3.3. Органические теплоизоляционные материалы и изделия

Органические теплоизоляционные материалы получают из растительного сырья, отходов деревообрабатывающей промышленности и различных видов связующих. К ним относятся древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фибролит, арболит, бетоны на основе органических заполнителей, газонаполненные пластмассы.

Фибролит – теплозвукоизоляционный материал с плотностью 300–500 кг/м³. Его изготовляют в виде плит, размером по длине – 240–300 см, ширине – 50–120 см и толщине 3–10 см из смеси специально нарезанной древесной стружки, портландцемента, химических добавок и воды (рис. 23, а). Используется в качестве теплоизоляционного, конструкционно-теплоизоляционного и акустического материала в строительных конструкциях зданий и сооружений с относительной влажностью воздуха в помещении не выше 75 %. Фибролит имеет коэффициент звукопоглощения 0,5–0,6, а теплозащитные свойства фибролитовых плит толщиной 25–30 мм соответствуют теплозащитным свойствам кирпичной кладки толщиной 355 мм. Он также морозостоек – выдерживает более 50 циклов. Фибролитовые плиты хорошо штукатурятся цементно-песчаными и гипсовыми растворами и обрабатываются режущим инструментом. Водопоглощение фибролита в два с лишним раза ниже, чем древесины. Он относится к трудносгораемым и биостойким материалам. Фибролит применяют в жилищном строительстве в качестве теплоизоляционного слоя в стеновых панелях различных конструкций, для утепления чердачных перекрытий, совмещенных кровель, карнизных панелей, вентиляционных каналов. При использовании в качестве акустического материала фибролитовые плиты лучше устанавливать на некотором расстоянии от стен или потолков, так как в этом случае увеличивается коэффициент звукопоглощения облицовки.

Фибролит является достаточно долговечным материалом, если он конструктивно защищен от непосредственных климатических воздействий слоем штукатурки или бетона. Вместе с тем, отмечается его низкая водостойкость и высокая воздухопроницаемость [21].

Теплоизоляционные бетоны на основе органических заполнителей (арболит, опилкобетон, костробетон, пенополистиролбетон и т.п.). Эти бетоны изготовляют на основе минерального вяжущего и легкого органического заполнителя (древесных опилок, дробленой станочной стружки или щепы, сечки соломы или камыша, костры, вспученных полистирольных гранул и др.). Теплоизоляционные бетоны имеют плотность до 500 кг/м³, прочность при сжатии 0,5–3,5 МПа, при изгибе 0,4–1,0 МПа, теплопроводность – 0,08–0,12 Вт/(м·К).

а б

Рис. 23. Структуры фибролита (а) и пенополистиролбетона (б)

Одним из перспективных материалов для применения в легких ограждающих конструкциях зданий является пенополистиролбетон (ППСБ). Он представляет собой затвердевшую смесь цемента, вспученных полистирольных гранул, технической пены, воды и добавок (рис. 23, б). При низкой плотности (250–500 кг/м³) он обладает достаточной прочностью (0,3–1,5 МПа), что позволяет применять его в виде крупных и мелких блоков, перемычек для изготовления наружных стен, а также в виде плит для утепления кровли и перекрытий над подвалами. ППСБ не деформируется под нагрузкой, он гораздо долговечнее традиционных минераловатных утеплителей и полистирольного пенопласта, обладает высокими теплоизоляционными свойствами, пожаробезопасен, морозо- и водостоек, поддается распиливанию [22].

Он может использоваться как теплоизоляционный бетон для изготовления комплексных многослойных блоков и плит. Использование ППСБ показало высокую эффективность – существенно снижаются затраты на отопление зданий. Он позволяет успешно решать многие задачи строительства «теплых» домов с эффективными стеновыми конструкциями [23].

Древесно-волокнистые плиты (ДВП) получают горячим прессованием, волокнистой массы, которую получают измельчением «неделовой» древесины (отходов деревообработки, макулатуры, стеблей тростника) со связующим – смолой. Особенно ценными для строительства являются отделочные и теплозвукоизоляционные ДВП. Красивый внешний вид, разнообразие цвета и фактур, крупноформатные размеры, легкость монтажа и обработки, невысокая стоимость предопределяют высокую эффективность их применения [19].

