Введение

В настоящее время большое внимание уделяется повышению термического сопротивления строительных конструкций и снижению тепловых потерь при транспортировке теплоносителя от производителя потребителю. В условиях Российской Федерации тепловые потери приближаются к 370 млн т условного топлива из 1400 млн т условного топлива, производимоговстранезагод.Сучетомизношенностидействующихтепловыхсетей,составляющихболее 90 %, и введения более жестких нормативов по тепловой защите зданий и сооружений, тепловой изоляции оборудования, регламентированных соответственно СП 50.13330.2012 Тепловая­ защита зданий и СП 61.13330.2012 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов, возникла необходимость в применении в строительной индустрии более эффективных теплоизоляционных материалов и конструкций.

Теплоизоляционные конструкции обеспечивают нормативный уровень тепловых потерь и безопасную для человека температуру на их наружных поверхностях, а также требуемые температурные параметры (тепло-холодо) носителя. При этом тепловая изоляция должна отвечать следующим критериям:

––энергоэффективности — иметь оптимальное соотношение между стоимостью теплоизоляционной конструкции и стоимостью тепловых потерь через изоляцию в течение расчетного срока эксплуатации;

––эксплуатационной надежности и долговечности — выдерживать без снижения теплозащитных свойств и разрушения эксплуатационные, температурные, механические, химические и другие воздействия в течение расчетного срока эксплуатации;

––безопасности для окружающей среды и обслуживающего персонала при эксплуатации. При выборе эффективных теплоизоляционных материалов, входящих в состав теплоизоляционных конструкций для поверхностей с положительными температурами теплоносите-

ля (20° и выше), учитывают следующие факторы: ––местоположение изолируемого объекта; ––температуру изолируемой поверхности и окружающей среды; ––требования пожарной безопасности;

––агрессивностьокружающейсредыиливеществ,содержащихсявизолируемыхобъектах; ––допустимые нагрузки на изолируемую поверхность; ––наличие вибраций и ударных воздействий; ––требуемую долговечность теплоизоляционной конструкции;

––температуру применения и теплопроводность теплоизоляционного материала; ––температурные деформации изолируемых поверхностей; ––условия монтажа (стесненность, высотность, сезонность и др.).

Теплоизоляционные конструкции состоят из основного теплоизоляционного слоя, обеспечивающего нормативную работу технологического оборудования и трубопроводов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к тепловой изоляции, и защитно-покровного слоя, предохраняющего теплоизоляционный слой от атмосферных воздействий, механических повреждений, воздействий агрессивных сред ит.п. Для оборудования итрубопроводов с температурой теплоносителя до +300° для всех способов прокладки, кроме бесканальной, применяют теплоизоляционные материалы плотностью не более 200 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности в сухом состоянии при температуре 25° не более 0,06 Вт/(м· ).

Основнойтеплоизоляционныйслойвыполняютизразличныхтеплоизоляционныхматериалов, классификация которых приведена в ГОСТ 16381-2022 Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация. Общие технические требования.

Основным видом производимых в России утеплителей являются материалы на основе минеральных волокон, доля которых в общем объеме производства теплоизоляционных материалов превышает 73 % (в том числе 32 % из минеральной ваты и 41 % из стеклянного волокна).

5

Более эффективными теплоизоляционными материалами являются полимерные теплоизоляционные материалы на основе термопластичных и термореактивных полимеров (пенопласты, газонаполненные полимеры), обладающие низкими кажущейся плотностью (15–100 кг/м3) и теплопроводностью (0,022–0,045 Вт/(м· )), широким температурным интервалом применения (от –180° до +150°), хорошим сочетанием прочности и плотности.

Применение полимерных теплоизоляционных материалов (ПТМ) позволяет значительно повысить надежность и долговечность строительных конструкций, на 10–15 % снизить потери тепла, в 1,5–1,8 раза увеличить производительность и улучшить условия труда при выполнении строительно-монтажных работ. При этом использование пенопластов часто является единственновозможнымрешениемтехническихзадач.Учитывая,чтопрочностьпенопластов восновномпропорциональнаихкажущейсяплотности,требуемыйдиапазонплотностейгазонаполненных полимеров определяется областью их применения.

В России более 22 % рынка ПТМ приходится преимущественно на пенополистирол беспрессовый (17 %) и экструзионный (4 %), а также на жесткие пенополиуретаны (ППУ) (1 %). Доля других видов пенопластов не превышает 5 %. Объем производства строительных пенопластов вырос в 2010 г. в 2,3 раза к уровню 2005 г. и составил около 6 млн м3. Планом развития газо- и нефтехимии России до 2030 г., разработанным Минэнерго РФ, предусмотрен рост объемов производства пенопластов в 5,8 раза. Быстрый рост объемов производства и применения пенопластов в современном строительстве обусловлен их низкой кажущейся плотностью (кажущаяся плотность полимерных пен колеблется вдиапазоне от 5 до >900 кг/м3), превосходными изолирующими свойствами, способностью поглощать энергию (включая удар, вибрацию, звук) и создавать ощущение комфорта в жилых помещениях. Пенопласты могут быть изготовлены практически из любого полимера, выбор которого определяется требуемыми эксплуатационными свойствами теплоизоляционных изделий и экономичностью процесса их производства.

