Теплопроводность пенополиуретана: Почему важно знать коэффициент теплопроводности полиуретана и как это влияет на качество теплоизоляции?

Содержание

Почему важно знать коэффициент теплопроводности полиуретана и как это влияет на качество теплоизоляции?

Зачем знать коэффициент теплопроводности при выборе утеплителя, как он влияет на качество теплоизоляции и как рассчитать толщину слоя утепления. Читайте в статье.

ППУ для теплоизоляции в сравнении с другими утеплителями

Пенополиуретан (ППУ) — газонаполненная пластмасса, которая получается в результате смешивания полиола и полиизоцианата. После химической реакции вещество увеличивается в объеме от 5 до 25 раз в зависимости от формулы.

В строительстве ППУ применяют для теплоизоляции. Его теплопроводность позволяет защитить от холода кирпичные и деревянные дома, строения из газобетона и камня, блочные и бетонные конструкции. Материал не пропускает влагу и может защищать от воды. Имеет высокую адгезию, легко заполняет щели и пустоты, устойчив к растворам щелочей, кислот, осадкам. При длительной эксплуатации пенополиуретан не плесневеет. Он не восприимчив к грибкам, защищает от насекомых и грызунов. Служит дольше 30 лет.

Пенополиуретан не горит и не выделяет в атмосферу вредные вещества. Компания «Химтраст» предлагает материалы с разным классом горючести: от «Химтраст СКН-60 Г1» (трудногорючий) до «Химтраст СКН-30 Г3» (самозатухающий).

В строительстве для теплоизоляции используют базальтовое волокно, стекловату, полиуретан, пенопласт, пенополистирол. Коэффициент теплопроводности полиуретана один из самых низких среди утеплителей. Чем ниже коэффициент, тем тоньше нужен слой утеплителя. 


Средний коэффициент теплопроводности полиуретана — 0,028 Вт/(м·К). У открытоячеистого ППУ, который используют для тепло- и шумоизоляции закрытых помещений — 0,037 Вт/(м·К). У закрытоячеистого для наружных стен — 0,022 Вт/(м·К). Этот показатель говорит о том, насколько сильно материал сопротивляется проникновению холода извне и отдаче тепла наружу. Сравнение теплопроводности ППУ приведено в Приложении 3 СНиП 2-3-79.


Базальтовый утеплитель, стекловата и эковата

Базальтовым утеплителем (каменной ватой) часто укрывают здания. Он не горит и способен к самозатуханию. Теплопроводность материала — 0,04 Вт/(м·К), это тоже хороший показатель, но, в отличие от ППУ, слой базальтового утеплителя должен быть в два раза толще, чтобы защитить конструкцию. Такой же коэффициент у стекловаты и эковаты.

Экструдированный пенополистирол

Плитами из экструдированного пенополистирола защищают жилые дома от холодов. Теплопроводность материала — 0,032 Вт/(м·К), этого достаточно для утепления, однако нужно учитывать и другие свойства пенополистирола. Его класс горючести Г4, он легко воспламеняется и выделяет токсины.

Пенопласт

Пенопласт по плотности схож с пенополистиролом, только менее устойчив к механическому воздействию и держит тепло хуже. Коэффициент теплопроводности — 0,038 Вт/(м·К). Значит, его слой при утеплении должен быть на 30 % толще, чем ППУ.

За тепло в помещении отвечает не только теплопроводность ППУ при изоляции, но и другие материалы: кирпичная кладка, облицовочные панели, слой штукатурки, гидроизоляция. Все они имеют плотность и влияют на защиту здания от холода. 

Теплопроводность ППУ в сухом и влажном состоянии

При намокании любой материал впитывает влагу и расширяется. Разбухание приводит к частичной или полной потере теплоизоляционных свойств. Поэтому важно обращать внимание на водопоглощение по объему, которое измеряется в процентах. 

У закрытоячеистого ППУ типа «Химтраст СКН-40 Г2» этот показатель — 2 %, а у базальтовых утеплителей — 35 %. Это значит, что при попадании влаги большая часть теплоизоляционных свойств минеральной ваты, эковаты и стекловаты будет утрачена. С коэффициентом водопоглощения пенополиуретана сравнимы показатели пенополистирола и пенопласта: 1 % и 4 %. Однако при утеплении эти материалы нужно укладывать плитами и не допускать зазоров между ними, иначе тепло будет уходить сквозь щели. ППУ для теплоизоляции наносят на поверхность установками безвоздушного напыления единым слоем без швов и зазоров. Подробнее прочитать о напылении ППУ можно в этой статье.

Как рассчитать толщину слоя ППУ для теплоизоляции

Толщина слоя утеплителя зависит от коэффициента теплопроводности полиуретана. Но также на нее влияют климатическая зона, влажность внутри помещения, температура, влагопоглощение и свойства материала.

Расчет теплоизоляционного слоя регламентируется нормативными документами: СНиП 23-02-2002, СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий», ГОСТ Р 54851-2011. 

Один из основных показателей для расчета толщины — суммарное сопротивление теплопередаче конструкций или термическое сопротивление. Оно обозначает необходимую разницу температур снаружи и внутри материала для прохождения энергии. Измеряется в (м²·K)/Вт. Чем выше величина показателя, тем надежнее утеплитель.

Чтобы рассчитать сопротивление, нужно толщину материала в метрах разделить на коэффициент теплопроводности пенополиуретана. 

dппу = (Rтреб — Rконстр) • ʎппу = (Rтреб — dконстр / ʎконстр) • ʎппу,

где dппу — требуемый слой ППУ в метрах,

Rтреб — требуемое сопротивление теплопередаче в (м²·K)/Вт,

Rконстр — сопротивление теплопередаче существующей ограждающей конструкции в (м²·K)/Вт,

ʎппу — коэффициент теплопроводности ППУ в Вт/(м•K),

ʎконстр — коэффициент теплопроводности существующей ограждающей конструкции в Вт/(м•K).

Подробнее о том, как найти оптимальную толщину слоя утеплителя, читайте в статье.



Для утепления помещения необходимо учитывать коэффициент теплопроводности материала. В зависимости от его физико-химических свойств определяется способность удерживать тепло. Чем ниже коэффициент теплопроводности, тем лучше защищает от холода. Также важно учитывать другие особенности теплоизоляторов: способность отталкивать влагу, горючесть, экологичность и срок эксплуатации.


Теплопроводность ппу, таблица

На современном строительном производстве широко применяются теплоизоляционные материалы. Их использование позволяет значительно сократить сметную стоимость объекта, не потеряв при этом в качестве. Один из самых востребованных материалов на рынке утеплителей – пенополиуретан.

Пенополиуретан относится к группе искусственных газонаполненных пластмасс. Он состоит из полиуретана, между которым находятся пузырьки воздуха. Теплопроводность пенополиуретана практически равна нулю, что делает его незаменимым материалом на стройке и в быту. Различают несколько его видов:

  • Жёсткий пенополиуретан – новый и перспективный материал, который ещё не прошел проверку временем. На сегодняшний день учёным только предстоит изучить поведение этого материала через 30-40 лет эксплуатации. Его производят прямо на строительной площадке. Он наносится на поверхность методом напыления. Жёсткий ППУ используется для утепления и звукоизоляции цокольных и подвальных этажей, фундаментов.
  • Мягкий пенополиуретан – широко используется в качестве набивочной теплоизоляции и для изготовления различных предметов обихода. Его плотность 5-35 кг/м/.

Немного истории

Первые образцы пенополиуретана были получены в лаборатории города Леверкузен в 1937 году. Сначала не использовали как утеплитель. Из него изготавливали лепнину. Вторая мировая война внесла свои коррективы в динамику развития пенополиуретана. Его производство было приостановлено до начала 60-х годов. Для восстановления разрушенной инфраструктуры понадобилось много строительного материала. Пенополиуретан занял в этом списке достойное место.

Анализ технических характеристик ППУ

В этой статье будет рассмотрен жёсткий пенополиуретан. Его всё чаще используют на строительных площадках. У него низкая теплопроводимость и гидрофобность. ППУ не пропускает пары воды, не гниёт. На его поверхности не образуется грибок и плесень. Он не вступает в реакции с большинством реагентов.

Для всестороннего изучения этого теплоизоляционного материала рассматриваются его основные свойства:

  • Теплоизолирующие свойства.
  • Шумоизолирующие свойства.
  • Влагостойкость.
  • Паропроницаемость.
  • Поведение в различных химических средах.
  • Сопротивление открытому огню.
  • Плотность.
  • Срок эксплуатации.
  • Экологичность.
Сводная таблица усреднённых параметров основных теплоизоляционных и отделочных материалов

Теплоизолирующие свойства

Этот параметр напрямую зависит от величины ячейки и колеблется в диапазоне 0,019-0,035 Вт/мºС. Теплопроводность ячеистого ППУ хуже, чем у пенополистирола, керамзитового гравия и минеральной ваты. При одинаковой толщине слоя утеплителей – пенополиуретан сохраняет тепло намного эффективнее, чем вышеперечисленные материалы. Схема сравнения теплоизолирующих свойств различных строительных материалов

Шумоизолирующие свойства

Его пористая и ячеистая структура обеспечивает удовлетворительную звукоизоляцию, но не от всех видов шума.

Важно! Нет универсального вида шума. Поэтому один материал может эффективно защищать от ударных шумов, но совершенно не сопротивляться другим их видам.

Пенополиуретан эффективно защищает внутренние помещения от различных ударных шумов. Это значит, что он заглушит звуки громких шагов или танцев соседей сверху. С другой стороны, по многочисленным отзывам потребителей, ППУ практически не защищает внутреннее пространство от звуков с улицы, громких разговоров иди музыки.

Этому есть простое объяснение. Ячеистые материалы (пенополиуретан, пенопласт) благодаря своей структуре плохо гасят звуковые волны. Для этих целей лучше использовать утеплители с волокнистой структурой (минеральная вата). У них волны гасятся за счёт колебаний внутренних волокон.

Влагостойкость

Для правильного использования теплоизоляционных материалов надо знать, какой процент влаги он сможет впитать. У пенополиуретана этот показатель равен 1-3 процентам от объёма материала в сутки. Этот показатель значительно выше, чем у пенопласта и минеральной ваты. Для улучшения защиты от влаги в состав ППУ добавляют присадки. Например, обычное касторовое масло уменьшает его гидрофобность в 4 раза. Пример защиты фундамента ППУ ниже уровня земли (во влажной среде)

Паропроницаемость

По этому параметру у ячеистого пенополиуретана высокие показатели. Коэффициент его паропроницаемости µ=50. Для сравнения, у тяжелого бетона этот показатель в 40-50 раз ниже. ППУ подходит для обработки внешних поверхностей стен и фундаментов. Он может полностью остановить всасывание бетоном влаги. С другой стороны его не рекомендуется применять в воде. Есть вероятность возникновения химической реакции гидратации. Схема работы стенового «пирога» на отвод влаги

Важно! Не вся пенополиуретановая пена хорошо защищает. Есть несколько видов ячеистой пены без защитной оболочки. Для них нужна дополнительная пароизоляция.

Поведение в различных химических средах

РеагентыКонцентрация, %Стойкость
Вода водопроводнаяСт
Морская водаСт
Соляная кислота36Нт
Серная кислота45Ст
Фосфорная кислота40Ст
Едкий натр40Ст
Аммиачная вода25Ст
Азотная кислота68Ст
АцетонНт
КетоныНт
Четырёххлористый углеродНт
ТолуолСт
Бензин, нефтепродуктыСт
СодаСт
Этил ацетатНт
Метиловый спирт96Ст
Этиловый спирт96Ст
ЭфирыНт
Уксусная кислотаСт
Минеральные маслаСт
Растительное маслоСт
Муравьиная кислотаНт

*Ст- стоек, Нт – нестоек

Пенополиуретан зарекомендовал себя, как стойкий к основным химическим раздражителям материал. Он лучше, чем пенопласт сопротивляется испарениям многих химических элементов, если их концентрация не превышает норму. ППУ нельзя растворить с помощью бензина, солярки или различных масел. Многие концентрированные кислоты не способны разрушить его структуру.

Пенополиуретан можно использовать для защиты металлических поверхностей. Во время его нанесение на металл образуется два слоя плёнки. Первый плотно прилегает к поверхности, а второй защищает от химических реагентов.

