Современные теплоизоляционные материалы и их основные характеристики

Введение

Каждому хочется, чтобы в его доме было тепло. Но как этого достичь? Можно, конечно, купить суперсовременный обогреватель и  пуховое одеяло, но если теплоизоляция  жилища оставляет желать лучшего, комфорта и уюта добиться все равно не удастся. Тепло будет с завидным постоянством улетучиваться через зазоры в  оконных проемах, кровле или между  стыками конструктивных элементов.

Избежать  этих проблем можно, используя при  возведении коттеджа или ремонте  квартиры качественные теплоизоляционные  материалы. Благо недостатка в подобных «утеплителях» на сегодняшнем строительном рынке нет. Главное - выбрать из существующего многообразия наиболее подходящий материал, а потом грамотно его применить.

Использование современных теплоизоляционных материалов позволяет значительно удешевить строительство, сократить его сроки и создать довольно легкую конструкцию. Однако самое важное тут – правильно устроить теплоизоляцию, ведь это целая наука, согласно которой следует, что универсального решения быть не может. Все зависит от конкретных условий: где расположен дом, из чего построен, какие у него конструктивные особенности и т.д. Для каждой конструкции предписан определенный алгоритм работы согласно специфике материала. Кроме этого, существуют некоторые особенности, обусловленные климатической зоной, в которой ведется строительство: где холоднее, там теплоизоляционный слой должен быть толще.  В общем, теплоизоляция дома должна быть комплексной – от фундамента и стен до крыши, что бы сохранить тепло в доме.

Современные теплоизоляционные  материалы и их основные характеристики.

Теплоизоляция - своеобразный барьер, не дающий тепловой энергии  перетекать из одного объема в другой. Вопросы теплоизоляции домов  сегодня особенно актуальны. Затраты  на утепление окупаются за 3-4 сезона и далее "работают в плюс". Главный  враг теплосбережения - сквозняки, потоки воздуха, выносящие тепло. Теплоизоляционные  свойства утеплителей основаны на сложной  структуре волокна, максимально  затрудняющей свободное перемещение  воздуха внутри материала. Утепляя  дом, в первую очередь стоит уплотнить  оконные и дверные створы, теплоизолировать перекрытия. Затем переходить к теплоизоляции  наружных стен.

Теплоизоляционными называют материалы, применяемые в строительстве  жилых и промышленных зданий, тепловых агрегатов и трубопроводов с  целью уменьшить тепловые потери в окружающую среду. Теплоизоляционные  материалы  характеризуются  пористым  строением  и, как следствие  этого, малой плотностью (не более 600 кг/м3) и  низкой теплопроводностью (не более 0,18 Вт/(м*°С).   

 Использование теплоизоляционных  материалов позволяет уменьшить  толщину и массу стен и других  ограждающих конструкций, снизить  расход основных  конструктивных  материалов, уменьшить транспортные расходы и соответственно снизить стоимость строительства. Наряду с этим при сокращении потерь тепла отапливаемыми зданиями уменьшается расход топлива. Многие теплоизоляционные  материалы вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом.    

 Теплоизоляционные  материалы  классифицируют  по  виду  основного сырья, форме и внешнему виду, структуре, плотности, жесткости и теплопроводности.

Теплоизоляционные материалы по виду основного сырья подразделяются на неорганические, изготовляемые на основе различных видов минерального сырья (горных пород, шлаков, стекла, асбеста), органические, сырьем для производства которых служат природные органические материалы (торфяные, древесноволокнистые) и материалы из пластических масс.    

 По форме и внешнему виду  различают теплоизоляционные материалы  штучные жесткие (плиты, скорлупы, сегменты, кирпичи, цилиндры) и гибкие (маты, шнуры, жгуты), рыхлые и сыпучие  (вата, перлитовый песок, вермикулит).     

 По структуре теплоизоляционные  материалы классифицируют на волокнистые         (минераловатные, стекло - волокнистые), зернистые (перлитовые, вермикулитовые), ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло).    

 По плотности теплоизоляционные  материалы делят на марки: 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600.    

