Глава 12. Композиционные и функциональные материалы и изделия

12.1 Теплоизоляционные материалы и изделия

К теплоизоляционным относятся материалы, имеющие теплопроводность не более 0,175 Вт/(м·К) и соответственно среднюю плотность до 600 кг/м³, т.е. самым характерным признаком теплоизоляционных материалов является их высокая пористость, поскольку воздух в порах материала имеет гораздо меньшую теплопроводность, чем окружающее его вещество.

Поскольку теплопроводность материалов напрямую связана с его пористостью, а пористость со средней плотностью, то с достаточной степенью точности можно установить и связь между плотностью и теплопроводностью материала. Чем ниже средняя плотность материала, тем больше в нем пор и тем ниже его теплопроводность. Поэтому в зависимости от плотности теплоизоляционные материалы подразделяются на марки (кг/м³): D15, D25, D35, D50, D75, D100, D125, D150, D200, D250, D300, D350, D400, D500 и D600.

В условиях эксплуатации теплопроводность материалов зависит не только от его плотности и пористости. Она зависит также от структуры пористости, влажности, температуры окружающей среды и других факторов.

Другими, не менее важными, качественными характеристиками теплоизоляционных материалов являются также сжимаемость, водопоглощение, сорбционная влажность, паропроницаемость, водоотталкивающие свойства, водостойкость, негорючесть, надежность и долговечность, звукоизоляционные характеристики и возможность проведения монтажных работ вне зависимости от сезона.

По составу исходного сырья теплоизоляционные материалы подразделяют на органические, неорганические и комбинированные.

По внешнему виду и форме они могут быть рыхлые (минеральная вата) и сыпучие (перлитовый песок), штучные (блоки, кирпичи, плиты), рулонные (маты) и шнуровые (жгуты). По структуре и строению – мелкопористые ячеистые (как пена), волокнистые (как вата), зернистые (воздух находится в межзерновом пространстве) и пластинчатые (воздушные прослойки заключены между листами материала).

Номенклатура применяемых в строительстве теплоизоляционных материалов довольно широкая. Однако реально рынок теплоизоляционных материалов представлен практически тремя видами материалов – на основе минеральной ваты, органических пенопластов и ячеистых бетонов. Это объясняется в первую очередь простотой технологии их производства, большой сырьевой базой и высокими эксплуатационными характеристиками.

Минераловатные изделия получают на основе коротких и очень тонких минеральных волокон (минеральной ваты), скрепляемых в изделия с помощью связующего или другими способами. Минеральную вату в зависимости от исходного сырья подразделяют на:

• шлаковую – сырьем служат металлургические и другие шлаки;

• стеклянную – из отходов стекла и других силикатных материалов;

• каменную (горную) – из осадочных или изверженных горных пород (андезиты, базальты и др.).

Из минеральной ваты производят (рис. 12.1):

• войлок – получают в виде листов и полотнищ путем уплотнения минеральной ваты слегка пропитанной дисперсиями синтетических смол;

• минераловатные маты (ГОСТ 21880) – представляют собой минераловатный ковер, заключенный между битуминизированной бумагой, стеклотканью или металлической сеткой и прошитый прочными нитями или тонкой проволокой;

• минераловатные плиты различной жесткости – производят путем пропитки минераловатного ковра синтетическим связующим и уплотнения с последующей термообработкой. Плотность их в зависимости от степени уплотнения составляет 50…250 кг/м³;

• минераловатные скорлупы, цилиндры и полуцилиндры.

По качественным показателям изделия из шлаковаты значительно уступают аналогичным изделиям из стеклянной и каменной ваты (волокна).

Из стеклянного волокна получают плиты плотностью 13…75 кг/м³, маты – 10…25 кг/м³ и толщиной 40…140 мм.

Однако еще более качественные изделия получают из каменной ваты и, в частности, из супертонких базальтовых волокон (габбро, диабаза). Изделия из каменной ваты благодаря своеобразной пористо-волокнистой структуре, не имеющей определенной направленности волокон, практически не дают усадки и не подвержены температурным деформациям. Это обеспечивает им высокие теплоизоляционные свойства, прочность и долговечность, а также сохранение первоначальных геометрических размеров в течение всего срока эксплуатации.

Помимо минераловатных теплоизоляционных изделий из минерального сырья получают пеностекло, пено- и газобетоны, вспученные перлит и вермикулит, асбестосодержащие теплоизоляционные материалы, пенокерамические и др.