Сопротивление открытому огню

Это важный параметр при выборе утеплителя. Не секрет, что при пожаре интенсивность распространения огня в значительной степени зависит от горючести теплоизоляционного материала. Согласно ГОСТ 12.1.044-89 ППУ относится к группам горючести Г2 и Г3. Согласно этой классификации пенополиуретан не является активным источником горения. Он сам не поддерживает огонь, а только может воспламениться от других источников.

Важно! Пенополиуретан сразу погаснет, если от него убрать огонь. Самозатухание – это важное свойство, которое относится ко всем его видам.

Плотность

Важный параметр, влияющий на несущую способность утеплителя. Для различных целей предусмотрен материал со своей плотностью. Диапазон значений плотности ППУ 8-80 кг/м3. Материал с открытыми ячейками обладает более низкой плотностью, чем с закрытыми ячейками.

Плотность различных видов пенополиуретана

Срок эксплуатации

Большая часть производителей указывают срок эксплуатации 20-30 лет. Это гарантийное время, в течение которого полезные свойства материала находятся в допустимых рамках. Последние исследования европейских учёных показали удивительные и обнадеживающие результаты. При сносе домов, построенных 40-50 лет назад с использованием пенополиуретана, учённые обнаружили, что его свойства практически не изменились. Структура и фактура остались теми же, что и изначально. Дальнейшие лабораторные исследования только подтвердили долговечность этого материала.

Экологичность

Важный параметр, на который всё больше и больше обращают внимание современные строители. В процессе производства пенополиуретан переходит из жидкого в твёрдое состояние за 30 секунд. После этого вредные испарения с его поверхности прекращаются. Если его нагреть до 450 Сº, то начнут выделяться углекислый и угарный газы. Впрочем, то же самое можно наблюдать и во время нагревания дерева. Пенополиуретан не выделяет вредных для организма человека соединений

Положительные и отрицательные свойства ППУ

Для более удобного понимания сути, свойств и области применения материала надо иметь представление не только о физических и химических свойствах, но и знать его положительные и отрицательные стороны.

Положительные

  1. У пенополиуретана хорошая адгезия. Он без проблем пристаёт к деревянной, металлической, бетонной поверхностям. Для него не нужны дополнительные крепёжные элементы. Благодаря своей эластичной структуре и способу нанесения пенополиуретан хорошо ложится на неровные основания. Перед его нанесением поверхность не нуждается в дополнительной обработке грунтом или краской.
  2. У ППУ низкая стоимость. Он производится прямо на строительной площадке путём смешивания двух компонентов. Отсутствуют затраты на дополнительную транспортировку и изготовление.
  3. Пенополиуретан – это лёгкий материал, который не нагружает строительные конструкции.
  4. Кроме тепло- и звукоизоляции пенополиуретан укрепляет несущие стены, делая конструкцию более прочной и долговечной.
  5. На него практически не оказывают влияние экстремально низкие и высокие температуры. ППУ не разрушается от цикличного замораживания и размораживания.
  6. У покрытия из пенополиуретана монолитная структура. Нет щелей для появления мостиков холода. Ветер его не продувает.

Отрицательные

  1. ППУ быстро разрушается под действием ультрафиолетовых лучей. Поэтому он не остаётся в открытом состоянии, а требует защиты. Его можно покрыть слоем краски или оштукатурить. Также подойдет использование различных облицовочных панелей.
  2. Пенополиуретан – это негорючий материал. Всё равно его не рекомендуется использовать в местах возможного соприкосновения с открытым огнём. Если это технически невозможно, то ППУ закрывается огнестойким гипсокартоном.

Технология нанесения

Два компонента подаются в смесительный бачок. Там под давлением они смешиваются и с помощью пистолета распыляются на обрабатываемую поверхность. Через несколько секунд смесь резко увеличивается в объёме и быстро застывает. Способ нанесения пенополиуретана

Важно! Для нанесения ППУ необходимо специальное оборудование и средства индивидуальной защиты. Поэтому лучше доверить этот процесс профессиональным строительным организациям.

Пенополиуретан во всех отношениях качественный материал. Экономия времени и средств может составлять 50-70% в сравнение с использованием традиционных утеплителей. Работы можно проводить круглый год. Технологии не стоят на месте, поэтому утепление строительных конструкций с помощью пенополиуретан будет становиться всё дешевле и надёжнее.

таблица сравнения с другими материалами и расчет толщины слоя утеплителя в зависимости от теплопроводности

В технической литературе пенополиуретан описывается как материал с самой низкой теплопроводностью в списке стандартных термоизоляционных материалов. Пенополистирол и жесткий пенополиуретан с низкой плотностью (от 20 до 50 кг/м3) по праву стали самыми используемыми материалами для промышленных холодильных и морозильных камер и других систем, где требуется повышенная термоизоляция. В этом заслуга низкой теплопередачи. Для сравнения теплопроводность жесткого пенополиуретана в разы ниже теплопроводности  минеральной ваты и всех других популярных утеплителей.

Коэффициент теплопроводности жесткого пенополиуретана и других материалов

Именно низкая теплопроводность делает ППУ оптимальным материалом для термоизоляции. Коэффициент теплопроводности жесткого  пенополиуретана составляет 0,019 – 0,028 Вт/м*К. Этот показатель определяет количество теплоты, которая проходит сквозь куб материала со стороной в 1 м за 1 секунду при единичном изменении температуры в 1 Кельвин. Низкая теплопроводность позволяет обеспечить необходимую теплоизоляцию при минимальном слое покрытия. Например, теплопроводность пенопласта составляет 0,04 – 0,06 Вт/м*К, т.е. понадобится в 2-3 раза более толстый слой пенопласта, чем пенополиуретана. В видео ниже поясняется понятие теплопроводности и его применение в строительстве:

 

 

Совет от профессионала

Если вы хотите сравнить теплопроводность различных строительных материалов, необходимо поделить их коэффициенты теплопроводности. К примеру, теплопроводность минваты и ППУ соотносятся как 0,052/0,019=2,74. Это означает, что слой пенополиуретана в 10 см равен 27,4 см слою минеральной ваты по своим утепляющим свойствам. Если брать теплопроводность керамзита и ППУ, то соотношение будет 0,18/0,019=9,47. То есть слой керамзита должен быть почти в 10 раз толще.

Ниже приведена теплопроводность строительных материалов в таблице

Материал

Коэффициент теплопроводности (Вт/м*К)

   Жесткий пенополиуретан

   0.019 – 0.028

   Пенополистирол (пенопласт)

   0.04 – 0.06

   Минеральная вата

   0.052 – 0.058

   Пенобетон

   0.145 – 0.160

   Пробковая плита

   0.5 – 0.6

*Цифры могут изменяться в зависимости от производителя, погодных условий, точного состава.

Как рассчитать необходимую толщину слоя ППУ-утеплителя?

Для расчета необходимого количества материалов для утепления дома или другой постройки необходимо обратиться к нормативам СНиП 23-02-2003 и рассчитать следующие параметры:

Rreq = a*Dd + b

Dd = (Tint – Tht)*Zht

Δ=Rreq*λ

Rreq – сопротивление теплопередачи

a и b – коэффициенты из таблиц СНиП

Dd – градусо-сутки отопительного сезона

Tint – внутренняя температура помещения, которую необходимо поддерживать

Tht – средняя температура воздуха снаружи помещения

Zht – длительность периода отопления

Δ – искомая толщина слоя ППУ-утеплителя

Λ — теплопроводность

Сопротивление теплопередачи рассчитывается для цельной конструкции, поэтому для расчета сопротивления теплопередачи ППУ необходимо вычесть из общего показателя сопротивления теплопередачи других составных материалов покрытия (например, для стены нужно также учитывать теплопроводность штукатурки и кирпича).

Для примера, возьмем минимальную теплопроводность ППУ, равную 0,019. Используя данные из СНиП для стандартных стен жилого дома – Rreq=3,279 рассчитаем толщину теплоизоляционного покрытия из ППУ – Δ = 3,279*0,019= 0,0623 м (т.е. 6,23 см). Если вам посчастливится приобрести самый термостойкий пенополиуретан с таким низким коэффициентом теплопроводности, достаточная толщина термоизоляционного слоя всего 6 см.

В сравнении с другими утеплителями наиболее тонкий слой утепления дает именно пенополиуретан, теплопроводность которого ниже, чем у любого другого материала. Поэтому нередко утепление ППУ обходится дешевле, чем использование менее совершенных вариантов теплоизоляции.

Характеристики и свойства пенополиуретана — теплопроводность, толщина слоя ППУ, срок службы

Благодаря своим отменным техническим характеристикам и длительному сроку службы ППУ считается эталоном среди утеплителей и широко используется для обработки самых разных поверхностей – от стен и кровли домов до трубопроводов и промышленных емкостей. Рассмотрим основные преимущества пенополиуретана.

Теплопроводность и гигроскопичность

Пенополиуретан, по сравнению с такими популярными утеплителями, как минеральная вата и пенопласт, обладает самым низким коэффициентом теплопроводности — 0,025 Вт/м*К. У ближайшего «конкурента» — минеральной ваты — этот коэффициент выше — 0,052 Вт/м*К. При этом ППУ обладает закрытой пористостью, а следовательно, в массу утеплителя не проникает вода, не теряются рабочие свойства материала.

Легкость в нанесении ППУ

Пенополиуретан не нуждается в крепежных элементах за счет того, что ППУ имеет высокую адгезионную прочность, т. е. «прилипает» к любой поверхности, заполняя собой поры, полости и трещины. В таком случае возможность скопления конденсата и образования «мостиков холода» исключена. Фактические тепловые потери ППУ в 1.7 раза ниже нормативных (СниП 2.04.14-88 Энергосбережение, №1,1999 г.).

Утеплители из ППУ могут быть изготовлены разными способами — как напылением, так и с использованием пресс-форм (например, изготовление «скорлупок» для утепления трубопроводов, сэндвич-панелей и т.д.).

Толщина пенополиуретанового покрытия — обычно от 3 до 7 см. За одну смену одна бригада рабочих в состоянии нанести от 200 до 400 кв.м. ППУ. Бригада, работающая с минеральной ватой, уложит максимум 100 кв.м.

Также в пользу ППУ говорит то, что составляющие материала хранятся отдельно друг от друга, а смешиваются они непосредственно перед началом работ. Из 5 кубометров смеси получается 100 кубометров ППУ, а следовательно, снижаются расходы на хранение и транспорт.

Срок службы

Одно из самых главных свойств ППУ — долговечность. Данные лабораторных исследований на ускоренное старение показывают, что время службы пенополиуретана — не менее 30 лет. В том случае, если ППУ напрямую не контактирует с окружающей средой, этот срок увеличивается вдвое, до 60 лет. Например, завод-холодильник в Лондоне, построенный с использованием ППУ в 1968 г., успешно функционирует до сих пор. Жизненная практика показывает, что во всех случаях неудовлетворительного «поведения» пенополиуретана виновато либо низкое качество изделия, либо нарушение условий эксплуатации, например, температура выше 100 градусов по Цельсию, или постоянный контакт с жидкостью или газом под высоким давлением.

Безопасность

В отношении безопасности использования ППУ также «на высоте» — пенополиуретан в процессе эксплуатации не выделяет токсичных веществ, а также практически не горюч.

Сравнение теплоизоляции из пенополиуретана с другими утеплителями

Самыми популярными теплоизоляционными материалами на российском строительном рынке являются минеральная вата, пенополистирол (ППС) и пенополиуретан (ППУ). На самом деле утеплителей гораздо больше, но на долю вышеперечисленных материалов приходится более 95% рынка. Каждый из этих материалов по-своему хорош, и поэтому для более осмысленного выбора необходимо знать их основные характеристики. С этой целью проведем сравнение теплоизоляции по четырем основным эксплуатационным характеристикам: теплопроводности, влагопроницаемости, сроку эксплуатации и экологичности.

На фото показаны самые распространенные виды теплоизоляционных материалов. Их основными характеристиками является коэффициент теплопроводности, влагопоглощение, срок эксплуатации и безопасность.