 В зависимости от жесткости  (относительной деформации) выделяют  материалы мягкие (М) - минеральная  и стеклянная вата, вата из  каолинового и базальтового волокна,  полужесткие (П) - плиты из  шпательного  стекловолокна на синтетическом связующем и др., жесткие (Ж) -плиты из минеральной ваты на синтетическом связующем, повышенной жесткости (ПЖ), твердые (Т).    

 По теплопроводности теплоизоляционные  материалы разделяются на классы: А - низкой теплопроводности до 0,06 Вт/(м-°С), Б - средней теплопроводности - от 006 до 0,115 Вт/(м-°С), В - повышенной  теплопроводности -от 0,115 до 0,175 Вт/(м.°С).    

 По назначению теплоизоляционные  материалы бывают теплоизоляционно-строительные (для утепления строительных конструкций)  и теплоизоляционно-монтажные (для  тепловой изоляции промышленного  оборудования и трубопроводов).    

 Теплоизоляционные материалы  должны быть  биостойкими  т. е. не подвергаться загниванию и порче насекомыми  и грызунами, сухими, с малой гигроскопичностью так как при увлажнении их теплопроводность значительно повышается, химически стойкими, а также обладать тепло  и огнестойкостью.

Основными характеристиками теплоизоляционных материалов являются:

Коэффициент теплопроводности. Характеризует теплопроводность материала и равен количеству теплоты, проходящей через материал толщиной 1 м и площадью 1 кв. м за час при разности температур на двух противоположных поверхностях в 10°С. Измеряется в Вт/ (м*К) или Вт/(м*С). Теплопроводность зависит от влажности материала (вода проводит тепло в 25 раз лучше, чем воздух, то есть материал не будет выполнять свою теплоизолирующую функцию, если он мокрый), его температуры, химического состава материала, структуры, пористости. 
 
Пористость - доля объема пор в общем объеме материала. Для теплоизоляции пористость начинается от 50% и до 90-98% (Например, у ячеистых пластмасс). Пористость определяет основные свойства теплоизоляции: плотность, теплопроводность, прочность, газопроницаемость и др. Важно равномерное распределение воздушных пор в материале и характер пор. Поры бывают открытые, закрытые, крупные, мелкие. 
 
Плотность - отношение массы материала к занимаемому им объему, измеряется в кг/куб. м. 
 
Паропроницаемость - величина, численно равная количеству водяного пара в миллиграммах, которое проходит за 1 час через слой материала площадью 1 кв. м и толщиной 1 м при условии, что температура воздуха у противоположных сторон слоя одинакова, а разность парциального давления водяного пара равняется 1 Па. 
 
Влажность - содержание влаги в материале. 
Очень важной характеристикой является сорбционная влажность (равновесная гигроскопическая влажность материала при различной температуре и относительной влажности воздуха). 
 
Водопоглощение - это способность материала впитывать и удерживать в порах влагу при прямом контакте с водой. Определяется количеством воды, поглощаемым материалом с нормальной влажностью, когда он находится в воде, к массе сухого материала.  
 
Биостойкость - способность материала противостоять воздействию микроорганизмов, грибков и некоторых видов насекомых. Микроорганизмы живут там, где есть влага, поэтому для повышения биостойкости теплоизоляция должна быть водостойкой. 
 
Огнестойкость - способность конструкций в течение определенного времени выдерживать без разрушения воздействие высоких температур. Показатели пожарной безопасности: горючесть (Г), воспламеняемость (В) распространение пламени по поверхности (РП), дымообразующая способность (Д) и токсичность продуктов горения (Т). 
 
Прочность - предел прочности при сжатии колеблется от 0,2 до 2,5 МПа. Если прочность при сжатии выше 5 МПа, то материалы называют теплоизоляционно-конструктивными и используют для несущих ограждающих конструкций. Предел прочности при изгибе (показатель для плит, скорлуп, сегментов) и предел прочности при растяжении (для матов, войлока и т.п.) нужны для того, чтобы определить, достаточна ли прочность для сохранности материала при транспортировании, складировании, монтаже. 
 
