Есть мнение Акустика и звукоизоляция Всё зависит от правильной изоляции

Всё зависит от правильной изоляции

ОБЗОР И СРАВНЕНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Как пингвины выносят ледяной холод Антарктики? Как белые медведи выживают при температуре ниже -50 ⁰С? Все объясняется известным физическим принципом. Их оперение и мех настолько густы, что между перьями и волосами удерживается воздух. Таким образом, множество воздушных пузырьков обеспечивает идеальную защиту от потери тепла. Неподвижный воздух придает термоизоляционные свойства меху белого медведя. Люди тоже используют этот принцип в своей зимней одежде.

В тепловой изоляции конструкций этот принцип начал использоваться не очень давно. Первоначально потребность в изоляционных материалах появилась в технике низких температур. Изоляционные материалы вряд ли стали бы разрабатывать с такой интенсивностью, если бы не развитие современной холодильной техники. Первыми термоизоляционными материалами были пробка и стекловата. В середине XX в. в связи с растущим спросом на изоляционные материалы были разработаны такие материалы, как пеностекло и пенополиуретан. Позже на рынке появились чисто синтетические пенопласты. Первый эластомерный изолятор был разработан в 1954 г.

Что такое изоляционные материалы?

Словосочетание «изоляционный материал» - это общее обозначение материалов, обладающих термо- и звукоизоляционными свойствами. Для изоляции промышленных установок применяются материалы, теплопроводность которых при температуре среды 0 ⁰С не превышает 0,06 Вт/(м*К). Теплопроводность используемых современных изоляционных материалов составляет в зависимости от температуры среды 0,025 -0,050 Вт/(м*К).

Обзор изоляционных материалов

В основном изоляционные материалы можно разделить на две группы: органические и неорганические. Органические изоляционные материалы состоят из соединений углерода, которые получают из растений (возобновляемый источник) или из нефтяных продуктов. Неорганическая изоляция состоит из минеральных материалов. На рис. 1 приведены виды изоляционных материалов, но в целом схема не отражает всего разнообразия изоляционных материалов, имеющихся на рынке.

Изоляционные материалы для низкотемпературного применения

К низкотемпературной изоляции предъявляются особые требования. Важно, чтобы изоляция могла работать в конкретных производственных условиях. Поэтому при разработке проекта важно оценить технические свойства материала, с одной стороны, и трудоемкость установки изоляции - с другой.

Главной целью применения низкотемпературной изоляции является предотвращение появления конденсата. Надежная система изоляции должна защитить материал изоляции от недопустимого проникновения воды, т. е. должны быть приняты меры по сведению процесса диффузии к минимуму. Мокрая изоляция не способна выполнить свою функцию: ее теплопроводность повышается, а изолирующая способность уменьшается с каждым дополнительным процентом количества влаги в материале изоляции.

Самые важные требования к материалам для низкотемпературной изоляции следующие:

• низкая теплопроводность λ
• высокое сопротивление проникновению паров воды μ;
• пожаробезопасность, удовлетворяющая стандартам;
• легкость установки.

Применение изоляционных материалов для низкотемпературной изоляции ограничивается опасностью проникновения влаги в материалы с открытыми порами. Например, это сильно ограничивает использование сыпучих материалов и минеральной ваты. В соответствии с требованиями стандарта German DIN 4140 эти материалы можно использовать только в двойной упаковке. Вместе с тем некоторые материалы исходно малоприменимы из-за проблем с их установкой. Изоляционные материалы на базе полиэтилена (PEF) очень подходят для термоизоляции по своим техническим свойствам - они характеризуются низкой теплопроводностью и высоким сопротивлением проникновению паров воды. Но, будучи термопластичными, они очень плохо клеятся. В большинстве случаев невозможно гарантировать надежность соединения, особенно по соседству с арматурой. По этой причине PEF-материалы практически не используются в холодильной технике.

Изоляционные материалы, основанные на полистироле (PS), полиуретане (PUR/PIR), фенольных смолах (PF), пеностекле (CG) и пеноэластомерах (FEF), пригодны для низкотемпературного применения (рис. 2).

Свойства различных изоляционных материалов

Жесткий пенополистирол (PS)

Изоляционный материал, сделанный из жесткой полистироловой пены, - это жесткая пена, поры которой в основном замкнуты, полученная из полистирола или сополимеров с преобладанием полистирола. В зависимости от технологии производства различают пену из вспененного гранулированного порошка (EPS) и экструдированного вспененного полистирола (XPS).