Теплопроводность пенополиуретана в сравнении с другими утеплителями Теплопроводность — основной показатель, оценивающий, сколько тепла материал проводит за единицу времени при изменении температуры на его поверхности на 1°С. Теплопроводность пенополиуретана — 0,02 Вт/м·С. По этому показателю ППУ значительно опережает своих конкурентов. Для сравнения теплопроводность ППС и минваты составляет соответственно 0,035 и 0,045 Вт/м·С.

Таким образом, слою ППУ в 50 мм соответствуют:

  • ППС – 80 мм;
  • минеральная вата – 120 мм.

Принципиальное отличие ППУ от других плитных и рулонных материалов заключается в том, что в утепленных им поверхностях со временем не образуются мостики холода, чего, к сожалению, не скажешь о других материалах, которые со временем стареют и меняют свои эксплуатационные характеристики.

На картинке показан график эквивалентной теплопроводности различных теплоизоляционных материалов. Слою утеплителя толщиной 80 мм из полиуретана по теплопроводности соответствует кирпичная стена толщиной 1,5 метра.

Влагопроницаемость теплоизоляции

Сравнение теплоизоляционных материалов по этому показателю в большей степени указывает на их эффективность. Даже если материал имеет прекрасный показатель по теплопроводности, но с течением времени накапливает влагу, он малоэффективен. Меньше всего поглощает влагу ППУ и ППС. А что касается минваты, то ее способность поглощать воду в 12-15 раз выше. Именно по этой причине минеральную вату защищают паро- и влагозащитными пленками.

Срок эксплуатации

Этот критерий оценивает время эксплуатации теплоизоляционного материала, в течение которого он не меняет свои эксплуатационные характеристики. По этому показателю пенополиуретану нет равных. Заявленный срок службы у этого материала равен 50 годам. При этом он не теряет свои качества при экстремально низких и при экстремально высоких температурах. Кроме этого с течением времени он не дает усадку в отличие от той же минваты. Гарантированный срок эксплуатации ППС – 12-15 лет, минеральной ваты – 3-8 лет.

Пенополиуретан выпускают толщиной от 20 до 100 мм. В отличие от других теплоизоляционных материалов срок службы пенополиуретана составляет более 50 лет.

Экологичность Для гражданского строительства экологичность — очень важный показатель. По санитарным нормам и правилам теплоизоляционные материалы, применяемые в строительстве, должны быть абсолютно безвредны. Тем не менее, практически все материалы излучают какое-то количество химических веществ, но оно настолько мизерное, что не оказывает вредного воздействия на здоровье человека. Пенополистирол и пенополиуретан в сравнении с минеральной ватой выигрывают, так как абсолютно безопасны. В состав минваты входят фенолы и формальдегиды, поэтому ее следует надежно изолировать. Для минимизации вредного влияния утеплителей на здоровье человека их лучше монтировать с наружной стороны здания. Стоит отметить еще одну особенность: если ППУ абсолютно не интересует грызунов, то пенопласт и минеральная вата для них — излюбленная среда обитания.

Таблица теплоизоляционных материалов

Для большей наглядности сведем теплоизоляционные свойства материалов в таблицу:

Утеплитель

Плотность,

кг/м³

Коэффициент  теплопроводности,

Вт/м С

Толщина,

мм

Срок эксплуатации,

лет

Пенополиуретан  35-160  0,02-0,025  50  > 50
Пенополистирол  15-45  0,035  80  15
Минеральная вата  15-150  0,04-0,045 120  3-8

 

 

 

 

 

 

 

Проанализировав технические характеристики наиболее популярных утеплителей, и проведя сравнение пенополиуретана с другими утеплителями, становится понятно, что ППУ лучше по многим основным показателям. Благодаря своей универсальности, а утеплять им можно все конструктивные элементы зданий, трубопроводы и запорную арматуру, его доля на рынке с каждым годом увеличивается, и он по праву заслуживает репутацию одного из самых доступных и эффективных материалов.

Коэффициент теплопроводности пенополиуретана — Справочник химика 21

    Свойства пенополиуретанов определяются, главным образом, составом рецептуры и способом получения. Эластичные пенополиуретаны представляют собой ячеистые (пористые) материалы с кажущейся плотностью от 15 до 45 кг/м . Они имеют отличные звукоизоляционные свойства, низкую теплопроводность, стойки к большинству растворителей. Рабочая температура эластичных ППУ находится в пределах от —40 до 100°С. Прочностные показатели ППУ зависят от плотности, размера и формы ячеек, состава композиции и способа производства относительное удлинение при разрыве— 100—450%. Коэффициент теплопроводности эластичных пенополиуретанов 0,031— 0,065 Вт/(м-град.). [c.411]
    Коэффициент теплопроводности изоляционных материалов, применяемых в домашних холодильниках, лежит в пределах от 0,016 (пенополиуретан) до 0,04 ккал м-час-град (стекловолокно). [c.38]

    Большая часть хладонов применяется в производстве пенополиуретанов. Хладон-11 и хладон-113 применяются для вспенивания полистирола, хладон-114 и хладон-12 используют для вспенивания полистирола и полиэтилена. Широкое применение хладонов объясняется их негорючестью, малой токсичностью, низкими коэффициентами диффузии и теплопроводности. [c.383]

    Наиболее распространенными при получении ППУ фреонами являются фреон-11 (Р-11), фреон-113 (Р-ПЗ) и фреон-12 (Р-12), различающиеся прежде всего температурой испарения [100]. Наиболее существенным преимуществом использования фреонов в качестве вспенивающих агентов является то, что они обеспечивают хорошие теплоизоляционные свойства пенополиуретанов. Так, при одной и той же кажущей плотности пена, полученная с фторуглеродом, имеет коэффициент теплопроводности 0,019 Вт/(м-К), а при вспенивании водой — 0,032 Вт/(м-К). Другим преимуществом фторуглеродов является то, что вспенивающий газ действует как охлаждающий агент, уменьшая тем самым скорость желатинизации, склонность к подгоранию и позволяет получать крупные изделия. Кроме того, при вспенивании фреоном получаются ППУ с большим числом закрытых ячеек, более высокими диэлектрическими показателями и меньшим водопоглощением. Однако в случае эластичных ППУ введение фреонов несколько уменьшает прочностные показатели (особенно прочность при растяжении) и способствует получению более мягких пенопластов [101]. В целом, фторуглеродные вспенивающие агенты действуют как смягчающие агенты и не приводят к дополнительному сшиванию [c.71]

    На основе твердых исходных компонентов разработан новый пенополиуретан ППУ-401, имеющий следующие физико-механические свойства плотность 150— 300 кг/м водопоглощение за 24 ч не более 12% тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 10 Гц не более 7-10 диэлектрическая проницаемость при частоте 10 Гц не менее 0,8 коэффициент теплопроводности — не более 0,058 Вт/(м-°С), теплостойкость не менее 80°С. ППУ-401 рекомендуют использовать для за- [c.63]

    Материал ПУ-101 (ВМТУ 420-57) имеет плотность 100— 220 кг м и коэффициент теплопроводности 0,047—0,057 вт м X X град) при 293° К- Эластичный пенополиуретан в соответствии [c.72]

    В качестве теплоизоляционного материала используют фреононаполненный пенополиуретан с объемной массой 35— 40 кг/м с коэффициентом теплопроводности порядка 0,019— 0,023 В1т (м- К) 0,016—0,020 ккал/(мХ Хч-°С)]. [c.167]


    Пенополистирол и пенополиуретан можно вспенивать непосредственно в теплоизоляционном пространстве аппарата. Для этого пространство заполняется гранулами пенополистирола или жидкой полиуретановой композицией и затем прогревается [584]. Теплопроводность пенопластов значительно выше, чем вакуумно-порошковых и многослойных изоляций (см. табл. 7.7 и 7.8). Пенопласты обладают высоким коэффициентом термического расширения, который в несколько раз выше, чем у металлов (табл. 7.5). Поэтому во избежание разрыва пенопласта при охлаждении в теплоизоляционные сосуды, выполненные из этого материала, не следует плотно вставлять металлические оболочки. Длительное пребывание пенопласта в газовой среде ухудшает его изоляционные качества [c.245]

    Пенополиуретан ППУ-305 (ТУ В-121—68). Насыпная плотность 35—55 кг м , коэффициент теплопроводности не более 0,030 ккал м-ч-град) Ь,02Ъ вт м-град] при 293°К. Водопоглоще-ние за 24 ч не превышает 0,1 кг м . Пенополиуретан марки ППУ-Зс (МРТУ 6-05-925—63) имеет несколько большие насыпную плотность (50—70 кг м ) и коэффициент теплопроводности [c.511]

    Пенополиуретан файренд Т используют в качестве звукопоглощающего и теплоизоляционного материала. Коэффициент теплопроводности этого материала 0,049 Вт/(м-°С). Его применяют, в авиационной (теплоизоляция фюзеляжей), автомобильной (внутренняя отделка капота двигателя), электронной (изоляция шкафов) и электробытовой (фильтры пылесосов, вы-тялсные шкафы для кухонь) промышленности, а также в судостроении, строительстве, (внутренняя отделка вентиляционных каналов, отделка стен) и других областях, где предъявляют жесткие требования в отношении акустики, безопасности и чистоты. Под действием ударов и вибраций этот материал не деформируется, его легко смонтировать, он хорошо задерживает пыль, что является очень важным преимуществом. [c.77]

    В строительстве в качестве тепло- и звукоизоляционных материалов широко применяются стекловолокнистые, минераловатные и подобные им изделия. Средняя плотность стекловолокнистых материалов со связующим на основе фенольных или карбамидных смол колеблется в пределах от 0,05 до 0,20-10 кг/м , коэффициент теплопроводности — от 0,035 до 0,058 Вт/(м-К) [И, с. 144 12, с. 68]. Стекловолокнистые маты используют для тепло- и звукоизоляции стен, для теплоизоляции различного рода трубопроводов, когда требуется высокая температуростойкость (до 300°С). В минераловатных плитах, которые аналогичны стекловолокнистым изделиям, но менее виб-роустойчивы, также используют связующие на основе фенолоформальдегидных и карбамидных смол. Иногда, например при строительстве судов, вместо минеральной ваты используют пенополиуретан или капроновую вату при условии, что эти материалы защищены стеклянной тканью, обработанной кремнийорга-ническим лаком (ткань К). [c.88]

    Пенополиуретан (твердый) используется в качестве теплоизоляции «В домащних холодильниках с недавнего времени. Несмотря на относительную дороговизну исходного сырья эта теплоизоляция имеет неоспоримые преимущества по сравнению с другими видами теплоизоляционных материалов и находит всеобщее признание. Коэффициент теплопроводности твердого пенополиуретана колеблется примерно от 0,016 до 0,022 ккал м-час-град. Низкая теплопроводность изоляции позволяет значительно уменьшить ее толщину в холодильнике, а следовательно, увеличить полезную емкость холодильника в тех же габаритах шкафа, либо уменьшить габариты шкафа при той же емкости. По своим теплоизоляционным качествам ограждение из пенополиуретана толщиной 35—40 мм равнозначно ограждению из стекловолокна толщиной 70 мм. [c.40]

    Пенополиуретан получают путем смешения полиэфира, диизоцианата и воды в присутствии катализаторов и эмульгаторов. По сравнению с большинством известных пенопластов пенополиуретан обладает тем достоинством, что композицией в жидком виде можно заполнить изоляционное пространство. Это крайне упрощает технику изоляционных работ. Пенополиуретан марки ППУ-305, изготовленный по техническим условиям ТУВ 121—68, имеет плотность 35—55 кг/ж , предел прочности при сжатии 0,24 Мн1м и коэффициент теплопроводности не более 0,035 вт1 м-град) при 293 °К. Его водопоглощение за 24 ч не превышает 0,1 кг/м . У материала марки ППУ-Зс (МРТУ 6-05-925—63) плотность больше (50—70 кг/ж ) и несколько выше теплопроводность (0,040 вт1(м-град) при 293 °К). [c.397]

    По другой разновидности беспрессового способа получают пенополиуретан. Газообразование в этом методе происходит при смешении в жидком состоянии двух частей композиции во время заливания их в изолируемый объем (нанример, между двумя стенками конструкции ограждения) или во время нанесения (набрызгиванием, напылением) теплоизоляционного слоя на изолируемую поверхность. Объем исходной смеси при этом увеличивается в 30— 40 раз. Напыление смеси производят пульверизатором (пистолетом-распылителем), что делает этот способ высокопроизводительным и наиболее технологичным, особенно нри изоляции сложных конструкций (например, корпуса судпахолодильпика). За одип проход образуется слой толщиной 15—25 мм. Пенополиуретан наносится на поверхность любого материала и хорошо приклеивается к пей. В месте прилегания к изолируемой поверхности образуется плотная пленка, обладающая пароизоляционными свойствами. Наибольшую прочность образовавшийся теплоизоляционный слой приобретает через 24 ч после напыления. Коэффициент тенлонроводности X — 0,035-0,040 Вт/(мК) при объемной массе 50—60 кг/м . При заливании частей композиции в изолируемый объем в качестве пенообразователя нередко применяют хладон-11 или хладон-12. В этом случае коэффициент теплопроводности Я= 0,019-0,021 Вт/(мК). [c.46]


    Современные одноэтажные холодильники имеют наружный каркас или внутренний (рис. 3.18), состоящий из стальных колони 6 и балок 10 или ферм. К колоннам крепятся изолированные шитые панели 7, а на балки укладываются потолочные панели 8. Изолированные многослойные нанели типа «сэндвич» имеют наружную 14 и внутреннюю 15 оболочки из стального или алюминиевого листа толщиной 0,8-1,0 мм (иногда гофрированного) и заполнены пенополиуретаном 11, имеющим коэффициент теплопроводности 0,019-0,020 Вт/(м-К). Панели выполняются шириной 1,2-1,5м и длиной до 24 м. Они могут монтироваться или горизонтально (как показано на рисунке), или вертикально, как это делается нри строительстве одноэтажных высотных холодильников. [c.72]

Преимущества пенополиуретана (ППУ) | Напыление и заливка пенополиуретана в Ростове-на-Дону, Краснодаре, Волгограде, Ставрополе (ЮФО)

 

В чем же преимущества пенополиуретанов перед традиционными изоляционными материалами?

