СМИ о нас

Э.Замыслов: Модифицирование пенополистирольных плит с целью улучшения их теплоизолирующих свойств.

Эдуард Замыслов, к.х.н., технический директор ООО «Интернешнл Пластик Гайд»,       Пенополистирол уже много лет широко применяется в строительстве для теплоизоляции зданий, фундаментов, трубопроводов, автомобильных и железных дорог. И все благодаря своим ценным свойствам: низкой теплопроводности, устойчивости к влаге и плесени, высокой прочности, отсутствию токсинов и других вредных веществ, способности хорошо изолировать шум.

            В последние годы в полимерном материаловедении наметился новый подход к исследованию строения пенополимеров, к использованию новых материалов для их производства, получению принципиально новых композитов. Производители работают над тем, каким образом  можно модифицировать  перечисленные свойства: еще более снизить теплопроводность, горючесть, увеличить прочность . Внедрение нанотехнологий в производство пенополистирола позволило придать материалу новые характеристики , о которых и пойдет речь далее.

          Уже несколько лет специалисты добавляют графит, углерод в полимеры и в пенополистирол и улучшают его свойства. Сегодня это - не новинка. А вот применение наноразмерных углеродных материалов, способных существенно изменить теплопроводность и прочность термопластов, с полным правом можно назвать  инновацией.  

Теплопроводность.

Теплопроводность - это способность материала проводить тепловую энергию через свой объем, структуру.   Коэффициент теплопроводности     является характеристикой теплопроводности. Чем ниже теплопроводность плиты, тем выше изолирующие свойства, и тем выше способность материала снизить энергетические потери  на отопление зданий. Среди других известных строительных материалов пенополистирол обладает, пожалуй, самой низкой теплопроводностью, а значит высокими изоляционными свойствами.  Теплопроводность пенополистирола зависит от многих факторов  и может меняться во времени после его производства. На теплопередачу влияет толщина плиты, ее объемный вес,  размер и количество  ячеек, и их форма, влагопоглощение, состав газа в ячейках и его молекулярная масса.

Коффициент теплопроводности пенополистирола складывается из коэффициентов теплопроводности твердой фазы (     ) , вспенивающего газа (      ), а также конфективной    (      ) и лучистой , или радиационной (          )  составляющих.  ( 1) – Берлин А.А. , Шутов Ф.А. Химия и технология газонаполненных высокополимеров. М. Наука. 1980.)

   =     +     +      +   

Для достижения минимального коэффициента теплопроводности , необходимо по возможности уменьшить вклад каждой из составляющих в суммарную величину.

Вклад величины    очень мал по нескольким причинам. Во первых , коэффициент самого полистирола составляет 0,08-0,3 ккал / м*час*град. Во –вторых доля полимерной фазы в пенополистироле весьма незначительна, особенно когда получают легкие пены с низкой плотностью.  Наибольший вклад в теплопередачу вносит газ, который используется для вспенивания.  В зависимости от молекулярного веса вспенивающие газы имеют разные скорости диффузии из полимера- полистирола. Поэтому, необходимо подбирать газ с низким коэффициентом теплопроводности и высоким молекулярным весом.  Однако, на практике это не всегда выполнимо по технологическим и экономическим соображениям. Благодаря низкой стоимости, в  настоящее время особой популярностью пользуется углекислый газ СО 2. Его теплопроводность, несмотря на низкую молекулярную массу, почти в 2 раза ниже, чем у воздуха. Однако проницаемость полистирола и других полимеров по отношению к углекислому газу значительно выше, чем к воздуху, в результате чего происходит быстрое замещение СО2 в ячейках пенополистирола воздухом окружающей среды и он не играет особой роли в деле снижения теплопроводности.            Поскольку механизм конвекционной передачи, который мы характеризовали как  ,  начинает проявляться, когда диаметр ячеек слишком большой, порядка 2-5 мм, мы не будем подробно останавливаться на нем.

