Теплоизоляционные материалы являются одной из самых распространенных групп нетканых материалов и применяются в очень обширном списке областей промышленности, строительства и в бытовой сфере. Теплоизоляционные материалы за счет низкого коэффициента теплопроводности призваны обеспечивать определенный температурный режим, энергоэффективность зданий и технологических процессов при использовании в строительной и технической разновидностях теплоизоляции, а также при теплоизоляции транспортных средств: автомобилей, судов, самолетов и т.д.
В качестве теплоизоляционных применяются различные материалы и вещества, которые отличаются друг от друга не только коэффициентом теплопроводности, но также составом, структурой, стоимостью, прочностью, плотностью, водопоглощением, термостойкостью, биологической и химической стойкостью, долговечностью, экологичностью, пожаробезопасностью и т.д. Наиболее общая классификация различает неорганические и органические теплоизоляционные материалы.
Сегодня в нашей статье мы рассмотрим основныехарактеристики современных материалов, которые применяются для тепловой изоляции и состоят целиком или в основной массе из органических компонентов, их особенности, преимущества и недостатки.
Теплоизоляция на основе древесного сырья
Для древесины и древесной коры характерны распространенность в природе, экологичность, химическая стойкость, легкость механической обработки, а древесина также характеризуется относительно высокими значениями прочности на сжатие и изгиб, однако в то же время для этих материалов характерны горючесть и низкие значения влагостойкости, атмосферостойкости и биостойкости. За счет волокнисто-пористой структуры древесины и полостей внутри отмерших клеток древесной коры данные материалы характеризуются легкостью, высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками при высоких значениях гигроскопичности. Для теплоизоляции применяют измельченные древесину и древесную кору в виде щепы, стружки, опилок и древесной пыли, которые образуются в процессе рубки, колки, пиления, резания, шлифования и другой обработки древесного сырья. При специальной обработке из древесины можно получить древесную шерсть, представляющую собой частицы толщиной 0,3–0,5 мм и длиной 200–530 мм, и древесные волокна (древесная целлюлоза, древесная эковата).
Щепа, стружка и опилки могут применяться в качестве насыпной теплоизоляции, для устройства которой к ним добавляют антисептики и антипирены, обеспечивают паро- и гидроизоляцию слоя утеплителя. Древесная вата может применяться в качестве надувной теплоизоляции, которая характеризуется низкой теплопроводностью, легкостью и низкой стоимостью, а к недостаткам относятся все характерные для древесины и коры недостатки, а также слеживание и уплотнение со временем, невозможность применения в контакте с сильно нагревающимися поверхностями и влажной атмосферой, привлекательность для грызунов и насекомых.
Измельченные древесина и кора также широко применяются как наполнители для получения композиционных материалов, в которых комбинируют преимущества наполнителей и связующих для получения высоких эксплуатационных показателей материалов и изделий. В качестве неорганических связующих для измельченной древесины наиболее широко применяют цемент, глину, известковые, гипсовые вяжущие, смеси цемента с гипсом или известью. При добавлении небольшого количества данных связующих получают насыпную теплоизоляцию с уменьшенной усадкой, теплые штукатурки и теплые стяжки, а при добавлении связующего в количестве 50% и более получают монолитные конструкции, блоки и плиты из органобетонов, в том числе арболита, на основе цемента, глинобетонов, гипсо-опилочные и гипсо-стружечные бетоны. Получаемые конструкции и изделия отличаются сравнительно высокой прочностью, морозостойкостью и плотностью, воздухо- и паропроницаемостью, высоким водопоглощением, средними величинами тепло- и звукоизоляции, низкими значениями водостойкости и точности геометрии.
В качестве органических связующих наиболее широко применяют карбамидоформальдегидные, фенолоформальдегидные, меламиноформальдегидные, фурановые и изоцианатные смолы, на основе которых с добавлением гидрофобизаторов, антисептиков и антипиренов получают древесные плиты, которые в зависимости от вида древесного наполнителя подразделяют на древесностружечные (ДСтП), древесноволокнистые (ДВП) и др. Для древесных плит характерны хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства при средних значениях прочности, ударной вязкости, водопоглощения, биостойкости и гигроскопичности, средняя горючесть, способность к тлению и наличие токсичных соединений в составе связующих. Карбоксиметилцеллюлоза в смеси с антипиреном и антисептиком применяется для получения опилочных гранул, применяемых для насыпной теплоизоляции, не дающей усадки, с повышенной биостойкостью и пониженной горючестью. На основе 15–50 % термопластичных связующих (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, акрилонитрилбутадиенстирол и полиамиды) и древесной муки могут быть получены древесно-полимерные композиты (ДПК) с высокой пластичностью сырьевой смеси, легкостью, водостойкостью, атмосферостойкостью, биостойкостью, низким водопоглощением, легкостью механической обработки, сравнительно высокой прочностью и хорошими теплоизоляционными свойствами изделий. ДПК в настоящее время применяются в производстве корпусной мебели, дверных и оконных блоков, подоконников, террасных досок и сайдинга.
