бикарбонат натрия NaHC03. Органических газообра­зователей достаточно много — это азосоединения, сульфонил - гидразиды и др.

Смешение полимера с газообразователями и другими компо­нентами осуществляется в шаровых мельницах в течение 12... 24 ч до получения однородной мелкодисперсной массы. Прессование проводят при температуре 120... 150°С и давлении 10... 15 МПа в пресс-формах закрытого типа. Давление при прессовании должно быть на 10... 15 % больше противодавления газов прессуемой заго­товки. Полученную заготовку охлаждают, извлекают из пресс-фор­мы и подвергают вспениванию в обогреваемых камерах при тем­пературе 85... 110 °С

Беспрессовый пенополистирол (суспензионный) впервые был получен в 1951 г. фирмой BASF (ФРГ) и получил название «сти - ропор».

Гранулы для вспенивания (бисерный полистирол) получают суспензионной полимеризацией стирола в присутствии газообра­зующего компонента, в качестве которого применяют чаще всего низкокипящие жидкости, например изопентан с температурой кипения 28 °С.

Перед полимеризацией в систему вводят 3...5% антипиренов (бром - и хлорсодержащих органических соединений) для прида­ния полистиролу негорючести. Готовые гранулы полистирола обез­воживают на центрифуге и сушат до влажности не более 2 %.

При нагреве выше 80 °С полистирол размягчается, а равномер­но распределенный внутри гранулы изопентан вскипает и давле­нием своих паров вспучивает гранулу. Благодаря гидрофобности полистирола гранулы, нагретые до 90... 100°С, приобретают спо­собность сплавляться друг с другом несмотря на присутствие воды.

При получении пенополистирола вспенивание производят в два этапа, так как содержание изопентана в гранулах (4,0... ...4,5 %) недостаточно для получения высокой пористости (тре­буется 10... 12 % изопентана, чтобы получить изделие плотнос­тью 20...30 кг/м3). После предварительного вспенивания (при помощи горячей воды, пара или воздуха), обеспечивающего око­ло 50 % необходимого расширения, гранулы сушат и охлаждают, выдерживая их в бункерах при температуре не выше 22...28°С в течение 6... 24 ч. При охлаждении пары изопентана в ячейках гра­нул конденсируются, образуется вакуум и атмосферный воздух засасывается в гранулы, компенсируя нехватку изопентана.

Вторичное вспенивание совмещают с формованием. Вспенен­ные гранулы помещают в закрытую форму, заполняя 60...70% объема. В результате нагревания до 95... 120°С происходит даль­нейшее вспучивание гранул за счет расширения смеси воздуха, паров изопентана и воды. Растущие гранулы полностью заполня­ют объем формы, затем уплотняются и деформируются, превра­щаясь в многогранники. В местах контакта размягченные гранулы сплавляются, в результате чего образуется блок пенопласта, ко­торый разрезается горячей проволокой на плиты.

Этот тип полистирола легко отличим от других типов по харак­терной структуре, образованной гранулами диаметром 5... 15 мм.

Беспрессовый пенополистирол является одним из самых лег­ких пенопластов, плотность которого составляет 12...50 кг/м3, а теплопроводность X = 0,03...0,04 Вт/(мК). Вследствие высокой пористости он имеет пониженную прочность (0,04...0,16 МПа при 10%-й деформации сжатия). Характер пористости — менее одно­родный, чем у экструдированного пенополистирола, с некото­рой долей открытых пор. Водопоглощение составляет от 0,5 до 4,0 % по объему.

Марки отечественных теплоизоляционных пенополистироль­ных плит обозначают буквами ПСБ с числом, показывающим верхний предел плотности, кг/м3, например: ПСБ-С-15...ПСБ - С-50 (последняя буква С означает «самозатухающий»). Основные размеры плит: длина — до 3 000 мм; ширина — до 1 250 мм; тол­щина — 20... 150 мм.

Экструдированый пенополистирол разработан более 50 лет на­зад в США фирмой Th^ Dow Chemical Со.

Экструдированный пенополистирол получают из сырья обще­го назначения, т. е. не содержащего газообразователя и не требую­щего сложной подготовки. Газообразователь подается непосредствен­но в экструдер и вводится в расплав полимера в процессе его обра­ботки (метод экструзии с прямым газированием (ЭПГ)). В качестве газообразователей можно использовать как жидкие (изопентан), так и газообразные (фторхлоруглеводороды) вещества.

Подготовка сырья заключается во введении добавок, в частно­сти нуклеирующих агентов, которые при ЭПГ обязательны (нук - лезиаты необходимы для получения однородной и мелкоячеистой структуры).