Ячеистые пластмассы входят в группу органических теплоизоляционных материалов. Поры в них занимают 90…98 % объема материала, а на стенки приходится всего лишь 2…10 %. В зависимости от характера пор они подразделяются на пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими перегородками. Поропласты – как правило с сообщающимися порами. Находят применение ячеистые пластмассы и со смешанной структурой.

Пено- и поропласты получают при термическом разложении газообразователей или взаимодействии компонентов (химический способ), а также в результате расширения растворенных газов при снижении давления или повышении температуры (физический способ).

По внешнему виду и способу применения ячеистые пластмассы могут быть в виде штучных изделий (в основном плит) и в виде жидковязких материалов, вспучивающихся и отвердевающихся на месте применения (заливочные пенопласты, монтажные пены).

Наибольшее распространение в строительстве получили экструдированный пенополистирол, пенополиуретаны, пенополиизоционаты, фенолоформальдегидные и карбамидоформальдегидные пенопласты.

Экструдированный пенополистирол имеет плотную корку на обеих поверхностях плит (пеноплэкс) и полностью закрытую пористость. Поэтому он практически паронепроницаем, имеет минимальное водопоглощение (<0,3%) и повышенную прочность. Долговечность экструдированного пенополистирола превышает 50 лет. Впервые пенополистирол (прессовый) был получен в США в 1944 году, бисерный – в 1952году.

Пеноизол получают из мочевиноформальдегидных смол. Это один из старейших пенопластов. Впервые был получен в конце 30-х годов прошлого столетия в Германии. Имеет много названий: мипора, юнипор, меттэмпласт (торговая марка) и др. Обладает исключительной долговечностью – по прошествии 78 лет наблюдений в материале не было замечено никаких изменений. По структуре – мелкоячеистый, без крупных воздушных пузырей, легкий (плотность порядка 15 кг/м³), малотеплопроводный (0,03…0,06 Вт/м^.К), упругий, не имеет запаха, экологичный. К недостаткам следует отнести открытую пористость и невозможность напыления на изделия.

Пенополиуретан тоже представляет собой пористый жесткий (плиты) или мягкий эластичный (рулоны, листы) материал плотностью 30…100 кг/м³. Жесткие пенополиуретаны можно обрабатывать на токарном станке, пилить, сверлить и гвоздить, эластичные - применятся в виде прокладок для герметизации вертикальных и горизонтальных стыков конструкций.

Пенополиуретаны могут быть получены также непосредственно на месте производства работ методом напыления или заливки (заливочные пенопласты). Причем из 1 т сырья можно получить от 12,5 до 30 м³ пенополиуретана плотностью 30…80 кг/м³ и теплопроводностью 0,027…0,032 Вт/м·К. Пенополиуретан – материал биоустойчивый, трудносгораемый с диапазоном рабочих температур от –250°С до +180°С и долговечностью до 25 лет. Заливочный пенополиуретан можно наносить на любую поверхность с любой конфигурацией.

Заливочные пенопласты можно готовить также на основе фенольных, феноло-формальдегидных, карбамидно-формальдегидных и других полимеров.

Теплоизоляционными материалами нового поколения считаются вспененные полиэтилены (пенополиэтилены). Они имеют закрытую ячеистую структуру, упругопластичны, не впитывают влагу, хорошо поглощают звук, гасят удары и вибрацию, т.е. сочетают в себе одновременно тепло-, паро-, гидро- и звукоизоляцию.

К органическим теплоизоляционным материалам относят еще древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фибролит, арболит, камышит, торфоплиты, войлочные изделия (войлок, пакля, шевелин) и др.

К современным комбинированным материалам, обладающими высокими теплотехническими и энергосберегающими характеристиками можно отнести отражающую изоляцию «пенофол». Она представляет собой слой вспененного полиэтилена с одной или двух сторон покрытого алюминиевой фольгой высокого качества. Пенофол при своей малой толщине (несколько миллиметров) имеет высокое сопротивление теплопередаче. Это обусловлено большим количеством замкнутых пор в вспененном полиэтилене и высокой отражающей способностью полированной, химически чистой алюминиевой фольги. Разновидностями пенофола являются теплофол, термофол, метафол.

В настоящее время учеными разработан совершенно новый класс теплоизоляционных строительных материалов, которые содержат в своем составе инкапсулированный парафин. Воскоподобная добавка, находящаяся в покрытии (штукатурке) толщиной всего в несколько миллиметров, при повышении наружной температуры, способна расплавляться, поглощая при этом значительное количество энергии, и хранить ее как скрытое тепло, не повышая практически температуру парафина. Когда наружная температура понижается, парафин вновь возвращается в твердое состояние, высвобождая скрытое тепло.

На стадии апробирования находится и ряд других новых материалов и технологий.