Izolacyjność cieplna wysokoprężnej pianki w aerozolu

Diagnostyka cieplna budynków z wykorzystaniem termografii niejednokrotnie wskazuje na występowanie mostków cieplnych wzdłuż ościeżnic ram okiennych i drzwiowych.

Zwykle w takich przypadkach mówi się o złym montażu stolarki otworowej, np. o występowaniu pustek powietrznych wynikających z niewłaściwego dozowana pianki. Przyczyn problemu może być jednak wiele.

Problem zastosowania pianek wokół stolarki otworowej

Pod względem właściwości technicznych pianki jednoskładnikowe mogą mieć gorsze parametry ze względu na niewłaściwe wykonanie bądź niedobór wilgoci podczas dojrzewania [1, 2]. Niekorzystne jest także przycinanie nadmiaru stwardniałej pianki i brak osłonięcia jej materiałem zabezpieczającym, co w praktyce często się zdarza.

Przy aplikacji pianka jest podawana zwykle w formie tzw. warkocza, który ulega stopniowemu pęcznieniu i utwardzeniu.

Występująca na powierzchni pianki gruba warstwa skórki przyczynia się do wzrostu współczynnika przewodzenia ciepła, m.in. dlatego, że skoncentrowany w warstwie naskórka polimer osnowy (składnik stały) ma gorsze właściwości cieplne niż porofory.

Wartość współczynnika przewodzenia ciepła polimeru osnowy wynosi ok. 0,2-0,4 W/(m·K) [3, 4]. Należy jednak pamiętać, że udział objętościowy materiału osnowy w piankach zamkniętokomórkowych jest mały i tylko naskórek odznacza się większą gęstością pozorną, czyli większym udziałem polimeru.

Dodatkowo, wykazano, że podczas wzrostu pianki pod naskórkiem powstają zwykle rozległe pory pogarszające izolacyjność cieplną pianek PU [5, 6]. Obcinanie pianki z jednej strony eliminuje co prawda warstwę powierzchniową o gorszych właściwościach izolacyjnych, lecz jednocześnie pozbawia izolację naturalnej bariery antydyfuzyjnej dla pary wodnej.

W ten sposób otwiera się strukturę wewnętrzną, a co gorsza także występujące w niej głębokie otwarte pory (kanały). Absorpcja wody i pary wodnej ulega więc zwiększeniu wraz ze zmniejszeniem gęstości pozornej pianki PU. Dotyczy to przede wszystkim pianek wysokoprężnych.

W piankach zamkniętokomórkowych nasiąkliwość wynosi do 2,5%. W piankach półsztywnych ok. 1.5% (według danych producentów). Chociaż szkielet pianki wykazuje małą chłonność wody, to w piankach jednoskładnikowych możliwa jest dyfuzja pary wodnej w głąb izolacji.

Jednoskładnikowe pianki w aerozolu niekoniecznie należy traktować jako zamkniętokomórkowe. Kryterium podziału pianek PU nie jest ściśle unormowane, ale przyjmuje się, że pianka zamkniętokomórkowa powinna mieć co najmniej 90-95% komórek zamkniętych.

W typowych piankach jednoskładnikowych jest ok. 80% takich komórek. Nawet pianki o komórkach zamkniętych niezabezpieczone odpowiednio farbą lub lakierem mogą w znacznym stopniu chłonąć wilgoć. Absorpcja 1% wag. wody zwiększa wartość współczynnika przewodzenia ciepła pianki o ok. 0,0015 W/(m·K) [5].

Badanie właściwości pianek w aerozolu

Mimo powszechnego stosowania półsztywnych pianek w aerozolu nie ustanowiono dla nich norm przedmiotowych. W aprobatach technicznych wykonywanych przez ITB nie sprawdza się właściwości cieplnych pianek montażowo-uszczelniających i montażowych, przepuszczalności pary wodnej ani zawartości zamkniętych porów [7, 8].

Postępowanie takie wynika stąd, że pianki w aerozolu traktuje się jako materiał o niedużym znaczeniu przy obliczeniach strat ciepła przez przegrody. Najczęściej opór cieplny pianki uszczelniającej nie jest brany pod uwagę z powodu stosunkowo małej objętości pianki względem pozostałych materiałów występujących w przegrodzie.