Теплоизоляция на основе травянистого сырья
Для травянистого сырья, как правило, характерны более низкие показатели биостойкости и водостойкости, высокая горючесть и привлекательность для насекомых. В то же время побеги травянистых растений являются широко распространенным и ежегодно возобновляемым сырьем низкой стоимости, обладают волокнисто-пористым строением и могут образовывать теплоизоляционный слой волокнистого строения. Для теплоизоляции в большинстве случаев используются следующие виды сырья на основе травянистых растений:
– Солома, которая является сельскохозяйственным отходом и представляет собой сухие стебли злаковых и бобовых зерновых культур, а также стебли льна, конопли, джута, кенафа и др., освобожденные от листьев, соцветий и семян.
– Сено, которое представляет собой высушенные стебли и листья травянистых растений, скошенных в зеленом виде до достижения ими зрелости.
– Костра́, которая является отходом процесса получения лубяных волокон при первичной обработке прядильных растений (лен, конопля, кенаф и др.) и представляет собой одревесневшие части стеблей.
– Пакля, которая также является отходом процесса получения лубяных волокон при первичной обработке прядильных растений и представляет собой грубое, короткое и спутанное волокно, загрязненное кострой.
– Лубяные волокна (льняные, джутовые и др.), являющиеся разновидностью целлюлозных волокон и получаемые в результате биологической и механической (мятье, трепание, выделение луба) обработки соломы. Грубое лубяное волокно, получаемое из технической конопли, называют пенькой.
К особым разновидностям теплоизоляционных материалов на основе травянистого сырья относятся сухие и зрелые стебли камыша, тростника и рогоза, которые выкашивают в осенне-зимний период, а также сухую морскую траву и подсушенный мох (мох-сфагнум, кукушкин лен). Преимуществами морской травы являются низкая горючесть за счет высокого содержания кремния и непривлекательность для грызунов и насекомых за счет содержания солей кальция и магния, а преимуществом мха является наличие природных антисептических веществ.
Солома, стебли камыша, тростника и рогоза за счет полой структуры отличаются легкостью и высокими теплоизоляционными свойствами. Для получения теплоизоляционных изделий их цельные стебли спрессовывают в соломитовые и камышитовые плиты (маты или щиты, которые в зависимости от расположения стеблей бывают продольными и поперечными) или блоки, а затем прошивают полипропиленовыми и полиамидными шнурами или оцинкованной проволокой. Для получения соломита и камышита также применяют запрессовывание стеблей в деревянные каркасы. Для защиты от внешних воздействий и повышения эстетических свойств на соломитовые плиты могут дополнительно пришиваться полотна из различных материалов (льна, войлока и др.), иногда их облицовывают декоративной бумагой или наносят глиняное, или известковое покрытие. Эти материалы применяются для теплоизоляции и возведения стен и перегородок при каркасном и бескаркасном строительстве малоэтажных зданий.
Из льняной пакли и других отходов производства льняного волокна (отрепьев, очесов и т.д.), прошедших дополнительную механическую и химическую обработку, после раскладывания между двумя листами водонепроницаемой бумаги и прошивки получают шевелин, представляющий собой рулонный материал для утепления стен и перекрытий. Сухую морскую траву плотно набивают в сетки из полиамидной нити с ячейками различной величины с получением сетчатых теплоизоляционных матов.
Сечку (мелко нарезанные и рубленые солому, сено, стебли камыша, тростника и рогоза), костру, лузгу и сухую морскую траву применяют в качестве засыпной теплоизоляции или в качестве наполнителя для получения следующих композиционных материалов:
– Органобетоны на цементных, известковых, гипсовых и магнезиальных вяжущих, в которых в качестве наполнителей отдельно или в смеси с измельченной древесиной применяют сечку, костру и лузгу с получением соломобетонов, костробетонов, лузгобетонов, камышебетонов и др. Для таких материалов применяют термины «арболит» и «ксилолит».
– Костроэмульбит, получаемый из смеси костры льна, битумной эмульсии и технического лигносульфоната, который является эмульгатором и огнезащитным компонентом. Для повышения теплостойкости в состав также вводят перлитовый или керамзитовый песок. Плиты из данного материала применяют для теплоизоляции кровель и в качестве среднего слоя стеновых панелей в зданиях сельскохозяйственного назначения.
