Характеристики

Стандарт

Ед. изм.

D 1505

г/см³

1,05

D-785

M scale

76

5036

%

93,7

53491

1,59

53452

МПа

3200

53452

МПа

100

53455

МПа

3100

53455

МПа

50

53455

%

3

53460

°С

>98

53461

°С

86/98

D-2766

Дж/г К

1,8

53752

К-1 х 10-5

8

52612

Вт/ м К

0,17

°С

>280

°С

80

°С

130 - 170

ISO 180

кДж/м²

10

53453

кДж/м²

14

Современное строительство базируется на использовании эффективных легких ограждающих конструкций, среди которых все шире применяют конструкции с теплоизоляционным слоем из газонаполненных пластмасс. Газонаполненные пластмассы занимают особое место среди теплоизоляционных материалов, применяемых в современном строительстве, что обусловлено их низкой средней плотностью и самой низкой, в сравнении с другими материалами, теплопроводностью. Вместе с тем пенопластам свойственны такие от­рицательные качества, как недостаточная эксплуатационная стойкость, осо-

бенно в условиях повышенной влажности, повышенных температур, солнеч­ной радиации, а также повышенная горючесть.

Еще в древнейшие времена были известны пластические материалы ор­ганического происхождения, например, природные битумы (асфальты). В VII веке до нашей эры в Вавилоне применяли природный битум как цементи­рующий и водостойкий материал при строительстве водовода под рекой Ев­фрат. Асфальт широко использовали также во времена Римской империи. Римский писатель Плиний, живший в I веке нашей эры, дал описание внеш­них признаков хорошего асфальта и назвал области его применения в строи­тельстве. Имеются также сведения, что в XV веке в Перу (Южная Америка) этот материал широко применяли в дорожном строительстве.

В средние века органические пластические массы не получили значи­тельного развития. Эти материалы начали вновь использовать в XIX веке. Важнейшими достижениями XIX столетия является открытие процесса вул­канизации природного каучука путем нагревания его с серой (США, 1939 г.), синтез изобутилена (А.Н.Бутлеров), полимеризация этиленовых соединений (С. В. Лебедев), получение полимеризационных полимеров (полистирол, по-ливинилацетат, полиуретановые, кремнийорганические и др.).

Основу технологий пластмасс составляет способность атомов углерода образовывать друг с другом длинные цепочки и присоединять к себе многие другие атомы, как, например, атомы кислорода, азота и т. п. Таким образом, помимо углерода в органических соединениях важную роль играют водород, кислород, азот, сера, фосфор, галогены, кремний и некоторые металлы. Сильно различающийся состав органических соединений и вытекающие из этого многообразие их реакционной способности делают соединения весьма эффективными.

Полимерные теплоизоляционные материалы по характеру пористости разделяют на ячеистые или пенистые пластмассы (пенопласты), характери­зующиеся преимущественно замкнутыми порами ячеистого строения; порис­тые пластмассы (поропласты), пористая структура которых сложена в виде системы сообщающихся ячеек или полостей; сотовые пластмассы (сотопла-сты), пористость которых представлена геометрически правильными пусто­тами (сотами), получаемыми целенаправленной переработкой исходного пла­стического материала без его вспенивания.

Стирол -С6Н5СН=СН2 - ароматическое соединение с ненасыщенной бо­ковой цепью, бесцветная жидкость плотностью 0,909 г/см3, с температурой кипения 145 С. Теплостойкость полистирола по Мартенсу составляет 70-80(С. Недостатками полистирола как строительного материала является его большая хрупкость, низкий показатель удельной ударной вязкости, невы­сокая атмосферостойкость, а также способность самопроизвольно разрушать­ся от возникновения внутренних напряжений.

Эти отрицательные свойства полистирола побуждают технологов искать пути улучшения его свойств. Наиболее эффективна в этом отношении сопо-лимеризация стирола с синтетическим каучуком.

Создание ячеистой пористой структуры полистирола достигается при­менением жидких вспенивающих веществ (фреоны, изопентан, 4-хлористый углерод). При нагревании до температуры кипения или при снижении давле­ния эти вещества способны вспенивать полимер.

