В начальных классах учительница рассказывала нам, что даже в самую лютую стужу от холода можно было бы защититься просто бумагой, если она точно подогнана к телу и создает между телом и средой достаточную воздушную прослойку. Пока на практике с подгонкой бумаги к телам дела обстоят непросто, поэтому все обходятся пуховиками.
Однако сама идея о том, что газы плохо проводят тепло, активно используется человечеством. Представим полимерное вещество, которое легко вспенивается газом, становится пористым, запирает этот газ в бесчисленном множестве пузырьков и затвердевает на воздухе. Что-то это напоминает? Да это ж монтажная пена!
В её основе лежат синтетические полимеры – полиуретаны. Они образуются в результате реакции полиолов с полиизоцианатами. Когда смесь выходит из баллона, начинается экзотермическая реакция полимеризации, и материал быстро расширяется и твердеет, превращаясь в лёгкую и прочную пористую массу.
Газ, формирующий пену, появляется двумя путями. Во-первых, испаряется низкокипящий пропеллент, находящийся в баллоне под давлением. Во-вторых, изоцианаты реагируют с влагой воздуха с образованием углекислого газа, который дополнительно вспенивает полимер. В результате затвердевшая пена представляет собой систему из множества микроскопических замкнутых ячеек, заполненных газом.
Смысл такой же, как в случае с природными теплоизоляторами, например, шерстью белого медведя с полыми волосками, удерживающими воздух и защищающими от холода.
Газы внутри пор обладают низкой теплопроводностью: у углекислого газа она составляет около 0,015 Вт/(м·К), что ниже, чем у воздуха с его примерно 0,025 Вт/(м·К). Замкнутая пористая структура подавляет конвекцию, а сам полиуретан также плохо проводит тепло.
Со временем углекислый газ постепенно диффундирует наружу, а внутрь проникает воздух, из-за чего теплоизоляционные свойства немного падают. Чтобы замедлить этот процесс, в качестве вспенивающих агентов используют вещества с меньшей скоростью диффузии, такие как пентан, гидрофторуглероды или современные гидрофторолефины.