Пенополиуретан

Сегодня жесткие пенопласты являются одними из наиболее распространенных строительных материалов. Эти легкие, но достаточно прочные материалы обладают очень низкой теплопроводностью, малой паропроницаемостью, высокой адгезией к бумаге, металлу, древесине, штукатурке и рубероиду.

Пенополиуретан получают из жидких компонентов, дозировка и смешение которых осуществляется при помощи специального оборудования. И эти пенопласты с одинаковой легкостью изготавливают как на производственных площадях, так и непосредственно на месте применения. Реакции вспенивания и отверждения протекают настолько быстро, что уже через несколько минут после изготовления изделие готово для дальнейшего применения. Жесткие ППУ плотностью 30-35 кг/куб.м, т. е. имеющие 97% газовой фазы, содержат обычно изолированные ячейки диаметром 0,2-1,0 мм.

Механизм образования пенопласта исключительно сложен, поскольку очень быстро увеличивается в объеме при одновременном повышении температуры и вязкости. Полный цикл вспенивания составляет 10-40 сек., затем подъем пены прекращается, и жидкая фаза переходит в твердую.

Уникальные качества жестких пенополиуретанов:

наименьший коэффициент теплопроводности,
высокая адгезионная прочность с основанием,
экологическая безопасность (по результатам санитарно-эпидемиологических исследований разрешено применение пенополиуретанов в бытовых и промышленных холодильниках),
долговечность (пенополиуретановые покрытия не подвержены разложению и гниению, не разрушаются под воздействием сезонных температурных колебаний, атмосферных осадков, агрессивной промышленной атмосферы),
способность к акустической изоляции,
антикоррозийная защита,
очень малое водопоглощение (пенополиуретан практически не насыщается влагой, но в тоже время «дышит», т.е. пропускает избыток влаги, содержащийся в помещении в окружающую среду),
имеет оптимальное значение паропроницаемости (благодаря этому нет необходимости в дополнительной пароизоляции),
механическая прочность,
не поддерживает горение (трудногорючие, ГОСТ 12.1.044),
и, наконец, высокая технологичность переработки.

Схема применения пенополиуретана:

 

Сравнительные характеристики теплоизоляционных свойств стройматериалов

ПЕНОПОЛИУРЕТАН	50 мм
МИНВАТА	125 мм
ПЕРЛИТОЦЕМЕНТ	150 мм
ДРЕВЕСИНА	340 мм
КИРПИЧ	942 мм
БЕТОН	2132 мм

 

Сравнение пенополиуретана с традиционными теплоизоляторами

Тепло-изолятор	Средняя плотность (кг/м.куб)	Коэф. тепло-проводности (Вт/м х К)	Пористость	Срок эксплуатации (лет)	Диапазон рабочих температур
ППУ жесткий	40-160	0.019-0.040	Закрытая	30	-150...+150
Мин.вата	55-150	0.052-0.058	Открытая	3	-40...+350
Пробковая плита	220-240	0.050-0.060	Закрытая	3	-30...+90
Пенобетон	250-400	0.145-0.160	Открытая	10	-30...+120

 

Сравнительный анализ технико-экономической эффективности при использовании ППУ-изделий и традиционной мин.ваты

Характеристики	ППУ	Мин.вата
Коэффициент теплопроводности	0.019-0.040	0.052-0.058
Толщина покрытия	35-70 мм	120-220мм
Возможность использования	Многоразового использования	Одноразовое использование
Эффективный срок службы	25-30 лет	3 года Постепенная потеря теплоизоляционного слоя и теплоизолирующих свойств в следствии осыпания вниз
Производство работ	Круглогодично	Теплое время года, сухая погода
Влага, агрессивные среды	Устойчив	Теплоизоляционные свойства теряются, восстановлению не подлежат
Экологическая чистота	Безопасен. Разрешено применение в жилых зданиях СЭС России	Аллерген
Рабочая температура	-150 ...+ 150	350
Производительность Бригада - 3 человека	100-400 кв.м в смену	20-50 кв.м в смену
Фактические тепловые потери	В 1.7 раза ниже нормативных Снип 2.04.14-88	Превышение нормативных после 6 месяцев эксплуатации
Экономика	В следствии низкой теплопроводности позволяет экономить до 30% теплоносителей (газа, мазута)

 

Пожароопасность ППУ. Для определения степени пожароопасности ППУ испытывают на загорание и огне- и теплостойкость, а также находят скорость рапространения пламени на поверхности образца.
Отечественный изоцианатуратный пенопласт с высокой тепло- и огнестойкостью получают реакцией тримеризации полиизоцианата в присутствии фреона и активаторов. Пластификация пенопласта обеспечивается гидроксилсодержащими полиэфирами.

