Izolacyjna pianka poliuretanowa z otwartymi komórkami

Szacuje się, że w Europie wznoszone w ciągu roku nowe budynki stanowią zaledwie 0,2% ogólnych zasobów mieszkaniowych. Wiele z istniejących obiektów znajduje się na bardzo niskim poziomie technicznym, zarówno ze względu na źródła energii, jak i możliwość jej oszczędzania. W bardzo wielu budynkach, nawet stosunkowo niedawno zbudowanych, jedyną możliwością regulacji temperatury jest otwarcie lub zamknięcie okien, a to oznacza straty ciepła.

Wymiana wszystkich użytkowanych budynków na takie, które umożliwią optymalną gospodarkę energią i zapewnią względnie dobre warunki egzystencji, musiałaby potrwać bardzo długo. Realnym sposobem na poprawę sytuacji jest doposażenie istniejących budynków w nowoczesne urządzenia grzewcze, a przede wszystkim radykalna poprawa izolacyjności.

Poprawa izolacyjności budynku

Realizacja projektu poprawy izolacyjności wymaga bardzo wnikliwej analizy uwzględniającej:

• kształt powierzchni izolowanej,
• właściwości materiału izolacyjnego,
• technologię wykonania,
• koszt inwestycji,
• przewidywane zachowanie się izolacji podczas eksploatacji.

Jedną z metod poprawy izolacyjności budynku jest zastosowanie lekkich pianek poliuretanowych spienianych chemicznie.

Historia tworzywa

Pianki poliuretanowe znalazły zastosowanie jako materiał izolacyjny przede wszystkim ze względu na bardzo dobrą izolacyjność. Tworzywo ma zamknięte komórki wypełnione gazem, którego rodzaj decyduje o wartości współczynnika przewodzenia ciepła.

Na początku rozwoju pianek poliuretanowych jako środki spieniające używane były fluorochlorowęglowodory (freon 11) charakteryzujące się bardzo niskimi wartościami współczynnika przewodzenia ciepła. Okazało się jednak, że substancje te niekorzystnie oddziałują na warstwę ozonową, więc jako środki spieniające zaczęto stosować ciecze niskowrzące (HCFC 141B, HFC 245, HFC 365/227, węglowodory itp.).

Wrócono też do pierwszej metody spieniania pianek poliuretanowych metodą chemiczną wykorzystującą wydzielanie się dwutlenku węgla w wyniku reakcji zachodzącej pomiędzy poliizocyjanianem i wodą, czyli otrzymywania pianek poliuretanowo‑mocznikowych. Pierwsze rezultaty nie były jednak udane. Oprócz znacznego pogorszenia się właściwości izolacyjnych i zwiększenia zużycia poliizocyjanianów, wystąpiły również problemy technologiczne ze względu na wysoką lepkość komponentów. Pianki spieniane wyłącznie metodą chemiczną miały także podwyższoną kruchość i tendencję do skurczu.

Na kilkanaście lat zrezygnowano więc z prób wytwarzania pianek izolacyjnych spienianych wyłącznie metodą chemiczną. Dopiero w latach 80. ubiegłego wieku wrócono do tematu, jednak ze zmienionym podejściem. Zamiast wytwarzania pianek o zamkniętych komórkach i dość wysokich właściwościach mechanicznych opracowano materiał o komórkach otwartych, stosunkowo wysokim współczynniku przewodzenia ciepła i niskich parametrach wytrzymałościowych. Pianki te pod względem fizykomechanicznym są raczej piankami półelastycznymi. Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała gęstość pozorna, kilkukrotnie mniejsza niż klasycznych pianek poliuretanowych.

O ich obecności na rynku zdecydowały względy ekonomiczne. Komponenty do pianek poliuretanowych nie są tanie. Produkowane są z pochodnych ropy naftowej w wyniku wielu skomplikowanych procesów. Ostatnio coraz częściej próbuje się stosować pochodne olejów roślinnych.

Ponieważ stosunek współczynnika przewodzenia ciepła pianek zamknięto- i otwartokomórkowych wynosi ok. 1,5, a stosunek ich gęstości pozornych ok. 6,0, oczywiście opłacalne jest zwiększenie grubości izolacji (tam, gdzie jest to możliwe) i oszczędzanie na masie stosowanego materiału.

