Теплопроводность ППУ и других строительных материалов

Пенополиуретан (сокращенное обозначение — ППУ) относится к категории композитных полимерных материалов. В качестве наполнителя используется газовая фаза.

Структура пенополиуретана ячеистая. Это повышает его способность к изоляции тепла и звука.

Низкой теплопроводностью отличается пенополиуретан с закрытыми ячейками — именно он рекомендуется в строительстве. Материал с закрытыми ячейками дает низкую теплопроводность, во многом из-за своей структуры. Не только строение ячеек тормозит потерю тепла, но и заполняющий внутренние полости газ.

Кажущаяся плотность — должна соответствовать минимальному значению коэффициента теплопроводности

«Кажущаяся плотность» указывает на содержание полимера в пенопласте и является важным параметром макроструктуры. Кажущуюся плотность определяют по ГОСТ 409-77. Она помогает понять соотношение основного вещества и газа, в зависимости от веса продукции.

На рисунке ниже, представлена зависимость коэффициента теплопроводности пенопластов от их кажущейся плотности. Она более сложная, чем прямая, вопреки мнению большинства специалистов:

Еще один важный показатель – степень замкнутости ячеек — определяется объемным содержанием открытых и закрытых пор в образце. Как было сказано, чем больше у ППУ закрытых ячеек, тем ниже его теплопроводность за счет высокой концентрации газа.На рисунке выше показано – минимальный коэффициент теплопроводности не соответствует наименьшей кажущейся плотности. Поэтому для экономии нужно применять полимерные материалы той кажущейся плотности, которая соответствует минимальному значению коэффициента теплопроводности.

Вывод

Теперь вы знаете, что такое пенополиуретан, какими свойствами он обладает и как его можно применять в строительстве. Дополнительно просмотрите видео в этой статье. Со всеми вопросами относительно пенистого полиуретана вы можете обратиться ко мне в комментариях.

Похожие статьи

• Выбираем утеплитель пенопласт и пеноплекс — свойства, отзывы. Жми! Современный рынок строительных материалов насыщен различного вида утеплителями. На данный момент самым популярным утеплителем стен для наружных и…
• Фольгированный утеплитель для пола: виды и характеристики

  
  Утепление помещения во время ремонта всегда сопровождается тяжелым выбором материалов из огромного ассортимента предлагаемых товаров. Разнообразие…

• Штукатурка по утеплителю фасада: советы профессионалов
  Ни для кого не секрет, что через фасадную часть зданий происходит большая часть всех теплопотерь. Именно поэтому постоянно усовершенствуются строительные…

Степень замкнутости ячеек — чем больше закрытых ячеек, тем лучше

Важно знать связь между коэффициентом теплопроводности и диаметром ячеек, созданных внутри ППУ. Прямое соотношение показано на рисунке 2. Чем меньше диаметр ячеек, тем меньше коэффициент теплопроводности.

Интересная особенность ППУ заключается в понижении теплопроводности вместе с понижением температуры окружающей среды, потому что газ внутри ячеек охлаждается и становится более разряженным. Так, мелкоячеиистый пенополиуретан со средним коэффициентом теплопроводности 0,025 Вт/м·К при понижении температуры резко улучшает свои теплоизоляционные свойства. Это важная особенность для условий российского климата, потому что когда на улице становится холоднее, ППУ пропускает меньше тепла.

Теплопроводность пенополиуретана снижается с уменьшением кажущейся плотности. Оптимальным считается показатель плотности р = 40 – 60кг/м3.

Состав газа в ячейках: чем выше молекулярный вес газа, тем ниже теплопроводность

Еще один фактор при выборе материала – состав закаченного внутрь ячеек газа. Если у газа высокая молекулярная масса, то коэффициент теплопроводности будет ниже. В таблице указано соотношение параметров для распространенных разновидностей заполнения ячеек – разных типов фреона, пентана, изопентана, циклопентана, воздуха и углекислого газа.

По данным таблицы 1 видно, что показатели вспенивателей Фреона-11 и Фреона 141b по теплопроводности самые низкие (низкая теплопроводность еще обозначается как k-фактор).

Таблица 1. Физико-химические характеристики различных вспенивателей

Монреальский протокол подписанный СССР в 1987 году предписывает полное выведение из обращения фреона-141b к 2030 году на территории Российской Федерации. При этом, доказательств влияния фреона на озоносодержащий слой нет.

Кроме состава газа, на теплопроводность влияет плотность ППУ, его структура. На это указывают наблюдения – тепло может проходить через пар, полимерную сетку, радиацию, внутреннюю конвекцию ячеек. Были проведены многочисленные западные исследования, анализирующие скорость старения пенополиуретана, а также влияние на его параметры внутренней газовой фазы.