Umniejszanie znaczenia materiału stosowanego nawet w niewielkiej ilości, który w poszczególnych miejscach w konstrukcji pełni rolę termoizolacyjną i uszczelniającą, nie wydaje się słuszne. Problem mostków cieplnych występujących wzdłuż ościeżnic stolarki budowlanej jest istotny i nie można go pominąć.

Założenie o zabezpieczaniu pianki uszczelniającej stolarkę materiałami nieprzepuszczającymi pary wodnej (farbami, lakierami itp.) również nie jest odpowiednie, gdyż często nie ma pokrycia w praktyce.

Charakterystyka badanej pianki

Badane próbki w postaci płaskich płyt wykonano z montażowo-uszczelniającej pianki poliuretanowej, powszechnie dostępnej na rynku. Jest to wysokoprężna, jednokomponentowa pianka aerozolowa utwardzana z udziałem wilgoci. W TABELI 1 zestawiono podstawowe dane techniczne gwarantowane przez producenta.

Materiał należy do grupy pianek wężykowych. Spienianie za pomocą aplikatora następowało po wcześniejszym zwilżeniu formy. Aplikację pianek przeprowadzono zgodnie z zaleceniami podanymi przez producenta.

W eksperymencie zastosowano formę pionową o regulowanej grubości i powierzchniach bocznych dostosowanych do wymiaru komory aparatu płytowego (600×600 mm). Konstrukcja formy zapewniła uzyskanie w próbkach komórek wydłużonych prostopadle do zadawanego strumienia ciepła.

Wykonano trzy próbki gr. ok. 40 mm, 80 mm oraz 130 mm. Fragmenty powierzchni analizowanych materiałów przedstawiono na FOT. 1-3.

Zapewniono różne warunki wzrostu piany w celu zróżnicowania struktury próbek. Dwie próbki gr. 40 mm oraz 80 mm powstały przy ograniczonym spienianiu, a jedna gr. 130 mm przy swobodnym wzroście piany. Gęstość pozorna po utwardzeniu poliuretanu zależy od ilości dozowanej pianki w danej objętości.

Dlatego w eksperymencie zastosowano za każdym razem inne ilości aplikowanej pianki z pojemników. Uzyskano w ten sposób różne oczekiwane gęstości próbek. Niewątpliwie przyczyniły się do tego także inne ustawienia odległości ścianek w formie oraz ograniczenie lub brak ograniczenia wzrostu piany.

W efekcie uzyskano zmniejszenie gęstości pozornej wraz ze wzrostem grubości próbek. Makroskopowa ocena pianek wykazała wzrost wielkości porów wraz ze wzrostem grubości.

Wyniki badań i ich analiza

Aby zachować porównywalność wyników i oceny termoizolacyjności badanej pianki montażowej, pomiary wartości współczynnika przewodzenia ciepła wykonywano w tych samych odstępach czasu od chwili otrzymania próbek. Próbki kondycjonowano w warunkach laboratoryjnych, tj. w temp. 23°C ±2°C, przy wilgotności względnej powietrza 50 ±10% RH.

Pomiary dotyczą średniej temp. 10°C przy różnicy temperatury płyt aparatu wynoszącej 20°C. Próbki w trakcie badań nie wykazywały zmian wartości współczynnika przewodzenia ciepła w czasie (RYS. 1).

Zachowanie to jest typowe dla pianek PU spienianych dwutlenkiem węgla, który po kilku dniach przestaje wypełniać pory, co przekłada się na stabilność parametrów cieplnych materiału niemal od początku jego powstania. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła ok. 0,033 W/(m·K) również jest typowa dla tego rodzaju pianek [10].

Analizowany materiał wykazuje zmniejszenie wartości współczynnika przewodzenia ciepła wraz ze wzrostem średniej gęstości pozornej (RYS. 2). Podobna zależność krzywoliniowa charakteryzuje lekkie polistyreny ekspandowane EPS. Zagadnienie to omówiono m.in. w pracy Z. Kobzy [11].

Przy powierzchni pianek PUR obserwuje się warstwę o największej gęstości pozornej. Po ścięciu zewnętrznych warstw pianki sztywnej jej średnia gęstość pozorna zmniejsza się o 15-20%, co powoduje zmniejszenie wartości współczynnika przewodzenia ciepła o ponad 7% [4].

