Пенополиуретаны, откуда и зачем. Напыляемые пенополиуретаны и современность.

До энергетического кризиса 1970-х годов и последующего за ним удорожания энергоносителей в строительстве доминировал принцип естественной вентиляции. В конце двадцатого века уклон пошел в сторону перехода на обеспечение доступа в помещения кондиционированного воздуха в строго контролируемых объемах за счет перекрытия его утечек изоляцией.

Реакцией среды на подобное посягательство на свободу передвижения явилось ухудшение тяги, что повлияло негативно на здоровье, привело к повышению пожароопасности, увеличению концентрации пыли, углекислого газа. Это также благоприятствует скоплению влаги, летучих органических веществ. Получается, что излишняя изоляция ухудшает комфортность проживания по сравнению с режимом свободного воздухообмена.

Использование же для бесшовного утепления высокоэффективного теплоизолятора - пенополиуретанов (ППУ) с их приемлемой газопроницаемостью позволило в значительной мере избежать сложностей, связанных с ограничением естественной вентиляции. В продуманных должным образом строительных конструкциях с применением теплоизоляции из пенополиуретана паропроницаемость наружных слоев превышает суммарную паропроницаемость всей толщи изоляционного слоя. Тем самым обеспечивается требуемая интенсивность воздушных потоков без конденсации влаги на холодной поверхности при любом векторе теплопередачи в условиях перепада суточных и сезонных температур внутри и вне здания. Благодаря свойствам напыляемых пенополиуретанов удается в известной мере дисциплинировать воздушные потоки через дверные и оконные проемы, через кровлю и проч.

Тестирование с регулярным осмотром более чем тысячи кровель, утепленных напыляемыми пенополиуретанами (ППУ) в 6 различных климатических зонах СевернойАмерики и Европы, показали, что на протяжении почти 20 лет этот утеплитель (при толщине порядка 50 мм) являлся эффективным барьером на пути вторжения холода (или тепла) и влаги. Кроме того, пенополиуретан успешно противостоял напору ветров, агрессии грызунов, плесени и т.п. Возникающие незначительные механические повреждения легко реставрировались. Помимо применения напыляемых пенополиуретанов в качестве теплоизоляции они отлично проявили себя и как антикоррозионный и гидроизоляционный материал. Немаловажно, что даже в странах с жесткими техническими нормами нет серьезных претензий к пенополиуретану со стороны экологов и пожарников. Например в Германии благополучно прошли испытания около 3 млн кв. м крыш, утепленных напыляемыми пенополиуретанами.

При кажущейся плотности 60 кг/м3 один квадратный метр пенополиуретана толщиной 30 мм весит всего 1,8 кг и способен противостоять напору ветров.

Решающий козырь напыляемых пенополиуретанов - это их технологичность. В зависимости от производительности используемого оборудования двое рабочих за смену могут напылить 150-300 квадратных метров поверхности.

Напыляемые пенополиуретаны являются одной из разновидностей спектра пенополиуретанов.

Их специфика проявляется преимущественно в области технологии: для них характерен очень короткий старт после смешения исходных компонентов с последующим экспрессным газонаполнением (вспениванием) и структурированием полимерной матрицы (стабилизацией ячеистой структуры и формы полученного пенополиуретана). Почти всегда напыляемые пенополиуретаны изготавливают непосредственно на изолируемой ими поверхности посредством нанесения распылением реакционной системы в виде высоковязкой жидкости, подвспененной массы (так называемой фросинг-пены) или быстротвердеющих дискретных частиц.

Получается, что при создании системы напыляемых пенополиуретанов (ППУ) химик опирается на базовые реакции органических полифункциональных изоцианатов, которые приводят к образованию полимерных структур, содержащих, преимущественно, уретановые и изоциануратные связи. Химику остается собрать под эгидой изоцианатного реагента такой состав, который мог бы совокупно обеспечить точное выполнение технологических требований и требований заказчика в части удовлетворения его запросов к качеству пенополиуретана (ППУ).

Рецептуры пенополиуретановых коммерческих систем изготовителями не раскрываются, они составляют коммерческую тайну.