Преимущества пенополиуретана ППУ напрямую вытекают из его свойств.

Выборка основных свойств пенополиуретанов представлена в Таблице 1 ниже.

Таблица 1

Наименование показателей Величина для различных марок пенополиуретанов
Кажущаяся плотность, кг/куб.м 8÷300
Теплопроводность, Вт/(м*К) Не более 0,019÷0,03
Разрушающее напряжение, МПа, не менее При сжатии 0,15÷1,0; при изгибе 0,35÷1,9
Водопоглощение,% объема 1,2÷2,1
Количество закрытых пор,% Не менее 85÷98
Горючесть ГОСТ 12.1.044-89 (трудногорючие)

Сравнение теплоизоляционных свойств ППУ с другими изоляционными материалами

Возьмем за основу термическое сопротивление изоляционного слоя ППУ толщиной 50 мм с коэффициентом теплопроводности 0,02 Вт/(м×С). Термическое сопротивление данного слоя ППУ составляет — R=2,5 (м2×С)/Вт.

Для сравнения возьмем следующие теплоизоляционные материалы: пенополистирол, минеральную вату, пробку и ДВП. Зная коэффициент теплопроводности каждого материала и термическое сопротивление ППУ R=2,5 (м2×С)/Вт, можно определить необходимую толщину изоляционного слоя по термосопротивлению соответствующую слою ППУ в 50 мм по следующей формуле:

δ=R×λ

где δ — толщина слоя, м; λ — коэффициент теплопроводности, Вт/м×K.

Результаты представлены на графике ниже (см. Рис. 1).

Рис.1

Из сравнительной характеристики видно, что теплоизоляционному слою пенополиуретана толщиной 50 мм по теплопроводности соответствует слой полистирола толщиной 80 мм или слой минеральной ваты — 90 мм и т.д. Таким образом можно смело утверждать, что на сегодняшний момент ППУ — самый эффективный и технологичный изоляционный материал, который представлен на нашем рынке.

Сравнение пенополиуретана с традиционными теплоизоляторами представлено в Таблице 2.

Таблица 2

Теплоизолятор Средняя плотность, кг/куб.м Коэф. теплопроводности, Вт/(м х К) Пористость Срок эксплуатации, лет Диапазон рабочих температур, °C
ППУ жесткий 28-100 0.019-0.030 Закрытая 30 -150…+120
Мин.вата 55-150 0.052-0.058 Открытая 5 -40…+350
Пробковая плита 220-240 0.050-0.060 Закрытая 3 -30…+90
Пенобетон 250-400 0.145-0.160 Открытая 10 -30…+120

 

Сравнительный технико-экономический анализ эффективности использования ППУ изоляции и традиционной минеральной ваты приведен в Таблице 3.

Таблица 3

Показатель Пенополиуретан Минеральная вата
Коэффициент теплопроводности 0.019÷0.030 0.052÷0.058
Плотность, кг/куб.м 28-100 50-125
Толщина покрытия 35-70 мм 50-200мм
Эффективный срок службы более 30 лет 5 лет с постепенной потерей теплоизоляционных свойств
Устойчивость к влажной и агрессивной среде Устойчив Умеренная стойкость. Теплоизоляционные свойства теряются, восстановлению не подлежат
Экологичность Безопасен. Разрешено применение в жилых зданиях СЭС России Аллерген. Контакт вызывает неприятные ощущения и раздражение кожных покровов
Рабочая диапазон температур, С -150 ÷ +120 до +350
Паропроницаемость Очень низкая Высокая, как следствие, возникновение конденсата.
Фактические тепловые потери Ниже нормативных СНиП 23-02-2003 Превышение нормативных после 6 месяцев эксплуатации
Ограничения по применению Ограничений нет Пищевая промышленность

Для примера, если Вы решите утеплить стены дома площадью 500 квадратных метров,

используя плиты из минеральной ваты толщиной 90 мм, Вам потребуется: 0,09×500=45 кубометров данного материала.

 

Для справки, объем кузова автомобиля типа «Газель» – 9,7 куб.м. То есть для перевозки минваты Вам потребуется пять автомобилей типа «Газель».

 

В конечном итоге, чтобы доставить данный объем минеральной ваты на стройплощадку потребуются значительные затраты на транспортировку, проведение погрузочно-разгрузочных и строительно-монтажных работ, а также потребуется усиление фундамента.

 

При использовании ППУ толщиной 50 мм общий объем необходимых материалов составит: 0,05×500=25 кубометров, что соответствует примерно 750 кг исходного сырья, которое можно перевезти в одном автомобиле «Газель». Напыляется пенополиуретан в жидком виде на изолируемые поверхности непосредственно на строительной площадке, материал окончательно отвердевает в течение нескольких минут. По истечению одних суток можно приступать к дальнейшей отделке дома. Изоляция из пенополиуретана гораздо легче теплоизоляционных панелей из минеральной ваты за счет уменьшения толщины и отсутствия металлического каркаса. Также благодаря легкости данной теплоизоляции нагрузка на фундамент более, чем в 100 раз меньше, чем при применении бетона или кирпича. Таким образом, воспользовавшись услугами напыления, вы сэкономите свое временя и материальные средства.

На сегодняшний день потенциальный потребитель хочет, чтобы утеплитель обладал следующим набором физико-механических свойств:

  • низкая эксплуатационная теплопроводность и термическое расширение;
  • минимальное водопоглощение;
  • структурная стабильность в широком диапазоне температур;
  • высокая механическая прочность при низкой плотности;
  • звукоизоляция от ударного шума;
  • небольшой вес;
  • долговечность;
  • экологическая чистота во время всего срока эксплуатации;
  • высокая стойкость к биологическому воздействию;
  • монтаж в любое время года.

Проведенный сравнительный анализ разных видов утеплителей показал, что утеплитель из пенополиуретана соответствует всем вышеперечисленным запросам потребителей.

Также рекомендуем ознакомиться со статьей на тему:

Экспериментальное исследование теплопроводности пенополиуретана

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.057 Получить права и содержание

Основные моменты

Теплопроводность пенополиуретана измеряется в различных средах методом TPS.

Спектральный коэффициент экстинкции пенополиуретана измеряется методом FTIR.

Теплопроводность пенополиуретана немонотонно увеличивается с температурой.

Теплопроводность пенополиуретана увеличивается до 10–18% во влажном воздухе.

Радиационная теплопроводность пенополиуретана может быть рассчитана по модели Росселанда.

Реферат

Пенополиуретаны широко используются в области энергосбережения, а теплопроводность является одним из важнейших свойств. Чтобы выявить и оптимизировать теплоизоляционные характеристики пенополиуретана, теплопроводность пяти образцов пенополиуретана, образованных вспенивающими агентами CP, CP + IP, CP + 245fa и CP + 245fa + LBA, измеряется с использованием метода источника переходной плоскости в различных средах. .Всесторонне исследовано влияние температуры, влажности, водопоглощения, попеременной высокой и низкой температуры, длительного хранения при высокой температуре и атмосферного давления газа на теплопроводность форм ПУ. Обсуждается температурный механизм, влияющий на теплопроводность пенополиуретана. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье применяется для измерения спектральных коэффициентов экстинкции этих пяти образцов. Со спектральным коэффициентом экстинкции радиационная теплопроводность рассчитывается по модели Росселанда.Затем разлагаются вклады лучистой теплопроводности в эффективную теплопроводность. Теплопроводность пяти пен немонотонно увеличивается с температурой. При хранении во влажном воздухе теплопроводность может увеличиваться до 10–18%. Излучательная теплопроводность составляет 3,6–4,1% при –40 ° C, 7,3–9,0% при 20 ° C и 9,1–11,8% при 70 ° C в эффективную теплопроводность.

Ключевые слова

Пенополиуретан

Теплопроводность

Вспенивающий агент

Метод источника переходной плоскости

Коэффициент ослабления

Излучательная теплопроводность

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Просмотреть полный текст 9vier Ltd. © 2017 Else Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Какова теплопроводность полиуретана?

Теплопроводность — это физическое свойство, которое проявляется в любом материале, включая полиуретан, и оно измеряет способность теплопроводности через него, или, другими словами, перенос тепловой энергии через тело. Это движение энергии создается разницей температур , поскольку, согласно второму закону термодинамики, тепло всегда течет в направлении самой низкой температуры.

Когда изолирует здание , важно знать теплопроводность используемых материалов, поскольку от этого будет зависеть его энергоэффективность и тепловой комфорт . Например, металлы имеют более высокую теплопроводность, чем дерево, но изоляционные материалы, такие как стекловолокно или полиуретан, имеют более низкую теплопроводность.

Значение теплопроводности в утеплении зданий

Поведение теплоизоляции является ключом к достижению целей Европейского Союза по энергосбережению на 2020 год. .Как в одноэтажных, так и в многоэтажных зданиях материалы, из которых изготовлено ограждение, определяют потребление энергии. Следовательно, если мы хотим, чтобы улучшило энергоэффективность зданий , одним из физических свойств, которые будут определять, является ли материал хорошей теплоизоляцией или нет, является теплопроводность.

Если вы сравните теплопроводность основных материалов , используемых в строительстве , вы можете проверить, как, в зависимости от выбора материалов, уровень теплопроводности будет напрямую влиять на теплоизоляцию дома .Например, традиционные материалы, такие как кирпич, древесная стружка или бетон, имеют более высокий уровень теплопроводности, чем изоляционные материалы, такие как полиуретан или полистирол.

Материал

Теплопроводность

Кирпич

0,49-0,87 Вт / м · К

Бетонный блок

0-35-0,79 Вт / м · К

Пенополистирол

0.031-0,050 Вт / м · К

Экструдированный полистирол

0,029-0,033 Вт / м · К

Полиуретановые системы

0,022-0,028 Вт / м · К

Минеральная вата

0,031-0,045 Вт / м · К

Расширенный перлит

0,040-0,060 Вт / м · К

Древесная щепа

0.038-0,107 Вт / м · К

Теплопроводность полиуретана

Полиуретановые системы являются одними из материалов на рынке, которые обеспечивают лучшую теплоизоляцию при минимальной толщине . Эта характеристика возможна благодаря низкой теплопроводности полиуретана, так как хотя различия в уровнях теплопроводности между полистиролом (экструдированным и вспененным), минеральной ватой и полиуретановыми системами составляют всего несколько десятых доли бумаги при применении в работе, такие десятичные дроби могут означать разницу в толщине на 3-4 см, чем для достижения такой же энергетической эффективности конверта.