Изоцианатуратный пенопласт ППУ можно длительно использовать в качестве теплостойкого, диэлектрика и огнезащитного материала при температурах от —60 до +200°С, а кратковременно - и при более высоких температурах. Он трудносгораем. При контакте его с открытым пламенем образуется поверхностный слой кокса, защищающий изолированную поверхность от воздействия высоких температур и способствующий гашению пламени.
Так, температура поверхности, изолированной слоем ППУ толщиной 35 мм, не превышает 50°С при воздействии в течение 10 мин температуры 340°С.

Старение. Старение свойственно ППУ так же, как и всем органическим веществам, которые с течением времени изменяют свои свойства под воздействием окружающей среды. Эксплуатационный срок различных материалов определяется стойкостью их к старению, т. е. способностью сохранять свои свойства при эксплуатацни на уровне требований технических условий. В связи с этим в течение 5 лет были проведены климатические испытания ряда пенопластов, в том числе и ППУ, в различных Климатических районах : умеренно холодном (г. Владимир), сухом жарком (г. Ташкент), теплом влажном (г. Батуми), очень холодном (Антарктида — станция «Восток»), жарком влажном (в районе экватора). Эти испытания вели в целях изучения более рационального использования пенопластов в различных условиях эксплуатации,определения их гарантийных сроков службы, улучшения эксплуатационных свойств. В результате испытания выявлено влияние на эксплуатационные характеристики пенопластов, химической природы полимеров, ячеистой структуры, видов вспенивающего агента. Установлено, что за указанный срок изменение контролируемых характеристикППУ было практически невелико и сохранялось на допустимом уровне.

Испытания проводили как на открытых стендах, где образцы подвергались воздействию дождя, ветра, пыли, солнечной радиации, различных температур, так и в складских условиях. Отмечено некоторое деформирование образцов вследствие расширения ППУ, вспененных фреоном, или усадки ППУ, вспененных СО2. Образцы с естественной коркой более формоустойчивы, чем образцы без корки.

Поскольку в реальных условиях эксплуатации ППУ, получаемые заливкой, чаще всего защищены от непосредственного воздействия окружающей среды, то эксплуатационные условия лучше имитировать при складском хранении. Все исследованные рецептуры ППУ в этих условиях обладали удовлетворительной устойчивостью, стабильностью формы и размеров, а основные физико-механические показатели их практически не изменялись.

В отношении стойкости к старению ППУ следует отметить, что на протяжении почти 15-летнего срока эксплуатации его основные свойства остаются в допустимых пределах. Не обнаружено появление плесени, эрозии, вспучивания покрытия.

Окраска внутри пенопласта практически не изменилась. Цвет наружной поверхности от светло-желтого перешел в темно-коричневый. В местах контакта с металлом отмечено пожелтение слоя ППУ толщиной 5–10 мм. Предел прочности пенопласта при сжатии практически не изменился (при плотности до 80 кг/м3 он составляет 0,45 МПа). Ударная вязкость внутренних слоев увеличилась в 1,5 раза. Коэффициент теплопроводности изменился с 0,033 до 0,041 Вт/(м К). Температура раз-мягчения практически не изменилась (98С), за исключением участков, которые подвергались специальному систематическому воздействию нефтепродуктов; на этих участках температура размягчения снизилась до 65°С, а коэффициент теплопроводности увеличился до 0,046 Вт/(м К). Эти данные хорошо согласуются с расчетными, согласно которым через 30 лет хранения пенопласта коэффициент теплопроводности увеличивается на 15–35°С. Водопоглощение ППУ не превышало 0,15 кг/м кв. Диэлектрические характеристики практически не изменились.

Изменение цвета ППУ (пожелтение) обусловливается наличием свободных аминогрупп в полимере и воздействием света. Интенсивность этого процесса удается снизить изменением рецептур.

Основным фактором, вызывающим разрушение образцов при старении, является ультрафиолетовая радиация. Жесткие ППУ в процессе старения делаются более хрупкими, эластичные — более жесткими (особенно, в начале процесса). Выявлено, что свойства ППУ при старении изменяются главным образом в поверхностном слое при относительной стабильности свойств внутренних слоев.