Существует три типа экструзионных установок:

1) одноагрегатные с одночервячным экструдером;

2) одноагрегатные с двухчервячным экструдером;

3) тандемные (двухагрегатные), состоящие из двух последова­тельно установленных экструдеров.

При вращении червяка (шнекового винта) осуществляется пе­ремешивание сырьевой массы и перемещение ее к головке, отку­да масса экструдируется через щелевидное отверстие в мундштуке. Для введения порообразователя полимер пластифицируют (рас­плавляют) и доводят его температуру до 240 °С. В одночервячном экструдере это делается на первой половине длины червяка. Впрыс­кивание порообразователя в цилиндр экструдера осуществляется поршневым насосом. На второй половине длины червяка расплав охлаждается примерно до 130 °С с помощью системы масляного охлаждения цилиндра.

В двухчервячных экструдерах червяки гораздо короче. Эти ма­шины развивают более высокое давление, что позволяет экстру­дировать материал при более низких температурах и сократить время охлаждения экструдата.

В тандемных установках первый экструдер пластифицирует по­лимер и смешивает его с порообразователем, а второй — гомоге­низирует смесь, охлаждает ее и экструдирует. При достаточно круп­нотоннажном производстве тандемные установки наиболее рен­табельны.

Тонкие листы (толщиной 0,5... 12,0 мм) экструдируются через кольцевую щель рукавным способом. Рукав разрезается затем на полотнища. Более толстые листы (плиты) изготавливают экстру­зией через плоскощелевую головку.

Экструдированный пенополистирол обладает практически 100%-й замкнутой пористостью и очень малым водопоглощени - ем — 0,2...0,5% (по объему), благодаря чему его теплоизоляци­онные характеристики не зависят от влажностных условий эксп­луатации. Малые размеры ячеек (80... 140 мкм) и высокая их од­нородность (80 % ячеек имеют размеры 90... 100 мкм) обусловли­вают относительно высокую прочностью на сжатие (0,3 ...0,7 МПа при 10%-й деформации) и такой же, как у беспрессового пено­полистирола, коэффициент внутренней теплопроводности несмот­ря на более высокую плотность экструдированного пенополисти­рола (25...56 кг/м3).

В России экструдированный пенополистирол представлен про­дукцией концернов The Dow Chemical Со (пенопласт голубого цвета) и BASF AG (пенопласт светло-зеленого цвета) и отече­ственным предприятием «Кинэкс» (г. Кириши Ленинградской обл.), выпускающим пенопласт желтого цвета (пеноплэкс).

Пенополистирол применяют для тепловой изоляции стен, пе­рекрытий зданий, скатных крыш, кровель, полов, а также в ка­честве среднего слоя в трехслойных стеновых панелях типа «санд­вич».

Благодаря малому водопоглощению пенополистирол исполь­зуют для наружной теплоизоляции подвалов зданий, инженерных коммуникаций, для предохранения от морозного пучения грунта в дорожных работах, в качестве несъемной опалубки при бетони­ровании стен и фундаментов. Для устройства инверсионных кро­вель рекомендуется только экструдированный пенополистирол. Плиты экструдированного пенополистирола укладывают под на­гревательные элементы обогреваемых тротуаров для предотвра­щения теплопотерь через основание. Пенополистирольные плиты используют при строительстве стадионов, бассейнов, подогрева­емых футбольных полей, ледовых площадок и т. д.

Из пенополистирола получают различные фасонные изделия, декоративные профили, блоки, упаковку и т. д.

Иногда вспученные гранулы полистирола используют в тепло­изоляционных засыпках и в качестве легкого заполнителя в теп­лоизоляционных составах на основе вяжущих веществ.

Пенополиуретаны. В отличие от пенополистирола и пенополи­этилена, получаемых из готового полимера путем его вспенива­ния, пенополиуретан (ППУ) синтезируют из двух низкомолеку­лярных продуктов, вступающих в реакцию полиприсоединения. Если исходные мономеры бифункциональны, то образуется ли­нейный (эластичный) пенополиуретан. При более высокой функ­циональности получают «сшитый» (жесткий) пенополиуретан.

Компоненты для получения пенополиуретана (вода, катализа­торы, эмульгаторы, газообразователи, антипирены, красители) смешиваются одновременно (одностадийным способом) или пос­ледовательно (преполимерным способом). В обоих случаях процесс состоит из четырех этапов:

1) образование преполимера — небольших молекул: OCN — - R-NCO;

2) продольное «сшивание» молекул преполимера в линейный полимер, происходящее с помощью воды, реагирующей с кон­цевыми группами —NCO. При этом выделяется углекислый газ С02;

3) вспенивание реакционной массы под действием выделяю­щейся углекислоты С02 и введенного газообразователя (фреона);

4) отверждение вспененного полимера, происходящее в ре­зультате образования поперечных сшивок, возникающих по тому же механизму.