Кроме того, полиуретановые системы (инжектированные, напыленные или пластинчатые) являются оптимальным решением для теплоизоляции зданий. Помимо низкой теплопроводности, они также обеспечивают хорошее уплотнение оболочки, предотвращая проникновение воздуха и токов, возникающих в ее пустых пространствах. Это важно, потому что, если бы эти токи не были уменьшены, теплопроводность полиуретана перестала бы быть такой эффективной.

(PDF) Теплопроводность пенополиуретана от комнатной температуры до 20 К

Теплопроводность пенополиуретана: C.Ценг и др.

25 —

20 —

15 —

10 —

5 —

0 измерение

— R141b 0,8 кПа Воздух 0,02 кПа

— — R141 b 0 кПа Воздух 0 кПа

кПа 50 100 150 200 250 300 350

Температура (K)

Рисунок 8 Сравнение теоретических предсказаний теплопроводности с результатами измерений. Вакуумный ящик

1.

2.

3.

4.

5.

Теоретическая модель, предложенная в исследовании, достаточно хорошо предсказывает теплопроводность

. Несоответствие

в области высоких температур можно приписать либо

неопределенности состава газа внутри ячеек,

проводимости чистого твердого тела, либо радиационным свойствам

пенополиуретана.

Газопроводность в закрытых камерах

составляет примерно 60-80% от общего теплообмена.Отвод газа может значительно улучшить тепловые характеристики пенополиуретана.

Перенос излучения не важен в области низких температур, но на него приходится примерно 1X) — 20% в области комнатных температур

.

Чтобы улучшить тепловые характеристики при комнатной температуре, пенополиуретан следует выдувать с как можно более высоким содержанием R141b в процентах. Тем не менее, необходимо продуть

как можно большим количеством CO, если он должен быть удален,

, например, при использовании в системе теплоизоляции

резервуара для хранения жидкого водорода, поскольку коэффициент диффузии CO

составляет намного выше, чем у R141b.

Данные о теплопроводности чистого твердого полиуретана составляют

, необходимые для более точного теоретического предсказания теплопроводности

пенополиуретана.

Благодарности

Это исследование было выполнено в рамках проекта WE-NET

(Международная сеть чистой энергии с использованием водорода

), запущенного NED0 (Новая энергия и

Организация по развитию промышленных технологий) при поддержке

при поддержке Агентство промышленной науки и технологий —

нология.Chung-jen Tseng также хотел бы поблагодарить

за помощь и поддержку Японской ассоциации технического развития

(ENAA) и Ishikawajima-Harima

Heavy Industries Co. Ltd (IHI).

Ссылки

1.

2.

3.

4.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

Sparks, LL и Arvidson , JM, Тепловые и механические свойства

пенополиуретана и обзор изоляционных бетонов при криогенных температурах

.Отчет NTIS PB85-100949, Национальное бюро стандартов

, Боулдер, Колорадо, 1984.

Скочдополе Р.Э. Теплопроводность пенопластов.

Chem. Англ. Прог., 1961, 57, 55-59.

Тянь, кл. и Каннингтон Г. Р. Криогенная теплоизоляция.

Adv. Теплопередача, 1916, 9, 349-411.

Стебель, К.Х. Радиационные характеристики жесткого пенопласта. Диссертация BS

, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс,

1982.

Сигел Р. и Хауэлл Дж. Р. Тепловая радиационная теплопередача, 3-е изд.

. Hemisphere, New York, 1992.

Wang, L.S. и Tien, CL., Исследование различных пределов в задачах передачи радиационного тепла

. ht. J. Тепломассообмен, 1967, 10, 1327-1338.

Кикуике С., Жесткая изоляция из пенополиуретана. Japan Industrial

Standards Explanation, Tokyo, Japan, 1991

Touloukian, Y.С., Лили П.Е. и Саксена С.С., Теплопроводность —

‑ тивность, Теплофизические свойства материи. IFI / Plenum, New

York, 1970.

Timmerhaus, K.D. и Флинн Т.М. Криогенная технологическая инженерия.

Plenum Press, Нью-Йорк, 1989, стр. 75.

Инамото, М., Частное сообщение, Nichiasu Co. Ltd, Токио,

Япония, 1997.

Танака, Ю., Накада, М., Кубода, Х. и Токита, К., Термальный

проводимость газов HFC134a, HFC143a, HCFC14lb и HCFC142b

газов.Proc. 1989 Symp. Японской ассоциации холодильников,

1989, стр. 9–12 (на японском языке).

Рейд Р.К., Праусниц Дж.М. и Полинг Б.Е. Свойства газов

и жидкостей, 4-е изд. McGraw-Hill, New York, 1987.

Russell, H.W., L Am. Ceram. Сот., 1935, 18, 1.

Патанкар С.В. Численный теплообмен и поток жидкости. Hemi-

сфера, Нью-Йорк, 1980.

312 Cryogenics 1997 Volume 37, Number 6

Экспериментальное исследование теплопроводности пенополиуретана

Полиуретаны (ПУ) представляют собой очень универсальное семейство материалов, получаемых в основном комбинациями полиолов и полиизоцианатов.Учитывая годовое мировое производство около 20 миллионов тонн и мировой рынок в 50 миллиардов долларов (2016 г.), полиуретаны занимают 6-е место среди всех полимеров. В своей цепочке создания стоимости полиуретаны включают различных участников: (i) химиков, производящих большую часть полиуретанового сырья, (ii) производителей полиуретанов из сырья, (iii) производителей смесей / сборщиков, которые превращают полиуретаны в свои конечные продукты, и, наконец, (iv) конечные пользователи. Благодаря разнообразию конструкции ПУ могут использоваться в различных формах и сферах применения.Ячеистые материалы составляют самую большую часть этого рынка (более 60%), включая рынок мебели, автомобилей, постельных принадлежностей, изоляционных материалов, строительства или строительства. Могут быть изготовлены два основных типа пенопласта: (i) гибкий с открытыми ячейками, характеристиками напряжения и растяжения, например, для мебели или постельных принадлежностей, и (ii) жесткий с закрытыми ячейками, с низкой теплопроводностью, низкой плотностью и высокой стабильностью размеров, в основном для термической обработки. изоляция, например, в строительстве. Стадия приготовления значительно влияет на микроструктуру или морфологию этих ячеистых материалов и влияет на конечные свойства пены.Даже если можно использовать некоторые частично биологические соединения (полиолы), коммерческие полиуретановые ячеистые материалы до сих пор в основном основаны на ископаемых ресурсах. Однако будущие материалы будут сочетать в себе высокие характеристики с низким воздействием на окружающую среду, чтобы оправдать ожидания общества. Таким образом, новые соединения на биологической основе, сочетающие в себе различные области, такие как биотехнология, химия, наука и инженерия материалов, все больше и больше используются в сложных рецептурах для возобновляемых пен, что приводит к определенным возобновляемым макромолекулярным архитектурам.Этот обзор направлен на то, чтобы выделить основные компоненты на биологической основе (полиолы, полиизоцианаты и добавки), используемые в рецептурах пенополиуретана, в зависимости от их изготовления, морфологии и свойств. Основными возобновляемыми источниками являются (моно- и поли) сахара, олеохимия, полифенолы (лигнины, дубильные вещества…) или различные соединения, полученные в результате биотехнологических процессов из агроотходов… Влияние этих различных компонентов на характеристики материалов обсуждается более подробно для жестких пенополиуретанов.Взаимосвязь структуры и свойств анализируется с учетом морфологии ячеек, механических, термических свойств, огнестойкости и поведения изоляции. Наконец, проводится анализ будущих перспектив использования пенополиуретана на биологической основе.

Пенополиуретан для теплоизоляции, произведенный из касторового масла и сырого глицеринового биополиса

3.1. Исследование лучшей бинарной смеси для производства пенополиуретана

Производство бинарного полиола было сначала изучено с помощью физической смеси чистого глицерина и касторового масла с варьированием содержания глицерина.Некоторые пены не обладают хорошей стабильностью размеров (а). При увеличении содержания чистого глицерина наблюдалось, что пены становились более плотными и мягкими. Составы с содержанием чистого глицерина 20% и 40% ( масс. /90 415 масс. ) не росли как типичная пена, давая очень жесткий твердый материал. Пены, полученные с использованием полиола, содержащего 50% ( вес. / вес. ) чистого глицерина, имели высокую гомогенность, но при увеличении этого содержания пены становились очень рыхлыми.

Пены производятся с различным содержанием чистого глицерина: ( a ) 20%; ( b ) 40%; ( c ) 50%; ( d ) 60%; и ( e ) 80%, а также варьируя содержание сырого глицерина: ( f ) 10%; ( г ) 20%; ( ч ) 30%; ( и ) 40%; ( j ) 50%; ( к ) 60%; и (-1) 70% полиолов.

Затем чистый глицерин был заменен неочищенным глицерином, побочным продуктом производства биодизельного топлива, с целью синтеза новых пен, и результаты были совершенно другими.Пены с сырым глицерином и полиолом касторового масла (обозначенные GCo, f – l) были более однородными и демонстрировали хорошую стабильность размеров по сравнению с пенами, синтезированными с чистым глицерином (a – e). Основываясь на этом экспериментальном поведении, мы полагаем, что примеси сырого глицерина (щелочной катализатор, метанол, метиловые эфиры жирных кислот, метиловые эфиры жирных кислот) ответственны за лучшие свойства пен. Чтобы понять это поведение, можно провести дополнительные исследования. О подобном поведении уже сообщалось в литературе при оценке эффектов замены чистого глицерина на неочищенный глицерин для получения полиолов при сжижении биомассы.Эти исследования также подтверждают, что эти примеси сырого глицерина улучшили свойства полиолов и полиуретанов [9,11,30].

Было замечено, что при увеличении количества сырого глицерина наблюдалось снижение жесткости и стабильности размеров пен. По этой причине пена, полученная из полиола, содержащего 10% сырого глицерина и 90% касторового масла ( w / w ) (f), была выбрана для проведения дальнейших исследований. Гидроксильное число (240 мг · КОН · г -1 ) и вязкость (436.5 мм 2 · с -1 ) этого полиола, что указывает на то, что эти полиолы подходят для получения жестких пен [4]. Подобные результаты уже сообщались в литературе для полиолов из касторового масла [26].

Важно отметить, что полиол, используемый для производства нашей лучшей пены, с 10% глицерина и 90% касторового масла ( w / w ), имеет молярное соотношение глицерин / касторовое масло, примерно равное 1 (с учетом молярной массы глицерина и касторового масла 92.09 и 895,33 г · моль -1 соответственно). Наблюдая за структурой этих молекул (), в каждой молекуле глицерина есть три гидроксильные группы и три варианта рицинолевой кислоты в структуре триглицерида, которые подходят для превращения в группы ОН с помощью реакций предварительной обработки. Таким образом, можно считать, что 1 моль глицерина имеет такое же количество групп ОН, что и 1 моль касторового масла. Затем, когда мы использовали бинарную смесь 1: 1, количество ОН удваивалось. Такое же количество гидроксильных групп можно получить, вставляя ОН при каждом восстановлении рицинолевой цепи касторового масла.Затем наше исследование было выполнено с использованием бинарной смеси без модификации касторового масла, чтобы избежать дополнительных затрат в процессе.

Состав касторового масла (рицинолевая кислота является основным компонентом) и молекул глицерина.

3.2. Исследование влияния катализатора и вспенивающего агента на свойства пен

Характеристики характеристик, полученные для различных пен, которые были приготовлены с использованием лучшего бинарного полиола (10% сырого глицерина и 90% касторового масла w / w ), будут следующими: обсуждается в этом разделе.Составы будут представлены с использованием римских цифр, как показано на.

Спектры FTIR возобновляемого сырья, используемого для производства полиолов GCo, показаны на рис. Полоса, соответствующая колебанию гидроксильной группы, наблюдается примерно при 3700–3000 см –1 . Характерные участки двойных связей в группах касторового масла C = C – H и C = C наблюдаются при 3020 и 1740 см −1 соответственно. Полосы около 3018 и 2710 см -1 относятся к фрагментам CH 2 и CH 3 алифатических цепей, которые довольно выражены в касторовом масле из-за 18-углеродной цепи.Наблюдается, что характеристическая полоса карбонильных и карбоксильных групп центрируется при 1743 см -1 в спектре касторового масла. Деформация алкенов групп CH 2 , присутствующих в структуре касторового масла, наблюдается в виде сильной полосы при 1458 см -1 . Полосы около 1112–1000 см –1 указывают на присутствие первичных и вторичных гидроксильных групп. Эти полосы очень ярко выражены в спектре сырого глицерина из-за трех гидроксильных групп, присутствующих в его короткой цепи [16,18].