– Жидкостекольная теплоизоляция, в которой наполнителями являются соломенная сечка (преимущественно ржаная), костра (например, льняная). Одним из названий для материала, состоящего из соломенной сечки и жидкого стекла, является соломат.
Теплоизоляцию из лубяных и семенных волокон выпускают или из отдельных их видов (льняные утеплители, хлопковые утеплители и т.д.), или из смеси разных волокон (наиболее часто применяют смесь льна и джута). Для повышения огнестойкости их обрабатывают антипиренами. Данную группу утеплителей выпускают в виде рулонных матов (полотен), лент, плит и блоков. Маты и ленты подразделяют на тканые, к которым относятся иглопрошивные маты и нетканые: иглопробивные, получаемые в результате перепутывания волокон при возвратно-поступательном движении специальных игл (войлок, иглопробивной ватин), и термоскрепленные, получаемые при добавлении в состав 10–15 % полиэфирных волокон, которые скрепляются между собой при плавлении наружных слоев во время нагрева (бикомпонентное волокно).
Теплоизоляция на лигноуглеводных связующих
Свойства материалов на лигноуглеводном связующем зависят от содержания лигнина и степени трансформации лигноуглеводного комплекса, которая в свою очередь определяется величинами давления и температуры. В наибольшем количестве лигнин содержится в древесине хвойных деревьев (23–50 %), несколько меньше его в древесине лиственных деревьев (14–24 %) и древесной коре (22–27 %), а наименьшее содержание лигнина характерно для соломы злаков (12–20 %).
Наиболее распространенными изделиями данной группы материалов являются мягкие древесноволокнистые плиты (МДВП, древесноволокнистые маты), получаемые на основе древесной ваты хвойных пород деревьев или смеси из древесного волокна хвойных и лиственных пород с добавлением парафина для снижения водопоглощения. МДВП получают при помощи отлива водной эмульсии древесной ваты на сетку отливной машины с последующей сушкой полученного полотна при температуре 130–160 °С и распилом на плиты. Для повышения прочности возможно каландрирование полотна.
Другими материалами данной группы являются лигноуглеводные пластики, в том числе лигноуглеводные древесные пластики (ЛУДП), которые образуются при использовании лигноцеллюлозных частиц размером не более 0,5 мм, из которых формируют полотно с его последующими холодным каландрированием при давлении 1–1,5 МПа, горячим прессованием при давлении 1,5–5 МПа и температуре 160–180 °С. В отличие от МДВП, при производстве данных материалов происходит более полная трансформация лигноуглеводного комплекса, а за счет прессования достигается уплотнение изделий, которое повышает их физико-механические характеристики, однако у данных материалов ниже теплоизоляционные характеристики.
К наиболее распространенным ЛУДП и ПТП относятся:
– LDF представляющий собой плитный материал, получаемый из древесных волокон сосен и эвкалиптов при высоких температуре и давлении. Применяется для производства мебели, элементов декора и отделочно-теплоизоляционных настенных панелей.
– Вибролит, получаемый в результате измельчения древесины на вибромельнице, перемешивания массы с водой для получения шлама, его последующего перемешивания с древесными частицами размером 0,5–2 мм и формированием из смеси полотна, которое обезвоживается, проходит холодную подпрессовку при давлении 0,8–1,2 МПа, горячее прессование при давлении 1,47–1,96 МПа и температуре 180–200 °С. Плиты подвергают закалке при температуре 120–160 °С для снижения водопоглощения и разбухания. Вибролит применяется в качестве конструкционно-отделочного и теплоизоляционного материала для настила черновых полов, устройства перегородок, в производстве дверей и стеновых панелей.
– Страмит представляет собой плитный материал, получаемый путем прессования соломы пшеницы, риса, овса, ячменя и ржи при высоких температуре и давлении. Поверхность плит оклеивают крафт-бумагой, которую в ряде случаев пропитывают каменноугольным дегтем. Страмит отличается высокими звуко- и теплоизоляционными свойствами, относительно высокими значениями прочности и биостойкости. Страмит применяют в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала при создании перегородок и навесных потолков.
К теплоизоляционным материалам на лигноуглеводных связующих также можно отнести ДКП, в которых связующими являются концентраты лигносульфонатов, и лигноволокнистые плиты, которые наряду с измельченной древесиной, бумажной макулатурой или ткацкими отходами содержат до 50 % гидролизного лигнина.
Новым материалом на лигноуглеводном связующем является пенодревесина (древесная пена), получаемая из тонкоразмолотой до гелеобразного состояния древесины, которую перемешивают с катализатором отверждения, а затем добавляют специальный газ, формуют и высушивают полученную пенистую структуру. Пенодревесина отличается жесткостью, легкостью, влагостойкостью и теплоизоляционными свойствами, является альтернативой пенопластам и может применяться в производстве жестких плит и гибких матов для звуко- и теплоизоляции, а также в качестве упаковочного материала.