На основе растительного сырья готовят ряд местных материалов: камышит, соломит, торфяные изоляционные плиты и др. Одним из перспективных направлений в производстве современных теплоизоляционных материалов является использование вторичного сырья, в том числе бытовых отходов (бумаги и картона). При этом получают эковату, которая является по теплоизоляционным свойствам аналогом традиционных утеплителей: минеральной ваты, стекловаты и т.п. Среднее значение теплопроводности эковаты составляет 0,041 Вт/(м·К). Эковата трудносгораема, что обусловлено добавками антипиренов, биостойка, обладает звукопоглощающими свойствами.

Газонаполненные пластмассы – это двухфазные системы, состоящие из полимерной матрицы и относительно равномерно диспергированной газовой фазы. Газонаполненные (ячеистые) пластмассы классифицируют по значению модуля упругости, физической структуре, природе и химическому строению полимеров, технологии, функциональному назначению.

По значению модуля упругости они подразделяются на жесткие, полужесткие и эластичные. По физической структуре они различаются на пенопласты, поропласты и сотопласты. Пенопласты имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими перегородками. К поропластам относятся ячеистые пластмассы с сообщающимися порами. Имеются материалы со смешанной структурой, так как обычно не удается получить материал только с замкнутыми или только открытыми ячейками (рис. 24).

Рис. 24. Образец пенопласта (слева) и плиты из поропласта (справа)

Для сотопластов показательны регулярно повторяющиеся воздушные полости, имеющие правильную геометрическую форму (например, на основе бумаги или стеклоткани, пропитанной полимерной смолой). Сотопласты получают при формовании или литье исходного пластичного материала без его вспенивания, По структуре сотопласты близки к пенопластам, отличаясь от них геометрической правильн остью и бóльшими размерами воздушных пор (рис. 25). Сотопласты служат эффективным утеплителем в трехслойных панелях.

По функциональному назначению газонаполненные пластмассы делятся на теплоизоляционные, используемые в виде плит и скорлуп в холодильной технике, в кровельных и стеновых конструкциях зданий и конструкционно-теплоизоляционные, используемые в виде ограждающих конструкций, в том числе в слоистых конструкциях, в качестве монтажной теплоизоляции трубопроводов. Особенно эффективны слоистые конструкции: они легки, технологичны, обладают необходимой прочностью и жесткостью. Применение слоистых конструкций в строительстве помогает решить издавна существующее противоречие между несущей способностью конструкции и ее теплотехническими свойствами. В последнее время возводят все больше строительных конструкций с использованием пенопластов, область их применения непрерывно расширяется.

В ячеистых пластмассах поры занимают 90–98 % объема материала, поэтому ячеистые пластмассы очень легки и малотеплопроводны. Их плотность составляет всего 15–45 кг/м³, а теплопроводность – 0,026–0,058 Вт/(м·К), что значительно ниже теплопроводности других теплоизоляционных материалов. Наиболее легкими являются карбамидные поропласты. Представитель этой группы мипора имеет плотность 10–20 кг/м³.

Ячеистые пластмассы получают из термопластичных и термореактивных полимеров химическим и физическим способами. При химическом способе ячеистая газонаполненная структура образуется при термическом разложении газообразователей или взаимодействии компонентов композиции; при физическом – в результате интенсивного расширения растворенных газов при снижении давления или повышении температуры, а также их механическая диспергация.

Свойства вспененных полимеров зависят, в первую очередь, от их плотности и характера структуры, а также от свойств полимера и вспенивающего газа. Физико-механические свойства ячеистых пластмасс улучшаются с увеличением содержания закрытых ячеек.

Ячеистые пластмассы в большинстве случаев разрушаются постепенно и не имеют четко выраженного предела прочности. Прочность их определяют обычно условно при относительной деформации, составляющей 2–10 %. Сравнительно высокие прочностные показатели имеют полистирольные и ПВХ пенопласты. При плотности 40–70 кг/м³ их прочность при сжатии достигает 0,3–1 МПа, а при растяжении – 0,8–1,9 МПа. Прочностные показатели ячеистых пластмасс снижаются при увлажнении.

Теплостойкость пено- и поропластов на основе термопластичных полимеров составляет 60–70ºС. Наиболее теплостойки кремнийорганические пенопласты, температура их эксплуатации достигает 250ºС.

Пенопласты в зависимости от вида полимерной основы различно реагируют на воздействие огня: одни поддерживают горение, другие после удаления источника огня тлеют и затухают, третьи не горят, но плавятся. Полистирольные пенопласты легко загораются и полностью сгорают. При их горении наблюдается каплеобразование и значительное задымление.