K-фактор пенополиуретана вспененного фреоном-11 составляет минимум 0,014-0,016 Вт/м·К, вспененного фреоном-141b составляет минимум 0,019-0,021 Вт/м·К, теплопроводность ппу вспененного воздухом — 0,032 Вт/м·К.

По результатам многочисленных исследований, было определено, что изменение показателей теплопроводности напрямую связано с замещением внутренних газов в закрытых ячеек воздухом. Чем его больше, тем быстрее материал будет терять тепло. Фреоны (CFCs) намного медленнее выходят через стенки ячеек и замещаются воздухом, чем углекислый газ (диоксид углерода). Хотя последний обладает более низкой теплопроводностью. На само замещение пенообразователя, напрямую влияет поверхностная плотность ППУ, степень его ячеистости.

Это легко проследить на стандартном примере. Если взять ППУ с низкой плотностью р = 30 — 35 кг/м3 и ячеистостью до 85%, то при повышении температуры, внутри будет увеличиваться давление и ячейки начнут разрушаться. За счет этого станет наблюдаться сильная усадка слоя изоляции. Особенно это характерно для продуктов с низкой плотностью, для вспенивания которых использовались фреоны. Если же в производстве применялись другие газы, такие, как двуокись углерода, то и скорость усадки будет меньше. При сохранении плотности помещение будет меньше терять тепло, а отделка окажется практичнее. Учет особенностей изменения структуры важно для определения мест возможной отделки – внутри или снаружи здания.

На ухудшение теплоизоляционных свойств влияет образование внутри конвекционных потоков. Они создаются, когда ячейки слишком крупные или сквозные. Проверить партию можно просто, разрезав слой и посмотрев на его внутреннюю структуру.

Применение материалов при отделке на открытом воздухе потенциально связано с порчей. На то, насколько ППУ хорошо защищен от внешних угроз, влияет качество образованной на его поверхности корки из спрессовавшихся ячеек. Она также влияет на способность сохранять форму, не трескаться и не растягиваться.

Со временем корка может разрушаться. Такой процесс называется эрозией или старением пенополиуретана. Основными факторами риска развития деструктивных явлений остается сильное воздействие высоких температур, влажность и количество получаемого ультрафиолета. Потому в северных районах ППУ стареет медленнее, чем в южных. Исследования показали, что разница иногда может составлять до двух-двух с половиной раз.

Постоянные показатели теплопроводности зависят от климатического района. Подробно это расписано в таблице ниже:

Таблица 2. Значение постоянной К, характеризующей влияние климатического района на скорость эрозии пенопластов при атмосферном старении

Чтобы сохранить основные характеристики ППУ, важно чтобы в нем оставалась неизменной замкнутость ячеек. От деформации они могут соединяться друг с другом – это приводит к возникновению конвекционных потоков.

На скорость эрозии материала, его внутренней деформации и изменения строения ячеек будет влиять кажущаяся плотность, использованные при производстве полимеры.

Многие исследователи проводят параллели между матричными материалами и монолитными полимерами. Несмотря на то, что полимеры близки по скорости строения, ячеистая структура тормозит его – макроячейки не дают появиться трещинам.

Проводились исследования ППУ со средним уровнем плотности – р = 50 кг/м3. Они показали, что даже после 15 лет использования пенополиуретана, внутренние изменения оказались незначительными. Поменялся цвет, особенно в местах соприкосновения с металлом. Незначительно увеличился коэффициент теплопроводности, и слабо поменялась температура размягчения.

Исследования показали, что главным врагом является солнечная радиация. Со временем она вызывает разрушение поверхностного слоя. Но ультрафиолету удается уничтожить до 5 мм внешнего слоя. При этом внутренние слои сохраняются – потому и не наблюдается серьезной просадки технических характеристик.

Срок эксплуатации

Большая часть производителей указывают срок эксплуатации 20-30 лет. Это гарантийное время, в течение которого полезные свойства материала находятся в допустимых рамках. Последние исследования европейских учёных показали удивительные и обнадеживающие результаты. При сносе домов, построенных 40-50 лет назад с использованием пенополиуретана, учённые обнаружили, что его свойства практически не изменились. Структура и фактура остались теми же, что и изначально. Дальнейшие лабораторные исследования только подтвердили долговечность этого материала.

