8.2. Органические теплоизоляционные материалы и технология их изготовления

Органические теплоизоляционные материалы изготовляют в основном в виде плит из отходов древесины и другого растительного сырья волокнистого строения (соломы, камыша, торфа, костры льна и конопли). Для изготовления этих материалов широко используются полимеры и синтетические смолы. В последние годы все большее применение находят легкие газонаполненные полимерные материалы – пенопласты, поропласты, сотопласты.

Древесноволокнистые плиты представляют собой листовой материал, полученный формованием с последующим высушиванием древесноволокнистой массы, пропитанной синтетическими полимерами. Для повышения водостойкости плит в эту массу добавляют парафиновую эмульсию.

Средняя плотность древесноволокнистых плит – 150 – 350 кг/м³, предел прочности при изгибе не менее 1,2 МПа, коэффициент теплопроводности – 0,046 – 0,07 Вт/(м °С). Древесноволокнистые плиты изготавливают шириной 300, 270, 250, 180 см; длиной 160, 120 см; толщиной 25, 16, 12 и 5 мм.

Вырабатывают также изоляционно-отделочные твердые древесноволокнистые плиты с окрашенной поверхностью. Применение их снижает трудоемкость строительства, так как отпадает операция отделки лицевых поверхностей.

Древесноволокнистые плиты можно легко пилить, резать, сверлить, они обладают хорошей гвоздимостью, т.е. не трескаются при пробивании и хорошо держат гвозди. Помимо тепловой изоляции плиты используют и для звуковой изоляции в междуэтажных перекрытиях. К утепляемым поверхностям плиты крепят гвоздями или приклеивают битумными мастиками.

Технология производства древесноволокнистых плит складывается из следующих операций: приготовления щепы, размола щепы на волокна, пропитки древесноволокнистой массы связующим, формования плит, их сушки и обрезки кромок.

Древесностружечные плиты изготовляют из древесины путем горячего прессования древесных стружек, пропитанных полимерным связующим, при этом жидкий полимер отверждается, склеивая стружку в монолитную массу (рис. 42). Древесностружечные плиты выпускают толщиной 1,3 – 2,5, длиной 250 – 360 и шириной 120 – 180 см. Предел прочности при изгибе их должен быть не менее 5 МПа, теплопроводность – не более 0,058 Вт/(м °С). В качестве теплоизоляционного материала используют мягкие плиты со средней плотностью – 250 – 400 кг/м³. Длина плит – от 250 до 360 см, ширина – 120 – 180 см, толщина – от 13 до 25 мм.

Изоляционные древесноволокнистые и древесностружечные плиты применяют для тепло- и звукоизоляции стен, перегородок, междуэтажных перекрытий жилых зданий, утепления кровли и перекрытий промышленных зданий. Крепят плиты к стенам и потолкам оцинкованными гвоздями или приклеивают мастиками.

Торфяные плиты имеют волокнистую структуру. Теплоизоляционные изделия из торфа выпускают в виде плит, блоков, скорлуп и сегментов. Наиболее широко применяют торфоплиты, которые изготовляют из молодого, еще не перегнившего мха – сфагнума.

Производство торфоплит ведется мокрым и сухим способами.

При мокром способе кусковой торф с влажностью до 90 – 95% разделяют на отдельные волокна на зубчатой вальцевой дробилке, а затем подают в варочные котлы, где тщательно перемешивают с водой, нагретой до 50 – 60 °С. Хорошо перемешанную массу разливают в металлические формы, имеющие отверстия для стока воды, и прессуют на гидравлических прессах. После прессования плиты, не извлекая из форм, подвергают тепловой обработке, в процессе которой удаляется влага. При этом отдельные волокна торфа склеиваются органическими веществами, которые выделяются из него же при повышении температуры. Затем плиты извлекают из форм и выдерживают несколько дней на воздухе.

Рис. 42. Технологическая схема производства однослойных древесностружечных плит:

1 – рубильная машина; 2 – вибрационное сито; 3 – накопительный бункер; 4 – сушильная камера; 5 – бункер; 6 – смеситель; 7 – настилочная машина; 8 – холодный пресс; 9 – загружатель; 10 – пресс горячего прессования; 11 – разгружатель; 12 – станок для обрезки плит; 13 – кантователь.

Сухой способ производства плит отличается от мокрого тем, что в качестве сырья используется подсушенный торф (до влажности 40 – 50%), который перед формованием не разжижается водой. Этот способ проще, при нем не требуется больших затрат воды, топлива и энергии, но средняя плотность плит получается выше, что ухудшает их теплоизоляционные свойства.

Торфоплиты имеют форму прямоугольного параллелепипеда размерами 100х50х3 см. Средняя плотность плиты – 150 – 250 кг/м³, предел прочности при изгибе не менее 0,3 МПа.

Теплоизоляционные материалы на основе полимеров отличаются легкостью, прочностью, гнилостойкостью и малой теплопроводностью. Тепло- и звукоизоляционные материалы используют в виде газонаполненных пластмасс и изделий из древесной массы или минерального волокна на синтетическом связующем. Газонаполненные пластмассы по структуре разделяются на:

пенопласты – материалы с системой изолированных, не сообщающихся между собой ячеек, содержащих газ или смесь газов и разделенных тонкими стенками;

поропласты – материалы с системой мелких сообщающихся ячеек или полостей, заполненных газом;

сотопласты – материалы с регулярно повторяющимися полостями в виде пчелиных сот.