Температуростойкость - это температура, выше которой материал изменяет свою структуру, теряет механическую прочность и разрушается, а органические материалы могут загораться. 
 
Теплоемкость - это количество теплоты, аккумулированное теплоизоляцией, измеряется в кДж/(кг°С). Важная характеристика в условиях частых теплосмен. 
 
Морозостойкость - способность выдерживать многоразовое изменение температур от стадии замораживания до стадии оттаивания попеременно, без видимых признаков нарушения структуры.

Неорганические  теплоизоляционные материалы.

К неорганическим теплоизоляционным материалам можно отнести такие материалы как: минеральная вата, стекловата, минеральные теплоизоляционные плиты, пеностекло, алюминиевая фольга (альфоль)

и многие другие материалы. Такие теплоизоляционные материалы изготавливают путем переработки силикатных или базальтовых и прочих расплавов. Неорганическая теплоизоляция практически не горюча, она имеет низкую теплопроводность и долгий срок службы. Однако есть у такой теплоизоляции и недостатки. Например, неорганическая теплоизоляция очень хорошо впитывает воду. Поэтому ее необходимо применять в сочетании с гидра и пара изоляционными материалами. Так же некоторые, неорганические теплоизоляционные материалы подержанны усадки, что конечно же нежелательно. Каждый из материалов я рассмотрю поподробнее.

Минеральная вата

Это теплоизоляционный волокнистый  материал, который получают из силикатных расплавов. В её производстве используют горные породы (диориты, мергели, известняки и другие), отходы строй материалов (силикатный кирпич и глиняный бой), отходы металлургической промышленности (топливные и доменные шлаки). Производство данного утеплителя состоит из двух технологических процессов: первый процесс – получение силикатного расплава, второй процесс – превращение расплава в очень тонкие волокна. Образовывается силикатный расплав в вагранках плавильных шахтных печей, в которые кладут топливо (кокс) и минеральное сырьё.

Расплав превращается в минеральное  волокно при помощи двух способов: центробежный и дутьевой. Дутьевой способ – когда на струю жидкого  расплава воздействует струя сжатого  газа или водяного пара. Центробежный способ – применение центробежной силы на струю расплава, в следствии чего получаются минеральные тончайшие волокна в длину от 2 до 40 миллиметров, в толщину от 2 до 7 мам. Образовавшиеся волокна осаждаются в камере на ленту транспортёра, которая двигается.

Минеральная вата в зависимости  от плотности подразделяется на марки 75, 100, 125, 150. Она отличается невысокой  теплопроводностью 0,04 - 0,05 Вт (м.°С), огнестойкостью, не подвержена гниению, малогигроскопичная. Минеральная вата очень хрупкая, и в процессе её укладки появляется много пыли, именно поэтому её гранулируют, то есть, вату превращают в небольшие рыхлые гранулы, которые применяют как теплоизоляционную засыпку для пустотелых перекрытий и стен. Минеральная вата – это своего рода полуфабрикат, из которого делают различные минераловатные теплоизоляционные изделия: плиты жёсткие и полужёсткие, маты, войлок и другие.

Минеральная вата занимает одно из первых мест среди теплоизоляции, связано  это с доступностью сырья для  ее производства, несложной технологией  получения, и как следствие - доступной  ценой.

Стоит отметить следующие достоинства и недостатки минеральной ваты:

Достоинства:

• Не горит
• Мало гигроскопична (при попадании влаги тут же ее отдает, главное - обеспечить вентиляцию)
• Гасит шум
• Морозостойкая
• Стабильность физических и химических характеристик
• Длительный срок эксплуатации

Недостатки:

• При попадании влаги теряет теплоизолирующие свойства.
• Требует пароизоляционной и гидроизоляционной пленки при монтаже.
• Уступает по прочности (например, пеностеклу)

  Так же в таблице можно посмотреть перечень изделий из минеральной ваты и их характеристики:

Табл.1

Стекловата

Стекловата производится из волокна, полученного из того же сырья, что и стекло (кварцевый песок, известь, сода). Стеклянная вата – это материал, который состоит из стеклянных беспорядочно расположенных волокон, добытых из расплавленного сырья. Производство стекловаты, также изделий из неё состоит из двух технологических процессов. Первый процесс – в ванных печах осуществляется варка стекломассы при температуре 1300 – 1400 градусов. Второй процесс – изготавливается стекловолокно, после формируются изделия.