6

Глава1.КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полимерные теплоизоляционные материалы (газонаполненные полимеры) относятся к композиционным материалам, состоящим из твердой полимерной матрицы, наполненной газообразными включениями, полученных с помощью химических и физических газообразователей. При этом газообразные включения (ячейки) имеют различную геометрическую форму с размером от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Вспенивание полимеров осуществляют с помощью механических, химических или физических методов:

––термическим разложением химических газообразователей с образованием азота и/или диоксида углерода под воздействием тепла извне или тепла экзотермической реакции полимеризации реакционноспособных олигомеров;

––механическим введением газов в полимерные расплав, раствор или суспензию, которые отверждаются с помощью катализаторов и/или теплом, что способствует удержанию газовых пузырьков в полимерной матрице;

––испарением низкокипящих жидкостей (фторзамещенные углеводороды, пентан, изопентан или метиленхлорид) внутри полимерной массы в результате экзотермической реакции или при подведении тепла извне;

––испарением газа под действием экзотермического тепла, выделяющегося во время полимеризации, например, в результате реакции изоцианатов и воды с образованием диоксида углерода;

––расширением газа, растворенного в полимерной матрице, после сбрасывания давления в системе;

––введением полых микросфер (стеклянного или пластмассового бисера) в полимерную массу;

––расширением наполненного газом бисера полимера под воздействием тепла или расширением бисера в полимерной матрице за счет теплоты, полученной в результате химических реакций (например, расширение полистирольного бисера вполиуретане или вэпоксидной смоле).

Эксплуатационные свойства ПТМ зависят от химической природы и свойств исходного полимера, используемого в качестве основы при их синтезе, характера пористости, размера и формы пор, технологии получения теплоизоляционных изделий. При этом для пенопластов на основе реакционноспособных олигомеров характерны более высокие прочностные характеристики, термостойкость и химическая стойкость, а для газонаполненных термопластов — высокие стойкость к ударным воздействиям и производительность технологических линий по их производству, а также возможность вторичной переработки отходов термопластичных пенопластов.

1.1.Классификациягазонаполненныхполимеров

Существует несколько вариантов классификации газонаполненных полимеров. В зависимости от их кажущейся плотности (ρ) пенопласты подразделяют на сверхлегкие (ρ < 10 кг/м3),

легкие (ρ = 10–500 кг/м3) и облегченные (ρ > 500 кг/м3).

В зависимости от прочности при сжатии при 50%-й деформации газонаполненные полимеры делят на эластичные или мягкие (прочность при сжатии менее 0,001 МПа), полужесткие (прочность 0,01–0,15МПа) ижесткие (прочность более 0,15 МПа). При этом модуль упругости при сжатии для эластичных газонаполненных полимеров превышает 1000 МПа, а для жестких он менее 100 МПа.

Для классификации газонаполненных полимеров используют также термин «газоструктурный элемент» (ГСЭ), под которым подразумевают объем газовой ячейки, ограниченный стенками, ребрами (тяжами) и повторяющийся в структуре материала с определенной периодичностью. В зависимости от типа ГСЭ, составляющих структуру газонаполненных полимеров, различают:

7

––ячеистые (пенопласты), состоящие из изолированных ГСЭ; ––пористые (поропласты), состоящие из сообщающихся ГСЭ, в стенках которых находит-

ся как минимум два отверстия. Поропласты, у которых отсутствуют стенки ячеек, а структура представлена каркасом из ребер ГСЭ, называют сетчатыми, ретикулярными или ретикулированными;

––синтактные (синтактические, микробаллонные) пеноматериалы, в которых ГСЭ представляют собой газовую фазу, заключенную в сферическую оболочку из монолитного материала (микросферы или микробаллоны из стекла, керамики или полимеров), равномерно наполняющего полимерное связующее;

––сотовые пенопласты (сотопласты), в которых ГСЭ представляет собой ячейку в форме правильного шестигранника (соты) или другой геометрической фигуры;

––поропласты с капиллярными (волокнистыми) ГСЭ, представляющими собой ячейку капиллярной (анизометричной) формы в волокнистой (нитевидной) структуре материала;

––пеноматериалы со смешанным типом ГСЭ.