Токсичность ППУ. В процессе получения ППУ в той или иной степени бывают токсичными, так как этим свойством обладают некоторые из их исходных компонентов, поэтому при получении ППУ нужно строго руководствоваться инструкциями по технике безопасности. После завершения процесса отверждения ППУ нетоксичны.

В результате проведенных исследованнй выявлено, что при сгорании ППУ выделяются следующие токсичные газы: НСN, угарный газ СО, углекислый газ СО2.

При отсутствии воздуха заметное количество этих газов выделяется при температуре 500°С, причем НСN адсорбируется частицами дыма. При продувке воздуха через поры ППУ резко (до максимума при температуре 500°С) возрастает выделение и последующее окисление НСN, ускоряются разложение полимера и вывод газообразных продуктов из зоны реакции. При свободном горении НСN образуется в меньшем количестве. По данным исследований с точки зрения выделения НСN по сравнению с азотсодержащими материалами, включая шерсть и шелк, ППУ являются менее токсичными. Причина этого в том, что при размягчении ППУ образуется жидковязкая масса, удерживающая HCN в зоне реакции, благодаря чему он успевает разложиться, а это ведет к снижению токсичности продуктов сгорания ППУ.

Испытания, проведенные на мышах, показали, что токсичность продуктов разложения ППУ значительно ниже токсичности продуктов разложения древесины и каучука в тех же условиях.

По данным зарубежных исследовании («Еuгорiег Ро1уmег» 1974, 10, № 9, р. 871; 1975, 11, № 2, р. 138), содержание окислов азота в продуктах деструкции ППУ при температурах от 600 до 1000°С находится в пределах 0,2–2,0% массы исходного продукта и мало зависит от температуры. При сгорании эластичных ППУ выделяется от 0,7 до 1,6% изоцианата, имеющегося в полимочевине и золе, а концентрация его мало зависит от температуры.

В общем случае токсичность продуктов сгорания ППУ зависит от степени насыщенности данного объема изделия или конструкции пенополиуретанами (в кг/м3) и особенностей использованной марки ППУ. Наличие одновременно и других полимерных материалов, подверженных горению, усиливает степень токсичности, наличие вентиляции снижает ее. Для устранения опасности токсикации при разработке конструкций из ППУ желательно получать консультацию в Институте охраны труда и профзаболеваний АМН России.

Исследования токсикологических свойств ППУ, наряду с разработкой новых нетоксичных марок, продолжаются.Эти исследования включают качественную и количественную оценку загрязнения воздуха в процессе вспенивания, наличия запаха, степени воздействия на организм. На основе полученных результатов уже рекомендовано использовать ППУ при строительстве жилых и общественных зданий, в промышленном строительстве и машиностроении, включая судостроение и авиастроение.

Рассмотрим подробнее два основных метода получения ППУ, это напыление и заливка.

Напыление

Напыляемый ППУ наносится слоями практически на любые материалы: дерево, стекло, металл, бетон, кирпич, краску, не зависимо от геометрической сложности и конфигурации, на вертикальных и горизонтальных поверхностях и даже на потолке. В результате этого отсутствует необходимость в специальном крепеже изоляции. Кроме того, ППУ-напыление инертно к кислотным и щелочным средам и может использоваться как кровельный материал, служить антикоррозийной защитой металла. Единственное необходимое к выполнению условие, поверхность, на которую проводят напыление, должна быть чистой и сухой. Металлические поверхности очищают от отслаивающейся ржавчины, пыли и грязи, при наличии жировых загрязнений обезжиривают растворителем. Оптимальная температура для проведения работ по напылению должна быть около +10- +15C. Нижний температурный предел, при котором возможно проведение работ, составляет 0- +5C. Расход материалов зависит от конкретных условий проведения работ по нанесению теплоизоляционных покрытий, таких как конфигурация изолируемой поверхности, температура окружающей среды и изолируемой поверхности. Плотность получаемого покрытия имеет широкий диапазон от 30 кг/м3 до 200 кг/м3, т.е. от рыхлой «пены» до жестких пластмасс. Технологический процесс напыления ППУ-покрытия сходен по сложности с процессом окраски пульверизатором. При этом обеспечивается высокое качество работ и короткие сроки их выполнения в отличие от традиционных технологий. Срок службы такого пенополиуретанового покрытия составляет 25-30 и более лет.