            Доля радиационного  теплообмена  в теплопередаче (    ) в большей степени зависит от диаметра газовых ячеек и их количества. Рис 1.

Чем больше толщина плиты  и меньше толщина стенок, тем выше радиационная составляющая теплопроводности, то  есть  растет. В общем,  плотные плиты с большим количеством ячеек обладают меньшими значениями . В свою очередь, современный производитель плит, наоборот,  как правило,  стремиться произвести плиту с минимальной толщиной стенок и  большим размером ячеек. Это позволяет получать легкие пены.

Пенополистирольные плиты с нанографитом.

            Регулировать радиационный  теплообмен в пенополистироле возможно за счет применения углерода, графита, нового материала -  нанографита. Так, пенополистирольные материалы с нанографитом впервые в России были разработаны на предприятиях Корпорации ТехноНИКОЛЬ   и называются ТЕХНОНИКОЛЬ XPS CARBON. Согласно проведенным испытаниям в НИИ строительной физики (НИИСФ) коэффициент теплопроводности для экструзионного пенополистирола ТЕХНОНИКОЛЬ XPSCARBON составил 0,0295-0,030 (25±5)0С, Вт/(м*К), за счет уменьшения радиационной составляющей.  Причем снижение теплоизолирующих свойств для образцов экструзионного пенополистирола, выпущенного с применением нанографита, замечено в незначительной степени. Аналогичные европейские марки материала , выпущенные при помощи вспенивания углекислым газом и без добавления графита, показывают в процессе испытаний снижение теплоизолирующей способности до уровня 0,033-0,036 (25±5)0С, Вт/(м*К).

              Схематично строение графита показано на рисунке  2.

              Не все виды графита и углерода уменьшают теплопередачу пенополистирола столь эффективно, как нанографит. Некоторые практически не меняют коэффициент теплопередачи. Имеет значение и концентрация графита в полимере.

             Помимо улучшения теплоизолирующих свойств плиты,  применение графита , нанографита позволяет улучшить УФ стабильность материала, поскольку графит работает как УФ стабилизатор. А также изменить проницаемость  пенополистирола для данного газа и воздуха. После завершения процесса пенообразования вспенивающий газ в результате диффузии начинает замещаться на воздух. Пенополистирол с графитом оказывает более сильное сопротивление газообмену.

                При использовании графита определенных размеров получаются плиты с минимальными диаметром ячеек  и толщиной стенок. 

             На рисунке 3 показано, каким образом может меняться структура ячеек при использовании нанографита в полистироле. ( а) стандартный вспененный полистирол плотностью 0,45 г/cм 3,

 ( б)  с добавлением нанографита ( плотность 0,46 г/cм 3) 

             Но несмотря на резкое увеличение количества ячеек в образце с нанографитом, плотность образцов а и б  остается практически одинаковой.

  Этим можно объяснить тот факт, что пенополистирольные плиты, в которых использовался нано-графит, обладают  высоким модулем упругости при сжатии, который в 2 раза превышает данный показатель для плит, полученных стандартным путем.

 Заключение:

 Результаты, полученные корпорацией ТехноНИКОЛЬ, подтверждают исследования американского университета Ohio (штат Колумбия), ученые которого   продемонстрировали свойства пенополистирола с использованием наноуглеродных волокон размером 30-100 нм. Сегодня уже с полной уверенностью можно сделать вывод, что углеродные материалы, и в частности, нанографит, позволяют уменьшить суммарную теплопроводность пенополистирола за счет уменьшения радиационной составляющей.

             Нанографит в России не производится. Его поставляет из Индии компания «Интернешнл Пластик Гайд». Пенополистирол с нанографитом – строительный материал нового поколения и на сегодняшний день - один из самых высокоэффективных теплоизоляционных материалов. Он найдет широкое применение в  общегражданском строительстве при устройстве теплоизоляции фундамента, кровли, полов, утепления фасадов.

Журнал "Строительные материалы 21 века"