Свойства и область применения пенополиуретана (ППУ)

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

Пенополиуретан (ППУ) получают из жидких компонентов, дозировка и смешение которых осуществляется при помощи специального оборудования для напыления пенополиуретана (ППУ). 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.

 

Свойства и характеристики пенополиуретана (ППУ)

 

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.

 

Применение пенополиуретана:

Применение 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 распространения 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 трудно сгораем. 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 эксплуатации 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 характеристик ППУ 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 исследований 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.