Вспененный пенополистирол (EPS)

Полистирол производится из продукта перегонки нефти - стирола. Вспененный пенополистирол был разработан BASF в 1950 г. и запущен в производство под маркой Styropor. В пенополистироле поры в основном замкнуты, а 98 % из них содержат воздух. Исходная плотность жесткой пены EPS обычно составляет 10-35 кг/м³, и характеристики пены сильно зависят от нее.

Самым важным свойством жесткой пены является ее низкая теплопроводность, зависящая от исходной плотности. Минимум теплопроводности получен для пены с исходной плотностью 30 - 50 кг/м³ и составляет 0,034 - 0,037 Вт/(м*К) при температуре среды 0 ⁰С. При данной исходной плотности теплопроводность пены линейно зависит от температуры. Содержание влаги в материале значительно влияет на теплопроводность пены: этот показатель возрастает на 3 - 4 % при увеличении количества влаги в материале на 1 %. Сопротивление пены EPS проникновению паров воды р довольно слабое. При исходной плотности 15 - 30 кг/м³ μ=20÷100. Это означает, что влага может проникать внутрь изоляционного материала, если есть соответствующая разность давления паров воды. Следовательно, при использовании для низкотемпературной изоляции жесткая пена EPS должна снабжаться парозащитой из металлической фольги (рис. 3), обычно алюминиевой. Непрочную фольгу обычно защищают дополнительным кожухом из листового металла, что значительно усложняет процесс установки изоляции.

Жесткая пена EPS является строительным материалом с низкой воспламеняемостью (DIN 4102 - В1). При воздействии пламени жесткая пена EPS, в которую включен ингибитор горения, плавится, но не загорается. При удалении внешнего источника пламени пена не горит. При 100 ⁰С жесткая пена EPS размягчается и съеживается, при дальнейшем нагреве - плавится. Согласно информации производителя, этот изоляционный материал можно использовать при рабочих температурах от +80 до -180 ⁰С.

Экструдированный пенополистирол (XPS)

Два типа жесткого пенополистирола отличаются один от другого тем, что пена XPS имеет большее сопротивление сжатию. К тому же у пены XPS большее сопротивление проникновению паров воды. В зависимости от исходной плотности его μ=80÷200. Это означает, что и для пены XPS необходима парозащита.

Жесткий пенополиуретан (PUR)

вспенивающего агента при химической реакции между полигидратом спирта и полиизоцианата. Следовательно, полиизоцианат (PIR) является компонентом при производстве жесткого пенополиуретана. Помимо заводского производства PUR/PIR он выпускается и на месте применения в строительной индустрии, особенно для целей изоляции.

Жесткая пена PUR/PIR

Изоляционные кожухи для труб, а также изоляционные листы, используемые для технической изоляции, обычно делаются из пеноблоков. Изоляционный пенополиуретан - это жесткая пена, большинство (до 90 %) пор которой замкнуто. Исходная плотность жесткго пенополиуретана составляет 30 - 60 кг/м³ в зависимости от предназначения. Однако для специального применения могут использоваться материалы с большими значениями исходной плотности. С увеличением исходной плотности растет количество вещества в пене. В результате повышается теплопроводность материала. Но это увеличение непропорционально увеличению исходной плотности. При увеличении исходной плотности материалов, употребляемых в строительной индустрии, их теплопроводность растет незначительно. Из всех традиционных материалов, используемых для изоляции, пенополиуретан PUR/PIR имеет наименьшую теплопроводность (рис. 4). При температуре среды 0 ⁰С теплопроводность составляет 0,025 - 0,033 Вт/(м*К).

Жесткий пенополиуретан PUR/PIR негигроскопичен и не поглощает влагу из окружающего воздуха. Но, как и в случае с жестким пенополистиролом, жесткий пенополиуретан PUR/PIR слабо сопротивляется проникновению паров воды: μ=40÷200. При длительной эксплуатации это приводит к проникновению воды в материал, применяемый для низкотемпературной изоляции, если существует разница в парциальном давлении паров. Следовательно, этот материал нельзя использовать без надежной парозащиты. Подобно всем пенопластам, жесткий пенополиуретан является органическим материалом и поэтому воспламеняем. Жесткий пенополиуретан PUR/PIR выпускается в виде строительной изоляции и сертифицирован как материал классов В1 и В2 (нормальная и низкая воспламеняемость) по стандарту DIN 4102. В случае пожара материалы из твердых пластиков не плавятся и не формируют горящие капли. В зависимости от исходной плотности изоляционные материалы PUR/PIR можно использовать в температурном диапазоне от +90 до -30 ⁰, специальные материалы - при температуре до +200 ⁰С или для низкотемпературного применения - до минус 180 ⁰С.