Следует отметить, что не существует пенопластов, не содержащих открытых пор. Поэтому всоответствии срассмотренной выше классификацией кпенопластам сзамкнутыми ячейкамивполноймереотносятсясинтактныепеноматериалы,атермину«поропласты»идеально соответствуютматериалысретикулярнойструктурой.Вбольшинствеслучаевкпенопластам относят материалы, состоящие из системы «полимер — газ», для которых характерно преобладание закрытых пор (ячеек), а к поропластам — материалы, в которых преобладают открытые поры (ячейки), в том числе капиллярные, сообщающиеся между собой и с окружающей средой. Довольно часто газонаполненные полимеры называют пенопластами и подразделяют их на закрытоячеистые (замкнутоячеистые), открытопористые и пенопласты со смешанной пористостью (пенопоропласты и поропенопласты). ПТМ классифицируют и по химической природе полимерной матрицы: на термопластичные пенопласты на основе полиолефинов, ПВХ и полистирола и пенопласты на основе реакционноспособных олигомеров (пенополиуретаныипенополиизоцианураты(ПИР),карбамидныеифенолформальдегидныепенопласты, эпоксидные пенопласты).

1.2.Основныепринципыполучениягазонаполненныхполимеров

Производство газонаполненных полимеров включает следующие основные технологические операции: приготовление исходной полимерной композиции, введение в полимерную матрицу веществ, способных образовывать газовую фазу и фиксацию ячеистой структуры поро-ипенопластов.Подготовкаисходнойполимернойкомпозициисостоитвтщательномдо- зировании и перемешивании полимеров, форполимеров или олигомеров, являющихся основой будущего пороили пенопласта, с газообразователями различной химической природы, инициаторами и катализаторами отверждения исходных олигомеров, наполнителями, пластификаторами или модификаторами полимерной матрицы, антипиренами, ПАВ, стабилизаторами, красителями и другими целевыми добавками. При этом содержание, химическая природа и соотношение указанных ингридиентов варьируются вшироких пределах в зависимости от требуемых параметров технологического процесса производства пенопластов и эксплуатационных характеристик теплоизоляционных изделий на их основе.

Получение газонаполненных полимеров происходит чаще всего за счет химического или физического вспенивания полимерной композиции, и значительно реже — без ее вспенивания. Химическое вспенивание полимеров реализуется за счет выделения газообразных веществ (СО2, Н2), образующихся в результате химического взаимодействия исходных компонентов полимерной композиции (например, при взаимодействии воды с ди- и полизоцианатами при производстве ППУ или ПИР выделяется СО2, который вспенивает компози- цию,априпроизводстверезольногопенофенопластамаркиФРП-1вспениваниепроисходитза счет образования водорода при взаимодействии алюминиевой пудры в форполимере ФРВ-1А со свободными серной и ортофосфорной кислотами, содержащимися в продукте ВАГ-3) или

8

при термическом разложении твердых минеральных и органических газообразователей, введенных в состав исходной композиции.

Физическое вспенивание полимерных композиций происходит при испарении легкокипящих жидкостей (смесь пентана и изопентана, различные хладоны), введенных в их состав. К физическому вспениванию полимеров (полиолефины, ПВХ, полистирол) можно отнести

иих вспенивание за счет испарения газов (воздух, аммиак, СО2, азот, водород), растворенных при повышенном давлении в термопластичных полимерах, находящихся в вязкотекучем состоянии, с образованием насыщенных растворов. При последующем сбросе давления

иувеличением температуры расплава полимера растворимость газа резко уменьшается, что

приводит к образованию газовых пузырьков. При этом легкорастворимые газы (NH3 и CO2) требуют небольшое давление, а труднорастворимые газы (N2 и H2) — более высокое давление насыщения.

При получении газонаполненных полимеров методом механического деспергирования газов (сжатый воздух, азот) при нормальном давлении используют полимерные композиции низкой вязкости (растворы, эмульсии или суспензии), содержащие ПАВ, способствующие равномерному распределению газа в объеме исходной композиции и обеспечивающие устойчивость пены. Вспенивание полученной композиции осуществляют в вертикальных цилиндрических аппаратах, снабженных высокоскоростной мешалкой. Взбитая пена из указанного технологического аппарата сливается в открытые формы, где происходит сушка и отверждение использованных полимеров. Ярким представителем газонаполненных полимеров, полученныхмеханическим диспергированиемявляетсякарбамидный пенопласт марки «Мипора». При этом пенопласты, полученные по указанной технологии, имеют преимущественно открытоячеистую структуру, так как в процессе сушки из поропласта удаляются растворители (влага), которые приводят к разрушению стенок ячеек.