Экологичность

Важный параметр, на который всё больше и больше обращают внимание современные строители. В процессе производства пенополиуретан переходит из жидкого в твёрдое состояние за 30 секунд. После этого вредные испарения с его поверхности прекращаются. Если его нагреть до 450 Сº, то начнут выделяться углекислый и угарный газы. Впрочем, то же самое можно наблюдать и во время нагревания дерева.

Пенополиуретан не выделяет вредных для организма человека соединений

Токсичность

Заказчики задаются вопросами о степени токсичности материала. Продукт является токсичным только на этапе производства из-за токсичности исходного компонента — полиизоцианата. После застывания массы, она не представляет опасности.

О том, насколько низка опасность для человека, говорит применение ППУ в медицине (хирургическая вата, повязка для ран).

Вопрос о потенциальном биологическом воздействии на пенополиуретан поднимается также часто. Ученые отмечают, что больше всего опасности разрастания грибка или скопления других микроорганизмов, наблюдается в продукции с открытыми ячейками, при установке во влажных и теплых помещениях. В случае с закрытоячеистыми разновидностями, степень защиты будет намного выше.

Вреден ли для здоровья пенополиуретан

Этот вопрос интересует многих. Ведь утепление чаще всего наносится с внутренней стороны стен. А так как это полимерное вещество, произведенное с помощью химической реакции, люди боятся, что он будет выделять токсичные вещества.

Действительно, в то время, когда жидкий ППУ распыляют на стены, его попадание на кожу или в дыхательные пути может быть опасным. Поэтому все работы рекомендуется проводить в респираторе и защитной одежде.

Но после застывания пенополиуретан вред уже не причиняет. А высыхает он за 20 секунд, поэтому готовый слой теплоизолирующего материала абсолютно безопасен.

Процесс напыления

Водопоглощение

Чем меньше впитывание воды, тем больше устойчивость к деформациям из-за перепада температуры и опасность внутренней порчи. Степень влагопроницаемости напрямую зависит от плотности материала. Характеристики показывают, что для большинства видов вспенивателей, поглощение жидкости составляет от 1 до 4% за сутки контакта с водой.

Важно удерживать ППУ от намокания и по причине увеличения коэффициента теплопроводности. На каждый 1% впитанной воды по массе, приходится рост теплопроводности на 4%, что сильно уменьшает защиту здания. Для важных пространств лучше всего использовать продукцию с высокой степенью плотности. Лучше позаботиться и о дополнительной гидроизоляции.

Разновидности пенополиуретановых утеплителей

Способность сохранять тепло появляется за счет пористости. В мелких полостях содержится воздух, углекислый газ или нейтральный газ. Все они плохо проводят тепло. При этом жесткая структура материала тоже не должна проводить тепло. С этой точки зрения полимерные органические материалы намного лучше, чем ячеистые бетоны.

Пенополиуретан отличается разнообразием форм использования. Благодаря этому утеплить можно самые разные поверхности и конструкции.

Двухкомпонентный ППУ

Смесь изготавливается прямо на строительной площадке. Для этого используется специальное оборудование, что увеличивает стоимость работ. Однако возможность производить материал в любом объеме и в самые сжатые сроки позволяет существенно сэкономить.
Такой вариант применяется при большом объеме работ. Изолировать ППУ можно любые конструкции – от фундамента до кровли.

Однокомпонентный ППУ

Напыляемый состав, намного чаще встречается в частном строительстве. Включает те же компоненты, однако находятся они в одном баллоне и смешиваются при нажатии на спусковой курок. Вспенивается масса при контакте с влагой из воздуха.

Для изоляции напыляемым ППУ тоже требуется специальное приспособление – пистолет. Однако он гораздо меньше и проще в использовании. Применяют материал в таких же целях – теплоизоляция поверхностей и конструкций. Пена образует равномерное бесшовное покрытие при любой структуре стены, при наличии дефектов. Более того, в последнем случае ППУ укрепляет стены или фундамент.

Однокомпонентный состав рассчитан на работу относительно небольшого масштаба. Это связано с ограничением объема емкости, в которой состав может храниться.

Жесткий утеплитель

Плиты пенополиуретана изготавливают методом формовки. Толщина их определяет степень теплосохранения. Такой вариант при монтаже не требуется никаких специальных приспособлений. Плиты можно закреплять на поверхность или приклеивать – последний вариант лучше.

Различают 2 типа ППУ:

• закрытоячеистый – с плотностью от 30 м³, устойчивый к морозу, не гигроскопичный, но с низкой паропроницаемостью;
• легкий открытоячеистый – с плотностью до 10 кг/м³, с высокой паропроницаемостью, но с водопоглощением сравнимым с минватой.

Легкий ППУ чаще применяют для внутренних работ в сухих помещениях. Он дешевле.

