Утеплители для сэндвич-панелей: модифицированные пенополиуретаны
Сегодня сэндвич-панели успешно применяются как в жилом, так и промышленном строительстве. К числу одного из основных (кстати, многочисленных) достоинств их применения можно отнести высокую скорость монтажа. Из сэндвич-панелей можно производить конструкции любых размеров, при этом толщина конструкций будет определяться в первую очередь толщиной изолирующего материала.
Пенополиуретановый (ППУ) утеплитель можно рассматривать наиболее эффективным материалом с точки зрения теплозащитных свойств, потому что коэффициент теплопроводности составляет всего порядка 0,03 Вт/м∙К. Сразу необходимо отметить, что многие производители декларируют показатели даже ниже 0,022 Вт/м∙К. При измерениях коэффициента теплопроводности в условиях нормативов, принятых в стандартах РФ (при температуре 25 0С), такие значения не могут быть достигнуты.
Применяемые для этих целей жесткие пенополиуретаны, обладая очень низким коэффициентом теплопроводности, дают большую экономию энергоресурсов. Жесткие ППУ отличаются высокими теплоизоляционными свойствами, широким интервалом рабочих температур, малой водо- и паропроницаемостью. ППУ обладает отличной адгезией ко многим материалам, в том числе к металлу, пластмассам и дереву, являющихся основными материалами обшивок панелей. Во всем мире преобладающее производство сэндвич-панелей освоено именно с использованием ППУ в качестве теплоизолирующего слоя.
Несмотря на сравнительно высокую цену применение жестких ППУ для теплоизоляции зданий и сооружений экономически оправдано за счет снижения расхода средств, необходимых для их обогрева. При современных ценах на энергоресурсы все затраты, связанные с применением ППУ, окупаются уже через 2–2,5 года.
На прошедшем в июне 2007 г. в Москве первой специализированной отраслевой конференции для производителей сэндвич-панелей «Российский рынок строительных сэндвич-панелей. Тенденции и перспективы развития» было отмечено, что одним из экономически и технически эффективных направлений развития рынка сэндвич-панелей является увеличение доли панелей с пенополиуретановым утеплителем в общем объеме рынка. В то же время было отмечено, что такие сэндвич-панели в ближайшее время будут составлять не более четверти общего объема российского рынка. Этому много причин, объяснимых существующими техническими, экономическими и нормативными проблемами.
В данной статье мы остановимся на разработках, направленных на улучшение эксплуатационных свойств жестких пенополиуретанов, которые могут быть использованы для производства широкого наименования продукции: теплоизоляционных плит, скорлуп и сегментов, используемых в качестве теплоизоляции участков труб при надземной и канальной прокладке трубопроводов; лепнины из вспененного ППУ для декоративных элементов; для производства теплоизолированных систем «труба в трубе»; для заполнения сэндвич-панелей.
Исследования рассматриваемых материалов направлены на решение комплекса задач при создании эффективных теплоизоляционных ППУ, а именно на снижение (в лучшем случае, на устранение) их основных технических недостатков. К таковым можно отнести в первую очередь горючесть ППУ, их достаточно низкую теплостойкость (хотя по сравнению с пенополистиролом она значительно выше). Для снижения горючести ППУ необходимо использование специальных видов полимеров или эффективных антипиренов, что значительно удорожает продукцию. К недостаткам ППУ относятся горючесть и относительно низкая термостойкость (до +130–150 0С). Целенаправленно улучшить эксплуатационные свойства можно наполнением ППУ.
При введении наполнителей в пенопласты преследуют цель экономии дефицитного органического сырья (снижение полимероемкости) и удешевления конечного продукта. Для снижения полимероемкости и стоимости ППУ используются различные наполнители [1,2].
Способ получения наполненных пенопластов основан на принципе введения наполнителя (до вспенивания, в ходе вспенивания или после вспенивания). Чаще всего наполнитель совмещают с композицией до вспенивания. При этом достигается наилучшее смачивание и более равномерное распределение наполнителя во вспенивающейся композиции. Наиболее равномерное распределение наполнителя дает наполнение «изнутри» или так называемое конденсационное наполнение. Конденсационное наполнение представляет собой любой процесс превращения жидкой фазы в твердую дисперсную с четкой границей раздела, реализуемый в результате химической реакции или фазового перехода в жидкой среде иного состава [1].
Этот принцип реализован нами при использовании для получения модифицированных ППУ смесевых связующих на основе органических и неорганических компонентов. Совмещение органических и неорганических компонентов в одном связующем позволяет получить материал, обладающий достаточными прочностными свойствами и определенной долей эластичности (присуще органическим полимерам), а также высокой длительной теплостойкостью и термостойкостью (свойственны для неорганических материалов).
В качестве неорганических олигомеров-модификаторов в работе использованы водные растворы силикатов натрия (жидкие стекла) и полисиликатов натрия, отличающиеся силикатным модулем (СМ = SiO2/Na2O).
В литературе достаточно широко известны композиции на основе водных растворов силикатов щелочных металлов и полиизоцианатов (ПИЦ), являющихя одним из компонентов для получения ППУ [3,4]. Использование изоцианатов в качестве модификаторов жидких стекол связано с наличием в них NCO-групп с высокой степенью ненасыщенности, способных реагировать с соединениями, содержащими подвижный атом водорода.