В настоящее время разработаны и выпускаются промышленностью самозатухающие полистирольные пенопласты, в состав которых включены антипирены. Для возгорания этих пенопластов требуется более длительное воздействие огня; они не загораются от пламени спички и электрических искр. ПВХ пенопласты не горят под действием местных источников огня; при вынесении из пламени эти материалы тлеют, а затем затухают. Полиуретановые пенопласты горючи и характеризуются повышенной токсичностью продуктов горения. Однако и для получения этого вида пенопластов разработаны рецептуры с использованием антипиренов, способствующие получению самозатухающих пенопластов. Наиболее высокой огнестойкостью характеризуются пенопласты на основе феноло- и мочевиноформальдегидных смол.

Для ячеистых пластмасс, как и для других полимерных материалов, характерны повышенные деформации ползучести. Особо интенсивно развивается ползучесть при больших нагрузках и воздействии атмосферных факторов. Наибольшую атмосферостойкость имеют полистирольные и ПВХ пенопласты, пониженную – фенольные.

Большинство теплоизоляционных пластмасс имеет высокое водопоглощение. Для предохранения от увлажнения их обертывают в водо- и паронепроницаемые пленки или гидрофобизируют. Малым водопоглощением отличаются материалы с замкнутыми ячейками.

В настоящее время в практике строительства широкое распространение получили композиционные пенопласты, в состав которых входят различные зернистые минеральные пористые наполнители; эти материалы выделяют в самостоятельную группу – наполненных пенопластов. Специфические особенности газонаполненных пластмасс определяют техническую направленность и экономическую эффективность в различных отраслях промышленности. Благодаря низкой плотности, высоким тепло- и звукоизоляционным свойствам, повышенной удельной прочности, а также ряду ценных технологических и эксплуатационных свойств, пенопласты не имеют аналогов среди традиционных строительных материалов.

Использование пенопластов существенно сокращает расход энергии при эксплуатации жилых и промышленных зданий, уменьшает массу строительных элементов и снижает нагрузку на фундаменты.

Слой пенопласта толщиной 2,5 см плотностью 30 кг/м³ по теплозащитной способности эквивалентен слою гранита толщиной 250, бетона – 130, кирпича – 60, пенобетона – 25, древесины – 16 см. Применение пенопластов в навесных панелях, например, позволяет снизить массу 1 м² здания до 100 вместо 500–600 кг для кирпичных зданий. Толщина слоя утеплителя из пенопласта в среднем составляет 5–6 см при массе, равной 1,5–2 кг на 1 м², в то время как прочие утеплители (минераловатные плиты, фибролит, ячеистый бетон) имеют в конструкции толщину 10–16 см при массе 1 м² 25–65 кг. При монтаже конструкций из пенопластов сокращаются трудозатраты и сроки строительства.

Однако большинству ячеистых пластмасс свойственны определенные недостатки, существенно ограничивающие возможности их применения: пониженные теплостойкость и огнестойкость (температуростойкость многих пенопластов не превышает 200ºС). Кроме того, высокая себестоимость и ограниченность сырьевой базы обусловливают экономическую целесообразность использования пенопластов в основном для высокоэффективной теплоизоляции – в легких кровельных и крупноразмерных стеновых конструкциях или для монтажной теплоизоляции трубопроводов. Следует также отметить, что процессы деструкции (старения) этих материалов, биостойкость в процессе длительной эксплуатации до конца не изучены.

Среди газонаполненных пластмасс наибольшее применение в строительстве имеют пенополиуретан, пенополистирол, пенополивинилхлорид и вспененный полиэтилен.

Пенополиуретан получают в результате химических реакций, протекающих при смешении исходных компонентов (полиэфира, диизоцианита, воды, катализаторов и эмульгаторов), и их дальнейшего вспучивания. Он имеет плотность 25–45 кг/м³ , прочность при 10 %-м сжатии – 0,3–0,7 МПа, теплопроводность – 0,025 Вт/(м·К). Его прочность, термостойкость, сохранность первоначальной формы, легкость и химическая стойкость превосходны. Он не впитывает влагу, не гниет и не плесневеет.

Изготовляют жесткий и эластичный пенополиуретан. Жесткий отличается более высокой механической прочностью, износоустойчивостью, химической и биологической стойкостью, может быть использован при температурах от –50 до +110°С. Жесткий пенополиуретан применяют в виде плит и скорлуп. Эластичный пенополиуретан служит для герметизации стыков панелей. Он позволяет получать бесшовную теплоизоляцию путем заливки жидкой пенополиуретановой массы в зазоры между конструктивными элементами. Разработаны рецептуры заливочных композиций, которые могут вспениваться даже на холоде.