Пенополиуретан производят на автоматических установках не­прерывного действия. В быстроходном смесителе приготавливают смесь компонентов, которую подают на ленту пластинчатого транспорте­ра с боковыми стенками, движущегося со скоростью 3...5 м/мин. Вспенивание и приобретение начальной прочности полимера про­исходит в течение 2... 5 мин. Затем пенополиуретановую массу раз­резают на пластины и подают в камеру отверждения, где произ­водится тепловая обработка или инфракрасное облучение. Про­мышленные линии получения блочного эластичного пенополиу­ретана имеют длину до 125 м; ширина получаемых изделий — до 2 м, высота — до 1,5 м.

Потребители могут получить от поставщиков пенополиурета­ны либо в виде готовых пеноматериалов, либо в виде исходных жидких компонентов. В последнем случае теплоизоляцию изготав­ливают на месте путем заливки приготовленной смеси в конст­рукцию.

Эластичный пенополиуретан выпускают в виде полотнищ и лент. Наиболее распространенным представителем эластичного пено­полиуретана является поролон. Средняя плотность поролона со­ставляет 30...70 кг/м3, коэффициент теплопроводности — 0,03...0,04 Вт/(м • К). Эластичные пенополиуретаны характеризу­ются практически 100%-й открытой пористостью. Марки эластич­ного пенополиуретана: ППУ-Э, ППУ-ЭМ, ППУ-ЭТ.

Жесткий пенополиуретан выпускают в виде плит, блоков и скор­луп. Он отличается легкостью обработки, высокой механиче­ской прочностью, устойчивостью к воздействию химических и биологических факторов. Жесткий пенополиуретан характеризу­ется низкой теплопроводностью: X = 0,03...0,06 Вт/(м • К). Пори­стость жестких пенополиуретанов преимущественно замкнутая. Во - допоглощение по объему составляет 2... 5 %. Температура эксплуа­тации — от -60 до +170 °С. Жесткие плиты имеют среднюю плот­ность 60...200 кг/м3 и прочность при сжатии 0,2... 2,5 МПа. Марки жесткого пенополиуретана заливочного: ППУ-Зс, ППУ-331 и др. Марки жесткого пенополиуретана напыляемого: ППУ-Зн, ППУ - 308н и др.

Пенофенопласты. Вспененные фенольные смолы впервые были получены в Германии в 30-х гг. XX в.

Фенолоформальдегидные пенопласты получают:

1) на основе термопластичных (новолачных) смол беспрессо - вым способом;

2) на основе термореактивных (резольных) смол заливочным способом.

Заливочный способ получил более широкое распространение. При этом способе смолу, газообразователь и жидкий отвердитель интенсивно перемешивают и заливают в формы. Вспенивание мас­сы происходит одновременно с процессом отверждения, продол­жающимся от 1 до 4 ч (в зависимости от размеров блока). В каче­стве отвердителей чаще всего используют минеральные кислоты (НС1, H2S04, Н3РО4). Вспенивание осуществляется с помощью веществ, которые при взаимодействии с кислотами выделяют газы. К таким веществам относятся карбонаты, выделяющие С02 (на­пример, NaHC03). Органические газообразователи и низкокипя - щие жидкости применяют в тех случаях, когда необходимо полу­чить пенопласт с мелкоячеистой и равномерной структурой.

Плотность пенофенопласта составляет 16... 160 кг/м3, прочность при сжатии — от 0,1 до 0,7 МПа. Водопоглогцение его незначи­тельно благодаря малому содержанию открытых ячеек. Пенофе­нопласт отличается высокой химической стойкостью и термостой­костью. При нагревании он не размягчается и не плавится, дли­тельно выдерживает температуру до 130 °С, а кратковременно — до 200 °С. Пенофенопласт трудногорюч и самозатухаем. При его обугливании образуется огнестойкий слой пористого графита. Ко­эффициент теплопроводности пенофенопласта с плотностью

40.. . 100 кг/м3 при 20 °С составляет 0,028...0,031 Вт/(м ■ К). При низ­ких температурах (до -180 °С) не наблюдается изменения его ме­ханических свойств.

Пенофенопласты выпускают преимущественно в форме плит или блоков и применяют главным образом при изготовлении трех­слойных панелей типа «сандвич». Смесь из фенольной смолы, га - зообразователя и отвердителя перемешивают в бетоносмесителе и заливают в форму, где проводят вспенивание и отверждение. Про­должительность вспенивания и отверждения при 25 °С составляет 1 ч. В форму вкладывают листы наружного покрытия, с которыми вспенивающийся фенопласт легко соединяется. При этом пено­фенопласты часто готовят с наполнителями из керамзита, вспу­ченных пород, пеностекла и др.