Пористость и средняя плотность полистирола определяются гео­метрической формой и размерами пор, соотношением замкнутой и сооб­щающейся пористости. Пенопласты, выпускаемые промышленностью, харак­теризуются полифракционным распределением пор по размерам. Такие ха­рактеристики пористой структуры, как форма и размер пор, толщина поли­мерных пленок (межпоровых перегородок), колеблются в объеме материала в широких пределах. Эти колебания носят как закономерный, обусловленный составом композиции и параметрами технологии, так и случайный характер. В табл. 4.22 приведены характерные параметры ячеистой структуры некото­рых наиболее широко распространенных пенопластов.

Таблица 4.22 Характеристики пористой структуры пенопластов

Как видно из табл. 4.17, параметры пористой структуры полистирола выгодно отличают его от других видов пенопластов.

Физико-механические свойства пенопластов обусловлены характе­ристиками их пористой структуры и свойствами исходного полимера, его природой. Они могут быть улучшены созданием мелкопористой структуры с преобладанием замкнутых пор.

Теплопроводность пенопластов составляет 0,023-0,045 Вт/(м-°С). Поли­стирол по теплопроводности занимает среднее положение среди теплоизоля­ционных пенопластов.

Теплостойкость и температуру применения пенопластов при экс­плуатации в условиях повышенных температур определяет их формостабиль-ность. Условно за характеристику теплостойкости пенопластов принимают температуру, при которой линейная усадочная деформация материала за 24 ч не превышает 1 %. Технической характеристикой теплостойкости является

показатель рабочей температуры, при которой материал продолжает еще со­хранять свои эксплуатационные свойства, а усадочные деформации не пре­вышают заданных значений.

Наиболее теплостойки пенопласты (температура эксплуатации до 100°С).

По горючести полистирольные пенопласты легко загораются и полно­стью сгорают со значительным дымовыделением. В настоящее время про­мышленность выпускает самозатухающие полистирольные пенопласты, в со­став которых введены антипирены. Для возгорания их требуется более дли­тельное воздействие огня.

Эксплуатационная стойкость теплоизоляционных материалов в строи­тельных конструкциях определяется типом конструкций и климатическими условиями района строительства. Основными агрессивными факторами для утеплителей ограждающих конструкций являются длительное воздействие повышенных температур, влажность окружающей среды, число переходов через О °С (циклы замораживания и оттаивания). Попеременное увлажнение и высушивание наиболее интенсивно снижает прочностные и упругие свой­ства пенопластов - до 40% в зависимости от вида полимерной основы. Цик­лическое замораживание и оттаивание также негативно влияет на механиче­ские показатели пенопластов. В зависимости от вида полимера после 25 цик­лов испытаний прочность при сжатии снижается на 10-25%.

Полистирол является наиболее распространенным утеплителем}исполь­зуемым в комплексных конструкциях. Применяется суспензионный (бисер­ный) полистирол в виде гранул размером 0,5-3 мм, который получают путем суспензионной полимеризации стирола; при этом вводится 4-5% изопентана. Выпускается также суспензионный полистирол с пониженной горючестью (самозатухающий) (ПСБС). Для снижения горючести во время полимериза­ции стирола вводят тетрабромпараксилол в количестве 4-5%.

Сущность процесса получения ПСБ заключается в том, что под влияни­ем повышенной температуры (80 °С и выше) полистирол переходит из стек­лообразного состояния в вязкотекучее, а изопентан, вскипая при температуре выше 28 °С, давлением паров вспенивает гранулы полистирола. В дальней­шем отдельные гранулы гидрофобного материала, каким является полисти­рол, способны свариваться друг с другом в присутствии воды при сравни­тельно невысоких температурах (90-100 °С). Предварительное вспенивание гранул на первой стадии осуществляют в свободном объеме в аппаратах пе­риодического (емкости, ванны) или непрерывного действия (шнековые бара­банные и другие предвспениватели). Процесс осуществляют при температуре 90 ™120 °С, используя различные виды теплоносителя: водяной пар, горячую воду. Гранулы полистирола при этом резко снижают среднюю плотность, ко­торая достигает значений, близких к заданным для готовой продукции. Пред-

варительно вспененные гранулы сушат горячим воздухом, а затем в течение 9-24 часов выдерживают при нормальной температуре для ликвидации обра­зовавшегося в них разрежения.