Из расплавленной массы  стекловолокно можно получить при  помощи двух способов: дутьевым или  вытягиванием.

Стекловолокно вытягивают несколькими  способами: штабиковым и фильерным. Штабиковый способ – это когда  стеклянные палочки в процессе плавления  вытягивают в стекловолокно, которое  наматывается на специальные крутящиеся барабаны. Фильерный способ – из расплавленной стекломассы через  маленькие отверстия – фильтры  вытягивают волокна и наматывают их на крутящиеся барабаны. Дутьевый способ – это когда расплавленную  стекломассу подвергают распылению струёй пара или сжатого воздуха.

Исходя от назначения вырабатывают теплоизоляционное (штапельное) и текстильное  стекловолокно. В среднем диаметр  теплоизоляционного стекловолокна  составляет от 10 до 30 мам, а диаметр  текстильного волокна от 3 до 7 мкм. Длина  стекловолокна значительно больше волокон минеральной ваты, отличается лучшей прочностью и химической стойкостью.

Теплопроводность стекловаты составляет 0,04-0,052 Вт/(м/°С), плотность 75-125 кг/м3, предельная температура использования 450 °С. Из стеклянного волокна изготавливают  теплоизоляционные плиты, маты, полосы и множество других изделий, в  их числе и тканые.

В целом достоинства стекловаты те же, что и у минеральной ваты. При этом она прочнее и лучше гасит шум. Недостаток: температуростойкость стекловаты 450°С - ниже, чем у базальтовой (речь идет о самой вате, без связующего). Эта характеристика важна для технической изоляции.

Табл.2

Пеностекло

(ячеистое  стекло)

Пеностекло –  это теплоизоляционный материал обладающий ячеистой структурой. Сырьём для изготовления изделий (блоков, плит) из пеностекла является смесь стеклянного измельчённого боя с газообразователем (известняк молотый). Смесь сырьевую засыпают в специальные формы и затем в печи нагревают до 900 градусов. В процессе нагрева происходит разложение газообразователя и плавление частиц. Газы, которые при этом выделяются вспучивают стекломассу, но а та в свою очередь при охлаждении превращается в очень прочный материал, обладающий ячеистой структурой.

Пеностекло обладает массой очень ценных свойств, которые  выгодно его отличают от других теплоизоляционных  материалов. Так, его пористость достигает 80-95 процентов, поры имеют размер 01-3 миллиметра. Плотность составляет 200-600 кг/м3. Теплопроводность пеностекла 0,09-0,14 Вт/(м, /(м* °С). Предел прочности на сжатие 2-6 Мпа. Помимо всего, пеностекло характеризуется прекрасной морозостойкостью, водостойкостью, звукопоглощением, несгораемостью, плюс ко всему он легко поддаётся обработке при помощи режущего инструмента.

Пеностекло выпускающееся в виде плит имеет ширину 400 миллиметров, длину 500 миллиметров, толщину от 70 до 140 миллиметров. Его широко используют в современном строительстве для утепления кровель, перекрытий, стен и прочих частей зданий. А пеностекло в виде сегментов и скорлуп применяют для изоляции тепловых сетей и теплоагрегатов, где температура достигает не больше 300 градусов. Пеностекло используют для утепления стен, перекрытий, кровель, для изоляции подвалов и холодильников. Помимо всего, его ещё используют как отделочный и одновременно звукопоглощающий материал для концертных залов, кинотеатров, аудиторий.