Синтактические пены — это материалы, состоящие из полых микросфер, связанных смолой. Для изготовления полых микро­сфер используются различные смолы, стекло и графит. Микро­сферы часто наполнены инертным газом — обычно азотом. Их получают, например, распылительной сушкой смеси, состоящей из смолы, растворителя и вещества, выделяющего газ. Диаметр микросфер находится в пределах 10...250 мкм, а плотность со­ставляет 270 кг/м3. Пластмассы с микросферами отличаются чрез­вычайной легкостью. Однако из-за высокой стоимости эти мате­риалы находят применение в основном в авиации и космонавтике.

Мочевиноформальдегидные (карбамидные) пенопласты. Они отличаются чрезвычайно низкой плотностью (до 10 кг/м3) и на­личием большого количества сообщающихся пор.

Мочевиноформальдегидные пенопласты изготавливают на пред­приятиях в виде блоков и плит и на месте производства строитель­ных работ для получения теплоизоляции заливочным способом.

В стационарных условиях получают жесткий пенопласт с от­крытой пористостью — мипору. Выпускают мипору двух марок: МиН. Первую применяют для теплоизоляции сооружений вре­менного типа, вторую — в качестве теплоизоляционного ма­териала в кислородных установках, холодильных камерах, су - дах, рефрижераторах и пассажирских вагонах. Мипора наибо­лее легкий (уо = 10... 20 кг/м3) и наименее теплопроводный (X = = 0,026... 0,030 Вт/(м • К)) из всех теплоизоляционных материалов. Но он не получил распространения в строительстве из-за низкой прочности и высокого водопоглощения.

Более перспективным материалом для применения в строи­тельстве является заливочный мочевиноформальдегидный пено­пласт марки «Пеноизол» или марок МФП и МФА-3. Для приго­товления пенопласта МФП применяют готовый состав МФ-1, который представляет собой 50%-й раствор мочевиноформальде - гидного полимера в воде. Для вспенивания применяют продукт АВО — раствор контакта Петрова, ортофосфорной кислоты и ре­зорцина в воде. Продукт АВО является также и отверждающим агентом. Пенопласт МФА-3 приготавливают из концентрирован­ных карбамидных смол. Этот пенопласт отличается меньшим со­держанием влаги и меньшей технологической усадкой по сравне­нию с пенопластами МФП.

Пенопласты на основе поливинилхлорида. Их получают из эмуль­сионного ПВХ. Благодаря полярности молекул и большим силам межмолекулярного сцепления ПВХ дает расплав с высокой вяз­костью. Поэтому в состав сырья кроме газообразователя, инициа­тора и других добавок вводят метилметакрилат, повышающий те­кучесть композиции на первой стадии прессования. В зависимости от вида газообразователя получают пенопласты с замкнутыми или открытыми ячейками.

ПВХ-пенопласты изготавливаются жесткими (на основе непла- стифицированного поливинилхлорида) и эластичными (на осно­ве пластизолей). Их получают двумя методами: беспрессовым и прессовым. При получении жесткого пенопласта прессовым мето­дом компоненты смешивают в шаровой мельнице и прессуют за­готовки при температуре 160... 170 °С и давлении 15... 18 МПа. При получении эластичного пенопласта компоненты смешивают в ло­пастном смесителе. Прессование проводят при температуре

180.. . 185 °С и том же давлении.

Жесткие пенопласты вспенивают в паровых камерах, как пра­вило, в ограничительных формах при температуре 98... 105°С, а эластичные — в горячей воде при температуре 80... 85 °С. Отформо­ванные плиты обрезают по контуру для получения ровных кромок.

При беспрессовом методе заготовки формуют на вальцах и вспе­нивают в перфорированных формах, нагревая их до 130... 135 °С. При нагревании материал размягчается и вспенивается в резуль­тате разложения газообразователя. Вспенивание продолжается до полного заполнения объема ограничительной формы.

Прессовым методом производят жесткий пенополивинилхло - рид марок ПХВ, ПХА и эластичный марки ПХВ-Э, а беспрессо­вым методом — жесткий пенопласт ПВ-1 и винипор (жесткий и эластичный). Для всех марок, кроме винипора, характерна равно­мерная замкнуто-ячеистая структура. Винипор, имеющий до 90 % открытых пор, предназначен для звукопоглощающих и звукоизо­лирующих конструкций.