Материал будущего: из космической отрасли в ваш дом
Как получают «материал будущего»
На сегодняшний день PIR — вершина технологической эволюции пенополиуретана, одного из наиболее универсальных и востребованных полимерных материалов, относящегося к категории газонаполненных реактопластов и впервые синтезированного около 60 лет назад. Его уникальность заключается в том, что изменяя пропорцию двух основных участвующих в реакции химических веществ (всего в ней задействовано более десятка реагентов) можно получить широкий спектр материалов с разными физическими свойствами для различных областей применения.
Исходным сырьём для получения PIR и пенополиуретана в наши дни служат продукты нефтехимического производства — полимерные органические соединения и многоатомные спирты. Альтернативным вариантом является использование некоторых видов растительного масла: касторового, соевого, рапсового, подсолнечного и др. Однако такое сырьё значительно дороже.
Синтез и свойства пенополиуретана
В основе реакции полимеризации лежит взаимодействие двух ключевых реагентов, называемых «компонент А» и «компонент Б»:
- Компонент А — полиол: многоатомный спирт, имеющий в своём составе более одной гидроксильной группы —OH. К этой группе химических соединений относятся, в частности, этиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, сорбит и др.;
- Компонент Б — полиизоцианат: органическое соединение, содержащее функциональную группу —N=C=O. В частности, при производстве пенополиуретана и PIR используется полимерный 4,4 метилендифенилдиизоцианат или pMDI, производимый корпорациями BASF, Covestro, Huntsman и Dow.
Реакцию можно описать как взаимодействие полиола и диизационата с образованием полиуретана в присутствии катализатора (обычно аминной группы). Перед реакцией в смесь вводится вспенивающий агент, который заполняет в самом начале пористую, а в дальнейшем — герметично закрытую структуру полиуретана, превращая его в материал под названием пенополиуретан.
Помимо перечисленных реагентов в синтезе участвует ещё примерно 10−13 веществ: катализаторы, стабилизаторы и различные добавки, влияющие на конечные свойства материала.
Практически сразу же после получения пенополиуретана химики заметили, что его свойства зависят от длины цепи газонаполненных микрогранул, которая, в свою очередь, определяется соотношением полиольного и изоцианатного компонентов, а также функциональностью и молекулярной массой самого полиола. Путём варьирования этого соотношения были получены материалы с очень разными свойствами: от мягких губчатых (например, поролон, современные наполнители для матрасов, некоторые виды утеплителей для одежды и пр.) до жёстких пенопластов высокой плотности, используемых в строительстве в качестве изоляции для промышленных холодильников и морозильников, наполнителя сэндвич-панелей, для утепления трубопроводов и производства жёстких плитных утеплителей.
PIR: особенности и отличия
Пенополиизоцианурат впервые был синтезирован в 60-х годах XX века. Технология его производства отличается от технологии получения «классического» пенополиуретана. В первую очередь — соотношением компонентов А и Б в реакционной смеси.
Владимир Шалимов, кандидат технических наук, руководитель технической службы направления «Полимерные мембраны и PIR в КМС» компании ТЕХНОНИКОЛЬ: «В обычном пенополиуретане это классическое отношение, равное 1:1, то есть на одну молекулу полиола приходится одна молекула изоцианата. В результате реакции получается молекула полимера с линейной структурой. При синтезе пенополиизоцианурата это отношение зависит от ряда факторов (от молекулярной массы и функциональности полиола, от содержания NCO-групп в изоцианате и от его типа) и должно быть не менее, чем 1:2. В технологическом цикле нашего предприятия оно составляет как минимум 1:3, то есть на одну молекулу полиола приходится три молекулы изоцианата, две из которых остаются свободными. При этом сам процесс протекает при более высокой температуре. В результате происходит так называемая тримеризация: свободные NCO-группы образуют особо прочные соединения — тримеры. Можно сказать, что пенополиизоцианурат — это тримеризованный изоцианат. Высокая прочность химических связей затрудняет разрушение структуры полимера, поэтому полиизоциануратная пена является химически и термически (в том числе при воздействии открытого пламени) более стабильным материалом: разрыв изоциануратных связей начинается при температуре выше 200 °C, тогда как у пенополиуретана — примерно при 100 °С».
Ещё одно существенное отличие — использование других вспенивающих агентов. До 2011 года в производстве PIR применяли фреон-11, а после его запрета в рамках климатических соглашений стали использовать пентан — низкотеплопроводный газ, относящийся к группе предельных углеводородов класса алканов. Пентан после вспенивания остаётся запечатанным в закрытых ячейках PIR (в плитах утеплителя его дополнительно герметизируют паронепроницаемые облицовки из алюминиевой фольги), который благодаря этому получает рекордно низкую теплопроводность среди серийно выпускаемых теплоизоляционных материалов.