Достоинства пеностекла: 
 
• прочность; 
• водостойкость; 
• несгораемость; 
• морозостойкость; 
• легкость механической обработки; 
• срок службы практически неограничен; 
• биологическая стойкость, химическая нейтральность

Недостатки: 
 
• пеностекло не дышит; 
• высокая стоимость (применяется в основном на промышленных объектах для плоских кровель).

Алюминиевая фольга (альфоль)

Алюминиевая фольга является одним из эффективных утеплителей. В то же время она является хорошей воздухоизоляцией и пароизоляцией. В настоящее время промышленность цветной металлургии выпускает фольгу толщиной 0,005 - 0,2 мм.  
Алюминиевая фольга имеет блестящую серебристую поверхность с большой отражательной способностью. Большая часть потока лучистой теплоты, падающей на конструкцию, покрытую фольгой, отражается, благодаря этому уменьшаются теплопотери через ограждения и повышается их теплозащита.  
Отражая лучистую составляющую теплового потока, алюминиевая фольга способствует повышению теплозащитных характеристик конструкции. Эффективно устройство фольги на поверхности стены около радиатора или внутри конструкции только таким образом, чтобы фольга находилась на границе с воздушной прослойкой. При этом теплозащита стены может повыситься в 1,5 - 2,5 раза. Возможно устройство фольги по обеим сторонам воздушной прослойки. Не рекомендуется устанавливать фольгу в толще конструкции, так как при этом теплозащитная способность фольги практически не используется.  
Алюминиевая фольга может быть твердой - негартованной и мягкой - отожженной. Коэффициенты излучения твердой и мягкой фольги отличаются незначительно, и их значения не зависят от толщины полотна. Поэтому при выборе алюминиевой фольги руководствуются удобством обращения с ней и стоимостью. Наиболее удобной для строительных ограждающих конструкций является фольга толщиной 0,01 мм с гладкой, чистой, ровной поверхностью без складок и надрывов.  
Алюминиевая фольга для строительства выпускается в рулонах диаметром 8 - 43 см, толщиной полотна 0,005 - 0,02 мм и шириной 10 - 460 мм. 

Применяется для:

• жилых , промышленных зданий;

• бань и сауны;

• холодильных камер

• изоляция технологического оборудования в промышленности

• изоляция трубопроводов системы  отопления, водоснабжения, вентиляции и кондиционирования.

• для транспорта (автомобили, и др)

• дополнение к основному утеплению.  

Достоинства:

• Отличные теплоизоляционные свойства, за счет отражения лучистой энергии  повышает тепловое сопротивление конструкции, без увеличения ее объёма.

• Отличная пароизоляция

• Снижение структурного шума

• Стойкость к корозии, воздействию УФ-излучения, масло- бензо- стоек, не подвержен гниению.

• Долговечность материала до 100 лет  при сохранении своих свойств.

• Удобство монтажа

Недостатки:

• Работает только при наличии воздушной  прослойки, важен правильный монтаж

• Лучше теплоизолирует в жаркую погоду, чем в холодную (поэтому широко распространена в жарких странах)

• Не всегда есть нужная толщина изоляции, складывать толщину из 2х слоев  экономически не эффективно, выгоднее скомбинировать с ватой.

Органические теплоизоляционные материалы

Среди большого разнообразия теплоизоляционных изделий из органического  сырья наибольший интерес представляют плиты древесноволокнистые, камышитовые, фибролитовые, торфяные, пробковая  теплоизоляция натуральная, а также  теплоизоляционные пенопласты. Плиты  древесноволокнистые применяют  для тепло- и звукоизоляции ограждающих  конструкций. Изготовляют их из распушенной  древесины или иных растительных волокон - неделовой древесины, отходов, лесоперерабатывающей промышленности, костры, соломы, камыша, хлопчатника. Наибольшее распространение получили древесноволокнистые  плиты, получаемые из отходов древесины. Процесс производства изоляционных древесноволокнистых плит состоит  из следующих основных операций: дробления  и разлома древесного сырья, проклеивания волокнистой массы, формования и термической обработки, Для уменьшения сгораемости древесноволокнистые плиты пропитывают специальными огнезащитными составами-антипиренами, а для придания водостойкости в состав волокнистой массы вводят парафиновые, смоляные, масляные и другие эмульсии.