Полимерная теплоизоляция
Самыми распространенными материалами в данной группе и среди всех утеплителей на сегодняшний день являются газонаполненные полимерные материалы, структура которых состоит из повторяющихся в определенной последовательности газовых ячеек, ограниченных полимерными стенками, ребрами и называемми газоструктурными элементами (ГСЭ). Все газонаполненные полимеры отличаются высокими звуко- и теплоизоляционными свойствами, легкостью, сравнительно высокой химической стойкостью и биостойкостью, однако для них характерны невысокая термостойкость и явление старения полимерных связующих под действием окружающей среды. Применяются для строительной и технической теплоизоляции, в том числе в составе многослойных конструкционных и облицовочных изделий: сэндвич-панелей, термопанелей, термобруса, теплоблоков и др.
Распространенными на сегодняшний день являются теплоизоляционные краски, называемые также термокрасками и жидкой теплоизоляцией, которые представляют собой водно-акриловые или силиконовые смеси, наполненные керамическими микросферами или микросферами из других материалов (силиконовые, стеклянные и т.д.). Недостатками термокрасок являются высокая стоимость и неэффективность при малой разнице температур между утепляемой поверхностью и окружающей средой. Энергосберегающие краски применяются преимущественно для технической теплоизоляции, но находят применение и в строительстве.
Прочая органическая теплоизоляция
Одним из достаточно распространенных видов насыпной и задувной органической теплоизоляции является целлюлозная эковата, получаемая из отходов картонно-бумажной промышленности (остатки и брак от производства гофротары, картонной продукции и печатных изданий) и макулатуры в результате измельчения с последующим сухим роспуском на вторичные целлюлозные волокна. Для получения эковаты к 80 % вторичных волокон добавляют 12 % кислоты в качестве антисептика и до 8 % антипирена. Целлюлозная эковата отличается высокими звуко- и теплоизоляционными свойствами, легкостью и низкой стоимостью, но для нее характерны высокое водопоглощение, горючесть, способность к тлению при контакте с сильно нагретыми поверхностями, оседание со временем, и эту эковату невозможно применять для бескаркасной самостоятельной теплоизоляции.
К теплоизоляции на основе целлюлозы, в основном древесной целлюлозы, относится группа материалов, объединяемых под общим термином «наноцеллюлоза»:
– Нанокристаллическая целлюлоза в виде стержнеобразных нитевидных кристаллов диаметром 2–50 нм и длиной 50–1160 нм со степенью кристалличности 54–88 %.
– Нанофибриллированная целлюлоза в виде нановолокон диаметром 5–20 нм и длиной до нескольким мкм, которые проявляют свойства псевдопластичного геля.
– Бактериальная наноцеллюлоза, получаемая из низкомолекулярных полисахаридов, которые образуются при ферментации исходной целлюлозы бактериями в результате экстракции органическими растворителями.
Наноцеллюлозные материалы и изделия на их основе отличаются высокими значениями прочности, легкости, гибкости, теплоизоляционных свойств и способны к биодеградации, а их основными недостатками являются горючесть и в большинстве случаев сравнительно высокая стоимость и трудоемкость технологии получения. Изделия из наноцеллюлозы могут использоваться для строительной и трубной теплоизоляции.
Заключение
Утеплители на органической основе отличаются большим разнообразием по составу и свойствам, в связи с чем некоторые теплоизоляционные материалы нельзя однозначно отнести к органическим, так как в их составе в достаточно большом количестве присутствуют неорганические вещества. Утеплители на органической основе широко применяются в строительстве, преимущественно для малоэтажного строительства жилых зданий, и в технической теплоизоляции при отсутствии высоких температур. Для данных материалов характерны наличие природных или синтетических полимерных соединений, горючесть, подверженность воздействию факторов окружающей среды и небольшая термостойкость. Для теплоизоляции на основе природных органических веществ характерны распространенность и низкая стоимость сырья, средние теплоизоляционные свойства, экологичность, относительно невысокая прочность, низкая биостойкость и высокое водопоглощение, а утеплители на основе синтетических органических веществ характеризуются сравнительно высокой стоимостью, склонностью к деструкции под воздействием внешних факторов, легкостью нанесения (особенно для напыляемых композиций), более высокими значениями химической стойкости, теплоизоляционных и физико-механических показателей. Правильный выбор соотношения наполнителя и связующего позволяет получить эффективные теплоизоляционные, теплоизоляционно-отделочные и конструкционно-теплоизоляционные материалы и изделия.