In-situ пенополиуретан

Как ясно из названия, этот тип пенополиуретана изготавливается на месте применения - на строительной площадке. In-situ PUR-пена создается при реакции между двумя компонентами, которые смешиваются при введении в полость, которую нужно изолировать. У этой пены замкнуто более 85 % пор. Исходная плотность - более 45 кг/м³. Теплопроводность при температуре среды около 0 ⁰С - приблизительно 0,033 Вт/(м*К). Подобно полиуретановым материалам, описанным выше, In-situ PUR-пена слабо сопротивляется проникновению паров воды. В зависимости от исходной плотности и структуры пор μ=30÷100. Металлическая оболочка служит внешней границей изолируемой полости и одновременно как необходимый парозащитный барьер. In-situ PUR-пена с защитной металлической оболочкой представляет собой систему, удовлетворяющую требованиям стандарта DIN 4102-B2. Однако это условие выполняется только в том случае, если пеной заполняется полость с оболочкой толщиной не менее 0,5 мм. Рабочая температура оборудования, изолированного In-situ PUR-пеной, может составлять от +100 до -180 ⁰С.

Особенностью этого материала является то, что его установщик является и его производителем, потому что материал производится на месте установки. Таким образом, он несет полную ответственность за качество и свойства этого материала, от которого в максимальной степени зависят функционирование и срок службы изолированного оборудования. Если установка изоляции не была выполнена надлежащим образом, то в материале появятся каверны и он начнет давать усадку. In-situ PUR-пену должны устанавливать только компании, у которых есть многолетний опыт работы с этим материалом и высококвалифицированный персонал, имеющий сертификат на работы с ним. Кроме этих предварительных требований при изоляции In-situ PUR-пеной должны соблюдаться и такие требования: температура окружающей среды должна быть не ниже +10 ⁰С, относительная влажность - не выше 90 %, а температура изолируемого объекта - не ниже +10 ⁰С и не выше +45 ⁰С. Вдобавок поверхности объекта и металлической изоляции должны быть сухими и свободными от нефтепродуктов, смазки и ржавчины. Нельзя проводить работы по изоляции пеной, когда идет дождь.

Пеностекло

Пеностекло было разработано в 1930 г. французской компанией St. Gobain group и потом продавалось под маркой Foam-glas®. Материал формуется в виде блоков, из которых потом делают кожухи, листы и фигурные изделия. Пеностекло полностью состоит из замкнутых ячеек (пор). Исходная плотность равна 100-160 кг/м³ в зависимости от его типа. Из всех рассматриваемых здесь материалов у пеностекла наибольшая теплопроводность. Она составляет 0,037 -0,042 Вт/(м*К) при температуре среды 0 ⁰С. Пеностекло негигроскопично и не поглощает влагу из окружающей среды. Изменение массы имеет место только в случае, когда влага проникает в ячейки, герметичность которых была нарушена. Более того, пеностекло абсолютно паронепроницаемо, и через него не проходит влага (рис. 5).

Будучи неорганическим материалом, пеностекло негорюче и соответствует требованиям стандарта DIN 4102 part 1, building material class A1. Вследствие своей ломкости пеностекло не выдерживает точечных нагрузок, и его следует ровно укладывать на поверхность изолируемого объекта. Пеностекло обычно приклеивается горючим холодным битумом. При раскрое материала по размеру выделяется некоторое количество сероводорода с неприятным запахом. Рабочий диапазон температур -от +430 до -260 ⁰С.

Жесткая фенольная пена (PF)

Жесткая фенольная пена производится из фенольных смол с добавлением вспенивающего реагента с последующим нагревом или без него. Первоначально эта пена в ходе непрерывного процесса выпускается в виде ленты, но может изготавливаться и в виде блоков.

Жесткая фенольная пена представляет собой жесткий материал с включениями газовых пузырей или пор, большинство из которых замкнуто. Исходная плотность - более 70 кг/м³. Она поставляется в виде листов или полушарий, которые склеиваются между собой негорючим силикатным клеем. Этот изоляционный материал обладает хорошими термоизоляционными свойствами. При температуре среды около 0 ⁰С теплопроводность равна 0,030 - 0,035 Вт/(м*К). Подобно жесткому пенополистиролу и жесткому пенополиуретану, жесткая фенольная пена слабо сопротивляется проникновению паров воды. Изделие обычно покрывается слоем алюминиевой фольги толщиной в 200 мк, а стыки заклеиваются липкой алюминиевой лентой.