Вторичное вспенивание предвспененных зерен полистирола можно осу­ществлять во время тепловлажностной обработки в пропарочных камерах, автоклавах, кассетах и т.п. (табл. 4.23).

Таблица 4.23 Технологические параметры формования изделий из пенополистирола

Санкт-Петербургским Зональным Научно-исследовательским институ­том типового и экспериментального проектирования жилых и общественных зданий разработаны эффективные непрерывные установки для предвспени-вания полистирола. Общие виды установок представлены на рис. 4.19.

Усовершенствованные автором установки предвспенивателей изготов­лены и смонтированы в цехе производства пенополистирола ООО «Индуст­риальное домостроение», созданного на базе заводов АО «ЖБИ-3», АЗОТ «КПД-1» и АЗОТ «КПД-2» г. Ульяновска.

Работа установок осуществляется следующим образом. Полистирол из приемного бункера подается в корпус, где он перемешивается лопостями ро­тора и при обильной подаче пара вспучивается. Требуемое давление пара в корпусе установки - 0,5-1,0 кгс/см2, благодаря чему там создается темпера­тура 95-102 °С. По мере увеличения вспучиваемого полистирола верхними лопостями ротора полистирол удаляется через окно перегородки в люке и попадает в приемный бункер. Время прохождения суспензированного поли­стирола в зависимости от заданных свойств изделий принимают 3-5 мин. Из приемного бункера вспученный полистирол подается на место назначения в бункер-накопитель сжатым воздухом. Производительность вспенивания 4-5м3/ч.

1 - привод ротора; 2 - рама; 3 -шнековый привод; 4 - бункер для загрузки полистирола; 5 - бункер для приемки вспученного поли­стирола; 6 - люк для обслужива­ния ротора в конце работы; 7 -пульт управления

Рис.4.19. Установка для предвспенивания гранул пенополистирола

Из барабанного вспенивателя гранулы выходят с влажностью 30-50%. При первичном вспенивании в гранулах образуются равномерно распреде­ленные ячейки размером 50-150 мкм в форме многогранников, заполненные парами изопентана, Гранулы расширяются при нагревании не только за счет давления паров изопентана, на вспенивание большое влияние оказывает диффузия паров воды в образовавшиеся ячейки.

Перед выдерживанием, если гранулы имеют влажность более 25%, их необходимо высушить. Сушить вспененные гранулы эффективно теплым воздухом температурой 40-60 °С во время транспортировки гранул в бункера вылеживания.

Выдерживают гранулы при температуре не выше 28 °С, так как диффу­зия изопентана из ячеек гранулы интенсифицируется с повышением темпера­туры. Продолжительность выдержки зависит от средней плотности гранул и составляет при 20-30 г/л примерно 6-24 ч. При выдержке необходимо доби­ваться того, чтобы давление в ячейках гранулы сравнялось с атмосферным.

Изделия из предвспененных гранул формуют на оборудовании периоди­ческого действия (стационарные формы, автоклав) или непрерывного дейст­вия (карусельные машины, пакетные формователи, конвейерные линии) с ис­пользованием различных теплоносителей. Температура формования находит­ся в пределах 95-105 °С. Гранулы размягчаются, увеличиваются в размерах и спекаются друг с другом, образуя изделие. Для формования изделий в каме­рах периодического действия вспененные гранулы помещают в формы. При вторичном нагревании полистирол опять размягчается и переходит в вязкоте-кучее состояние. В ячейках гранул создается парциальное давление паров изопентана, воды и воздуха, в результате чего гранулы увеличиваются в объ-

еме. С увеличением объема гранулы полностью заполняют объем формы. При уплотнении гранулы деформируются, превращаясь в многогранники. В местах контакта происходит сваривание (сплавление) отдельных гранул, в ре­зультате чего образуется монолитное изделие.