Мягкий утеплитель

Чаще используется как мебельный наполнитель. Он восприимчив к действию воды и ультрафиолета. Его используют для утепления только небольших конструкций.

Область использования

Сфера применения ППУ привязана к его плотности. Есть следующие параметры:

• Р = 6 — 15 кг/м3. Продукт отличается хорошими звукоизоляционными свойствами, подойдет в качестве сорбента для нефтяной промышленности, а также при использовании в качестве амортизирующего слоя упаковки.
• Р = 36 — 38 кг/м3. Пенополиуретан подойдет для заполнения внутренних полостей в ограждениях и перегородках, улучшения защиты не только от теплопотери, но и от проникновения посторонних звуков.
• Р = 6 — 35 кг/м3. Применяется не так часто, потому что требует дополнительной изоляции – это сильно повышает стоимость строительства и выполнения проектов различной сложности.

Отдельно стоит сказать о ППУ на водном вспенивателе. Они довольно распространены, но отличаются малой адгезией, в том числе, межслоевой. Еще один недостаток – усадка почти на 20%, при том, что многие альтернативы дают только до 10% усадки. В списке потенциальных проблем – высокий коэффициент теплопотери, не дающий создать изоляцию нужного уровня качества.

Обзор производителей

Чтобы утепление дома прошло без проблем, а ППУ оказался качественным, нужно приобретать его у известных производителей. Есть несколько самых популярных фирм:

• SYNTHESIA ESPANOLA S.A. производит разные виды пенополиуретана, материалы отличаются высоким качеством и простотой эксплуатации;
• Ecotermix производит разные системы теплоизоляции, напыляемые виды ППУ;
• Demilec выпускает экологически чистую теплоизоляцию на основе пенополиуретана;
• Bayer – это ведущий производитель химических веществ в мире.

О каталитических смесях

При проведении работ по напылению, важно подобрать правильные каталитические смеси. Распространены третичные амины с высоким уровнем активности. Они смешиваются с другими аминными катализаторами. Это помогает сильно повысить реакционную способность.

Специалист должен обращать внимание на степень концентрации катализатора. Если она слишком низкая, тогда весь напыленный слой будет постепенно стекать по поверхности. Это создает наплывы, проблемы с выравниванием покрытия.

Технология нанесения

Два компонента подаются в смесительный бачок. Там под давлением они смешиваются и с помощью пистолета распыляются на обрабатываемую поверхность. Через несколько секунд смесь резко увеличивается в объёме и быстро застывает.

Способ нанесения пенополиуретана

Важно! Для нанесения ППУ необходимо специальное оборудование и средства индивидуальной защиты. Поэтому лучше доверить этот процесс профессиональным строительным организациям.

Пенополиуретан во всех отношениях качественный материал. Экономия времени и средств может составлять 50-70% в сравнение с использованием традиционных утеплителей. Работы можно проводить круглый год. Технологии не стоят на месте, поэтому утепление строительных конструкций с помощью пенополиуретан будет становиться всё дешевле и надёжнее.

Толщина напыляемого слоя

Большинство специалистов сходятся во мнении о том, что толщина слоя напыления для одного прохода должна составлять около 25 мм. На самом деле, оптимальная толщина слоя не должна составлять 15 мм. Тогда в стандартную рекомендуемую изоляцию для многих регионов страны – 50 мм, можно поместить сразу несколько слоев. Это дополнительно увеличивает уровень непроницаемости за счет роста степени защиты.

Важно понимать, что, если работы проводятся в сложных условиях, а сотрудник не обладает должным уровнем квалификации, может возникнуть большая погрешность в нанесении. Тогда нарушится проектная паропроницаемость состава.

Большое внимание должно уделяться и условиям проведения работ. Все специалисты должны быть оснащены индивидуальными средствами защиты. Доступ на объект посторонних в процессе проведения напыления запрещен – это может привести к отравлению и другим проблемам со здоровьем.

Необходимые условия для напыления ППУ

Если напыление проводится на открытом воздухе, температура должна быть выше +10 градусов. Многое зависит и от типа подложки. Пенополиуретан распыляется на металл, дерево, бетон. Есть технологии работы и при минусовых температурах, но это тема для отдельной статьи.

Максимальная скорость ветра составляет 7 километров в час. Важно, чтобы погода была сухой и безветренной.

Нарушение условий распыления приводит к тому, что частицы начинают оплывать или относится в сторону.

Особенно сложно выполнять процедуру в ситуации, когда толщина покрытия должна быть более 50 мм. В таком случае, между наращиванием отдельных слоев должно уходит не менее одного-двух часов.