Пенополиуретан используют для теплоизоляции ограждающих конструкций, полов, перекрытий и трубопроводов горячего и холодного водоснабжения. Он может быть получен непосредственно на стройке методом напыления и заливки (заливочный пенопласт). В результате вспенивания полиуретана в конструкции получают монолитную теплоизоляцию.

Пенополистирол изготовляют из полистирола вспучиванием при нагреве с порообразователем. Его можно получать различными способами: прессовым, беспрессовым и экструзией в виде плит. Беспрессовый пенополистирол ПСБ имеет плотность 20–40 кг/м³ и теплопроводность 0,035–0,04 Вт/(м·К). Его водопоглощение может достигать относительно больших значений, что ухудшает теплоизоляционные и физико-механические свойства и ограничивает срок службы этого материала (около 10 лет в Московском регионе). Более эффективный материал – экструзионный пенополистирол (Пеноплэкс) – практически не впитывает влагу и поэтому его теплотехнические свойства не ухудшаются при эксплуатации. Его плотность находится в пределах 30–50 кг/м³, а теплопроводность составляет 0,03–0,035 Вт/(м·К) при практически нулевом водопоглощении (за счет замкнутой поровой структуры). Он может применяться в диапазоне температур от –50 до +75ºС. Пеноплэкс – новый высококачественный теплоизоляционный материал, занимающий все более прочные позиции на российском рынке. Его можно использовать не только для утепления стен, но и фундаментов, полов, кровель, а также труб тепло- и водоснабжения.

Выпускают пенополистирол в виде плит, блоков и скорлуп. Плиты из пенополистирола являются уникальным строительным материалом, сочетающим в себе высокие теплоизоляционные свойства с малой массой (масса 1 м³ пенополиситрола – 15–35 кг). По теплоизоляционным свойствам плита из пенополистирола толщиной 50 мм равноценна стене из кирпича толщиной в 1 м или из деревянного бруса толщиной 1,5 м.

Пенополистирольные плиты используют для теплоизоляции стеновых и ограждающих конструкций гражданских и промышленных зданий, в холодильной промышленности, конструкциях совмещенных кровель, для утепления полов, в сэндвич-панелях, а также для основания автомобильных дорог и железнодорожного полотна. Пенополистирол часто используется в сочетании с другими строительными материалами в различных конструкциях. Это самый распространенный из материалов-пенопластов, применяемых в качестве теплоизоляции.

Пенополивинилхлорид – теплоизоляционный материал, незначительно изменяющий свои свойства при изменении температуры от –60 до +60°С. Он менее горюч по сравнению с пенополистиролом. Бывает жесткий и эластичный. Жесткий выпускают в виде плит длиной и шириной 500 мм при толщине не менее 45 мм с плотностью 70–150 кг/м³. Его прочность при сжатии составляет 0,4–0,7 МПа, водопоглощение – не более 0,3 %, теплопроводность – 0,04 Вт/(м·К).

Пенополивинилхлорид широко применяется для термоизоляции холодильников, рефрижераторов, а также для звукоизоляционных целей.

Вспененный полиэтилен («Пленэкс», «Изолон» и др.) – эластичный материал, выпускаемый в виде рулонов длиной 50 м, шириной 930 мм и толщиной 2–10 мм. Имеет плотность 40–80 кг/м³, прочность при растяжении – 0,5 МПа, водопоглощение – 0,3 %, теплопроводность – 0,066 Вт/(м·К). Температурный диапазон эксплуатации материала от –80 до +105ºС.

Пенополиэтилен может фольгироваться алюминиевой фольгой с одной или двух сторон. Применяется он для утепления стен, полов, потолков, для изоляции технологического оборудования и труб. Наличие в этих материалах антипиренов делают их трудногорючими.

Мипора – легкий тепло- и звукоизоляционный материал в виде затвердевшей пены белого цвета. Ее выпускают в виде блоков, плиток и крошки. Она имеет плотность 10–20 кг/м³, теплопроводность 0,03 Вт/(м·К), температуру применения – не более 110ºС. Материал негорюч, однако отличается высоким водопоглощением. Крайне малая механическая прочность мипоры затрудняет ее непосредственное применение. Поэтому ее чаще всего используют как теплоизоляционный заполнитель и звукопоглощающий материал в каркасных конструкциях при условии тщательной защиты от увлажнения.