Для проведения вторичного вспенивания под руководством автора раз­работаны установки периодического действия тупикового и колпакового ти­па. Агрегаты тупикового типа представляют герметичные двухстеночные ка­меры, в которые устанавливаются вагонетки с формами, заполненными пено-полистирольными предварительно вспененными гранулами. Агрегаты колпа­кового типа работают по принципу колпака, выполненного также двухсте-ночным, который опускается на установленные под ним формы. Двухстеноч-ная теплоизоляция делается герметичной. Это позволяет не только повысить просто теплоизоляцию, но и создает основу применения вакуумной тепло­изоляции. Для этого пустотелое пространство форм соединяется с вакуумной системой. После завершения цикла повторного вспенивания, охлаждения форм со спекшимся материалом формы выкатываются из камер и произво­дится распалубка! При охлаждении пенопласта после окончательного вспе­нивания в ячейках гранул создается вакуум, как и при охлаждении после предварительного вспенивания. Остов пенопласта должен сопротивляться разнице давлений в ячейках и атмосферным до тех пор, пока воздух не за­полнит ячейки. Поэтому охлаждать полученные изделия из пенополистирола следует постепенно в формах до температуры 40-50 °С, после чего их извле­кают из формы.

Полученный блочный пенополистирол поступает на пост раскроя, где разрезается на заданные размеры. На ряду с получением пенополистирола в цеху предусматривается дробление и повторное использование остатков по­сле разрезки блоков.

Схема участка по производству пенополистирола на совместном произ­водстве заводов АО «ЖБИ-3» и АЗОТ «КПД-1», общие виды основных уста­новок -одного из вспенивателей, агрегатов колпакового и тупикового типов представлены на рис. 4.20. Технологическая линия завода АЗОТ «КПД-1» по изготовлению трехслойных стеновых панелей соответственно зданий общественного назначения и жилых представлены соответственно на рис. 4.21 и 4.22.

Рис.4.20. Общий вид вспенивателя гранул пенополистирола

Наиболее перспективным является непрерывный способ формования из­делий, осуществляемый на конвейерных линиях (рис. 4.23). В этом случае переработка бисерного полистирола в изделия осуществляется по принципу движения непрерывной конвейерной ленты - поддона, проходящей через раз­личные температурные зоны, в которых происходят процессы предвспенива-ния бисерного полистирола, выдерживания предвспененных гранул и формо­вания изделий за счет спекания отдельных зерен в монолит. Готовый мате­риал выходит в виде непрерывной ленты, которая затем разрезается на плиты заданных размеров. Впервые такая линия была разработана проектно-конструкторским бюро Министерства промышленности строительных ма­териалов БССР. Технологический процесс на этой линии осуществляется следующим образом. Предварительное вспенивание осуществляется в непре­рывно действующих шнек-машинах в течение 0,5-1 мин при давлении пара 0,03-0,05 МПа. Предвспененные гранулы выдерживаются в бункерах хране­ния при температуре 20-28 °С в течение не менее 4 часов и не более 7 сут. Затем гранулы пневмотранспортом подаются в расходный бункер 1, оборудо­ванный вертикальными смесителями, для предовращения сводообразования. Из расходного бункера гранулы засыпаются на нижний лотковый конвейер 9, палеты которого имеют перфорацию для прохождения пара к спекаемом ма­териалу. Высоту засыпки гранул регулируют с помощью шибера 2. Пар к ма­териалу поступает из паровых камер 4, которые установлены в средней и правой частях лоткового конвейера.

Рис. 4.21 Технологическая схема производства ПСБ на заводе ЖБИ-3: а) разрез; б) план: 1 - бункер загрузки сырья из мешков; 2 - первичные вспениватели; 3 - вакуум-насос; 4 - ресивер; 5 - бункеры вылеживания предвспененных гранул; 6 - кол-паковая камера повторного вспенивания и спекания; 7,8 - тупиковые камеры повторного вспенивания и спекания; 9 - формы; в) технологическая схема производства ПСБ: 1 - склад сырья; 2,4 - бункера, 3 -вакуум-насос; 5 -тарельчатый питатель; 6 - шнек для предварительного вспенивания; 7 -приемный бункер; 8 - вагонетки; 9 - автоклав; 10 - машина непрерывного действия; 11 - разбраковочный стол; 12 - готовые изделия; 13 -дробилка; 14 -бункер; 15 - шнековый смеситель; 16 - нож для поперечной резки пенополистирола.

Схема участка по производству пенополистирола на совместном произ­водстве заводов АО «ЖБИ-3» и АЗОТ «КПД-1» (рис. 4.21 а,б) аналогична схеме участка производства на Мытищенском комбинате «Стройпластмасс» (рис. 4.21,в).