Смесь наносится на изолируемую поверхность в жидком виде. Напыление запрещается производить в холодную, влажную, туманную погоду. Не рекомендуется работать при скорости ветра более 25 км/час. Допускается использование "ветроломов". Если во время напыления начался дождь, то работы должны быть остановлены и возобновлены лишь после просыхания предыдущего слоя ППУ и поверхности. Если поверхность имеет температуру, меньшую +50С, следует распылить тонкий дополнительный слой ППУ, который изолирует поверхность. Данный слой ППУ будет плотнее и будет медленнее полимеризоваться. Следует подождать его полного схватывания (отверждения), прежде, чем приступить к напылению следующего слоя, который будет вспениваться нормально.

Прежде, чем продолжить работы, следует проверить адгезию к подложке первого напыленного слоя. При напылении в условиях пониженных температур (ниже +50С) особое внимание следует обратить на конденсацию паров на холодной поверхности. (рекомендуем производить нагрев поверхности тепловентиляторами или другими доступными и безопасными способами).
Напыление обязательно следует начинать с труднодоступных мест (фронтоны, дымовые трубы, вентиляционные отверстия и т.п.)
Каждый последующий слой напыляется на предыдущий сразу после его отверждения.
Обычная толщина одного слоя составляет 10-15мм. Для обеспечения достаточной тепло и гидроизоляции необходимо производить последовательное напыление не менее, чем трёх слоёв.
При напылении больших площадей работу следует организовывать таким образом, чтобы все слои были закончены за один день.
Отделочная и защитная облицовка напылённого ППУ должна наноситься ежедневно на всю поверхность пенополиуретана, напылённого в течении дня.
В случае вынужденного перерывав работе по напылению следует предпринять все меры для того, чтобы достигнуть хорошей адгезии к предыдущим слоям (чистка, сушка и т.д.)
Поверхности, не подлежащие напылению пенополиуретана, должны быть укрыты с помощью временных средств до начала работ по напылению.

Давление рабочей смеси на выходе из пистолета до 8 атмосфер, что дает возможность производить высококачественное смешение и безвоздушное напыление в любые труднодоступные места. Сразу после нанесения происходит вспенивание в течение 1-2 секунд и затвердевание в течение 2-3 секунд. В зависимости от выполняемой задачи возможен выбор систем ППУ с широким диапазоном плотности от 35 кг/м до 120 кг/м . Пенополиуретановое покрытие с плотностью свыше 60 кг/м3 помимо теплоизоляционных свойств, приобретает гидроизоляционные характеристики, что делает его еще более интересным материалом относительно традиционных теплоизоляционных материалов требующих дополнительных мер по парогидроизоляции.

Данная технология дает возможность выполнять работы по изоляции конструкций, как в новом строительстве, так и при реконструкции. Для нанесения изоляции не требуется подготовки поверхности. Технология идеальна для изоляции стальных технологических конструкций и емкостей различной формы и размеров. Специальные добавки в пенополиуретан дают возможность не только защитить конструкцию от коррозии, но и приостановить этот процесс.

Материал обладает отличными адгезионными свойствами, идеально прилипая к горизонтальным и вертикальным поверхностям любого материала и любой формы, закрывает лагуны, швы, неровности и трещины.
Другим, также интересным направлением применения этой технологии, является утепление и гидроизоляция кровель зданий. Применение пенополиуретана в этом случае дает возможность покрывать кровли любой сложности и формы, создавая покрытие без единого стыка. Нанесение материала может происходить как на новые конструкции, так и на старые, покрытые металлом, рубероидом или шифером, не производя демонтажа старого покрытия и подготовительных работ.

Заливка

Используя то же оборудование (дополнительно используются различные виды смесительных головок) можно выполнять работы по заливке пенополиуретана в середину предварительно созданной конструкции, состоящей из несущего каркаса и облицовочного слоя.

Методом заливки ППУ в пресс-форму можно получать теплоизоляционные панели типа «сэндвич» (SIP, СИП панели), состоящие из отвердевшего полиуретана и облицовочных листов. В конструкцию панелей также входят быстродействующие замки для прикрепления панелей друг к другу. Пенополиуретановые сэндвич - панели гораздо легче аналогичных панелей с теплоизоляцией из минеральной ваты за счет уменьшения толщины и отсутствия металлического каркаса. Благодаря легкости данной теплоизоляции нагрузка на фундамент более, чем в 100 раз меньше, чем при применении бетона или кирпича.

Применение ППУ в строительстве домов.

Используя конструкционные элементы изготовленные из ППУ можно быстро и недорого построить дом. Технология возведения широко используется в Европе и получила название каркасной технологии строительства деревянных домов или Канадская технология строительства домов (каркасно-панельное строительство домов SIP, СИП).

Возможно это Вас заинтересует