Известно, что в них кроме базовых реагентов (полиизоцианата и полиэфир-полиолов) непременно фигурируют газогенерирующий агент, пеностабилизирующее поверхностно-активное вещество и комбинированный катализатор. В соответствии со специальными требованиями к качеству готовых пенополиуретановых систем ППУ типовой рецепт может быть обогащен добавками тех или иных присадок. Так, введение формиата аммония позволяет сократить время старта и желатинизациии вспенивания напыляемых систем, а добавка диэтаноламина является средством улучшения качества поверхности напыленной пены. Уступая требованиям пожарных и прочих контролирующих инстанций, химики вынуждены усложнять систему добавками фосфор- или/и хлорсодержащих антипиренов. Более приемлемым представляется огневая защита пенополиуретана (ППУ) посредством обогащения полимерной матрицы изоциануратными, (карбоди) имидными структурами или ароматическими. Бывает полезным введение в систему красителя, для регулировки нанесения бесцветного компонента.

Еще из дополнений в ППУ компоненты можно отметить использование в системах компонентов, наносимых на вертикальные и потолочные поверхности, тиксотропирующих веществ (чаще всего коллоидального диоксида кремния) или загустителей, а в системах, напыляемых на сельскохозяйственные постройки, агрохимических препаратов, отпугивающих грызунов, хищников и других вредителей.

Сжатый воздух в напыляемых системах пенополиуретана является инертным в химическом отношении, но безусловно нужным элементом. Другим фактором, с которым приходится считаться при напылении, является тепло, выделяющееся в ходе образования пенополиуретана. Разгон реакций на старте (в течение не более 10 сек) - результат действия катализаторов. Завершение процесса вспенивания в последующие 15 сек осуществляется за счет тех калорий, которые выделяются во время экзотермической реакции.

Не даром ремя достижения максимальной температуры вспениваемой системы (наряду с величиной этого температурного пика) относят к числу важнейших характеристик систем напыляемых пенополиуретанов (ППУ).

В связи с этим представляется сомнительным прогресс, ориентирующийся на создание псевдо-универсальных систем, пригодных для напыления в широком температурном диапазоне, вплоть до минус 40 градусов. При более тщательном рассмотрении выясняется, что при их напылении приходиться подогревать не только пенополиуретановую смесь, но и изолируемую поверхность.

На наш взгляд, главное место в ППУ системах занимают системы, стабильно и надежно перерабатываемые напылением в пенополиуретан высокого качества в температурном диапазоне 20 ± 10 градусов.

Оборудование для напыления ППУ

Общепризнано, что успешная переработка даже совершенных систем компонентов в пенополиуретан не может быть стопроцентно гарантирована, если не использовать качественную машину для напыления/заливки пенополиуретана. При выборе оборудования главными критериями являются: надежность в работе, удобство в обслуживании, компактность и мобильность (транспортабельность).

Вне зависимости от технических характеристик (габариты, производительность, потребляемая мощность, давление и расход воздуха и т.п), все установки имеют одну основу. Это дозировочные насосы; коммуникации, по которым в эти насосы, а затем из них подаются компоненты; источник (генератор) сжатого воздуха - компрессор; емкости для нагрева и поставки компонентов в дозатор; пистолет-распылитель или заливочная головка. Прочие элементы можно рассматривать как "архитектурные дополнения". К их числу относятся фильтры, обогреваемые шланги, узел промывки, система рециркуляции, а также механизмы, позволяющие осуществлять бесступенчатое (плавное) изменение соотношения полиольного и изоцианатного реагентов в широком диапазоне.

С использованием пеногенерирующего оборудования осуществляют контрольное напыление при нужной температуре. С учетом прогнозируемых метеоданных эта температурная планка может быть сдвинута в большую или меньшую сторону - с тем, чтобы максимально приблизиться к реальным рабочим условиям.

Техника проведения контрольного напыления оборудованием для пенополиуретан ничем не отличается в принципе от рабочего режима. Исходные компоненты дозируются и смешиваются в установленной про-порции После этого полученную, находящуюся в реакции смесь под давлением напыляют на по-верхность образца того именно субстрата (и с тем же подслоем), который предстоит изолировать пе-нополиуретаном на объекте. Толщина слоя должна соответствовать той, что на объекте, причем ко-личество проходов также должно соответствовать операционным.

