1352
.pdfили 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
чение |
теплопроводности жесткого ППУ связано прежде всего· |
с тем, |
что в его ячейках содержится фреон-11. Кроме того, на |
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
выше |
теплопроводность. |
Бюист |
|
|
|
||||
с сотр. [7] подтвердили это по |
|
21~------------------~ |
|||||||
ложение |
ЭК'спер·именталь.ным |
пу |
|
20 |
|
||||
тем (рис. |
5.3). |
Практически |
это |
|
|
||||
|
|
|
|||||||
означает, |
что |
при |
прочих |
р?.13- |
|
19 |
|
||
ных |
показателях |
пенопласты, |
~ 18 |
|
|||||
имеющие |
«тою<ую» ячеистую |
~ |
|
|
|||||
структуру (т. |
е. |
более |
мелкие |
~17 |
|
||||
~ |
|
|
|||||||
ячейкп), :Jбладают более низкой ~.... |
!б |
|
|||||||
Рис. 5.3. Влияние размера ячеек на теп |
|
|
|
||||||
лоnроводность nеноn.'!аста: |
|
|
|
|
|||||
8 -значения, попуче1вные Бюистом [7]; О |
|
|
|
||||||
значения |
дпя |
ППУ в панепях, изrотсвпенных |
|
о |
0,8 |
||||
|
в вертикальном |
прессе. |
|
|
|
143
'32 |
29.----------------. |
||
·. ;;; 22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
~ 20 |
|
|
|
~ 18 |
|
|
|
•-.:.' |
|
|
|
16 |
|
|
|
f/• L.....J'-----7---1________, |
||
Б |
-r 1 |
5 |
<t,г |
|
|
|
|
юо~~,--~2--~J~~~~~~~в~ |
|
25000 |
50000 75000 't, у |
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
700 200 J00'((20C~C!Jm
в точке В. Скорость выхода "л на уровень точки В зависит от
доступности воздуха к поверхности пенопласта, а также от со
отношения поверхности и объема конкретного изделия. Для кор ректного измерения Л образцы пенапластов (30Х ЗООХ 40 мм)
выдерживают до наступления равновесия в стандартных усло
виях (температура 23 °С, относительная влажность 50%). На рис. 5.5 приведена типичная кривая временной зависимости Л. Принято считать, что теплопроводность жесткого пенапласта возрастает с 0,017 Вт/ (м· К) у свежеприготовленного материала до 0,023 Вт/ (м· К) при достижении равновесной диффузии. Эти
значения являются абсолютными, т. е. не зависящими от разме
ров образца и метода измерения.
Болл с сотр. [11] изучали изменение теплопроводности пена
пластов, полученных разными методами и взятых из разных пар
тий. На рис. 5.6 и 5.7 показано среднестатистическое измене
ние величины Л пенопластов, полученных методом непрерывного
ламинирования, и блочных пенопластов. Результаты испытанпя приведены в табл. 5.1.
Как следует из табл. 5.1, после стабилизации состава газо
вой фазы теплопроводность сэндвич-панелей, полученных непре
рывным способом, и .блочного жесткого ППУ одинаковы, но вы
ше, чем у сэндвич-панелей, полученных в многоэтажном пли
вертикальном прессах. Раз·ность в теплопроводности пенопла
стов, изготовленных непрерывным и периодическим способами, обусловлена разл-ичным значением радиационной составляю
щей. Дисперсия результатов (2cr) исключительно низ1..:а и I..:о леблется очень незначительно независимо от способа изготовле
ния и продолжительности старения пенопластов.