Нами были получены гибридные органонеорганические связующие на основе ПИЦ и водных растворов силикатов натрия, состав которых был оптимизирован с технологической точки зрения. В результате были выбраны составы, обладающие невысокой вязкостью (60–80 сек. по вискозиметру ВЗ-4), однородностью и длительной жизнеспособностью (120–180 мин.).
Процесс получения модифицированного пенополиуретана на органо-неорганических связующих заключается в следующем. На первом этапе приготавливается связующее путем смешения органического олигомера (ПИЦ) и неорганического (водный раствор силиката натрия). На втором этапе связующее смешивается с оставшейся частью ПИЦ в течение 2–3 мин. В последнюю очередь в состав вводится гидроксилсодержащее соединение (простой олигоэфир — компонент A в ППУ-композициях), и композиция перемешивается в течение 15–20 сек. Приготовленная смесь вспенивается в течение 3–4 мин. и затем отверждается в течение 10–15 мин. Подобрано оптимальное содержание гибридного связующего в пенопласте — 10–12%, обеспечивающее высокую кратность вспенивания и однородность пористой структуры отвержденного материала.
С целью снижения полимероемкости и горючести в состав ППУ введены тонкодисперсные наполнители:
- гипс;
- отходы гальванического производства, состоящие на 90% из Al(OH)3.
Тонкодисперсные наполнители вводятся в состав на предпоследнем этапе — перед добавлением простого олигоэфира.
Другим наполнителем в полученных пенопластах является поликремниевая кислота, образующаяся в процессе реакций между компонентами, а каркасообразующими полимерами являются полиуретан и полимочевина. Вспенивание композиции осуществлялось за счет выделения углекислого газа (CO2), образующегося в результате химического взаимодействия ПИЦ с водой и ПИЦ с жидким стеклом.
Следует отметить технологические преимущества полученных материалов:
- наличие воды в составе водного раствора силиката натрия (до 60 масс. %), что исключает необходимость введения воды, необходимой для протекания реакции, ответственной за вспенивание связующего;
- химическое связывание воды в процессе формования позволяет исключить операцию сушки ТИМ, которая всегда имеет место в случае использования в качестве связующего жидкого стекла и приводит к усадочным явлениям и снижению механической прочности композита;
- возможность образования полимочевин, характеризующихся высокой водостойкостью.
Из данных, следует, что оптимальное содержание гипса в композиции составляет 20–25%. При этом материал обладает максимальной прочностью (0,35–0,40 МПа), водостойкостью и небольшим временем самостоятельного горения при испытании на горючесть. При введении в состав 30% гипса снижается краткость вспенивания, увеличивается плотность и формируется неоднородная структура пенопласта, включающая крупные поры. В результате снижается механическая прочность, растет водопоглощение, хотя и наблюдается дальнейшая тенденция увеличения огнестойкости.
При наполнении ППУ на гибридном связующем тонкодиспергированными отходами оптимальное содержание наполнителя — около 30%. Время самостоятельного горения при данном содержании наполнителя составляет всего 2 сек., а прочность при сжатии — 0,035 МПа.
Теплозащитные характеристики полученных модифицированных пенопластов высокие: коэффициент теплопроводности в зависимости от степени наполнения изменяется от 0,027 до 0,032 Вт/м∙К.
Таким образом, при получении наполненных ППУ на гибридном связующем при незначительном увеличении плотности возрастают его физико-механические характеристики, а время самостоятельного горения при испытании на горючесть составляет всего несколько секунд.
Полученные гибридные связующие были использованы для получения эффективных пенопластов, обладающих высокими механическими, теплотехническими и другими эксплуатационными свойствами. Кроме того, они могут быть использованы в качестве поризованных связующих при создании других типов теплоизоляционных материалов с использованием различных типов органических и неорганических наполнителей.
литература
1. Тараканов О. Г. «Наполненные пенопласты». / О. Г. Тараканов, И. В. Шамов, В. Д. Альперн — М.: «Химия», 1989 г.
2. Абдрахманова Л. А. «Модифицированные жесткие пенополиуретаны для теплоизоляции». /Л. А. Абдрахманова, И. А. Старовойтова,
В. Г. Хозин // Изв. вузов. «Строительство», №6, 2005 г., с. 25–29.
3. Веселовский Р. А. «Водные растворы щелочи в реакциях с изоцианатами». / Р. А. Веселовский, С. С. Ищенко, Т. И. Новикова, Н. Л. Збанацкая
// «Журнал прикладной химии», №8, 1988 г., с. 1872–1876.
4. Веселовский Р. А. «Исследование процессов формирования композита на основе ПИЦ и жидкого стекла». / Р. А. Веселовский, Н. Л. Збанацкая // «Пласт. массы», №9, 1988 г., с. 21–27.
| Автор: Л. А. Абдрахманова, В. Г. Хозин, И. А. Старовойтова Дата: 30.04.2008 Журнал Стройпрофиль 3-08 Рубрика: быстровозводимые здания Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |