Теплоізоляційні матеріали та вироби — властивості та класифікація

Теплоізоляційні матеріалиЗа останні роки на Українському будівельному ринку з’явилися десятки нових теплоізоляційних матеріалів, завдяки чому стався значний прорив в першу чергу в сфері енергозбереження. З розвитком нових технологій, сучасні ізоляційні матеріали стали більш ефективними, екологічно безпечними і різноманітними, і відповідають конкретним технічним завданням будівництва — можливість будівництва висотних будівель, зменшення товщини огороджувальних конструкцій, зниження маси будівель, витрат будівельних матеріалів, а також економії паливно-енергетичних ресурсів при забезпеченні в приміщеннях нормального мікроклімату.

До теплоізоляційних матеріалів відносяться будівельні матеріали та вироби, призначені для теплової ізоляції огороджувальних конструкцій будівель і споруд, технологічного обладнання та трубопроводів. Такі матеріали мають низьку теплопровідність (при температурі 25 ° С коефіцієнт теплопровідності не більше 0,175 Вт / (м ° С)) і щільність (не вище 500кг / м ³).

Основна технічна характеристика теплоізоляційних матеріалів — це теплопровідність, тобто здатність матеріалу передавати тепло. Для кількісного визначення цієї характеристики використовується коефіцієнт теплопровідності, який дорівнює кількості тепла, що проходить за 1:00 через зразок матеріалу товщиною 1 м і площею 1 м ² при різниці температур на протилежних поверхнях 1 ° С. Теплопровідність виражається в Вт / (мК) або Вт / (м ° C). При цьому величина теплопровідності теплоізоляційних матеріалів залежить від щільності матеріалу, виду, розміру, розташування пір і т.д. Також сильний вплив на теплопровідність надає температура і вологість матеріалу.

Крім цього, важливими додатковими властивостями теплоізоляційних матеріалів є — міцність на стиск, водопоглинання, сорбційна вологість, морозостійкість, паропроникність та вогнестійкість.

Класифікуємо теплоізоляційні матеріали

Теплоізоляційні матеріали та вироби можна систематизувати за основними ознаками:

  • По виду вихідної сировини: неорганічні (мінеральна і скляна вата, ніздрюваті бетони, матеріали на основі азбесту, керамічні та ін) і органічні (дерево-волокнисті плити, пінно-і поропласти, торф’яні плити та ін.) Також виготовляються комбіновані матеріали, з використанням органічних і неорганічних компонентів.
  • За структурою: волокнисті (мінеральна, скляна вата, шерсть тощо), ніздрюваті (ніздрюваті бетони і полімери, пінно-і газокераміка та ін.) І зернисті або сипкі (керамічний і шлаковий гравій, пемзовий і шлаковий пісок та ін.
    • За формою: пухкі (вата, перліт тощо), плоскі (плити, мати, тощо), фасонні (циліндри, полуцеліндри, сегменти тощо), шнурові (шнури з неорганічних волокон: азбестові, мінерального і скляного волокна ).
    • За займистістю (горючістю): вогнетривкі (керамзит, ніздрюваті бетони тощо), важкоспалимі (цементно-стружкові, ксилоліт) і спаленні (комірчасті пластмаси, торфопліти, очерети і пр.)
  • За змістом сполучної речовини: що містять речовину (ніздрюваті бетони, фіброліт і т. д.) і не містять речовину (скловата, мінеральне волокно).

Будівельні і теплофізичні властивості

Маркування теплоізоляційних матеріалів пов’язують з їх щільністю. Тому основним показником якості таких матеріалів є їх марка щільності: D15-35-50-100-125-150-175-200-250-300-350-400-500-600.

Пористі теплоізоляційні матеріали

Мінвата ЛьвівПористі матеріали набули найбільшого поширення в будівництві. Вважається, що чим більший об’єм пор, тим теплопровідність менше, це пов’язано з тим, що найменшою теплопровідністю володіє повітря (0,023 Вт / м ° С). Але теплопровідність залежить не тільки від об’єму, а й від розмірів пор, їх форми, а також характеру пористості і т. д. У великих порах конвективний теплоперенос відбувається інтенсивніше в порівнянні з дрібними, в яких повітря при наявності теплового градієнта може виявитися нерухомим і теплопровідність його мінімальна . Тому при формуванні пористої структури технологічні прийоми завжди спрямовані на отримання, по можливості, більш дрібних, рівномірно розташованих пір по всьому об’єму матеріалу.

Характер пористості робить вирішальний вплив на акустичні та теплоізоляційні властивості пористого матеріалу. При замкнутій пористості матеріал відноситься до теплоізоляційних, а при наскрізній (в певних межах) — до звукопоглинальних. Такі властивості можуть бути поліпшені також шляхом спеціальної обробки поверхонь виробів.

Волокнисті теплоізоляційні матеріали

Волокниста будова характерна для матеріалів на основі мінерального (мінеральна і скляна вата) або органічного волокна (дерева, полімерне, тварина). Мінеральні волокна отримують шляхом розплавлення неорганічної сировини з подальшим перетворенням розплаву (шляхом розпилення, витягування через фільєри або іншими способами) в волокна, а органічне — шляхом розщеплення деревини або іншої рослинної сировини на волокна до мінімально можливого діаметра. Виконання такої операції здійснюється на досить складному обладнанні і зазвичай пов’язано з великою витратою енергії.

Теплоперехід в волокнистих матеріалах здійснюється за рахунок перенесення тепла від одного волокна до іншого (кондукційних — передача тепла від одного об’єкта іншому при прямому контакті), а також конвективним перенесенням повітря, укладеним між волокнами. Тому з зменшенням товщини волокон теплоперехід уповільнюється, оскільки при передачі тепла від одного волокна до іншого витрачається теплова енергія: чим тонше волокно, тим більше таких контактів, тим більше втрати тепла при його перенесенні у напрямку теплового градієнта. При тонковолокнистій структурі повітря знаходиться у вигляді тонких прошарків неправильної форми, що також ускладнює теплоперехід такій структурі за рахунок конвективного теплопереходу.

Оптимальною вважається структура по можливості з більш тонкими волокнами. Для неорганічних матеріалів зазвичай розмір волокон обмежується величиною 5-8мк, так як при меншому діаметрі волокно виходить ламким. Для органічних матеріалів діаметр волокон залежить від природи вихідного матеріалу і в ряді випадків може бути значно менше. Теплопровідність волокнистих матеріалів залежить також від напрямку потоку теплоти. Наприклад, для дерева теплопровідність вздовж волокон приблизно в 2 вище, ніж впоперек.

Зволоження і тим більше замерзання води в порах матеріалу веде до різкого збільшення теплопровідності, оскільки у води вона дорівнює 0,58 Вт / м ° С, тобто приблизно в 25 разів більше, ніж у повітря, а теплопровідність льоду дорівнює 2,32 Вт / м ° С, в 100 разів більше, ніж у повітря.

Властивості теплоізоляційних матеріалів

Температуростійкість оцінюють граничною температурою застосування матеріалу. Вище цієї температури матеріал змінює свою структуру, втрачає механічну міцність і руйнується, а органічні матеріали можуть загорятися. Граничну температуру застосування встановлюють трохи нижче значення температуростійкості в цілях безпеки, і вказують у технічній характеристиці матеріалу.

Теплоємність має істотне значення в умовах частих теплозмін, так як в цих умовах необхідно враховувати теплоту, що поглинається (акумульовану) теплоізоляційним шаром. Теплоємність неорганічних матеріалів коливається від 0,67 до 1 кДж / кг ° С. Зі збільшенням вологості матеріалу його теплоємність різко зростає, тому що для води при 4 ° С вона складає 4,2 кдж / кг ° С. Збільшення теплоємності відзначається і при підвищенні температури.

