Jak określać wartość oporu cieplnego i współczynnika przewodzenia ciepła pianek PUR/PIR w wyrobach budowlanych?

Pianka PUR/PIR wytwarzana jest z izocyjanianu i poliolu, a do wstępnego spieniania wykorzystywany jest ditlenek węgla oraz w dalszej kolejności ciecze o niskiej temperaturze wrzenia. Ditlenek węgla jest tzw. chemicznym czynnikiem spieniającym, ponieważ powstaje w wyniku reakcji izocyjanianu z wodą.

Natomiast podstawowe zadanie spełniają fizyczne czynniki spieniające, takie jak pentan czy związki chlorowcowęglowe zawierające H, Cl, F, C, które pod wpływem ciepła reakcji chemicznej odparowują i doprowadzają do powstania pianki.

Środki porotwórcze powinny dobrze roztwarzać się w produktach reakcji oraz doprowadzić do wytworzenia zamkniętych komórek, w których zostaje uwięziony gaz komórkowy, odpowiadający za właściwości cieplne.

Ocena szkodliwości czynników spieniających

Gazy spieniające powinny być pod względem ekologicznym bezpieczne. Stosowane wcześniej związki chlorowcowęglowe pomimo rewelacyjnie niskich wartości współczynnika przewodzenia ciepła dawały powody do obaw, bo prawdopodobnie doprowadziły do szybkiego uszkodzenia warstwy ozonowej w atmosferze.

Szkodliwość tych gazów ocenia się obecnie na podstawie wskaźników: ODP oraz GWP. GWP to wskaźnik służący do ilościowej oceny wpływu danej substancji na efekt cieplarniany.

Umożliwia porównanie ilości ciepła zatrzymanego przez daną masę gazu do ilości ciepła zatrzymanego przez podobną masę ditlenku węgla. ODP to wskaźnik utworzony w celu ilościowej oceny wpływu poszczególnych substancji na warstwę ozonową.

Został on odniesiony do tzw. czynnika NR 11 monofluorotrójchlorometanu, który został uznany za wartość jednostkową ODP = 1. Szkodliwość czynników spieniających na podstawie wskaźników GWP i ODP według normy PN-EN 378-1+A2:2012 [3] przedstawiono w TABELI.

Jak wykazano, związki te różnią się temperaturą wrzenia – od +40 do -50°C, ale również masą molową i wartością współczynnika przewodzenia ciepła – od 8 do 16 mW/(m·K).

Stosunkowo najbardziej bezpiecznym gazem okazał się ditlenek węgla, którego potencjał tworzenia efektu cieplarnianego jest najmniejszy. Jednak z uwagi na wielkość cząsteczki CO2 może przedostawać się przez ścianki komórek i łatwo dyfundować na zewnątrz.

Natomiast wchodzące automatycznie w to miejsce powietrze powoduje znaczące pogorszenie właściwości cieplnych pianki. Pewne utrudnienie w dyfuzji ditlenku węgla z pianki mogą powodować szczelne dyfuzyjnie okładziny, takie jak taśmy stalowe lub folia aluminiowa gr. co najmniej 50 μm [2].

Obecnie w celu poprawy izolacyjności cieplnej pianek PUR/PIR powszechnie stosuje się węglowodory z grupy pentanów, które cechują się stosunkowo niską ceną oraz dopuszczalnie niskimi wartościami współczynników ODP i GWP [3].

Strategia deklarowania właściwości cieplnych

Przed wprowadzeniem wyrobów na rynek producenci deklarują m.in. wartość współczynnika przewodzenia ciepła/oporu cieplnego. Dokumentami odniesienia są zharmonizowane normy europejskie [1, 2], w których zostało określone, jak postępować, aby mieć na uwadze prognozę uśrednionej w czasie wartości, uwzględniającej starzenie wyrobu przez ok. 25 lat eksploatacji.

Należy zwrócić uwagę, iż wcześniej, gdy nie było tych norm, należało przeprowadzić odpowiednie postępowanie aprobacyjne, w której jednostka upoważniona określała wszystkie potrzebne wymagania. Taką jednostką upoważnioną do badań, a zarazem najbardziej kompetentną w zakresie stosowania wyrobów budowlanych jest nadal Instytut Techniki Budowlanej w Warszawie.

ITB opracował i rozpowszechnił określoną strategię, która wskazuje, jak deklarować właściwości cieplne. Strategia ta została zawarta zarówno w wycofanych, jak i w ważnych aprobatach technicznych dla wyrobów budowlanych zawierających piankę izolacyjną PUR/PIR [4, 5, 6].

