Композиционные материалы на основе полиуретанов

или изделий с легкими гибки:ми облицовками раз:меры изменя­ ются в направлении наименьшей прочности при сжатии, ·если

значение прочности не ниже 80 кПа. У пенаизделий с проч­

ностью при сжатии ниже указанного предела происходит пол­

ная потеря формоустойчивости. Жесткие ППУ выпускаются, как

правило, в виде .изделий с облицовками, а последние •имеют

весьма низкую формоустойчивость. Именно поэтому для праи;т.и­ ческих целей знание термического коэффициента расширения

жесткого ППУ является недостаточным.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Коэффициент теплопроводности является одной из важней­ ших физических характеристик жесп<аго ППУ [6-10]. В лю-· бом пенаматериале теплоперенос обусловлен главным образом

теплопроводностью газовой фазы, и исключительно низкое зна­

теплопроводность пенапласта .влияет размер ячеек, поскольку

радиационный перенос тепла непосредственно связан с диамет­

JЮ~I ячеек [7д].

Теплопроводность пенош1аста в обще:м виде выражается сле­

дующим уравнением:

1.. = Лг + Лт+ ~'Р+ f..к

где Л- теплоnроводность всего nеноматериала; A.r- теплоnроводность газо­ вой фазы; Лт -теплопроводность твердой· фазы; Артеплопроводность, обус­ ловленная радиационным nереносом тепла через газовую фазу; Лк -тепло­

проводность, обусловленная конвективным переносом тепла через газовую фазу.

Показано, что д.11я :пенопласта с ячейками д~иаметром меньше 10 мм Лн=О, а Лт=сопst. Важными параметрами, определяю­

щими теплоизоляционные хараi<теристики пеноматериала, явля­

ются величины Лт и /,р. Найдено, что величина Лр прямо про­ порцианальна диаметру ячеек [6], т. е. чем крупнее ячейки, тем

143

tg r tYJ

Рис. 5.4. Примерный ход изменения теплопроводности при старении жестко­

го ГliПiY (теоретические представления).

Рис. 5.5. Типичная кривая изменения теплопроводности жесткого ППУ при

старении.

теплопроводностью, чем крупноя~qеистые пенош;асты. Вот по­

чему столь низка теплопро·водность жестких ППУ, изготовлен­

ных вертикальным ламинированиемметодом, обеспечнваю­

щwм получение пенопла·стов ·с искл•ючительно мел·кими одно­

родными ячейка.ми.

Однако наиболее важным параметром, определяющим теп­ лопровод:ность пеноматериалов, является Лr. В ходе эксплуата­

ции величина Лr изменяется вследствие диффузии газов через стенки ячеек, что хорошо показано на схематической диаграмме

Бо.rша (рис. 5.4) [8]. Исходная точка А соответствует величине

')..-состоянию свежеприготовленного пенопласта, когда в его

ячейках содержится главным образом фреон, иногда с небольшой примесью СО2• Поскольку полиуретановая матрица легкопрони­ цаема для легких газов, со2 очень быстро диффундирует из ячеек,

уступая место диффундирующему внутрь ячеек воздуху. Начи­

ная с точки Б, становится заметным влияние на теплопровод­

ность пенопласта. На отрезке от Б до В содержание воздуха в ячейках стабильно нарастает, и в точке В парциальное давле­

ние воздуха достигает уровня 'барометрического давления. За­

тем величина Л становится постоянной, что обусловлено исклю­ чительно низкой скоростью диффузии крупных молекул фреона

из ячеек. Наконец, в точке Е потери фреона за счет диффузии

становятся столь знач.ительными, что наступившее динамическое

равновесие нарушается, и Л вновь начинает расти вплоть до

точки Д, соответствующей пенопласту, в ячейках которого со­

держится только воздух.

Рассмотренная схема относится только к «незащищенному»

пенопласту, поскольку у пенопласта, со всех сторон закрытого

газонепроницаемым материалом, теплопроводность должна все

время оставаться на уровне, соответствующем точке А. Однако

полностью избежать диффузии воздуха в ячейки пенапласта

практически невозможно, поэтому за вел.ичину теплопроводно-

. сти пенапластов в конструкциях обычно принимают значение')..

144

Таблица 5.1. Измепепие теплопроводности жестких ППУ

впроцессе эксплуатации

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И СТАРЕНИЕ

Сохранение эксплуатационных характеристик при старении (долговечность) является одним из важнейших -показателей лю­ бого материала, предназначенного для использования в строи­ тельстве. Хотя жесткие ППУ применяют в этой области срав­

нительно недавно, уже сегодня имеются надежные данные о по­

ведении этих материалов в течение 20 лет эксплуатации. Кроме

этих данных есть результаты лабораторных испытаний на уско­

ренное старение, которые дополняют и подтверждают данные

натурных испытаний.