Рекомендуем измерять и фиксировать в ходе проведения технологической пробы время старта и отверждения (обычно они находятся на уровне 1- 7 сек и 3-25 сек, соответственно), а также время достижения пеной максимальной температуры (5-6 мин до 120-160 °С). Потребителю важно оценить по итогам проведения теста качество поверхности, формоустойчивость, реологические характеристики пены (распыляемость, растекаемость по поверхности), адгезию к субстрату и среднюю плотность готового ППУ, точку желатинизации пены.

Каждая напыляемая система требует своего подхода. Тем не менее, для большинства систем, при незначительных отличиях в нюансах, можно рекомендовать следующие параметры процесса: расстояние от пистолета до субстрата 0,2-0,4м, давление воздуха 3-5 МПа (атмосфер, бар), температура реакционной смеси 20 - 25 °С, температура изолируемой поверхности не ниже 10 °С. Угол струи (факела) пены к поверхности которую мы напыляем может варьироваться от 0 до 70 градусов, при этом для распыления может использоваться подогретый воздух. Возможные затруднения могут воз-никнуть при напылении в среде с относительной влажностью выше 80 % и при силе ветра более 10 м/сек.

Для большинства современных строений и конструкций соответствующее государственным строительным нормам термическое сопротивление достигается при толщине напыляемых ППУ примерно 50 мм. За один проход мы рекомендуем напылять пенополиуретан слоем не менее 10 и не более 25 мм. В идеале вам следует наносить каждый последующий слой пены с минимальным временным интервалом от предыдущего и при близких температурных и влажностных условиях, поскольку при этом достигается высокая адгезия в пограничных областях, и минимальный разброс в физико-механических свойствах пенополиуретана. Изредка слои могут наноситься с разной скоростью (первый - с наименьшей). Особых требований к качеству поверхности первого и последующих слоев нет: их неровности благоприятны с точки зрения улучшения сцепления одного слоя с другим.

Анализируя мировой опыт, мы поняли, что наиболее характерными и частыми отклонениями от нормального хода процесса напыления являются: стекание подаваемой из пистолета жидкой вспени-ваемой системы или медленно твердеющей пены с вертикальной, наклонной или потолочной поверхности, локальное растрескивание, технологическая усадка, неоднородная структура пены. Эти аномалии обусловлены, как правило, сбоями в работе тех или иных ключевых узлов оборудования либо резкими, скачкообразными изменениями условий напыления (порывами ветра, дождем, градом, уносящими летучие ингредиенты системы и нарушающими созданную ППУ рецептуру).

В подобных ситуациях рекомендуется тотчас же приостановить напыление, быстро удалить бракованный материал с поверхности.

Имея добротную систему ППУ вместе с надежным оборудованием для напыления/заливки - вы имеете все условия для получения качественного ППУ.

Следует помнить: технология напыления пенополиуретана проста, но не примитивна.

Потребители часто грешат пренебрежением к начальным, подготовительным стадиям, без чего невозможно достижение высокого качества работ при минимальных потерях сырья.

Подготовительные операции перед работой включают в себя:

• Проверку готовности оборудования
• Проверку вспомогательных материалов и средств
• Подготовку напыляемой поверхности
• Анализ производственных и операционных условий, начальных и прогнозируемых
• Осуществление технологической пробы (проведение контрольного напыления) с проверкой полученного напыленного слоя пенополиуретана.

Наиболее часто напыляют пенополиуретан на такие поверхности, как металл (сталь, алюминий, оцинкованное железо), фанера, асбоцемент, бетон, газобетон, дерево, кирпич, каменная кладка.

Требования к поверхности: поверхность должна быть очищена от мусора, грязи, краски, масел, сма-зок, плесени, ржавчины, не иметь прорех (щелей, отверстий, трещин и прочее), размер которых превышает 6 мм. На участки поверхности, не предназначенные для напыления, укладывают разделительный материал (бумагу, полимерную пленку) или наносят смазку.

Место возможной протечки закрывают, заделывают скотчем или какими либо герметиками.

Дополнительно рекомендуется предварительно обработать напыляемую пенополиуретаном поверхность праймером для ее выравнивания и повышения тем самым адгезии (прилипания) ППУ к поверхности. Попутно может быть достигнуто некоторое повышение огнезащищенности конструкции и уменьшение (амортизация) сдвиговых усилий, возникающих между поверхностью и пенополиуретаном в условиях колебаний температур (вследствие отличий в величине коэффициентов термического расширения этих неоднородных материалов).