FTIR-спектры сырья, GCo-полиола и GCo-пены (состав II)

Все спектры пен, полученных из GCo-полиолов, очень похожи, в то время как типичный спектр пены показан на диаграмме, которая представляет характерные свойства полиуретана. группы. Растяжение и колебания NH-групп наблюдались между 3808–3308 и 1512 и 1510 см –1 соответственно. Деформация связей CH 2 наблюдалась двумя тонкими полосами при 2900 и 2890 см -1 .Колебания групп N = C = N и N = C = O относятся к полосам между 2390 и 2150 см -1 . Другие моды колебаний связи CH также наблюдались при 1464, 1418, 1364 и 1294 см -1 . Полоса между 1730 и 1720 см -1 соответствует протяженности уретановой связи без CO, и около 1700 см -1 водородная связь между атомами карбонила и водорода (из групп NH) из уретана также является наблюдаемый. Полоса, связанная с растяжением асимметричных звеньев OCONH, была выявлена ​​при 1380 см -1 .Полосы между 1100 и 1000 см -1 были отнесены к первичным и вторичным гидроксильным группам [16,17].

Термическое поведение пен GCo, содержащих различные типы и количества катализатора, показанные в, были оценены термогравиметрическим анализом (TGA и DTG). Различные пены продемонстрировали сходную термическую стабильность, а кривые DTG показали три области потери веса. Первое событие (около 300 ° C) соответствует термическому разложению уретана, свободному изоцианату и спиртам; второе событие связано с разрушением жестких сегментов при 370 ° C; и третье событие, приблизительно при 480 ° C, связано с термической деградацией гибких сегментов и других сегментов остальной структуры [31,32].

Термогравиметрический анализ: кривые ТГА ( a , c ) и DTG ( b , d ) пен с полиолом GCo с различными типами и количествами вспенивателей. ( a , b ) составы II, VII, VIII; ( c , d ) составы II, IV, VI пен, показанные на.

Влияние различных вспенивающих агентов на термическую стабильность пен GCo было оценено, как показано на a, b. Результаты показывают, что тип вспенивающего агента существенно не изменяет термическое поведение пен, о чем свидетельствуют аналогичные кривые пен, синтезированных с водой, циклопентаном и н-пентаном.

Также исследовали влияние количества вспенивающего агента (воды) в составах (c, d). Результаты показывают, что количество воды в качестве вспенивающего агента не оказало значительного влияния на термическую стабильность пен, полученных с использованием полиола GCo, с учетом того, что все кривые имеют одинаковый профиль, что указывает на аналогичную термическую стабильность.

Кажущаяся плотность — важный параметр ячеистых полимеров. Влияние типа вспенивающего агента на кажущуюся плотность пен, полученных из полиолов GCo (), показало, что составы с физическими вспенивающими агентами (циклопентан и н-пентан) дают пену с более высокой плотностью, чем синтезированные с химическим вспенивающим агентом (вода ).Подобные результаты были описаны в литературе [32,33,34], и это поведение указывает на то, что меньшие ячейки образуются из-за быстрого испарения физических вспенивающих агентов, которые имеют низкую температуру кипения, во время стадии сильно экзотермического роста пены в сравнение с CO 2 , полученным при реакции воды с изоцианатом [35].

Таблица 2

Значения плотности пен с различными вспенивателями.

Состав Пенообразователь Кажущаяся плотность (кг · м −3 )
II Вода 37.4
VII н-пентан 61,3
VIII Циклопентан 99,3

Влияние пенообразователя (воды) на кажущуюся плотность пены также оценивалось как показано в а. При увеличении количества воды наблюдается уменьшение плотности, что свидетельствует о том, что более высокие клетки образуются с увеличением продукции CO 2 в результате реакции воды и изоцианата [36].

( a ) Кажущаяся плотность и ( b ) средний диаметр пен с различным содержанием вспенивающего агента (воды) и катализатора. Цифры, соответствующие составам пены (), указаны в каждой точке этих графиков.

a также показывает влияние содержания катализатора на плотность пены. Уменьшение кажущейся плотности наблюдалось при увеличении количества катализатора в композициях. Такое поведение можно объяснить увеличением скорости полимеризации с увеличением содержания металлоорганического катализатора в составе, что позволяет избежать высвобождения CO 2 во время образования ячеек пены [4].Поскольку реакция происходит с более высокой скоростью, вспенивающий агент захватывается в структуре, и ячейки имеют больший диаметр и меньшую плотность (a, b, соответственно) [37]. Этот эффект более заметен для пен с более высоким содержанием воды. Эти результаты кажущейся плотности согласуются со значениями, измеренными для тех же жестких пенополиуретанов, синтезированных с использованием полиолов касторового масла [19,26].

Влияние различных вспенивающих агентов на ячеистую структуру пены можно также наблюдать на СЭМ-изображениях пены, синтезированной с водой и циклопентаном.Пены, приготовленные с использованием воды в качестве вспенивателя, показали наибольший размер ячеек, что подтверждает данные о плотности (а). Пентан имеет низкую температуру кипения (около 50 ° C) и очень быстро улетучивается, как ранее объяснялось при обсуждении данных о плотности. Пена с 6% циклопентана показала низкую стабильность размеров, и по этой причине ее СЭМ-микрофотография здесь не показана.

СЭМ-микрофотографии пен GCo с разным типом и содержанием вспенивающих агентов и катализатора DBTDL (шкала 500 мкм 50 ×).Номера составов пены () указаны на каждой микрофотографии.

Пены, содержащие воду в качестве вспенивателя, показали лучшую стабильность размеров, самую низкую кажущуюся плотность и более высокую однородность ячеек. Основываясь на этих результатах, мы выбрали этот состав, чтобы оценить влияние количества катализатора на механические свойства и проводимость. Еще один важный аспект, на который следует обратить внимание, заключается в том, что использование воды в качестве вспенивателя считается экологически безопасным и недорогим вариантом.

Влияние содержания воды в качестве вспенивающего агента также оценивалось с помощью изображений SEM, как показано на рис. Было замечено, что концентрация воды прямо пропорциональна размеру ячейки (b). Эти анализы согласуются с данными плотности (а). Пены, полученные с использованием 4% воды, имели более высокую однородность ячеек по сравнению с пенами, содержащими 2% воды. Пены, в состав которых входит 6% воды, дают более крупные и неоднородные ячейки, что указывает на то, что 4% воды является оптимальным количеством для использования в составах пен.

Сравнение количества катализатора в ячейках пены (), приготовленных с водой, показало, что увеличение содержания катализатора дает ячеистые материалы с более высоким средним диаметром ячеек, что подтверждает значения плотности в a. Пены, синтезированные с 2% DBTDL, показали лучшую гомогенность клеток, несмотря на более высокий диаметр клеток, как показано в b. Средний диаметр пен, полученных в этом процессе, меньше, чем данные, представленные в литературе (от 107 до 121 мкм) для пен, синтезированных из предварительно полимеризованного касторового масла [28], что является важным результатом для наших применений пен.

Основным свойством применения пенопласта в качестве теплоизоляции является его теплопроводность. Этот параметр был измерен для жестких пен, синтезированных с использованием воды в качестве вспенивателя, и результаты представлены в. Было замечено, что при увеличении количества воды в этих составах наблюдалось снижение теплопроводности. Этот результат можно объяснить уменьшением плотности и увеличением среднего диаметра ячеек пен [38].

Теплопроводность пен с различным содержанием вспенивателя (воды) и катализатора (DBTDL).Количество составов пены () указано в каждой полосе на этом графике.

Влияние количества катализатора на это свойство также представлено в. Использование более высокого содержания катализатора в рецептурах вызывает небольшое увеличение значения теплопроводности, несмотря на снижение плотности вследствие увеличения размера ячеек, как показано на. Пены, синтезированные в этом исследовании, показали лучшие результаты по сравнению с теми, о которых сообщалось в литературе для пен, полученных из возобновляемого сырья, значения которых варьируются от 0.0233 и 0,0505 Вт · м −1 · K −1 , что позволяет предположить, что эти материалы потенциально могут использоваться в качестве теплоизоляции [22,39,40]. Эти результаты по теплопроводности также лучше, чем для пен, полученных из предварительно обработанного касторового масла, особенно если мы рассмотрим использование очень простого и недорогого метода производства [19,28].

Были оценены механические свойства пен, синтезированных с различным содержанием вспенивающего агента и катализатора, результаты представлены на рис.Эти результаты представляют значения, аналогичные тем, которые описаны в литературе для пен, полученных из полиолов касторового масла, которые находятся в диапазоне от 125 до 220 кПа [16,19,25,26]. Значительное снижение прочности на сжатие и модуля Юнга пен наблюдалось при добавлении более высоких количеств вспенивателя, что может быть связано с уменьшением плотности и увеличением размера ячеек. По мере увеличения ячеистой структуры требуется меньшее усилие, чтобы вызвать деформацию этих пен [36].

( a ) Прочность на сжатие и ( b ) модуль Юнга пен с различным содержанием вспенивающего агента (воды) и катализатора (DBTDL).Цифры, соответствующие составам пены (), указаны в каждой точке этих графиков.

Результаты прочности на сжатие и модуля Юнга пен с различным количеством катализатора в составах (а, б) показали, что нет значительных изменений значений при увеличении количества катализатора, особенно для составов с 4% и 6% воды в качестве вспенивателя. Вариации находятся в пределах экспериментальных ошибок.

Сравнивая все составы, было замечено, что пена с наилучшей теплопроводностью (0.0141 Вт · м -1 · K -1 ) был составлен с 1% DBTDL и 6% воды, который также показал низкое значение кажущейся плотности (23,9 кг · м -3 ). Однако этот образец показал низкую прочность на сжатие (51,01 кПа) и модуль Юнга (3,44 кПа), что позволяет предположить его применение в качестве изолятора мест, не подвергающихся высоким нагрузкам. Пена, содержащая 2% DBTDL и 2% воды, обладает более высокой прочностью на сжатие (187,93 кПа) и модулем Юнга (27,74 кПа), а также низким значением кажущейся плотности (37.4 кг · м −3 ). С другой стороны, значение теплопроводности было выше (0,0207 Вт · м -1 · K -1 ) по сравнению с другими составами; действительно, это значение изоляционных свойств находится в диапазоне типичных коммерческих продуктов [2].

Пенополиуретан с открытыми или закрытыми ячейками

Пытаетесь решить, какой тип утеплителя из распыляемой пены вам следует использовать в своей работе? Это сложнее, чем кажется — хотя пенопласт с закрытыми и открытыми ячейками изолирует дом, они делают это по-разному.В этом руководстве мы рассмотрим пенопласт с открытыми и закрытыми порами и поможем вам выбрать лучший продукт для вашего проекта.

В чем разница между пенопластовой изоляцией с открытыми и закрытыми порами?
Пенопласт с открытыми и закрытыми порами — это два разных типа изоляции из распыляемой пены. У них разные сильные и слабые стороны, и одно не обязательно лучше другого. Все сводится к пониманию преимуществ пенопласта с открытыми порами и с закрытыми порами и к выбору типа, который соответствует вашим потребностям.

Давайте начнем с рассмотрения различий между пенопластами с открытыми и закрытыми порами.

Ячейки
Аэрозольная изоляция относится к открытым или закрытым ячейкам из-за разницы между маленькими пузырьками (ячейками), из которых состоит пена.

Пена с открытыми ячейками полна ячеек, которые не полностью герметизированы. Другими словами, клетки намеренно оставляют открытыми. Это делает пенопласт более мягким и гибким.

Пена с закрытыми ячейками состоит из ячеек, которые, как следует из названия, полностью закрыты.Ячейки прижимаются друг к другу, поэтому воздух и влага не могут попасть внутрь пены. Из-за этого пена с закрытыми порами намного более жесткая и устойчивая, чем пена с открытыми порами.

