8.2. Органические теплоизоляционные материалы и технология их изготовления
Органические теплоизоляционные материалы изготовляют в основном в виде плит из отходов древесины и другого растительного сырья волокнистого строения (соломы, камыша, торфа, костры льна и конопли). Для изготовления этих материалов широко используются полимеры и синтетические смолы. В последние годы все большее применение находят легкие газонаполненные полимерные материалы – пенопласты, поропласты, сотопласты.
Древесноволокнистые плиты представляют собой листовой материал, полученный формованием с последующим высушиванием древесноволокнистой массы, пропитанной синтетическими полимерами. Для повышения водостойкости плит в эту массу добавляют парафиновую эмульсию.
Средняя плотность древесноволокнистых плит – 150-350 кг/м3, предел прочности при изгибе не менее 1,2 МПа, коэффициент теплопроводности – 0,046-0,07 Вт/(м °С). Древесноволокнистые плиты изготавливают шириной 300; 270, 250,180 см; длиной 160; 120 см; толщиной 25, 16, 12 и 5 мм.
Вырабатывают также изоляционно-отделочные твердые древесноволокнистые плиты с окрашенной поверхностью. Применение их снижает трудоемкость строительства, так как отпадает операция отделки лицевых поверхностей.
Древесноволокнистые плиты можно легко пилить, резать, сверлить, они обладают хорошей гвоздимостью, т.е. не трескаются при пробивании и хорошо держат гвозди. Помимо тепловой изоляции плиты используют и для звуковой изоляции в междуэтажных перекрытиях. К утепляемым поверхностям плиты крепят гвоздями или приклеивают битумными мастиками.
Технология производства древесноволокнистых плит складывается из следующих операций: приготовления щепы, размола щепы на волокна, пропитки древесноволокнистой массы связующим, формования плит, их сушки и обрезки кромок.
Древесностружечные плиты изготовляют из древесины путем горячего прессования древесных стружек, пропитанных полимерным связующим, при этом жидкий полимер отверждается, склеивая стружку в монолитную массу (рис. 42). Древесностружечные плиты выпускают толщиной 1,3-2,5, длиной 250-360 и шириной 120-180 см. Предел прочности при изгибе их должен быть не менее 5 МПа, теплопроводность – не более 0,058 Вт/(м °С). В качестве теплоизоляционного материала используют мягкие плиты со средней плотностью – 250-400 кг/м3. Длина плит – от 250 до 360 см, ширина – 120-180 см, толщина – от 13 до 25 мм.
Изоляционные древесноволокнистые и древесностружечные плиты применяют для тепло- и звукоизоляции стен, перегородок, междуэтажных перекрытий жилых зданий, утепления кровли и перекрытий промышленных зданий. Крепят плиты к стенам и потолкам оцинкованными гвоздями или приклеивают мастиками.
Торфяные плиты имеют волокнистую структуру. Теплоизоляционные изделия из торфа выпускают в виде плит, блоков, скорлуп и сегментов. Наиболее широко применяют торфоплиты, которые изготовляют из молодого, еще не перегнившего мха – сфагнума.
Производство торфоплит ведется мокрым и сухим способами.
При мокром способе кусковой торф с влажностью до 90-95% разделяют на отдельные волокна на зубчатой вальцевой дробилке, а затем подают в варочные котлы, где тщательно перемешивают с водой, нагретой до 50-60 °С. Хорошо перемешанную массу разливают в металлические формы, имеющие отверстия для стока воды, и прессуют на гидравлических прессах. После прессования плиты, не извлекая из форм, подвергают тепловой обработке, в процессе которой удаляется влага. При этом отдельные волокна торфа склеиваются органическими веществами, которые выделяются из него же при повышении температуры. Затем плиты извлекают из форм и выдерживают несколько дней на воздухе.
Рис. 42. Технологическая схема производства однослойных древесностружечных плит:
1 – рубильная машина; 2 – вибрационное сито; 3 – накопительный бункер; 4 – сушильная камера; 5 – бункер; 6 – смеситель; 7 – настилочная машина; 8 – холодный пресс; 9 – загружатель; 10 – пресс горячего прессования; 11 – разгружатель; 12 – станок для обрезки плит; 13 – кантователь
Сухой способ производства плит отличается от мокрого тем, что в качестве сырья используется подсушенный торф (до влажности 40-50%), который перед формованием не разжижается водой. Этот способ проще, при нем не требуется больших затрат воды, топлива и энергии, но средняя плотность плит получается выше, что ухудшает их теплоизоляционные свойства.
Торфоплиты имеют форму прямоугольного параллелепипеда размерами 100х50х3 см. Средняя плотность плиты – 150-250 кг/м3, предел прочности при изгибе не менее 0,3 МПа.
Теплоизоляционные материалы на основе полимеров отличаются легкостью, прочностью, гнилостойкостью и малой теплопроводностью. Тепло- и звукоизоляционные материалы используют в виде газонаполненных пластмасс и изделий из древесной массы или минерального волокна на синтетическом связующем. Газонаполненные пластмассы по структуре разделяются на:
пенопласты – материалы с системой изолированных, не сообщающихся между собой ячеек, содержащих газ или смесь газов и разделенных тонкими стенками;
поропласты – материалы с системой мелких сообщающихся ячеек или полостей, заполненных газом;
сотопласты – материалы с регулярно повторяющимися полостями в виде пчелиных сот.