Основные требования:

Во время напыления изолируемая пеной поверхность должна быть максимально сухой, не зависимо от того, имеет она подслой или нет. Это сохраняет актуальность и в случае нанесения полиуретанового клея. Желательно, чтобы температура изолируемой поверхности отличалась от температуры напыляемой смеси компонентов не более чем на 10 °С.

Сопутствующие материалы

Клеи

Мы отмечали важность надежного закрепления напыляемого пенополиуретана на изолируемой поверхности для фиксации наносимой изоляции и для исключения местных воздушных прослоек между пенополиуретаном и поверхностью. Роль клеевого подслоя - посредника особенно возрастает при напылении на холодную и/или на влажную поверхность.

Клея, способного претендовать сегодня на роль лидера на рынке, пока не создано. Отсюда вытекает разнообразие вариантов в выборе адгезии для конкретных условий и объектов, в которых задействуют напыляемые пенополиуретаны.

К числу дешевых принадлежат клеи на основе 40-50 %-ных акриловых эмульсий, отверждаемые в присутствии бикарбоната натрия (питьевой соды) при 20 °С (или при легком нагревании). Их основной недостаток: наличие воды и NaHCO3 (веществ, не инертных по отношению к напыляемой пене), поэтому нанесение клеевого подслоя и напыление пенополиуретана должны быть разнесены во времени.

Этого недостатка лишены водные (~ 75%) эфиракрилатные дисперсии, быстро схватывающиеся и набирающие прочность.

При напылении пенополиуретана на алюминиевые и стальные поверности рекомендуют эпоксидные клеи, хорошо зарекомендовавшие себя при эксплуатации в условиях знакопеременных температур и повышенной влажности.

В плане технологическом привлекательны клеи на основе изопренового или хлорпренового каучука, поскольку их можно наносить напылением с очень малым удельным расходом - порядка всего лишь 100 г/м2.

Мы считаем, что предпочтение следует отдавать полиуретановым клеям, пригодным для технологического нанесения напылением. В частности, это могут быть те же самые компоненты, которые используются для напыления.

Защитные покрытия

Основные требования к защитному слою для напыляемых пенополиуретанов, работающих в непосредственном контакте с окружающей средой: предохранение изоляции от губительного воздействия ультрафиолетового облучения и влаги во всех ее проявлениях (дождь, лед, туман, град).

Толщина защитного слоя составляет 0,25-1,0 мм, поэтому предпочтительны системы, наносимые напылением.

Дешевы системы на основе акриловых латексов, имеющие хорошую адгезию к напыленным пенополиуретанам. Эти покрытия эластичны при низких температурах, наносятся при температурах выше 10 градусов напылением, либо валиком или кистью. Их недостаток: достаточно высокое водопоглощение и, в некоторых случаях, большая паропроницаемость. Учетывая достаточно высокую ультрафиолетовую стойкость и износостойкость акриловых покрытий, можно пойти на вариант сочетания их с тем или иным паронепроницаемым материалом, таких как бутилкаучук или асфальт.

Покрытия на основе бутилкаучука хороши сами по себе: они паронепроницаемые и водонепроницаемы, рассчитаны на многолетнюю эксплуатацию в температурном диапазоне от -40 до 95 градусов и имеют хорошую адгезию к пенополиуретанам. В Европе и Америке поставляют на выбор двухупаковочные системы, образующие покрытия цветов: черного, серого или желтовато-коричневого (под дерево). Рекомендуемая толщина 0,25-0,5 мм. Они могут сочетаться с силиконовыми, гипалоновымии, уретановыми. Отверждаются за 1-7 часов (в зависимости от погоды).

Наибольшую защищенность от воздействия ультрафиолетовых лучей обеспечивают силиконовые покрытия, становящиеся твердыми, при нормальных условиях за 1-3 часа. Единственный минус - они довольно дороги. Эти покрытия относятся к категориям паропроницаемых и погодостойких.

Особняком стоят изолируемые напыляемыми пенополиуретанами объекты, к которым предъявляются повышенные противопожарные требования. В этих случаях дополнительный балл получают составы для покрытия, выполняющие также и огнезащитную функцию.