Плотность
Пенопласт с закрытыми порами намного плотнее пены с открытыми порами. Плотность большинства пенопластов с открытыми порами составляет около 8-14 кг / м3. Пенопласт с закрытыми порами может быть в три раза больше, с плотностью 35-60 кг / м3 и более.

Теплопроводность

Теплопроводность (λ) — это особая характеристика материала.Он представляет собой тепловой поток в ваттах (Вт) через поверхность 1 м² и плоский слой материала толщиной 1 м, когда разница температур между двумя поверхностями в направлении теплового потока составляет 1 Кельвин (K). Единица измерения теплопроводности (λ) — Вт / (м · К). Теплопроводность наиболее часто используемых пенопластов с закрытыми порами составляет примерно ≤ 0,026 Вт / (м · К). а для открытых ячеек ≤ 0,036 Вт / (м · К). Пенопласт с открытыми ячейками имеет теплопроводность ≤ 0,036. Это значительно выше, чем у пенопластов с закрытыми порами, что может ограничить полезность изоляции с открытыми порами в экстремальных температурных условиях.

Расширение
Это одно из наиболее важных отличий с точки зрения приложения. Пенопласт с закрытыми порами расширяется до толщины около 2,5 см при распылении. Пенопласт с открытыми ячейками рассчитан на расширение до 18 см толщины, что означает, что в большинстве стандартных стен возможно только одно нанесение.

Что на самом деле означают все эти термины и рейтинги?
Возможно, вы все еще пытаетесь понять, какой тип пенопласта подходит для вашего проекта.Вот краткий обзор прочности пены с открытыми и закрытыми порами и лучших применений для каждого из них:

Преимущества пенопласта с закрытыми порами
Пенопласт с закрытыми порами — лучший выбор для надежной изоляции в местах с ограниченным пространством, так как он может достичь вдвое большего значения R по сравнению с открытыми порами внутри стандартной стены. Его жесткий характер также способствует структурной целостности здания, и доступны версии с классом огнестойкости E84. Закрытая ячейка также действует как пароизоляция, поэтому вода и влага с меньшей вероятностью попадут внутрь дома, а сама пена не будет повреждена водой.

Преимущества пенопласта с открытыми порами
Одним из самых больших преимуществ пенопласта с открытыми порами является то, что он очень сильно расширяется после нанесения, что означает, что он может изолировать труднодоступные укромные уголки и трещины в доме. Такие участки сложно изолировать пеной с закрытыми порами. Пена с открытыми порами отлично подходит для звукоизоляции, когда одно нанесение может полностью заполнить пространство между стойками.

Пена

с открытыми порами также намного более доступна, чем пена с закрытыми порами, однако эта пена не изолирует дом так же, как пена с закрытыми порами, поэтому она не идеальна для мест с экстремальными погодными температурами.

Итак, какую изоляцию мне использовать?
В конечном счете, это зависит от того, где находится дом, каковы цели изоляции и, конечно, насколько велик бюджет. Нужна дополнительная помощь в выборе между пенопластом с открытыми или закрытыми порами? Позвоните нам!

Влияние плотности, рассеяния фононов и нанопористости на теплопроводность анизотропных пен с нанокристаллами целлюлозы

Приготовление, структура и пористость пен с ЧПУ, полученных литьем вымораживанием литье вымораживанием с последующей сушкой вымораживанием.ЧПУ предлагают более широкий диапазон концентраций дисперсии, чем, например, дисперсии CNF, которые загустевают при относительно низком содержании твердого вещества

19 и становятся очень вязкими и трудными для обработки. Плотность лиофилизированных и лиофилизированных пен напрямую зависит от содержания твердых веществ в исходных жидких дисперсиях, и мы охватили диапазон концентраций дисперсий от 2,0 до 10,5 мас.% (Рис. 1а). Более разбавленные дисперсии не приводят к образованию самостойких пен без добавления связующих или добавок, тогда как более концентрированные дисперсии трудно перерабатывать из-за их высокой вязкости.Корреляция между концентрациями дисперсии и плотностью пены представлена ​​в дополнительной таблице S1, и пены будут обозначаться, как указано в крайнем правом столбце, с аббревиатурой, указывающей их плотность в сухом состоянии (в кг м −3 ) .

Рисунок 1

Анизотропные пенопласты с ЧПУ, полученные литьем вымораживанием водных дисперсий; ( a ) Концентрация дисперсии CNC и соответствующие диапазоны плотности пены, изученные в данном документе. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) изображения поперечных сечений столбчатых макропористых структур для пен с плотностями; ( b ) 40 кг м −3 ; а также; ( c ) 130 кг м −3 .Изображения стенок пенопласта, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (HRSEM) высокого разрешения, наблюдаемые в лиофилизированных и лиофилизированных пенах с плотностями; ( d ) 40 кг м −3 ; а также; ( e ) 130 кг м −3 . Толщина стенок пенопласта указана желтыми стрелками.

Пены были произведены с использованием ЧПУ CelluForce с диаметром 4,3 ± 0,8 нм и длиной 173 ± 41 нм (дополнительный рис. S1), что соответствует среднему аспектному соотношению около 40. ЧПУ содержат полуэфиры сульфата в качестве поверхности групп и поверхностный заряд 0.31 ± 0,01 ммоль OSO 3 г –1 .

Макропоры, то есть поры, которые окружены стенками из пенопласта с ледяной структурой, имеют столбчатую форму из-за однонаправленного роста льда (дополнительный рис. S2) с удлиненными поперечными сечениями (рис. 1b, c). Пористость пен с ЧПУ, которая была определена гравиметрическим методом в безводной атмосфере, варьировалась от 98,3 до 91,3%, что соответствовало пенам плотностью 25 и 130 кг м -3 , соответственно.Толщина стенок пенопласта увеличивалась с увеличением плотности и составляла от нескольких сотен нанометров для пен с низкой плотностью (25–40 кг м −3 ) (рис. 1d) до нескольких микрометров для пен с высокой плотностью (130 кг м −3). ) пены (рис. 1д).

Литье замораживанием ориентирует анизотропные частицы в направлении замерзания 20 , которое далее будет называться осевым направлением, а радиальное направление относится к направлению, перпендикулярному направлению замерзания (рис.2а, врезка). Пены обладают иерархической пористой структурой, имеющей не только макропоры, но и нанопоры внутри стенок пенопласта, как показывают измерения сорбции азота (рис. 2а).

Рисунок 2

Пористость и выравнивание пенопластов с ЧПУ. ( a ) Объем нанопор, определенный с помощью изотерм адсорбции N 2 в стенках из пенопласта с ЧПУ, как функция плотности пены. Врезка Схематическое изображение структуры анизотропной пены и стенок пены. ( b ) Параметр ориентации частиц в пеноматериалах с ЧПУ как функция плотности пены. Вставка Типичная двумерная картина дифракции рентгеновских лучей (XRD) пенопласта с ЧПУ (угол \ (\ phi \), изображенный на изображении, определен в разделе «Методы»). ( c ) Диаметр поперечного сечения макропор как функция плотности пены (полые треугольники относятся к длине и ширине удлиненных поперечных сечений макропор, закрашенные квадраты относятся к среднему значению обоих размеров). ( d ) Столбчатое выравнивание макропор, оцененное с помощью анализа изображения SEM, как функция плотности пены.

Объем нанопор пен CNC увеличивается с увеличением плотности до плотности пены 34 кг м −3 (пены CNC 34 ) с последующим уменьшением объема нанопор с увеличением плотности для более плотных пен; от 7,5 мм 3 г −1 для пенопластов CNC 34 примерно до 1,6 мм 3 г −1 для пенопластов CNC 88 и выше. Максимальный объем нанопор коррелирует с диапазоном концентраций начала образования холестерической фазы в водной дисперсии CNC 21 .Уменьшение объема нанопор с увеличением плотности пены может быть связано с более плотной упаковкой частиц с ЧПУ, поскольку литье замораживанием выполняется при концентрациях дисперсии с увеличивающимся количеством холестерической фазы 22,23 . Интересно отметить, что даже пенопласты с ЧПУ с наивысшей нанопористостью, CNC 34 , имеют в четыре раза меньший объем нанопор по сравнению с литыми замороженными пенами из CNF 24 , где плотная упаковка затруднена из-за запутывания изогнутых и гибких нанофибриллы.

Ориентацию (частично) кристаллических частиц CNC в пеноматериалах можно оценить с помощью измерений XRD путем извлечения параметра ориентации частиц, также называемого параметром ориентации Германса (\ (\ overline {P} _ {2} \) ). Параметр ориентации частиц в пеноматериалах с ЧПУ колеблется и находится в диапазоне от \ (\ overline {P} _ {2} = 0,49 \) для пен со средней плотностью (пенопласты CNC 40 ) до \ (\ overline {P} _ {2} \ ge 0,37 \) для пен с более высокой плотностью и \ (\ overline {P} _ {2} = 0.32 \) для пенопласта CNC 25 (рис. 2б). Низкая ориентация частиц пенопласта с самой низкой плотностью (CNC 25 ) и самые тонкие стенки пенопласта могут быть связаны с менее эффективным процессом коллективного совмещения.

Диаметр поперечного сечения макропор (рис. 2c) практически не зависел от плотности пены, а выравнивание макропористой столбчатой ​​формы (рис. 2d) лишь незначительно уменьшалось с увеличением плотности пены, что позволяет предположить, что частицы CNC оказывают незначительное влияние на рост кристаллов льда во время литья в замораживании.

Теплопроводность пеноматериалов с ЧПУ и оценки по объему

Анизотропная теплопроводность была измерена в специальной установке Hot Disk, где можно было контролировать температуру и относительную влажность 25 .

Относительная неопределенность значений радиальной теплопроводности (λ r ) была оценена в 12% путем анализа распространения неопределенностей параметров, необходимых для их расчета, а именно радиальной температуропроводности (α r ) ( Дополнительный рис.{2}} $$

(2)

где \ ({\ Delta X} \) — общая неопределенность переменной X, которая представляет собой сумму случайной и систематической неопределенностей 26 . Случайные неопределенности α r , ρ и C p были основаны на оценках средних относительных стандартных отклонений (SD), полученных в результате повторных измерений на нескольких образцах (не менее четырех на образец для ρ, не менее пяти на образец для α r и всего пять для C p ), и были умножены на 1.65, который относится к 95% доверительному интервалу 26 . Полученные относительные случайные неопределенности составили 6%, 4% и 1% для α r , ρ и C p соответственно. Систематическая неопределенность или инструментальная погрешность \ ({\ upalpha} _ {r} \) была оценена в 5% 27 , в то время как систематическая неопределенность не рассматривалась для \ ({\ uprho} \) и \ (C_ {p } \). \ ({\ Delta} C_ {p} \) также включает неопределенность измерения водопоглощения при различной относительной влажности, которая использовалась для определения C p при различной относительной влажности с использованием правила смесей.

Зависимость от плотности радиальной теплопроводности (λ r ) и осевой теплопроводности (λ a ) пен с ЧПУ при относительной влажности 50% показана на рис. 3. λ r , перпендикулярно для ориентированных фибрилл (рис. 3a), был в четыре-шесть раз меньше, чем λ a (рис. 3b). На λ r относительно не влияла относительная влажность, но λ a увеличивалась с увеличением относительной влажности (дополнительный рисунок S5). Основная часть анализа и обсуждения будет посвящена радиальной теплопроводности при относительной влажности 50%, но аналогичные тенденции наблюдаются при относительной влажности 5, 20 и 80% (дополнительный рис.S6).

Рисунок 3

Зависимость теплопроводности пеноматериалов с ЧПУ от твердой фракции (об. / Об.%). ( a ) Радиальный (λ r ) и; ( b ) осевая (λ a ) теплопроводность пеноматериалов с ЧПУ как функция твердой фракции с ЧПУ (об. / Об.%) При 295 К и относительной влажности 50%. Черные закрашенные кружки соответствуют экспериментальным данным, а сплошные линии соответствуют объемно-взвешенным параллельным основанным на сумме теоретическим оценкам теплопроводностей, при; (i) сухой (λ сухой, параллельный ) и (ii) влажные условия с относительной влажностью 50% (λ влажный, параллельный ), а пунктирная линия соответствует последовательному добавлению для влажных условий 50% RH (λ влажный, серийный ).