Требования и особенности применения напыляемого ППУ в строительстве собраны в нормативных документах, указанных ниже:

Проведение теплотехнических расчетов

Любые и даже упрощенные теплотехнические расчеты ограждающих конструкций должны основываться на следующих нормативных документах:

• СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» —
• СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» —
• ГОСТ Р 54851–2011 «Конструкции строительные ограждающие неоднородные. Расчет приведенного сопротивления теплопередаче» —
• СТО 00044807-001-2006 «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий» —

Как видите, расчеты сложны и требуют времени для изучения и внедрения. Благо в наше время существует возможность перевести эти сложные формулы и длинные таблицы в гораздо более понятные программы расчета, в которые лишь нужно внести исходные данные и выбрать применяемые материалы с их толщиной. Так существуют онлайн калькуляторы и отдельные программные продукты, устанавливаемые на персональный компьютер.

Одним из наиболее полных онлайн теплотехнических калькуляторов является . При расчетах он оперирует данными и условиями из всех четырех вышеуказанных нормативных документов. При этом он позволяет использовать как существующую базу данных материалов с их свойствами, так и дополнять ее своими материалами. Кроме определения требуемой толщины теплоизоляционного слоя он позволяет оценить, не будет ли накапливаться избыточное количество влаги в конструкции во время эксплуатации, а также оценить тепловые потери.

В качестве бесплатного программного продукта для ПК часто используют программу для теплотехнического расчета . Программа проводит расчеты на основе всех необходимых нормативных документов. Интерфейс управления программой очень простой. Программа дает возможность проводить расчеты в 2-ух режимах — расчет требуемой толщины теплоизолятора и проверка запроектированного «пирога» конструкции.

Отдельного внимания требует программный продукт для специалистов — , который предназначен для расчета температурных полей и теплового сопротивления зданий и сооружений. Помимо функций, заложенных в вышеперечисленных программах, «Temper-3D» позволяет провести трехмерный тепловой анализ для каждого отдельного узла или сечения и вывести графическую 3D картину распределения температур, а также составить документацию с результатами расчета и выводами, рассчитать мощность отопительных приборов.

Далее в статье мы с Вами будем рассматривать упрощенные расчеты, которые позволят произвести предварительную оценку требуемой толщины ППУ, а также приведем примеры расчетов с применением ППУ.

О вопросе определения качества состава

При работе очень важно использовать правильные компоненты продукции, произведенные проверенными компаниями. Есть много подделок и далеко не все производители соблюдают рецептуру. Потому так важно работать с одним подрядчиком и установить серьезный входной контроль.

Статистика неутешительна – в России около 80% поставляемого ППУ не приспособлено к климатическим условиям страны. Это говорит о том, что требуемые показатели изоляции так и не будут достигнуты, а скорость распространения эрозии сильно увеличится.

При работе с пенополиуретаном нужно не только руководствоваться перечисленными документами и требованиями, но и запрашивать у подрядчика дополнительный набор бумаг. Среди них есть такие, как:

• Данные по «испытаниям в стакане» для определения кажущейся плотности вспенивания.
• Параметры кажущейся плотности для уже распыленного ППУ.
• Протокол, составленный по итогам проведения испытаний на уровень теплопроводности.
• Запротоколированные данные по проверке адгезии.
• Протокол, указывающий данные проверки уровня водопоглощения. Сведения об уровне паропроницаемости, установленными в ходе проверки и внесенные в официально заверенный протокол.
• Пакет документов дополняется сертификатами – пожарным, гигиеническим, на соответствие. Запрашивается и паспорт качества.

Рекомендуем запрашивать прайс с указанием стоимости компонентов смеси именно в рублях, а не в условных единицах, как это делают недобросовестные подрядчики.

Основные обязанности подрядчика

Если вы проводите работы с ППУ, стоит учитывать несколько требований:

• В выполнении работ нужно строго придерживаться правил использования для конкретной рецептуры.
• Все технологические процессы по работе должны заноситься в специальный журнал.
• Толщина напыления ППУ рассчитывается на основании предоставленной производителем документации по рецептуре и другим параметрам.

Лица, ответственные за выполнение работ должны предоставлять отчет обо всех используемых процессах, чтобы специалисты могли на раннем этапе определить потенциально опасные отклонения.

Соотношение плотности ППУ и области применения продукта

Дополнительно рассмотрим связь плотности пенополиуретана и основной сферы его применения. Сведения указаны в таблице ниже:

Для каждой области использования меняются основные характеристики продукции – не только коэффициент теплопроводности и степень водопоглощения, но и толщина напыления.

Поведение в различных химических средах