Разграничение газонаполненных материалов на поро- и пенопласты условно, так как во многих случаях образуются пластмассы, обладающие смешанной структурой.
Пено -, поропласты можно получать различными способами и на основе разных полимеров. Они обладают малой средней плотностью (от 20 до 60 кг/м3), достаточной прочностью, высокими теплозвукоизоляционными свойствами, стойкостью к действию влаги и агрессивных сред. Теплоизоляционные свойства пенопластов различных сортов и материалов при близких средних плотностях различаются сравнительно мало.
В качестве теплоизоляционных материалов пенопласты применяют в плитах перекрытий и ограждающих панелей для устройства совмещенных кровель, утепления междуэтажных и чердачных перекрытий, а также для теплоизоляции инженерных коммуникаций, трубопроводов, холодильников и т.д.
Пористая структура полимерных строительных материалов может быть получена химическим и физическим способами. Химический способ основан на термическом разложении газообразователей, введенных в состав полимерной композиции. Образующиеся при этом газы вспенивают полимер. Сущность физического способа заключается в расширении газов, растворенных в полимерах, после снятия давления или при повышении температуры.
К газообразователям относят органические вещества (порофоры), которые при повышенной температуре разлагаются с выделением азота, углекислоты и аммиака (карбонат аммония, бикарбонат натрия). Веществами, способными вспенивать полимеры при нагревании до температуры кипения или при снижении давления, являются такие легкокипящие жидкости, как бензол, ксилол, толуол, вода и т.д. Отдельную группу порообразователей составляют поверхностно-активные вещества, облегчающие диспергирование газа в виде мелких пузырьков и повышающие устойчивость тонких полимерных пленок между пузырьками.
Пористые полимерные материалы можно получать как при повышенном, так и при нормальном давлении. С применением повышенного давления пористые пластмассы получают прессованием, экструзией и литьем под давлением.
Наиболее распространен прессовый метод, сущность которого заключается в прессовании смеси полимера и газообразователя при повышенной температуре с последующим вспениванием размягченной композиции в пресс-форме.
Если при формовании поро- и пенопластов повышенное давление не используется, то применяют беспрессовый, химический и дисперсионный методы. При беспрессовом методе (рис. 43) полимерная композиция вспенивается при нагревании до температуры кипения растворителя или разложения газообразователя.
Рис. 43. Технологическая схема производства
пенополистирола беспрессовым методом:
1 – вентилятор; 2 – соединительное устройство; 3 – приемный бункер для бисерного полистирола; 4 – трубопровод; 5 – циклон; 6 – расходный бункер; 7 – шнек с паровой рубашкой (предварительное вспенивание); 8 – бункер; 9 – дозатор; 10 – рольганг; 11 – перфорированная металлическая форма; 12 – тельфер; 13 – вагонетка; 14 – автоклав (вспенивание); 15 – сушильная камера
Сущность химического метода заключается во вспенивании смеси газами, выделяющимися при взаимодействии компонентов в процессе полимеризации или поликонденсации. По дисперсионному методу полимерные композиции вспениваются с помощью быстроходных смесителей и продуванием через раствор газообразного вещества с последующим отверждением полимера.
Рассмотрим несколько представителей поропластов.
Пенополистирол выпускают трех марок: ПС-1; ПС-4; ПС-6 в виде плит разных размеров. Его широко применяют для устройства среднего слоя трехслойных панелей, а также изготовления скорлуп для изоляции труб. При определении областей применения пенополистирола необходимо учитывать его свойства: гнилостойкость, хорошую гвоздимость и способность прочно склеиваться со многими материалами. Как звукоизоляционный материал его применяют при строительстве кинотеатров, концертных залов и т.д. Как теплоизоляционный материал пенополистирол используют в конструкциях совмещенных кровель, перекрытий, стен и перегородок жилых домов.
Пенополивинилхлорид представляет собой материал в виде твердой пены с равномерно замкнуто-пористой структурой, заполненной газом. Применяют для тех же целей, что и пенополистирол. Пенополивинилхлорид не поддерживает горения, что несколько расширяет область его применения.
Пенополиуретан может быть жестким и эластичным. Жесткий пенополиуретан используют как теплоизоляционный заполнитель трехслойных конструкций, в виде скорлуп и сегментов для изоляции холодного и горячего водоснабжения магистральных трубопроводов. Эластичный пенополиуретан применяют для герметизации стыков панелей.
Мипора – пенопласт на основе мочевиноформальдегидного полимера, представляющий собой отвердевшую пену. Мипору изготовляют в виде блоков толщиной 20 и 10 см и длиной 50 см и более. Мипора не загорается при воздействии открытого пламени; при 200 °С она обугливается.
Физико–механические свойства пенопластов приведены в таблице 10.
Таблица 10