Как и все органические изоляционные материалы, фенольная пена горюча и как строительный материал относится к классу В1 стандарта DIN 4102. Однако добавлением неорганических наполнителей можно перевести ее в класс А2 (невоспламеняю-щийся) стандарта DIN 4102, ч. 1 (рис. 6). Продукты этого типа можно использовать в промышленных установках с рабочей температурой от +120 до -50 ⁰С.

Эластомерные пеноматериалы

Первый эластомерный изоляционный материал был разработан в 1954 г. американской компанией Armstrong. С тех пор он продается под маркой Armaflex. Термин «эластомерная пена» используется главным образом для описания изоляционных материалов на базе синтетического каучука. Основным компонентом является синтетический каучук, сделанный из NBR (нитрилбутадиеновый каучук) и EPDM (мономер этиленпропилендиена). NBR имеет большее значение, так как в целом обладает лучшими техническими качествами. Также как у пеностекла, структура изоляционных материалов на базе синтетических каучуков состоит из полностью замкнутых ячеек. Материал негигроскопичен. Сопротивление проникновению паров воды μ находится в пределах 2000 - 7000. Обычно оно значительно выше и в отдельных случаях достигает 20 000. Барьер против пара заключен не в тонком поверхностном слое, а распределен по всей толщине изоляции. Нет нужды в отдельном противопаровом барьере. Таким образом, эти изоляционные материалы особенно удобны для изоляции холодильных линий.

Отличные результаты получены при использовании изоляционных материалов с замкнутыми ячейками, обладающими высоким сопротивлением проникновению водяных паров. Более того, эластомерная пена имеет очень хорошие термоизоляционные свойства. При температуре среды около 0 ⁰С теплопроводность имеет значение 0,036 - 0,040 Вт/(м*К) в зависимости от типа каучука. В отличие от описанных изоляционных материалов этот материал может выпускаться разной толщины, тем самым обеспечивая выигрыш в занимаемом пространстве. Подобно всем органическим материалам, эластомерная пена горюча.

В зависимости от типа используемого каучука эластомерная пена может соответствовать требованиям классов В1 или В2 стандарта DIN 4102. Благодаря трехмерной структуре его молекул этот материал под воздействием огня не плавится с образованием капель, что исключает возможность распространения огня этим путем. Более того, этот материал самогасящийся, и огонь не распространяется по нему ни горизонтально, ни вертикально. Исключено и его самовозгорание. Можно даже упомянуть о том, что трубы, изолированные синтетическим каучуком, можно пропускать через огнеупорные стены без потери ими степени пожаробезопасности.

Эластомерные изоляционные материалы выделяются не только своими отличными техническими свойствами, но и тем, что они весьма удобны для пользователей: они очень гибки, надежно закрепляются и легко устанавливаются.

Изоляционные материалы на базе синтетических каучуков могут работать в температурном диапазоне от +105 до -50 ⁰С, а при некоторых условиях установки и при температуре до -200 ⁰С. Изоляционные материалы на базе EPDM подходят для долгосрочного использования в механизмах, работающих при температуре +150 °С (рис. 7).

Заключение

На рынке наблюдается большое разнообразие изоляционных материалов. Не существует одного идеального материала, пригодного для любого применения, но, сравнивая качества различных материалов, можно подобрать наиболее подходящий. Сопоставление различных изоляционных материалов показывает существенную разницу между ними. Но, как было показано, следует сравнивать не отдельные материалы, а изоляционные системы в целом.

При разработке и доработке изделий обычно существуют противоречивые требования к его параметрам. Например, понижение теплопроводности может привести к повышению паропроницаемости. Если ячейки будут замкнуты, обеспечивая повышение ц, то может пострадать сопротивление огню. Получение максимальной эластичности может повредить другим параметрам изоляционного материала. Это ясно показано в таблице. Абсолютный чемпион среди изоляционных материалов по всем параметрам еще не изобретен. Нет несгораемого материала, обладающего оптимальными установочными свойствами для низкотемпературной изоляции.

Из таблицы видно, что наилучшим материалом для низкотемпературного применения является эластомерный изоляционный материал. Главное его достоинство состоит в легкости установки, но и все прочие его свойства заслуживают высокой оценки. Однако следует отметить, что на 100 % это верно не для всех эластомерных изоляционных материалов, представленных на рынке. Эластомеры сильно отличаются друг от друга. Одним из важных технических качеств материала является возможность постоянного внутреннего и внешнего контроля его параметров. Только в случае, когда свойства продукта рассматриваются отдельно и подробно, а также в их совокупности, можно сказать, для какого применения этот продукт подходит больше всего.

МАХАЕЛЛА ШТОРМАНН И ХУБЕРТ ХЕЛЬМС, АРМАСЕЛЛЬ
«ЖКХ: технологии и оборудование» № 11 / 08