Рис.4.22. Схема технологической линии по изготовлению 3 -слойных стеновых панелей жилых зданий на ЗАО «Завод КПД-1»:

1 - конвейерная линия формования панелей;

2 - передаточные телеги;

3 - пропарочные пакеты;

4 - специализированная технологическая линия многовариантной отделки панелей;

5 - бетоноукладчики;

6 - склад технологической оснастки;

7 - мостовой кран.

Рис. 4.23. Конвейерная линия по непрерывному изготовлению пенополистирола

Верхний пластинчатый конвейер 3 предназначен для создания замкнуто­го геометрического пространства, в котором происходят довспенивание и спекание гранул в монолит. Для создания избыточного давления в зоне спе­кания устраивают специальные уплотнения в кожухе, который изолирует конвейеры и паровые камеры. В зоне спекания гранулы образуют сплошной брус 5 сечением 1000x1000 мм, который, выходя из камеры спекания, захва­тывается резиновыми лентами конвейеров 6 и протягивается через калиб­рующее устройство 7. Далее брус с помощью автоматического устройства Н разрезается на плиты заданных размеров. Производительность такой уста­новки составляет 30-40 тыс. м3 изделий в год. Ее обслуживают трое рабочих в смену.

Более совершенная конструкция установки непрерывного формования разработана в НТГП «ЭКСПОЛ» г. Москва производительностью 10-15 м3 в год. Ведутся работы по проектированию установки подобной конструкции в г. Ульяновске.

Основные свойства полистирола марок ПСБ-А, ПСБ, ПСБ-С, полученно­го вспениванием в формах различной конфигурации, представлены в таблице 4.19.

Таблица 4.19

Некоторые свойства ПСВ

Марка ПСВ-А предназначена для изготовления различных деталей; ПСВ - для изготовления тепло- и звукоизоляционных плит, упаковки, технических изделий и товаров народного потребления; марка ПСВ-С - для изготовления технических изделий, тепло- и звукоизоляционных плит, самозатухающих.

Средняя плотность полистирольных изделий колеблется в пределах 16-40 кг/м3 и отражается в марках цифровыми значениями, например^ПСБ-20, ПСБС-30 и т. п. Плиты марки ПСБС не должны поддерживать самостоя­тельного горения после удаления источника огня в течение более 5 с. Темпе­ратура применения плит ПСБ и ПСБС определяется изменением свойств пе­нопласта и не должна превышать 60 °С, так как при повышении температуры их механические характеристики снижаются на 30-40%, а при температурах 80 °С и выше возникают усадочные деформации.

Самозатухающий пенополистирол ПСБС получают теми же тех­нологическими способами без изменения технологических параметров. В этом случае либо используют бисерный полистирол, в состав которого введе­ны антипирены, либо обрабатывают обычные гранулы после их предвспени-вания водной суспензией антипирена, состоящего из триоксида сурьмы, хло­рированных парафинов ХП-70 и эмульгатора ОП-7. Дальнейшая технология пенопласта остается без изменений.

На предприятиях, производящих полимерные теплоизоляционные мате­риалы в зависимости от вида используемых полимеров, их композиций и способа получения изделий, возникают опасности взрыва, пожара, отравле­ния работающих токсичными газообразными веществами. При производстве пенополистирола (ПСБ) пожарная опасность существует как при хранении суспензионного полистирола, так и при производстве, хранении и обработке пенополистирольных изделий.

При хранении суспензионного полистирола выделяется изопентан, кото­рый способен образовывать взрывоопасную смесь (нижняя граница взрыва 1,4% по объему; температура воспламенения 285 °С). Кроме того, он склонен к образованию электростатических зарядов. Искровые или кистевые разряды от полистирола к стенкам резервуара могут воспламенить смесь изопентана. Поэтому помещение хранения изопентана относится к категории взрыво­опасных.

Со склада в производственные помещения сырье доставляют пнев­мотранспортом, который должен быть снабжен устройством для отвода ста­тического электричества и пожарозащитными заслонками.

Технологические операции (первичное и вторичное вспенивание) при обработке паром пожарной опасности не представляет. Однако при первич­ном вспучивании выделяется наибольшее количество паров стирола - весьма токсичного вещества. Поэтому необходимо в этих местах устраивать местные отсосы воздуха, а в цехе - принудительную вентиляцию. При сушке и вы-

держке предвспененных гранул следует учитывать, что из 1 т гранул может выделяться до 20 кг изопентана. Для предотвращения взрывоопасной ситуа­ции необходимо соизмерить количество хранящихся гранул с объемом по­мещения, не допуская достижения опасной концентрации изопентана (1,4% по объему). Помещение хранения должно быть отгорожено брандмауэром, оборудовано стационарными спринклерными, паровыми или углекислотны-ми огнетушителями.