Charakterystyka lekkich pianek otwartokomórkowych

Lekkie otwartokomórkowe poliuretanowe pianki izolacyjne mają wszystkie charakterystyczne cechy przetwórcze typowych natryskowych pianek izolacyjnych:

• postacią handlową są dwukomponentowe systemy surowcowe,
• przetwórstwo odbywa się przy użyciu typowych agregatów spieniających (fot.),
• proces syntezy tworzywa następuje w miejscu użytkowania,
• wytworzona pianka ma dobrą przyczepność do podłoża, proces syntezy trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu sekund,
• gotowe tworzywo jest obojętne dla organizmów żywych,
• powłoka izolacyjna jest ciągła, bez mostków termicznych.

Pewnym ograniczeniem w aplikacji tych pianek bywa konieczność homogenizacji składnika poliolowego przed użyciem ze względu na dużą zawartość wody (nawet 20% wag.) i możliwość rozwarstwiania.

Wymienione właściwości pianek lekkich umożliwiają wykonywanie izolacji o różnych kształtach, racjonalną logistykę i organizację placu budowy. Mała gęstość pozorna pozwala na wytworzenie izolacji bez konieczności wzmocnienia konstrukcji nośnej izolowanego obiektu. Gęstość pozorna izolacyjnych panek lekkich wynosi 8–12 kg/m³. Ponieważ gęstość polimeru uretanowego wynosi ok. 1200 kg/m³, objętość polimeru w całkowitej objętości pianki wynosi mniej niż 1% (ponad 100-krotny stopień spienienia). Resztę objętości pianki wypełnia gaz, którym w chwili powstawania pianki jest dwutlenek węgla, a podczas eksploatacji powietrze.

Jeżeli podczas eksploatacji izolacja będzie narażona na działanie wody, wystarczy absorpcja w ilości 1%, żeby masa izolacji wzrosła dwukrotnie. Współczynnik przewodzenia ciepła pianek otwartokomórkowych o zerowej zawartości wody wynosi 0,036–0,040 W/(m·K), ale nawet śladowa zawartość wody znacznie go zwiększa. Możliwość zawilgocenia pianek otwartokomórkowych jest duża. Wilgotność maksymalna powietrza jest funkcją temperatury. Ciepłe powietrze zawierające większą wilgotność wnika do warstwy izolacji od cieplejszej strony i ochładza się w kontakcie z chłodniejszą stroną. Zostaje przekroczona maksymalna wilgotność powietrza w tej temperaturze i wykroplenie części wody. Ponieważ w naszym klimacie różnice temperatur są znaczne, proces powtarza się wielokrotnie i zawilgocenie izolacji stopniowo rośnie. Można zapobiec temu procesowi przez utrzymywanie wewnątrz izolowanego pomieszczenia wilgotności względnej poniżej 30%, czyli kontrolowaną wentylację. Ponieważ wentylacja wiąże się z wymianą powietrza, a więc obniżaniem temperatury, celowość takiego działania jest wątpliwa. Bardziej skuteczne jest stosowanie przegród ograniczających dopływ ciepłego, wilgotnego powietrza do warstwy izolacji. Pianki o otwartych komórkach wykazują znaczną stabilność wymiarów i nawet przy dużych zmianach temperatury nie wykazują tendencji do skurczu. Jest to rezultat swobodnego przepływu gazów i braku różnic ciśnienia wewnątrz i na zewnątrz komórek. Jednocześnie struktura mikrokomórkowa zapewnia wystarczającą szczelność warstwy izolacji.

Pianki tego typu pomimo małej masy wykazują znaczną zdolność tłumienia dźwięku. Otwarte komórki o różnych wymiarach umożliwiają wielokrotne odbicie fal dźwiękowych o różnej częstotliwości i w efekcie pochłonięcie znacznej ilości energii. Lepsza zdolność tłumienia dźwięków jest jedną z charakterystycznych cech różniących pianki otwarto- i zamkniętokomórkowe. Jest to zaleta tego materiału, ponieważ pianki te przeznaczone są przeważnie do izolowania pomieszczeń mieszkalnych i użyteczności publicznej.