Вогнестійкість характеризує горючість матеріалу, тобто його здатність займатися і горіти при впливі відкритого полум’я. Горючі матеріали можна застосувати тільки при здійсненні заходів щодо захисту від загоряння і можливості використання засобів пожежогасіння. Займистість визначається при впливі температури 800-850 ° С і витримці протягом 20 хв.

Фізико-механічні властивості

Щільність для жорстких матеріалів — відношення маси сухого матеріалу до його об’єму, а щільність волокнистого — це відношення маси сухого матеріалу до його об’єму, але при певних заданих навантаженнях.

Міцність при стисненні визначається при 10% деформації. Це величина напруги, що викликає зміну товщини виробу на 10%. Це величина напруги, що викликає зміну товщини вироба на 10%.

Міцність теплоізоляційних матеріалів внаслідок їх пористої будови відносно невелика. Межа міцності при стисненні зазвичай коливається від 0,2 до 2,5 МПа. Матеріали, у яких міцність вище 0,5 МПа, називають теплоізоляційно-конструктивними і використовують для несучих огороджувальних конструкцій. Для деяких видів теплоізоляційних матеріалів основною характеристикою є межа міцності при вигині (плити, шкаралупи, сегменти) або при розтягуванні (мати, азбестовий картон та ін.) У всіх випадках потрібно, щоб міцність теплоізоляційного матеріалу була достатньою для його транспортування, збереження, монтажу та роботи в конкретних експлуатаційних умовах.

Стисливість — здатність матеріалу змінювати товщину під дією заданого тиску. Матеріали по стисливості м’які М: деформація понад 30%. Напівжорсткі ПЖ — деформація 6-30%, жорсткі — деформація не більше 6%. Стисливість характеризується відносною деформацією матеріалу при стисненні під дією питомої 0,002 МПа навантаження.

Водопоглинання значно погіршує теплоізоляційні властивості і знижує міцність таі довговічність. Матеріали з закритими порами, наприклад, піноскло, мають низьке водопоглинання (менше 1%). Для зменшення водопоглинання, наприклад, при виготовленні мінераловатних виробів найчастіше вводять гідрофобні добавки, які дозволяють зменшити сорбційну вологість в процесі експлуатації.

Газо-і паропроникність враховують при застосуванні теплоізоляційного матеріалу в огороджувальних конструкціях. Теплоізоляція не повинна перешкоджати повітрообміну житлових приміщень з навколишнім середовищем через зовнішні стіни будинків. У разі підвищеної вологості виробничих приміщень теплоізоляцію захищають від зволоження за допомогою надійної гідроізоляції, укладається з «теплого» боку.

Хімічну і біологічну стійкість теплоізоляції підвищують, застосовуючи різні захисні покриття або обробляючи їх антисептиками. Високопориста будова теплоізоляційних матеріалів сприяє проникненню в них рідин, газів і парів, що знаходяться в навколишньому середовищі. Взаємодія їх з матеріалом може викликати його руйнування. Органічні матеріали або матеріали, що містять у своєму складі органічні компоненти (єднальні речовини, крохмаль, клей тощо) або волокнисті наповнювачі (деревне волокно), повинні володіти біологічною стійкістю. При зволоженні таких матеріалів виникає небезпека руйнування їх грибками або мікроорганізмами. Тому при використанні теплоізоляційних матеріалів у місцях, які схильні до зволоження, в процесі експлуатації необхідно обробляти їх антисептиками.

При використанні теплоізоляційних матеріалів в огороджувальних конструкціях вони можуть зазнати впливу поперемінного заморожування і розморожування, що може привести до їх руйнування, і втрати в зв’язку з цим, теплозахисних властивостей. Головною умовою забезпечення працездатністі таких конструкцій є захист теплоізоляційного матеріалу від зволоження, яке може відбутися за рахунок міграції вологи (від «теплого» до «холодному») і конденсації водяної пари, яка найбільш інтенсивно відбувається в холодну пору року.

Утеплювач БЕТОЛЬ у Львові на основі цементу — традиційний матеріал з нетрадиційними властивостями