С самого начала при:ченения жестких ППУ стало ясно, что эти материалы обладают недостаточной светостойкостью, и по­

этому их нююгда не при:меняли в незащищенном виде. Лабора­

торные испытания показали таюке, что у ППУ ·низi<а стой1юсть к действию минеральных кислот и к большинству органических

растворителей. В то же время жесткие ППУ хорошо переносят

контакт с водой и различными нефтепродуктам·и, но при погру­ жении в эти жидкости на один год и более разрушаются, осо­

бенно если давление жидкости выше атмосферного. Удовлетво­

рительные показатели при эксплуатации в подобных условиях

имеют лишь ППУ высокой плотности и интегральные ППУ. Жесткий ППУ применяется в строительстве главным обра­

зом в виде сэндвич-элементов с облицовками из металла, ру­ бероида, штукатурки или любых других шюских или профили­

рованных JJистовых материалов, использующихся в строительст­

ве и холодильной технике. Подобные изделия эксплуатируют

!ПрИ ТеМ•Пературах ОТ -30 ДО 70 °С. У специаиlЬНЫХ ВИДОВ ЖеСТ­

КИХ ППУ рабочая температура может составлять от -160 до

140 °С (полиизоциануратные пеноп.пасты).

Скорость старения жестких ППУ, как и других полимерных

материалов, во многом зависит от температуры. В ходе лабо-

146

Рис. 5.8. Изменение теплопроводности при старении жесткого ППУ (лабо·

раторные испытания при 20 °С):

диаметр ячеек: О- 1,5 мм; Х- 1,1 мм; О- 0,5 мм; 8--0,5 мм.

раторных испытаний на старение было установлено, что при

тем.пературах ниже 70 ос скорость старения ППУ резко снижа­

ется. При этом «чувствительность» старения ППУ к темпера­ турному старению в значительной степени зависит от исходной рецептуры. Установлено также, что различные свойства пена­

пласта в зависимости от температуры ухудшаются с неодинако­

вой скоростью.

Было выполнено много исследований по изучению в лабора­

тор·ных условиях вл·ияния длительного старения на теплопровод­

ность .пенопластов. В работе Балла с сотр. [11] приведены ре­

зультаты четырнадцатилетнего ла,бораторного испытания на ста­

рение при 20 ос ряда жестких ППУ одинаковой кажущейся плотности, но с различным размером ячеек (рис. 5.8). Ни один

из образцов не обнаружи.'l отклонений от «рав·новесной» тепло­

проводности (см. выше). В другом опыте подвергали десятилет­ нему старению при 70 ос образцы пенапласта с бумажными

покрытиями, и вновь никаких отклонений от «равновесной»

1еплопроводности обнаружено не было (рис. 5.9). Весьма ве-

~ 22

~ 20

Е§

~ 18~----------~---

~,

15

M~--~----~--~~~~--~~L-~

о 2 J 6

tg't' {Ч)

Рпс. 5.9. Изменеине теп.1опроводности при старении жесткого ППУ. Лабора· торные пспытания при 70°С (О) и 20°С (Х).

Таблица 5.2. Результаты натурнь1х испытаний кровельных конструкций

с утеплителе.к из жесткого ППУ

роятно, что в реадьных условиях, а)'!алогичных р-ежиму лабора­ торного испытания при 20 °С, жесткий ППУ способен сохра­ нять «равновесную» теплопроводность не менее 50 лет, а может быть, и значительно дольше. Если изделие имеет толстое сече­

ние и доступ воздуха к нему ограничен, то можно гарантиро­

вать сохранение эксплуатационных свойств в течение очень дли­

тельного времени.

Таким образом, пока скорость диффузии фреона-11 из пена­

пласта остаеrся постоянной, свойства полимера не ухудшают­ ся; при этом даже то)::lкие перегородки между ячейками оста­

ются неповрежденными.

Результаты промытленной эксплуатации подтверждают по­ ведение ППУ в лабораторных условиях. Доказательством высо­

кой долговечности жесткого ППУ служат многочисленные при­ меры, когда на промытленных объектах этот пенапласт «ра<бо­

тает» уже более 15 .1ет, и, насколько известно автору, за это время никаких нареканий потребителей не было (за исключе­

нием тех редких случаев, когда качество :\tатериала с самого на­

чало оставляло желать лучшего).

Разумеется, очень трудно получить прямое подтверждение

высоких эксплуатационных характеристик ППУ при старении.

Действительно, для того чтобы отобрать образцы для испыта­

ний, необходимо вскрыть теплоизоляцию здания или сооруже­

ния, а последующий ее ремонт п.пи замена не всегда возмож­

ны или требуют больших затрат. Тем не менее подобные испы­ тания были проведены в Научно-исследовательском институте теплоизоляционных материалов (Мюнхен, ФРГ).