W badanych piankach otrzymano podobne zmniejszenie gęstości, lecz nie zaobserwowano zmian wartości współczynnika przewodzenia ciepła przed usunięciem i po usunięciu naskórka, co ilustruje RYS. 3. Zmniejszenie wartości współczynnika przewodzenia ciepła w sztywnych piankach wynika z obecności poroforów dłużej utrzymujących się i o lepszych parametrach cieplnych niż CO₂.

Otrzymane zmiany gęstości pozornej oraz zmiany wielkości porów w próbkach są spójne z wynikami uzyskanymi przez A. Prociaka na sztywnych piankach PU [4]. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła analizowanej pianki nawiązują do warunków spieniania, struktury i gęstości pozornej materiału.

Między najcieńszą i najgrubszą próbką zaobserwowano dwukrotny wzrost wartości współczynnika przewodzenia ciepła, spowodowany większym udziałem w przenoszeniu ciepła procesu konwekcji (następuje znaczący wzrost wielkości porów). Różnice tego parametru między próbkami należy przypisać różnym gęstościom pozornym oraz liczbie i rozmiarom porów.

Stosowanie pianek w aerozolu o dużej prężności do wypełniania małych przestrzeni w przegrodach budowlanych okazuje się korzystne i uzasadnione. Aplikacja bez ograniczenia ekspansji tego rodzaju pianek jednoskładnikowych przy uszczelnianiu większych przestrzeni niekorzystnie wpływa na ich izolacyjność cieplną.

Pianki wysokoprężne wykazują obecność dużych wymiarów porów, nawet w cieńszych próbkach. Ponadto pianki o dużej prężności charakteryzują się wartością współczynnika przewodzenia ciepła l = 0,06 W/(m·K) [2].

Potwierdza to wynik otrzymany w próbce gr. 130 mm. Przy ograniczonym wzroście piany (w cieńszych próbkach) wyniki są podobne do uzyskiwanych w piankach dwuskładnikowych w aerozolu (λ = 0,032-0,036 W/(m·K)).

Konsekwencją usunięcia naskórka (zmiany grubości próbek) jest zmniejszenie oporu cieplnego (RYS. 4). Z przeprowadzonych badań wynika, że warstwa pianki gr. 130 mm o swobodnym wzroście charakteryzuje się podobnym oporem cieplnym co warstwa gr. 80 mm przy ograniczonym wzroście piany.

Jest to spowodowane różnicą gęstości obu materiałów dochodzącą do 100% oraz różnicą wartości współczynnika przewodzenia ciepła przekraczającą 70%.

Opór cieplny w wyniku swobodnego wzrostu piany w próbce gr. 130 mm zmniejszył się o ponad 40% względem piany, która dojrzewałaby w warunkach ograniczających jej ekspansję, dlatego ograniczenie swobodnego wzrostu w piankach wysokoprężnych przynosi korzystne rezultaty, szczególnie gdy wypełniane są przestrzenie o najmniejszym wymiarze przekraczającym kilkadziesiąt milimetrów.

Podsumowanie

Pianki półsztywne wysokoprężne w aerozolu wykazują stabilność parametrów cieplnych już w krótkim czasie od aplikacji. Nie zaleca się uszczelniania większych przestrzeni wokół stolarki otworowej piankami jednoskładnikowymi o wysokiej prężności. Wskazane jednak jest ograniczenie wzrostu pianek wysokoprężnych.

Wówczas przy montażu stolarki budowlanej z użyciem pianek w aerozolu podobnych do badanej należy zadbać o zabezpieczenia futryn okiennych i drzwiowych przed wypaczeniem. Dodatkowo nie zaleca się ścinania nadmiaru stwardniałej pianki w aerozolu, gdyż izolacje pseudozamkniętokomórkowe wymagają specjalnego zabezpieczenia powłokami malarskimi w celu zapewnienia stanu suchego.

Z przeprowadzonych badań wynika, że technologia wykonywania próbek wpływa w dużym stopniu na gęstość pozorną pianki po utwardzeniu. Ocena struktury wykazała wzrost wielkości porów i zmniejszenie gęstości pozornej próbek wraz ze wzrostem ich grubości. Analizowany materiał od chwili wykonania nie wykazał zmian wartości współczynnika przewodzenia ciepła w czasie.