Пеноизол изготовляется на основе карбамидной смолы. Высокие теплоизоляционные свойства, низкая плотность, простота получения, экологическая и пожарная безопасность, стойкость к действию микроорганизмов и большинству органических растворителей, низкая стоимость ставят пеноизол в ряд перспективных высокоэффективных теплоизоляционных материалов. В конструкциях, заполненных пеноизолом, проникновение влаги внутрь помещения исключается. При этом он остается паропроницаемым [24].

Пеноизол применяется для тепловой изоляции в качестве среднего слоя строительных конструкций, для утепления полов, стен, потолков и крыш жилых и промышленных зданий.

Пеноизол сразу привлек к себе внимание строителей и архитекторов своими необыкновенными свойствами. При заполнении им внутренних проемов стен или при утеплении домов снаружи эффективность теплосбережения возрастает многократно, так как его теплопроводность составляет 0,035–0,047 Вт/(м·К). Утепление зданий пеноизолом толщиной 10 см снижает затраты на отопление в несколько раз.

К достоинствам пеноизола относится также то, что он не горит после удаления источника пламени (время самостоятельного горения отсутствует), не образует расплавов, не выделяет под воздействием пламени высокотоксичных веществ [25].

Материал легко режется без нагрева любым режущим инструментом. Пеноизол обладает также и хорошими звукоизоляционными свойствами. Он стоек к действию большинства агрессивных сред, органических растворителей, грибков и микроорганизмов.

Очень часто теплоизоляционные материалы используют как промежуточный слой при изготовлении трехслойных высокопрочных панелей типа «сэндвич».

Панели типа «сэндвич» – это плоские пространственные конструкции, состоящие из наружных обшивок, соединенных между собой теплозвукоизоляционным материалом из полимеров. В качестве последних обычно используют пенополистирол, пенополивинилхлорид, пенополиуретан,, фенольный пенопласт, а также минеральную вату. В качестве обшивок применяют стеклопластики, фанеру, ДВП, асбестоцемент, тонколистовой алюминий, стальные листы с защитными покрытиями, кровельные материалы в плитах покрытий. Для склеивания обшивок со средним слоем используются различные клеи (рис. 26).

Размеры сэндвич-панелей: длина – до 20 м, ширина – 1,0–1,2 м, толщина – 35–200 мм. Главным достоинством трехслойных панелей являются их легкость (масса 1 м² колеблется в пределах 40–70 кг), высокая теплоизолирующая способность (0,17–0,96) Вт/(м·К) в зависимости от толщины плиты и вида теплоизоляционного материала и хорошие физико-механические свойства.

Рис. 26. Трехслойные сэндвич-панели

Трехслойные панели используют для утепления стен и перегородок производственных и общественных зданий, для теплоизоляции покрытий по несущим конструкциям, подвесных потолков.

Органические теплоизоляционные материалы и, прежде всего, ячеистые пластмассы, а также минераловатные изделия, благодаря их высоким теплоизоляционным свойствам и чрезвычайно малой теплопроводности, относятся к эффективным утеплителям. При этом они отличаются низкой удельной стоимостью. Так, теплоизоляционный слой пенопласта толщиной 5–6 см эквивалентен по теплозащите слою 14–16 см из ячеистого бетона или кладке толщиной 100–150 см из обычного кирпича. В то же время особенностью органических теплоизоляционных материалов и, прежде всего, ячеистых пластмасс, является их ограниченная теплостойкость (для последних – от 60 до 130°С в зависимости от вида пластмассы). Большинство из них горючи, а при горении они выделяют множество летучих высокотоксичных соединений. Кроме того, недостатком этих материалов является усадка, которую можно уменьшить, выдерживая материал до применения и используя гибкие и эластичные материалы типа битумно-эластомерного

наплавляемого полотна в качестве гидроизоляционного слоя.

На этом фоне более привлекательными выглядят теплоизоляционные материалы на основе легких органических заполнителей и минерального вяжущего вещества, а также из сырья природного происхождения, которые являются трудносгораемыми и биостойкими материалами (при условии введения добавок эффективных антипиренов и антисептиков). Наиболее долговечными и экологически чистыми, несомненно, являются минеральные теплоизоляционные материалы (пеностекло, ячеистые бетоны и др.). Поэтому, несмотря на более высокую стоимость, в настоящее время применение этих материалов растет (особенно с учетом последних достижений науки и технологии в снижении их плотности и теплопроводности).