Palność materiałów budowlanych, w tym izolacji, jest cechą wzbudzającą wiele kontrowersji wśród inwestorów, projektantów, służb przeciwpożarowych i użytkowników. Przyczyną tego jest m.in. mnogość niezbyt precyzyjnych metod określania palności i czasami przesadne oczekiwania. Pianki poliuretanowe, jak wszystkie materiały pochodzenia organicznego, ulegają spaleniu w wysokiej temperaturze. Zresztą znaczna część izolacji pochodzenia nieorganicznego również ulega zniszczeniu w wysokiej temperaturze. Od pianek poliuretanowych nie należy więc oczekiwać odporności na działanie zewnętrznego źródła ciepła – trzeba oczekiwać, by nie były one źródłem zapalenia i żeby nie przenosiły płomienia na inne materiały. I taką rolę pianki poliuretanowe są w stanie spełnić.

Chociaż poliuretany w stanie czystym należą do tworzyw palnych, dzięki wbudowaniu lub dodatkowi odpowiednich związków zmniejszających palność można znacznie ograniczyć ich podatność na płomień. Korzystne jest maksymalne ograniczenie potencjalnego kontaktu izolacji ze źródłem ognia przez zastosowanie niepalnych okładzin. Połączenie modyfikacji chemicznej zmniejszającej palność polimeru i odpowiedniej konstrukcji obiektu izolowanego zwykle daje zadowalające rezultaty.

Na ogół producenci otwartokomórkowych lekkich pianek poliuretanowych nie powołują się na palność materiału polimerowego mierzonego popularnym testem DIN 4102 [1] (klasa B2) czy według normy PN‑EN ISO 11925-2:2010 [2] (klasa palności E). Test ten jest jednym z podstawowych wymagań dotyczących izolacji ze sztywnych zamkniętokomórkowych pianek poliuretanowych. Natomiast wszyscy podają klasę B (PN-EN 13823:2010 [3]) dla konstrukcji pokrytej niepalną płytą gipsową. Innym przykładem ilustrującym takie postępowanie są statki kosmiczne, w których jako izolację zastosowano pianki poliuretanowo-poliizocyjanurowe, czyli materiał organiczny. Odpowiednia konstrukcja wykorzystująca specyficzne właściwości pianek zapewniła bezpieczeństwo załogom tych obiektów.

Na kontynencie amerykańskim lekkie poliuretanowe pianki natryskowe znajdują coraz powszechniejsze zastosowanie w izolowaniu attyk dachowych nowych obiektów. Dają one znakomite wzmocnienie konstrukcji dachowej w trakcie huraganów.

Podsumowanie

Pianki poliuretanowe zawierające otwarte komórki mają właściwości, które umożliwiają zastosowanie ich jako izolacji cieplnych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Szczególnie godna uwagi wydaje się możliwość wykorzystania lekkich pianek otwartokomórkowych nanoszonych metodą natrysku do izolowania nowych obiektów budowlanych. Można wtedy zaprojektować odpowiednią grubość izolacji (ok. 15 cm i więcej), zaplanować jej użycie wewnątrz obiektu pozbawionego dostępu wilgoci, zaprojektować też odpowiednią warstwę ognioochronną (płyta gipsowa, farba ognioochronna typu np. intumescent coating itp.). Pianki tego typu mogą być stosowane w obiektach już istniejących, poddawanych termorenowacji. Zabezpieczenie izolacji przed dostępem wilgoci i źródłem ognia powinno umożliwić bezpieczną i ekonomiczną ich eksploatację.

Literatura

1. DIN 4102, „Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen”.
2. PN-EN ISO 11925-2:2010, „Badania reakcji na ogień. Zapalność wyrobów poddawanych bezpośredniemu działaniu płomienia. Część 2: Badania przy działaniu pojedynczego płomienia”.
3. PN-EN 13823:2010, „Badania reakcji na ogień wyrobów budowlanych. Wyroby budowlane, z wyłączeniem podłogowych, poddane oddziaływaniu termicznemu pojedynczego płonącego przedmiotu”.
4. J. Straube, R. Smith, G. Finch, „Report by Building Engineering Group”, University of Waterloo, March 2009.
5. L. White, „Soft insulation has developed a niche via educating architects and specifiers”, Urethanes Technology, June/july 2011.

IZOLACJE 9/2011

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!