Так как пенополистирол (ПСБ) легкогорючий материал, то склады для его хранения оборудуют огнетушителями и вытяжкой. Вытяжка необходима вследствие выделения токсичного стирола в случае загорания продукции, ко­торое может произойти от спички или от искры при производстве сварочных работ.

Самым эффективным способом теплоизоляционной облицовки наруж­ных поверхностей зданий считают за рубежом применение изделий полной заводской готовности, изготавливаемых на предприятиях строительной инду­стрии. Особенность этого способа облицовки заключается в том, что крепле­ние этих изделий выполняется с полным исключением «мокрых» процессов производства работ. АО «Ракеннусвалмисте» (Финляндия) в процессе монта­жа зданий применяет строительные и фасадные блоки Парма, внутренние и наружные стороны которых выполнены из оцинкованного стального листа, отделанного цветным пластмассовым покрытием. Промежуточный слой име­ет теплоизоляционный материал, который выбирают в соответствии с клима­тическими условиями.

Совершенно новый способ облицовки Драйвит предложен австрийской фирмой «Шполлак». Драйвит состоит из следующих структурных элементов: плиты, изготовленной из вспененного полистирола, приклеенного к основа­нию точечным методом или по всей поверхности смесью состава.

Работы по совершенствованию теплоизоляционных конструкций прово­дятся не только со стеновыми изделиями. Так, например, автором и Макаро­вым А.А. в 1989 г. были сконструированы и изготовлены комплексные кон­струкции плит покрытий, в которых плитный пенополистирольный утепли­тель устанавливался в среднее положение (рис. 4.24). Промышленные партии плит покрытий выпущены на Сельском строительном комбинате в р.п. Крас­ный Гуляй Ульяновской области.

Основной объем работ по повышению теплозащитных свойств зданий и сооружений проводится со стеновыми изделиями. Основной применяемой конструкцией является трехслойная с эффективным утеплителем в среднем слое. Широкое применение таких панелей и плит в отечественной практике сдерживается из-за дефицитности и дороговизны эффективных теплоизоля­ционных изделий, например, плит пенополистирола.

Рис.4.24. Комплексные конструкции с применением пенополистирола: а - сверху пустот­ной плиты; б, в - двух, трех плит на место отверстий в конструкции

Таблица 4.24

Технико-экономические показатели панелей наружних стен (на 1 м2 общей

площади)

Окончание таблицы 4.20

Минераловатный утеплитель недостаточно жесток и из-за высокого во-допоглощения требует дополнительной гидроизоляции, что делает его мало­пригодным для изготовления трехслойных панелей. Отсутствуют пока в не­обходимых количествах нержавеющие, малокорозионные стали, а также обычные стали с антикоррозионным покрытием, необходимые для изготов­ления гибких связей. Выпускаемые в настоящее время в основном трехслой­ные панели с соединительными ребрами имеют большие недостатки. Нали­чие жесткой связи между наружным и внутренним слоем приводит к концен­трации напряжений в местах примыкания соединительных ребер при колеба­ниях температур и трещинообразованию. Отклонения в размерах плит утеп­лителя, их деформативность не позволяют выдерживать проектную толщину ребер, что вызывает отсыревание внутренней поверхности стены. Сравнение технико-экономических показателей панелей наружных стен различных кон­струкций приведено в табл. 4.20.

Сравнение эффективности однослойных панелей с улучшенными тепло­защитными характеристиками плотностью до 1000 кг/м3 и трехслойных пане­лей с эффективным утеплителем показывает, что последние выигрывают не только по теплоизоляционной способности (табл. 4.20), но и более экономич­ны (по приведенным затратам). Среднее положение по технико-экономическим показателям между однослойными и трехслойными панеля­ми, твердеющими при тепловлажностной обработке, занимают ячеистые од­нослойные панели. Наиболее перспективной конструкцией является трех­слойная панель с гибкими связями и эффективным утеплителем.