Wpływ naskórka powoduje zmianę gęstości w zakresie 15–20% nie przyczynia się do zmian przewodnictwa cieplnego badanego materiału. Efektem wynikającym ze swobodnego wzrostu pianki jest zmniejszenie oporu cieplnego w porównaniu z pianką o ograniczonym wzroście. Wykazano także, że istnieje zależność współczynnika przewodzenia ciepła od gęstości pozornej pianki PU.

Literatura

1. J. Sawicki, "Zastosowanie poliuretanów w budownictwie", IZOLACJE, nr 4/2007, s. 44.
2. M. Wrona, "Uszczelnianie, wypełnianie, wygłuszanie - pianki poliuretanowe w budownictwie", IZOLACJE, nr 05/2009, s 56.
3. P. Furmański, T.S. Wiśniewski, J. Banaszek, "Izolacje cieplne, mechanizmy wymiany ciepła, właściwości cieplne i ich pomiary", Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.
4. A. Prociak, "Poliuretanowe materiały termoizolacyjne nowej generacji", Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2008.
5. G. Oertel, "Polyurethane Handbook", Carl Hanser Verlag, Munich, Vienna, New York 1994.
6. "The polyurethanes book", D. Randall, S. Lee (ed.), Wiley Ltd. 2002.
7. A. Konarzewski, "Jak ocenić właściwości i określić wydajność poliuretanowej montażowej pianki budowlanej", „IZOLACJE”, nr 7/8/2007, s. 72.
8. W. Kukulska, "Wymagania techniczne i kryteria oceny uszczelniających pianek poliuretanowych w aerozolu", Prace ITB nr 4 (144), Warszawa 2007, s. 37-46.
9. M. Sobolewski, "Izolacyjność cieplna pianki w aerozolu do montażu stolarki otworowej", "Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce", Łódź 2013, s. 222-232.
10. J. Papiński, L. Żabski, "Zrozumieć poliuretany" "Materiały Budowlane", nr 01/2011, s. 57–58.
11. "Budownictwo ogólne", t 2. "Fizyka budowli", pod red. Z. Kobzy, Arkady, Warszawa 2009.
12. D. Bhattacharjee, J.A. King, K.N. Whitehead, "Journal of Cellular Plastics" 27/1991, s. 240.
13. R. Borkowski, "Izolacje termiczne w zastosowaniach przemysłowych a ochrona środowiska", Konferencja Izolacje, Warszawa 2013, s. 63–75.
14. H. Fluerent, S. Thijs, "Journal of Cellular Plastics", 31/1995, s. 580.
15. M.C. Hawkins, B. O’Toole, D. Jackovich, "Journal of Cellular Plastics", 41/2005, s. 267.
16. A. Kmieć, "Procesy cieplne i aparaty", Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005.
17. E. Placido, M.C. Arduini-Schuster, J. Kuhn, "Infrared Physics & Technology", nr 46/2005, s. 219.
18. D.W. Reitz, M.A. Schuetz, L.R. Glicksman, "Journal of Cellular Plastics", nr 20/1984, s. 104.
19. „Budownictwo ogólne”, t. 1. "Materiały i wyroby budowlane", pod red. B. Stefańczyka, Arkady, Warszawa 2009.
20. Z. Wirpsza, "Poliuretany. Chemia, technologia, zastosowanie", WNT, Warszawa 1991.
21. S. Wiśniewski, T.S. Wiśniewski, "Wymiana ciepła", WNT, Warszawa 2000.
22. L. Żabski, J. Papiński, "Pianki PIR - nowy typ izolacji typu sztywna pianka poliuretanowa", Konferencja Izolacje, Warszawa 2012, s. 67–80.
23. PN-EN 12667:2002, "Właściwości cieplne materiałów, określenie oporu cieplnego metodami osłoniętej płyty grzejnej i czujnika strumienia cieplnego. Wyroby o dużym i średnim oporze cieplnym".
24. PN-EN 14308:2012, "Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Wyroby ze sztywnej pianki poliuretanowej (PUR) i pianki poliizocyjanurowej (PIR) produkowane fabrycznie".
25. Strona internetowa: www.muratorplus.pl/technika/chemia-budowlana/piana-wezykowa-o-parametrach-zblizonych-do-pistoletowej_57925.html.

IZOLACJE 1/2015

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!