После газонаполнения полимерной матрицы проводят химическую или физическую фиксацию ячеистой структуры поро- и пенопластов — перевод «короткоживущей» дисперсной системы«вязкаяжидкость—газ»всистему«твердоетело—газ».Химическаяфиксацияяче- истой структуры пенопластов происходит в результате образования пространственно-сетча- тых полимеров за счет химического (пенопласты на основе реакционноспособных олигомеров) или радиационного (пенополиэтилен) сшивания макромолекулярных цепей полимеров. Физическая фиксация ячеистой структуры пенопластов реализуется за счет роста вязкости полимерной матрицы до потери ее текучести за счет охлаждения расплава термопластичных полимеров.

1.2.1. Получение газонаполненных полимеров без вспенивания полимерной матрицы

Получение газонаполненных полимеров без предварительного вспенивания полимерной композиции может быть реализовано следующими способами:

1.Введение в жидкое (полиуретановое, полиэфирное или эпоксидное) связующее полых сферических наполнителей диаметром 20–70 мкм (микросфер) или макросфер диаметром 10–40 мм, заливкой полученной полимерной композиции в форму с последующим отверждением связующего (синтактные пенопласты). При этом связующее должно обладать требуемой вязкостью и жизнеспособностью, хорошей адгезией к сферическому наполнителю

иотверждаться без существенного выделения тепла. В качестве сферического наполнителя используют полимерные, стеклянные или керамические гранулы. Синтактные пенопласты обладают более высокой плотностью и, соответственно, большей прочностью, характеризуются равномерным распределением плотности по объему материала и высокой устойчивостью к воздействию различных растворителей.

2.Удаление (вымывание, выжигание или сублимация) мелкодисперсного растворимого наполнителя (NaCl, крахмал, сахар, древесная мука, вискоза), предварительно введенного в состав исходной композиции из полимерной матрицы. Технология производства указанных пенопластов состоит всмешении порошкообразного полимера смелкодисперсным наполнителем

9

сразмером частиц 0,1–800 мкм с последующим прессованием полученной в пресс-форме смеси в термокамере с температурой, близкой ктемпературе плавления полимера. Содержание наполнителей в полимерной матрице колеблется впределах от 0,5 до 400 % мас. Отпрессованные заготовки охлаждают до комнатной температуры и помещают в нагретую воду, теплую неконцентрированную или концентрированную кислоту (в зависимости от химической природы использованного наполнителя) для вымывания из полимера растворимого наполнителя. После этого пористый термопластичный полимер промывают дистиллированной водой ивысушивают. Скорость вымывания растворимого наполнителя из полимерной матрицы существенно зависит от толщины монолитного блока (при его толщине более 10 мм этот процесс протекает очень медленно). Рассмотренным методом производят открытопористые полиэтиленовые фильтры для очистки воздуха, газов и жидкостей от взвешенных частиц.

3.Спекание в пресс-форме пористых или монолитных гранул термопластичных полимеров (полиэтилен, политетрафторэтилен). В процессе спекания происходит соединение гранул между собой в местах контакта с образованием пористого материала. Температура

ипродолжительность нагрева гранул в пресс-форме зависят от давления, физико-химиче- скихсвойствполимерови требуемыххарактеристикгазонаполненныхполимеров.Приэтом

сростом давления и температуры спекания возрастает плотность полимерных пен, а увеличение времени нагрева гранул приводит к повышению их механической прочности. Для предотвращениятермоокислительнойдеструкцииполимеровпроцессспеканиягранулпроводят в инертной среде или в вакууме. Этот метод применяют для производства фильтрующих материалов.

4.Соединение заранее приготовленных гофрированных листовых материалов, конструкция которых представляет собой закономерно чередующиеся ячейки шестигранной, квадратной, прямоугольной, гибкой или усиленной шестигранной формы (сотопласты). Сотопласты производят из гофрированных или полушестигранных заготовок, полученных горячим прессованием в пресс-форме бумаги или ткани, пропитанных фенолформальдегидными,эпоксиднымии полиэфирнымисмолами,илиполимерныхпластинизполикарбоната, ПММА и полиэтилентерефталата. Полученные гофрированные листы на основе бумаги или ткани соединяют склеиванием, а гофрированные полимерные пластины — сваркой в виде сотового блока, который затем разрезают на панели заданных размеров. Сотовые панели с торцов промазывают клеем, соединяют с облицовочными панелями и отверждают.

Врезультате указанных технологических операций выпускают многослойные трехслойные панели с сотовым заполнителем (рис. 1, а, б). Современные сотопласты на основе термопластичных полимерных пластин производят также методом экструзии с применением специальных насадок.

Рис. 1. Трехслойные панели с поперечным (а) и параллельным (б) раположением сотопласта:

1 — облицовочная панель, 2 — клеевая пленка, 3 — сотовая панель

10