26. |
--------------------. |
|
|
|
~ 24 |
|
|
|
|
"~- 22 |
|
|
|
|
~ 20 |
|
Рис. 5.7. Изменение тепло |
||
~ |
|
|||
~' 18 |
|
проводности в процессе ста |
||
75~--~~--~----~~~ |
рения |
жесткого блочного |
||
ППУ |
(доверительный ин |
|||
О |
100 200 JOO't(20C~c!Jm |
|||
тервал |
95%, см. табл. 5.1). |
|||
10-259 |
|
|
145 |
Таблица 5.1. Измепепие теплопроводности жестких ППУ
впроцессе эксплуатации
|
Число |
Время. |
Лсt>, . |
Стандарт- |
|
|
|
|
НСе ОТКдО- |
|
|
||||
Способ изготовления |
образ- |
2а, Вт/(м·КI |
|||||
сут |
Вт/(М·Ю |
нение о. |
|||||
|
цов |
|
|
|
|||
|
|
|
Вт/(М•l<:) |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
Непрерывное ламинирование |
39 |
о |
0;0185 |
0,0016 |
0,0032 |
|
|
|
50 |
200 |
·0,0226 |
0,0013 |
0,0026 |
|
|
|
27 |
400 |
0,0232 |
0,0010 |
0,0020 |
(8,6%) |
|
Непрерывный (блочный пе- |
24 |
о |
0,0179 |
0,0012 |
0,0024 |
|
|
нопласт) |
56 |
200 |
0,0224 |
0,0014 |
0,0028 |
(12, 1%) |
|
|
49 |
400 |
0,0232 |
0,0014 |
0,0028 |
||
Периодический (в много- |
14 |
о |
0,0166 |
0,0013 |
0,0026 |
|
|
этажных прессах) |
78 |
200 |
0,0199 |
0,0013 |
0,0026 |
( 11 ,5%) |
|
|
52 |
400 |
0,0209 |
0,0012 |
0,0024 |
||
Вертикальное ламинирова- |
19 |
о |
0,0149 |
0,0010 |
0,0020 |
|
|
ние |
52 |
200 |
0,0126 |
0,0013 |
0,0026 |
(13%) |
|
|
11 |
400 |
0,0185 |
0,0012 |
0,0024 |
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
&.--------------------------- |
|
|
~ |
26 |
|
|
|
~ 2'1 |
|
|
|
-i: |
|
|
|
.:::::. 22 |
|
|
|
~ 20(1: -------- |
|
. |
|
"''18*"'"' ------ |
|
' . |
|
1 |
2. |
J |
6 |
|
|
tg 7: (У) |
|
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).
10* |
147 |
Таблица 5.2. Результаты натурнь1х испытаний кровельных конструкций
с утеплителе.к из жесткого ППУ
|
|
|
J.. при 10 •с, |
Содержаюtt> |
Продо.,жн- |
Кажущаяся |
Строение |
|
тельность |
||||
|
Вт/(м·Ю |
влаги, |
эксплуата- |
плотность |
||
|
|
|
% (об.) |
ППУ, кг/м• |
||
|
|
|
|
ции, годы |
||
Промытленное |
здание |
1 |
0,028 |
0,008 |
8,50 |
30 |
Промытленное |
здание |
2 |
0,024 |
0,063 |
8,75 |
34 |
lllкольное здание |
|
0,025 |
0,340 |
9,75 |
32 |
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
Результаты
натурных
испытаний
.вновь
подтвердили
высокую
репутацию ППУ у строителей. Двадцатилетний опыт успешной промышленной эксплуатации жесткого ППУ позволил выявить.
не
только
пределы
возможностей,
но
и
«дополнительные»
до
стоинства
этого
материала,
к
числу
которых
относится,
прежде
всего, способность |
сохранять |
низкую |
теплопроводность |
|||
ние |
длительного времени. |
К тому |
же |
было установлено, |
||
всех |
случаях, когда |
ППУ |
вел |
себя |
неудовлетворительно, |
в тече что во он или
имел |
с |
самого |
|
были |
|
условия |
|
янный |
|
контакт |
начала низкое |
качество, |
или |
слишком |
жесткими |
||
эксплуатации |
|
(температура |
выше 100 |
ос; |
посто |
|
с жидкостью |
или газом, |
подаваемыми |
под |
высо |
ким давлением, и т.
О жестком ППУ
п.). можно
сказать,
что
он
в
буквальном
смысле
выдержал
испытание
временем.
ПЕНОПЛАСТЫ
И
ЭКОНОМИЯ
ЭНЕРГИИ
В конце 1970-х годов |
человечество |
особенно остро осознало· |
|
необходимость экономии |
топливно-энергетических ресурсов |
[8д] . |
|
Установлено, что не менее половины |
всей расходуемой в |
мире |
энергии тратится на ние расхода топлива
отопление жилых помещений. в жилом помещении показано
Распределе на рис. 5.10.
В
·Великобритании
на
отопление
расходуется
примерно
2/~
общего |
потребления |
растают |
(та·бл. 5.3). |
энергии,
причем
эти
затраты
постоянно
воз
[
1-
Рис. 5.10. |
Распределение |
энерrозатрат в |
жилом |
||
освещение (0.6%); 11- приготовление |
nищи |
(7,4%); 111- |
|||
|
|
рячая |
вода |
(25°/0 ). |
|
помещении |
[14]: |
отопление (67%); н·- |
го-
Рис. доме
5.11. |
Распределение тепловых потерь |
(площадь двухэтажной квартиры 100 |
в м2
,
двухэтажном двухквартирном.
скорость теплоотдачи за счет
теплопроводности
360
Вт/
0
С,
за
счет
вентиляции
80
Вт/