Ponieważ nadal obowiązują aprobaty na płyty warstwowe, które objęte już zostały normą PN-EN 14509:2013-12 [1], oraz na wyroby nieobjęte tą normą, takie jak: płyty warstwowe zakrzywione, z okładziną perforowaną czy też z okładziną niemetalową, producenci porównują, jakie aprobaty otrzymali wcześniej i jakie obowiązują obecnie.

Uznano, iż nic się nie zmieniło w zakresie sposobu deklaracji właściwości cieplnych. ITB w wydanych w ostatnich latach dokumentach nadal rozpowszechnia tezę, że do określenia wartości deklarowanej czy też obliczeniowej współczynnika λ wystarczająca jest znajomość wartości początkowej.

Jest to wartość wyprowadzona z pomiaru wykonanego w ciągu 1 do 8 dni od wyprodukowania wyrobu. W ten sposób producenci wyrobów zawierających piankę izolacyjną PUR/PIR zakładają, że nie będzie ona ulegała starzeniu w trakcie wieloletniej eksploatacji w zmiennych warunkach atmosferycznych.

Bez wdawania się w dyskusję, czy jest to słuszne stanowisko, warto przywołać wyciąg z jednej z wielu niemieckich aprobat technicznych dotyczących płyt warstwowych z rdzeniem z PUR-u/PIR-u, gdzie jest zapisane: „wartość początkową współczynnika przewodzenia ciepła należy powiększyć o współczynnik n = 1,2” [7].

Jako przykład, że jest to problem ważny, przytoczmy również wytyczne wydane przez British Board of Agrement no. 55/2012 pt. „Przewodność cieplna i wartości 90/90” [8], gdzie w prosty sposób wyjaśnia się producentom, jak należy wyznaczać wartości charakterystyczne pianki PUR/PIR.

Z powyższego zestawienia wynika, że strategia ITB cechuje się tym, iż do określenia wartości deklarowanej wykorzystuje się wartości początkowe współczynnika przewodzenia ciepła, bez uwzględnienia procesu starzenia, co może prowadzić do zaniżania tej wartości.

Takie postępowanie sprawia, że wartość deklarowana współczynnika przewodzenia ciepła może się różnić w zależności od producenta nawet o ok. 20% i w związku z tym rodzić podejrzenie o występowanie nieuczciwej konkurencji.

Ocena starzenia wyrobu

Obowiązująca od 2001 r. norma PN-EN 13165:2013-05 [2] w załączniku normatywnym C „Określanie wartości oporu cieplnego i współczynnika przewodzenia ciepła uwzględniających starzenie” zaleca, aby przy określaniu wartości deklarowanych uwzględnić efekt starzenia, który jest spowodowany zmianami w składzie gazu w komórkach w ciągu ok. 25 lat użytkowania.

Nie można więc założyć, że standardowe wyroby z pianką PUR/PIR mające zamknięte komórki wypełnione wielkocząsteczkowymi węglowodorami w mieszaninie z ditlenkiem węgla CO₂ są zawsze stanem trwałym. Ustalono w badaniach [9], że dwutlenek węgla jest tzw. nietrwałym czynnikiem spieniającym i może łatwo dyfundować z zamkniętych komórek pianki.

Starzenie pianki i zmiana właściwości cieplnych są więc spowodowane głównie dyfuzją CO₂ na zewnątrz, a powietrza do wewnątrz komórek. W związku z tym Komitet Techniczny CEN/TC 88 „Materiały i wyroby do izolacji cieplnej” uznał, że celowe jest każdorazowe udowodnienie, czy występuje efekt starzenia.

Należy więc sprawdzić normowe procedury przyspieszonego starzenia polegające na: długotrwałym wygrzewaniu pianki w temp. 70°C albo obliczaniu zmian na podstawie procedury stanu ustalonego.

Biorąc pod uwagę pierwsze normowe założenie [2], że płyty warstwowe zawierają okładziny stalowe szczelne dyfuzyjnie, bo grubość warstwy metalu jest większa niż 50 μm, wartość współczynnika przewodzenia ciepła należy warunkowo powiększyć co najmniej o przyrost Δ1 = 0,0015 W/(m·K).

Ponadto w celu sprawdzenia, czy ta procedura może być w pełni stosowana, należy porównać wartości współczynnika przewodzenia ciepła dwóch próbek pianki PUR/PIR gr. 20 mm, jednej kondycjonowanej w warunkach normalnych, a drugiej – w temp. 70°C przez okres 21 dni.

