Экструзионный пенополистирол является одним из самых эффективных теплоизоляционных материалов на строительном рынке и широко используется для теплоизоляции фундаментов, крыш, полов, трубопроводов, автомобильных и железных дорог. Обширное применение материала обусловлено, пожалуй, уникальными и ценными свойствами, объединенными в одном материале: низкая теплопроводность, высокая прочность, биологическая устойчивость, экологичность и долговечность использования.
Поиск пути усовершенствования процесса производства, новых технологических приемов и разработка специальных рецептур пенополистирольных плит с целью усовершенствовать каждую из вышеперечисленных потребительских характеристик являются вектором движения передовых научных центров компаний и корпораций.
Специалистами Корпорации «ТехноНИКОЛЬ» была разработана уникальная технология получения экструзионного пенополистирола с применением наноразмерных углеродных материалов. Это позволило существенно увеличить тепловую эффективность и физико-механические свойства готовой продукции.
Самой важной характеристикой любого теплоизоляционного материала является коэффициент теплопроводности – это способность материала проводить тепловую энергию через свой объем и структуру (размер и форма ячеек, состав газа в ячейках). Чем ниже теплопроводность плиты, тем выше изолирующие свойства и тем выше способность материала снизить энергопотери на поддержание комфортной температуры в здании.
Коэффициент теплопроводности пенополистирола складывается из коэффициентов теплопроводности твердой фазы (λтв), вспенивающего газа (λr), а также конвективной (λk) и радиационной (λp), или лучистой, составляющих. Для достижения минимального коэффициента теплопроводности необходимо, по возможности, уменьшить вклад каждой из составляющих в суммарную величину теплопроводности: λ = λтв + λr +λk +λp.
Вклад величины λтв для экструзионного пенополистирола очень мал, так как сам полистирол отличается весьма низким коэффициентом теплопроводности и доля самого полистирола в объеме теплоизоляционной плиты весьма незначительна. Однако у качественных производств оптимальный размер и форма ячеек являются важным показателем, влияющим как на прочностные свойства, так и на теплоизоляционные.
Примеры использования ТЕХНОНИКОЛЬ XPS CARBON для теплоизоляции плоских кровель: а) ТН-КРОВЛЯ Смарт; б) ТН-КРОВЛЯ Балласт
Наибольший вклад в теплопередачу вносит газ (λr), который используется для вспенивания. В зависимости от молекулярного веса вспенивающие газы имеют разные скорости диффузии из полимера – полистирола. В процессе эксплуатации пенополистиролов происходит постепенноезамещение вспенивающего газа на воздух, что приводит к снижению теплоизолирующих свойств. Поэтому необходимо подбирать газ с низким коэффициентом теплопроводности и высоким молекулярным весом. В настоящее время особой популярностью пользуются несколько видов и технологий вспенивания – это углекислый газ и различные хладоны (фреоны).
Для пенополистирола, выпускаемого с применением хладонов, процесс замещения газа в ячейках на воздух происходит значительно активнее. Теплопроводность для таких плит увеличивается от 10 до 25% от первоначальных показателей.
Использование именно СО2 разрешено и регламентировано в странах Евросоюза, так как позволяет существенно сократить воздействие на озоновый слой, предохраняющий поверхность земли от радиоактивного солнечного излучения. Изменение теплопроводности для пенополистирола со СО2 вспенивателем происходит значительно медленнее и в меньшем объеме – до 10% от первоначальных показателей. Так как вклад конвекционной передачи, который мы характеризовали как λk, начинает проявляться, когда диаметр ячеек слишком большой, порядка 2–5 мм, мы не будем подробно останавливаться на нем. Доля радиационного теплообмена в теплопередаче (λp) в большей степени зависит от диаметра газовых ячеек и их количества (рис. а и b). Сокращение теплового потока также возможно посредством улавливания части тепловых (инфракрасных) лучей. Так, пенополистирольные экструзионные плиты с нанографитом впервые в России были разработаны на предприятиях Корпорации «ТехноНИКОЛЬ» и называются ТЕХНОНИКОЛЬ XPS-CARBON.
Согласно проведенным испытаниям в НИИ строительной физики (НИИСФ), коэффициент теплопроводности для экструзионного пенополистирола ТЕХНОНИКОЛЬ XPS-CARBON составил 0,0295-0,030 (25±5)°С, Вт/(м•К) за счет уменьшения радиационной составляющей. Причем снижение теплоизолирующих свойств со временем для образцов экструзионного пенополистирола, выпущенного с применением нанографита, замечено в незначительной степени. Аналогичные европейские марки материала, выпущенные при помощи вспенивания углекислым газом и без добавления графита, показывают в процессе испытаний снижение теплоизолирующей способности до уровня 0,033–0,036 (25±5)°С, Вт/(м•К).
Помимо улучшения теплоизолирующих свойств плиты, применение графита и нанографита позволяет улучшить УФ- стабильность материала (поскольку графит работает как УФ-стабилизатор). Стабильность пенополистирола при воздействии на него высоких температур особенно важна и актуальна для южных регионов, а также в периоды аномально жаркой погоды в центральной части РФ при устройстве теплоизоляции плоских кровель. При использовании графита определенных размеров получаются плиты с минимальными диаметром ячеек и толщиной стенок. Также отмечается резкое возрастание количества ячеек без увеличения плотности пенополистирольных плит. Этим можно объяснить тот факт, что прочностные свойства экструзионного пенополистирола ТЕХНОНИКОЛЬ XPS-CARBON, а также модуль упругости существенно возрастают по сравнению с экструзионным пенополистиролом, производимым стандартным путем.
На сегодняшний день с полной ответственностью можно заявить, что частицы углерода наноразмера, добавляемые при производстве экструзионного пенополистирола, являются проявлением инновационного подхода к производству.