Разграничение газонаполненных материалов на поро- и пенопласты условно, так как во многих случаях образуются пластмассы, обладающие смешанной структурой.

Пено -, поропласты можно получать различными способами и на основе разных полимеров. Они обладают малой средней плотностью (от 20 до 60 кг/м³), достаточной прочностью, высокими теплозвукоизоляционными свойствами, стойкостью к действию влаги и агрессивных сред. Теплоизоляционные свойства пенопластов различных сортов и материалов при близких средних плотностях различаются сравнительно мало.

В качестве теплоизоляционных материалов пенопласты применяют в плитах перекрытий и ограждающих панелей для устройства совмещенных кровель, утепления междуэтажных и чердачных перекрытий, а также для теплоизоляции инженерных коммуникаций, трубопроводов, холодильников и т.д.

Пористая структура полимерных строительных материалов может быть получена химическим и физическим способами. Химический способ основан на термическом разложении газообразователей, введенных в состав полимерной композиции. Образующиеся при этом газы вспенивают полимер. Сущность физического способа заключается в расширении газов, растворенных в полимерах, после снятия давления или при повышении температуры.

К газообразователям относят органические вещества (порофоры), которые при повышенной температуре разлагаются с выделением азота, углекислоты и аммиака (карбонат аммония, бикарбонат натрия). Веществами, способными вспенивать полимеры при нагревании до температуры кипения или при снижении давления, являются такие легкокипящие жидкости, как бензол, ксилол, толуол, вода и т.д. Отдельную группу порообразователей составляют поверхностно-активные вещества, облегчающие диспергирование газа в виде мелких пузырьков и повышающие устойчивость тонких полимерных пленок между пузырьками.

Пористые полимерные материалы можно получать как при повышенном, так и при нормальном давлении. С применением повышенного давления пористые пластмассы получают прессованием, экструзией и литьем под давлением.

Наиболее распространен прессовый метод, сущность которого заключается в прессовании смеси полимера и газообразователя при повышенной температуре с последующим вспениванием размягченной композиции в пресс-форме.

Если при формовании поро- и пенопластов повышенное давление не используется, то применяют беспрессовый, химический и дисперсионный методы. При беспрессовом методе (рис. 43) полимерная композиция вспенивается при нагревании до температуры кипения растворителя или разложения газообразователя.

Сущность химического метода заключается во вспенивании смеси газами, выделяющимися при взаимодействии компонентов в процессе полимеризации или поликонденсации. По дисперсионному методу полимерные композиции вспениваются с помощью быстроходных смесителей и продуванием через раствор газообразного вещества с последующим отверждением полимера.

Рассмотрим несколько представителей поропластов.

Пенополистирол выпускают трех марок: ПС-1; ПС-4; ПС-6 в виде плит разных размеров. Его широко применяют для устройства среднего слоя трехслойных панелей, а также изготовления скорлуп для изоляции труб. При определении областей применения пенополистирола необходимо учитывать его свойства: гнилостойкость, хорошую гвоздимость и способность прочно склеиваться со многими материалами. Как звукоизоляционный материал его применяют при строительстве кинотеатров, концертных залов и т.д. Как теплоизоляционный материал пенополистирол используют в конструкциях совмещенных кровель, перекрытий, стен и перегородок жилых домов.

Рис. 43. Технологическая схема производства

пенополистирола беспрессовым методом:

1 – вентилятор; 2 – соединительное устройство; 3 – приемный бункер для бисерного полистирола; 4 – трубопровод; 5 – циклон; 6 – расходный бункер; 7 – шнек с паровой рубашкой (предварительное вспенивание); 8 – бункер; 9 – дозатор; 10 – рольганг; 11 – перфорированная металлическая форма; 12 – тельфер; 13 – вагонетка; 14 – автоклав (вспенивание); 15 – сушильная камера.

Пенополивинилхлорид представляет собой материал в виде твердой пены с равномерно замкнуто-пористой структурой, заполненной газом. Применяют для тех же целей, что и пенополистирол. Пенополивинилхлорид не поддерживает горения, что несколько расширяет область его применения.

Пенополиуретан может быть жестким и эластичным. Жесткий пенополиуретан используют как теплоизоляционный заполнитель трехслойных конструкций, в виде скорлуп и сегментов для изоляции холодного и горячего водоснабжения магистральных трубопроводов. Эластичный пенополиуретан применяют для герметизации стыков панелей.

Мипора – пенопласт на основе мочевиноформальдегидного полимера, представляющий собой отвердевшую пену. Мипору изготовляют в виде блоков толщиной 20 и 10 см и длиной 50 см и более. Мипора не загорается при воздействии открытого пламени, при 200 °С она обугливается.

Физико-механические свойства пенопластов приведены в таблице 10.

Таблица 10. Физико-механические свойства пенопластов

Показатели	Пенополистиролы		Пенополивинилхлорид				Пеноформальдегидный пенопласт	Мипора
	ПС-1	ПС-4	ПВХ-1	ПВХ-2	ПВХ-3	ПВХ-4
Средняя плотность, кг/м3	130	50	111	216	119	213	168	23
Прочность на сжатие, МПа	-	0,663	1,548	-	0,412	-	0,343	0,01
на изгиб	69,65	10,2	27,19	49,46	-	66	6,76	-
Максимальная температура применения, °С	80	100	80	80	80	80	200	60
Коэффициент теплопроводности, Вт/м С	0,037	0,93	0,04	0,045	0,04	0,048	0,04	0,02