Рисунок 3a показывает, что при относительной влажности 50% λ r оставалась в диапазоне 28–32 мВт · м −1 K −1 для пен с сухими твердыми фракциями от 1,7 до 3,5%, что соответствует плотность в сухом состоянии от 25 до 52 кг · м −3 (см. дополнительную таблицу S1) и увеличивается с увеличением твердой фракции для пен с сухими твердыми фракциями выше 3,5%, до 57 мВт · м −1 K −1 для пеноматериалы CNC с наивысшей твердой фракцией (пенопласты CNC 130 ).Осевая теплопроводность, λ a , демонстрировала заметное увеличение с увеличением твердой фракции для пен с низким содержанием твердой фракции (до CNC 40 пен), за которым следовало менее резкое увеличение для пен с высокой твердой фракцией (рис. 3b). .

Теплопроводность пористой пены была оценена с помощью так называемой модели параллельного резистора с взвешенными объемными долями сумм твердых и газовых вкладов в перенос тепла. Модель параллельного резистора предполагает одновременную (параллельную) теплопередачу через твердую и газовую фазы 28 .Стенки пенопласта с ЧПУ обеспечивают соединенные твердые пути проводимости как в осевом, так и в радиальном направлениях (см. Вставку на рис. 2а), что предполагает, что модель параллельного резистора подходит для моделирования как радиальной, так и осевой теплопроводности. Ожидается, что вклады излучения и конвекции будут незначительными, поскольку температура относительно низкая (295 К), а размер пор пен менее 1 мм соответственно. Считалось, что стенки из пенопласта состоят из плотно упакованных частиц с ЧПУ, которые полностью выровнены в осевом направлении.Использовалась теплопроводность частиц ЧПУ (λ ячейка ) перпендикулярно (720 мВт м –1 K –1 ) и вдоль (5700 мВт м –1 K –1 ) их длинной оси. как приближение твердого вклада в радиальном и осевом направлении соответственно 8 . Теплопроводность воздуха при 295 К (λ воздух = 25,7 мВт м –1 K –1 ) использовалась для вклада газа. Используя модель параллельного резистора, теплопроводность пен с плотными стенками в сухих условиях, λ dry , может быть выражена как:

$$ \ lambda_ {dry, parallel} = \ phi_ {air} \ cdot \ lambda_ { воздух} + \ phi_ {ячейка} \ cdot \ lambda_ {ячейка} $$

(3)

где \ (\ phi_ {air} \) и \ (\ phi_ {cell} \) — объемные доли воздуха и стенок пены, соответственно, нормированные на общий кажущийся объем пены (\ (\ phi_ {air } \) + \ (\ Phi_ {cell} \) = 1).\ (\ phi_ {air} \) и \ (\ phi_ {cell} \) были рассчитаны на основе кажущейся плотности пены и скелетной плотности целлюлозы (см. «Материалы и методы»).

Пена с ЧПУ впитывает воду, и вклад содержания воды при относительной влажности 50% (дополнительный рис. S7) с λ h3O = 600 мВт м –1 K –1 был включен в оценку теплового проводимость влагосодержащих пен (λ влажный ) по формуле. (4):

$$ \ lambda_ {wet, parallel} = \ phi_ {air} \ cdot \ lambda_ {air} + \ phi_ {cell} \ cdot \ lambda_ {cell} + \ phi_ {h3O} \ cdot \ лямбда_ {h3O} $$

(4)

где \ (\ phi_ {h3O} \) — объемная доля воды, полученная на основе гравиметрического определения водопоглощения (см. «Материалы и методы»).Интересно отметить, что разница между направлением λ сухой и λ влажный составляет (1–2 мВт м –1 K –1 ), что позволяет предположить, что замена воздуха водой оказывает незначительное влияние по теплопроводности пен с ЧПУ при относительной влажности 50%.

Теплопроводность также может быть описана последовательной моделью резистора 29,30,31 . Комбинации параллельной модели (описанной выше) и серийной модели были использованы для соответствия теплопроводности различных изотропных пористых материалов 31,32,33 .Серийная модель включает в себя добавление различных вкладов в теплопроводность при относительной влажности 50%, как показано уравнением. (5):

$$ \ lambda_ {wet, serial} = \ frac {1} {{\ frac {{\ phi_ {air}}}} {{\ lambda_ {air}}} + \ frac {{\ phi_). {cell}}} {{\ lambda_ {cell}}} + \ frac {{\ phi_ {h3O}}} {{\ lambda_ {h3O}}}}} $$

(5)

Серийная модель, поскольку она предполагает путь теплопередачи, чередующийся от твердой фазы к газовой, дает гораздо более низкие значения по сравнению с параллельной моделью (рис.3а).

Рисунок 3b показывает, что взвешенные по объему оценки вкладов газа и твердого вещества с использованием модели параллельного резистора, уравнения. (3) и (4), относительно хорошо соответствовали осевой теплопроводности пен с ЧПУ до твердой фракции 3,3% или плотности 50 кг · м −3 , но завышают осевую теплопроводность при высокой твердости пены. фракции. Следует отметить, что уменьшение заданного значения теплопроводности твердой фазы целлюлозы в осевом направлении 8 на 5,7 Вт м -1 K -1 улучшило бы соответствие между теоретической оценкой и экспериментальной. значения также для пен с высоким содержанием твердой фракции, но нелинейная зависимость твердых фракций λ a предполагает, что существуют другие факторы, помимо возможного снижения теплопроводности твердой фазы, которые способствуют ограничению увеличения λ a с увеличением плотность.

Эффект Кнудсена и рассеяние фононов

Хорошо известно, что газовая проводимость значительно снижается, когда размер пор становится равным или меньше средней длины свободного пробега молекул воздуха, так называемый эффект Кнудсена 34 . Влияние нанопор на вклад газовой проводимости в теплопроводность λ np можно оценить по формуле. (6):

$$ \ uplambda _ {{{\ text {np}}}} = \ frac {{\ uplambda _ {air}}} {{1 + 2 \ upbeta \ cdot {\ text {Kn} }}} $$

(6)

, где β — характеристическое число, равное 2 для пен и аэрогелей, а Kn — число Кнудсена, которое можно оценить, разделив длину свободного пробега молекул воздуха на размер пор 34 .Нанопористость стенок пенопласта при относительной влажности 50% варьировалась от 5 до 8% (этот диапазон варьируется при другой относительной влажности из-за различных процентов набухания, см. Дополнительный рисунок S7), а средний диаметр нанопор находился в диапазоне от 7 до 10 нм (дополнительная таблица S2).

Высокое число Кнудсена (4–6) в нанопорах приводит к λ np , что ниже 1,5 мВт м –1 K –1 при относительной влажности 0–80% для всех пен с ЧПУ, в то время как теплопроводность в гораздо более крупных макропорах λ mp (рассчитанное по той же формуле) очень близко к значению для воздуха, поскольку эффект Кнудсена незначителен при размерах пор более 30 мкм (рис.2в).

Путем включения эффекта Кнудсена и введения отдельных газовых вкладов для макропор (λ mp ) и нанопор (λ np ), мы получаем параллельную объемно-взвешенную оценку радиальной теплопроводности влагосодержащих пен, λ влажный, Kn, параллельный , выраженный уравнением. (7):

$$ \ lambda_ {wet, Kn, parallel} = \ phi_ {mp} \ cdot \ lambda_ {mp} + \ phi_ {np} \ cdot \ lambda_ {np} + \ phi_ {cell} \ cdot \ lambda_ {ячейка} + \ phi_ {h3O} \ cdot \ lambda_ {h3O} $$

(7)

где \ (\ phi_ {np} \) оценивается из объема нанопор, полученного с помощью измерений адсорбции N 2 (см. Рис.2а) и общий объем пены, а \ (\ phi_ {mp} \) соответствует оставшемуся объему воздуха (\ (\ phi_ {mp} + \ phi_ {np} = \ phi_ {air} \)). Однако оценка λ влажный, Kn, параллельный намного выше, чем измеренная радиальная теплопроводность (рис. 4), что показывает, что эффект Кнудсена имеет второстепенное значение из-за небольшой доли нанопор в пенах. Тем не менее, λ r достигла значения, близкого к значению для воздуха при np , значениям выше 7% при относительной влажности 50% (дополнительный рис.S8).

Рисунок 4

Механизмы теплопередачи в зависимости от твердой фракции в пеноматериалах с ЧПУ. Радиальная теплопроводность (λ r ) пен с ЧПУ в зависимости от твердой фракции CNC (об. / Об.%), Включая экспериментальные данные при относительной влажности 50%, теоретические оценки λ влажный, Kn, параллельно , включая оба поглощения воды при относительной влажности 50% и эффект Кнудсена в нанопорах, а также теоретические оценки λ влажный, Kn, Rk, параллельный и λ влажный, Kn, Rk, серийный , дополнительно включая межфазные эффекты частицы в стены из пенопласта и различие между параллельным и последовательным сложением.

Вклад твердой проводимости в теплопроводность наноструктурированных материалов может быть существенно уменьшен за счет рассеяния фононов на границах раздела частицы 16 . Эффект рассеяния фононов на границах раздела может быть выражен межфазным тепловым сопротивлением или сопротивлением Капицы (R k ), которое можно оценить по формуле. (8):

$$ R_ {k} = \ frac {{g_ {i}}} {{\ lambda_ {i}}} = {} \ frac {{d_ {t}}} {{\ lambda_ { t}}} {} — {} 2 \ cdot \ frac {d} {{\ lambda_ {cell}}} $$

(8)

где g i — расстояние между двумя соседними частицами ЧПУ, λ i — межфазная теплопроводность, d — средний диаметр частицы ЧПУ (= 4.3 ± 0,8 нм), а λ t и d t — теплопроводность и длина, соответственно, системы, состоящей из двух ЧПУ-частиц, расположенных параллельно друг другу с зазором, g i . Расстояние между волокнами g i , как было показано, зависит от водопоглощения и, по оценкам, колеблется от 5,1 до 6,2 Å в стенках пенопласта литых замороженных пен CNF при относительной влажности 35–65% 16 . Поглощение воды пенами CNC значительно меньше, чем пенопластами CNF 16 , и мы использовали расчетное значение g i , равное 2.3 ± 0,4–3,7 ± 0,7 Å при относительной влажности 50% (см. Дополнительный рисунок S7). Значение для λ t = 270 мВт м –1 K –1 было получено из Diaz et al. 8 . Межфазное термическое сопротивление в радиальном направлении выровненных частиц CNC было оценено как 2,2 × 10 –8 м 2 кВт –1 . Интересно отметить, что расчетный R k для ЧПУ имеет такую ​​же величину (10 –8 м 2 K Вт -1 ), что и для углеродных нанотрубок 35 .

Эффект рассеяния фононов на границах раздела может быть включен в оценку (твердой) теплопроводности тонкой пленки (то есть стенки пенопласта) выровненных наночастиц ЧПУ, λ p , по формуле. (9):

$$ \ lambda_ {p} = \ frac {{\ lambda_ {cell}}} {{1 + \ lambda_ {cell} \ cdot \ frac {{R_ {k}}} {d}} } $$

(9)

где \ (\ lambda_ {cell} \) — радиальная теплопроводность отдельной частицы с ЧПУ (720 мВт м –1 K –1 , как упоминалось выше 8 ).Включение расчетного межфазного термического сопротивления для стенок из пенопласта с ЧПУ (2,2 × 10 –8 м 2 K Вт −1 ) привело к расчетному значению твердого вклада в теплопроводность в радиальном направлении, λ p , 158–163 мВт м –1 K –1 при относительной влажности 50%. Параллельная объемно-взвешенная оценка радиальной теплопроводности влагосодержащих пен, которая учитывает как рассеяние фононов, так и эффекты Кнудсена, λ влажный, Kn, Rk, параллельный дается уравнением.(10):

$$ \ lambda_ {wet, Kn, Rk, parallel} = \ phi_ {mp} \ cdot \ lambda_ {mp} + \ phi_ {np} \ cdot \ lambda_ {np} + \ phi_ {cell } \ cdot \ lambda_ {p} + \ phi_ {h3O} \ cdot \ lambda_ {h3O} $$

(10)

Рисунок 4 показывает, что полученная оценка λ wet, Kn, Rk хорошо соответствует экспериментальным значениям радиальной теплопроводности пен CNC 25-88 , что предполагает значительное снижение проводимости твердого тела фононами.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.