Пробковая теплоизоляция

Производят из коры пробкового дуба. Отличительные черты – материал экологичный, легкий, прочный на сжатие и изгиб, не поддается усадке и  гниению. Материал легко режется (удобно работать с ним). Пробка химически  инертна и долговечна (до 50 лет  и более). Существуют:

Черный (чистый) агломерат (агломерат - спекшиеся гранулы) - производится из пробковых гранул, скрепленных  между собой суберином (натуральной смолой, также входящей в состав пробки) . При производстве агломерата не применяют синтетических веществ и материалов

Белый агломерат агломерат производится из измельченной пробковой коры, которую прессуют при высокой температуре. В качестве связующего вещества здесь может выступать органический клей, смолы или желатин.

Материалы из пробки не горят, а только тлеют (при наличии источника  открытого огня). Поэтому их обрабатывают составами, чтобы они были негорючими. При тлении пробка не выделяет вредных  веществ.

В качестве теплоизоляции в основном применяют плиты толщиной 25 - 50 мм. Применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий, холодильников и поверхностей холодильного оборудования трубопроводов при температуре изолируемых поверхностей от минус 150 до плюс 70° С, для изоляции корпуса кораблей.

Технические свойства представлены в  таблице.

Табл.3

Экструдированный пенополистирол

Микроструктура материала представляет собой закрытые ячейки, наполненные  газом. Материал более прочный, чем  пенопласт, имеет более низкое водопоглощение, не разрушается под действием солнца и атмосферных осадков, не вступает в реакцию с большинством веществ.

Получают путем смешивания гранул полистирола при повышенных температурах с последующим введением вспенивающего агента и выдавливанием из экструдера. 
 
Достоинства: 
 
• высокая прочность по сравнению с пенопластом; 
• самый низкий показатель водопоглощения; 
• долговечен, не разрушается под действием солнца», атмосферных осадков; 
• низкая теплопроводность; 
• инертность (не вступает в реакцию с большинством веществ); 
• нетоксичен. 
 
Недостатки: 
 
• горючий; 
• не «дышит».

Пенополиуретан

Пенополиуретан представляет собой теплоизоляционный пенопласт, получаемый из полиэфирной смолы и специальных добавок.  
Пенополиуретан бывает жёсткий и мягкий (поролон). Жёсткий выпускают в виде плит и блоков, а мягкий - в виде полотнищ и лент. Средняя плотность и теплопроводность поролона - соответственно 30-70 кг/м³ и 0,03-0,04 Вт/м·К. Жёсткие плиты имеют среднюю плотность - 60-200 кг/м³ и теплопроводность - 0,035-0,06 Вт/м·К.

Низкая  теплопроводность пенополиуретана обусловлен тем, что он представляет собой однородную ячеистую пластмассу, в ячейках которой находится воздух. Пенополиуретан не впитывает влагу, не гниёт и не плесневеет.  
Пенополиуретан обладает незначительным водопоглощением и гигроскопичностью, его можно использовать при достаточно высоких температурах.

Пенополиуретан применяется в конструкциях стеновых и кровельных панелей типа "сэндвич". Наносится непосредственно на утепляемую поверхность способом насыпления, это позволяет получить бесшовное покрытие любой необходимой толщины.

Пенополиуретан имеет высокую адгезию к любому строительному матриалу- кирпичу, пеноблоку, дереву, бетону, для его нанесения не требуется специальной подготовки поверхности, а наносится ППУ может на поверхность любой формы и конфигурации.

Достоинства:

• Возможность утеплять неровные поверхности

• Нет стыков (сплошная изоляция)

• Экономит время монтажа

• Широкий диапазоне температур применения (от -250°С до +180°С).

• Материал биологически нейтрален, устойчив к микроорганизмам, плесени, гниению.

• Высокоэластичный материал

Недостатки:

• Горючий, при горении выделяет токсичные вещества

• Требует специальной установки  для задувки

•Не «дышит»