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 также конфективной и лучистой, или радиационной составляющихю. 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.
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 XPS –CARBON 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).
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.
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.
Журнал «Строительные материалы 21 века»
Новость от 24.08.2011