Частично этот плюс присущ силиконовым покрытиям. Иногда строители прибегают по традиции к испытанным средствам: сухой штукатурке и цементным составам. Высокую огнестойкость напыленной изоляции из пенополиуретана обеспечивает цементное покрытие, содержащее добавки из минерального волокна и оксихлорида магния.

В качестве рекомендуемых высококачественных покрытий фигурируют и напыляемые уретановые покрытия. Полиуретановые покрытия отличаются высочайшей, образцовой износостойкостью, способностью работать во всех климатических зонах Земли, гладкой и блестящей поверхностью, благодаря чему они успешно применяются для антикоррозионной и гидроизоляционной защиты мостов, стен зданий и кровли, ванных комнат и палуб судов, кузовов автотранспорта, футеровки трубопроводов и т.п.

Основные свойства напыляемого пенополиуретана

Поставщики систем для пенополиуретана традиционно представляют клиентам сертификаты на исходные компоненты (содержание изоцианатных групп в полиизоцианате, гидроксильное число полиольного компонента, вязкость, плотность, внешний вид и т.п.). Обычно оговариваются допустимые пределы отклонений готового пенополиуретана по величинам плотности и коэффициента теплопроводности.

Европейские и Американские строительные стандарты предписывают применять для утепления кровель напыляемые пенополиуретны средней плотности не ниже 45 кг/м3, при которой достигается тот ресурс прочности изоляции, при котором она выдерживает дополнительный вес рабочего, этот ресурс гарантирует безопасность при проведении на ней последующих ремонтно-строительных и прочих работ. В тех объектах, где напыленный пенополиуретан (ППУ) не подвергается механическому воздействию (например, при заполнении им колодезной кладки или полых стен), оптимальной считается средняя плотность его на уровне 35 килограмм на кубометр. При такой ее величине закрытоячеистые пенополиуретаны имеют минимальный коэффициент теплопроводности: 0,025 - 0,03 Вт/м °С.

Изучение поведения напыленных пенополиуретанов в строительстве в условиях эксплуатации покаязали: изоляционный пенополиуретановый слой подвергается воздействию преимущественно сдвиговых и сжимающих нагрузок и в меньшей мере ударных и изгибающих.

Исследователи пришли к выводу, что при традиционных для строительства условиях эксплуатации почти у всех напыленных или залитых пенополиуретанов прочностные характеристики в первый год работы повышаются на 40-50 %, затем практически стабилизируются, а через 10 лет находятся на уровне не хуже, чем в самом начале вспенивания. По истечении многих лет безукоризненной службы тепло-, паро- и гидро- изоляционная эффективность напыленныхпенополиуретанов не выходит за рамки, предписанные техническими условиями.

Очевидно: напыляемые пенополиуретаны можно уверенно использовать в строительстве с расчетом как минимум на десятки лет.

Среди наиболее часто отмечаемых дефектов выделяют возникновение трещин в слое пенополиуретана, лишенном погодостойкого покрытия. Микротрещины в пенополиуретане допустимы, важно лишь, чтобы они в дальнейшем не расширялись или не углублялись.

Сквозные расщелины (изломы), где может скапливаться и замерзать вода, требуют оперативной заделки гидроизоляционным материалом.

В отношении теплоизолирующих и эксплуатационных свойств пенополиуретан вне конкуренции по сравнению с, например, пенополистиролом, который плавится и полностью выгорает при пожаре, тогда как пенополиуретаны только обугливаются (коксуются), сохраняя свой скелет. Кроме того, напыленные пенополиуретаны имеют существенно меньшее, чем пенополистирол, водо- и влагопоглощение при работе изоляции в сезонном режиме замораживания и оттаивания.

При проведении Вами контрольного теста пеногенерирущего ППУ-оборудования и компонентов (сырья ППУ) будет видно, на что следует равняться. При осуществлении технологического испытания оборудования и компонентов непосредственно перед началом работ по утеплению и изоляции эталонный образец поможет понять, какие коррективы следует внести в технологию с учетом реальных условий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пенополиуретан (ППУ) - высокоэффективный и технологичный теплоизоляционный материал. Мировой опыт использования пенополиуретана, в первую очередь в строительстве, убедительно свидетельствуют о снижении тепловых потерь как минимум на 50 %. Грамотное применение пенополиуретанов в стеновых и кровельных конструкциях позволяет весьма оптимистично оценивать перспективность их в России XXI века.