Испытанию подвергали три кровельные конструкции, утеп­ ленные жестким ППУ: две ·были установлены на промышлен­

ных, однана школьном здании. Кровли промытленных зда­

ний имели слой утеплителя толщиной 30 мм, кровля школьного здания- 60 мм. По истечении установленного периода из кров­ ли вырезали образцы, у которых измерили теплопроводность и содержание влаги. Полученные результаты представлены в

табл. 5.2.

Как следует из этих данных, даже после многолетней

экоплуатации ни теплопроводность, ни влагасодержание пена­

пластов практически не увеличились.

148

репутацию ППУ у строителей. Двадцатилетний опыт успешной промышленной эксплуатации жесткого ППУ позволил выявить.

[

149>

Теплоизоляционные свойства стен, кровель и окон во многом

определяются конструктивными особенностями сооружения, од­

.нако подсчитано, что в стандартном английском двухквартир­

ном доме тещювые потери распределяются следующим образом:

через стены- 35%, через оконные проемы- 17%, через вен­

·тиляцию- 19%, через ПOJI- 9%, через крышу- 20%

(рис. 5.11). Правильный .выбор теплоизоляциооных материалов

и их сочетаний обеспечивает сокращение расхода топлива для

-обогрева жилых помещений на 25% н определенную э1юномию

энерпш, расходуемой ·на отопление общественных, администра­ тивных, промытленных и сельскохозяйственных зданий и строе­

ний. В 1975 г. Ассоциация британскнх производителей жестких ППУ предложила ввести нормы на теплоизоляцию для всех вновь строящихся зданий. Эта мера должна обеспечить значи­

тельную экономию топлива.

Ниже приведены данные, ШIЛюстрирующие экономию энер­ гии за счет теплоизоляции зданий:

• 6500 мпн. термов соответс.твуют 1~ 000 т жидкого топт1ва.

Правительства странчленов ОЭСР* предприняли ряд фи­

нансовых и за·конодательных мер, направленных на улучшение

теплоизоляции жилых и промытленных зданий с целью значи­ тельной экономии энергии.

По оценке экспертов, к началу 1980-х годов уровень эконо­ мии топливно-энергетических ресурсов в странах Западной Европы за счет повышения эффективности теплоизоляции суще­ ствующих зданпй составит в среднем 5%. Эта цифра будет воз-

* ОЭСРОрганизация по экономическому сотрудничеству и развитию.

"150

15J.

стенки короба очень мало, что позволяет получать паиели гораз­

до большей длины, чем в горизонтальных прессах.

4. Пр о ·Из в о д с т в ·О блочно г о п е н оп л а с т а. Для про­

изводства блочного жесткого ППУ используются как непрерыв­

ный, так и периодический способы. Блоки шириной 1,5 м и вы­ -сотой 0,75 м получают со скоростью до 5 м/мин на таких же

установках, как и для получения эластичных блочных ППУ [llд].

5. Н а п ы л е н и е. Этот ·метод широко применяется в Север­

ной Америке и гораздо меньше в Европе. Напыление жесткого

ППУ можно проводить как в за·водских условиях, так и непо­ средственно на месте применения; слой пены «схватывается»

практически мгновенно. В США строительные фирмы использу­ ют метод напыления для утепления стен и крыш большой пло­ щади ·сплошным слоем пенопласта. Сверху пенапласт полностью закрывают гибкой 'пленкой, листовым металлом или бетоном

[12д, 13д].

ПРИМЕНЕНИЕ

Жесткий ППУ ши:роко используется во всех обла·стях строи­ ·тель.ной индустрии. Среди основных сфер применения ППУ в

етроительстве следует выделить изоляцию холодильных камер,

утепление жилых зданий, теплоизоляцию промышленных и ад­ министративных зданий.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ КАМЕРЫ

Основным требованием к подобным сооружениям является

постоянное 'поддержание отрицательной температуры внутри кa­ l'vlepы. Этого можно добиться только за счет высокого термиче­ -ского сопро1'ивления материала ее стен. Жесткий ППУ, имею­ щий очень низкий коэффициент теплопроводности, идеально

подходит для этой цели.

В Европе паиели для изоляции холодильных камер изготов­

.ляют периодическим способом в многоэтажных преосах. Для теплоизоляции холодильных камер с рабочей температурой ниже

-25 ос применяют панели толщиной 150-200 мм. Некоторые -фирмы поставляют не отдельные панелн, а комплекты, позво-

ляющие при сборке .практически иск.r1ючнть образование тепло­

вых мостиков в местах стыков за счет плотного соединения па­

нелей друг к другу [ 14д] .

Одним из первых примеров использования жесткого ППУ в холодильной технике явилось строительство завода-холодиль­ ника в ЛондQiне еще в 1959 г. Это предприятие бесперебойно ра­ ·ботает до сих пор.

После небольшого перерыва (до середины 60-х годов) жест­ кий ППУ вновь стали широко использовать для изоляции холо­

_дильных камер, и с тех пор потребление этого материала не-

152