Przy drugim założeniu [2], że celem postępowania jest pełne poznanie efektu starzenia pianki PUR/PIR, wcześniej należy przeprowadzić kondycjonowanie płyty warstwowej przez 175 dni w temp. 70°C, a dopiero wtedy wyznaczyć w odniesieniu do pianki PUR/PIR różnicę między wartościami współczynnika λ przed starzeniem termicznym i po nim.

W tym miejscu należy podać, iż do skorygowanej wartości współczynnika λ powinna być dodana jeszcze tzw. wartość przyrostu bezpieczeństwa, która wynosi aż Δ2 = 0,0010 W/(m·K). Można również uwzględnić trzecie założenie [2], że nieznany jest efekt starzenia płyt izolacyjnych z PUR-u/PIR-u z okładzinami otwartymi dyfuzyjnie, np. z papierem z folią aluminiową gr. mniejszej niż 50 μm.

W tym celu zaleca się przeprowadzić badania dwóch serii próbek gr. 20 mm wystawionych i niewystawionych na starzenie w temp. 60°C. Następnie próbki poddaje się ciągłym pomiarom w celu ustalenia tzw. współczynnika przyspieszenia, który wykazuje, jak podwyższona temperatura wpływa na skład gazu komórkowego.

Uzyskana w ten sposób wartość współczynnika przyspieszenia będzie podstawą do określenia, jaki można przyjąć tzw. przyrost bezpieczeństwa, który powinien być dodany do zmierzonej wartości współczynnika przewodzenia ciepła.

Podsumowanie

Wnioskuje się, aby stowarzyszenie producentów wyrobów do izolacji cieplnej zwróciło się do jednostki upoważnionej, która rozpowszechniła określone stanowisko w sprawie deklarowania właściwości cieplnych pianki PUR/PIR, aby opracowała nowe szczegółowe wytyczne postępowania dotyczące deklaracji właściwości cieplnych pianek PUR/PIR.

Sprawa jest tym bardziej aktualna, iż wielu producentów wyposażyło się w różne przyrządy do pomiaru wartości współczynnika przewodzenia ciepła, sami wykonują pomiary i prowadzą wyliczenia statystyczne w celu określenia wartości deklarowanych.

Postępowanie popularyzujące jest wskazane, bo nie są rozpowszechniane wszystkie pojawiające się wytyczne, np. zamieszczone w aprobacie technicznej [10], gdzie podano, że wartość deklarowana pianki PUR/PIR jest zależna od grubości pianki, a nie od warunków starzenia.

Literatura

1. PN-EN 14509:2013-12, „Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową. Wyroby fabryczne. Specyfikacje”.
2. PN-EN 13165:2013-05, „Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Wyroby ze sztywnej pianki poliuretanowej (PUR) produkowane fabrycznie. Specyfikacja”.
3. PN-EN 378-1+A2:2012, „Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe, definicje, klasyfikacja i kryteria wyboru”.
4. Aprobata Techniczna ITB AT-15-7910/2010, „Płyty warstwowe z rdzeniem ze sztywnej pianki poliuretanowej w okładzinach z blachy stalowej”.
5. Aprobata Techniczna ITB AT-15-6550/2005, „Płyty warstwowe z rdzeniem ze sztywnej pianki poliuretanowej w okładzinach z blachy stalowej”.
6. Aprobata Techniczna ITB AT-15-8410/2010, „Dachowe płyty warstwowe z rdzeniem ze sztywnej pianki poliizocyjanurowej w okładzinach z blachy stalowej i folii PVC”.
7. Zulassung DIBt, Z-10.4-487, „Sandwichelemente ROMA -Schnellbau-Dammpaneel nach DIN EN 14509 mit Stahldeckschichten und einer Kernschicht aus Polyurethan- -Hartschaum”.
8. „Przewodność cieplna i wartości 90/90”, British Board of Agrement no. 55/2012, www.bbacerts.co.uk/055_thermal_conductivity.
9. „The production of rigid polyurethane”, www.materialscience.bayer.com.
10. Aprobata Techniczna ITB AT-15-8960/2012, „Dachowe płyty warstwowe z rdzeniem ze sztywnej pianki poliuretanowej w okładzinie zewnętrznej z blachy stalowej i okładzinie wewnętrznej z żywicy poliestrowej zbrojonej włóknem szklanym”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!