Всё начиналось с ремонта обуви
Как и многие большие открытия, впоследствии преобразившие мир, изобретение пенополиуретана было случайным. В 30-х годах прошлого века немецкий химик Отто Байер работал над созданием эластичного материала для ремонта обуви, а именно для заделки трещин в подошвах. В тот момент никто не предполагал, что разработанная в процессе этих изысканий технология аддитивной полимеризации диизоцианата положит начало новой эпохе промышленного производства, а полученный Байером полимер скоро заменит каучук, сталь, дерево, традиционную теплоизоляцию и многие природные материалы.
Интересно, что Отто Байер в течение долгих лет работал на компанию Bayer AG, но при этом не имел никакого отношения к семье её основателей, будучи просто их однофамильцем. Тем не менее, можно сказать, что полиуретан и аспирин фактически появились под одной крышей.
Чемпион среди полимеров
Сегодня в мире используется большое количество вспененных полимеров различного происхождения и состава. Однако почти все они имеют те или иные недостатки, ограничивающие сферу их применения. В первую очередь это связано с влиянием на окружающую среду и человека.
К примеру, один из самых дешёвых пенопластов — суспензионный пенополистирол — отличается низкой устойчивостью к воздействию температуры. Уже при +60−70 °С материал теряет свою структуру и начинает разлагаться, выделяя токсичный газ — стирол, а в случае возгорания — удушливый дым. Поэтому в строительстве такой пенополистирол не применяют для утепления внутренних помещений, а используют исключительно как материал для наружной теплоизоляции фундаментов и подвалов, а также в качестве утеплителя для штукатурных фасадов и плоских кровель промышленных зданий. Специалисты настоятельно не рекомендуют применять его, например, для утепления балконов и лоджий, что нередко делают собственники квартир и неквалифицированные наёмные строители.
Пенополиуретан в ряду полимерных материалов стоит особняком. Это объясняется не только выдающейся широтой его физических характеристик, но и практически абсолютной инертностью к среде, окружающей человека. Материал считается гипоаллергенным, не имеет запаха и не выделяет летучих соединений. Единственной проблемой в течение длительного времени оставалась его способность поддерживать горение. Одним из способов её решения стали вводимые в состав материала антипирены — специальные огнезащитные присадки, позволяющие снять этот вопрос на определённый производителем срок службы.
Однако настоящим переломным моментом стало появление PIR. Его особая структура с прочными тримерными цепочками не только придаёт материалу выдающиеся эксплуатационные свойства, но и делает его стойким к огню. При воздействии открытого пламени поверхность PIR-плиты покрывается плотной углеродной коркой, которая препятствует дальнейшему распространению пламени. И хотя по классификации ГОСТ пенополиизоцианурат, как органический материал, не может быть отнесён к категории негорючих, на практике он стал настоящим чемпионом по безопасности среди полимеров.
Прочная молекулярная структура PIR делает его не только устойчивым к воздействию температур, но и придаёт ему ряд других полезных свойств. Например, в течение всего срока службы материала она сохраняет внутри его ячеек низкотемпературный газ, благодаря чему показатель теплопроводности используемых в строительстве теплоизоляционных PIR-плит ТЕХНОНИКОЛЬ составляет всего 0,022 Вт/м*К. Это в 1,5−2 раза лучше, чем у традиционных жёстких волокнистых утеплителей. При этом PIR-плита в несколько раз легче, обладает куда более высокой механической прочностью, практически не впитывает влагу и может служить более 50 лет без потери эксплуатационных свойств.
«Космические» плиты для гражданского строительства
Нужно сказать, что в строительство PIR пришёл не сразу. Изначально он нашёл применение в космической отрасли, традиционно берущей на вооружение все наиболее передовые технологии. И только в 1980-х пенополиизоцианурат спустился с небес на землю.
Владимир Шалимов: «PIR является на сегодняшний день одним из самых современных полимерных утеплителей, а процесс его производства трудоёмок и имеет в основе сложную физико-химическую составляющую. Установленная на нашем предприятии в Рязани автоматическая линия по выпуску PIR-плит включает 12 технологических участков, самый протяжённый из которых — 40-метровый термопресс. Здесь плита приобретает заданные геометрические параметры и эксплуатационные свойства, которые регулируются с очень высокой точностью. Именно пресс определяет скорость работы всей линии, которая способна производить 60 м продукции в минуту и до 2 млн кубометров теплоизоляции в год».
Конструктивно PIR-плита ТЕХНОНИКОЛЬ, выпускаемая под маркой LOGICPIR, представляет собой «сэндвич» из двух обкладок, между которыми заключено «тело» плиты из пенополиизоцианурата. Сцепление между ними обеспечивает высокая способность PIR к адгезии практически к любым материалам, поэтому производство плит не требует использования клея или других связующих.
На сегодняшний день компания выпускает PIR-плиты различных толщин и размеров и с разными типами обкладок, наиболее распространёнными из которых являются алюминиевая фольга, обработанная специльным защитным праймером, а также минерализованный стеклохолст. Плиты первого типа используются в качестве теплоизоляции на скатных и плоских кровлях (в системах с механическим креплением), для внутреннего утепления на предприятиях сельского хозяйства и агропромышленного комплекса, а также для производства вентиляционных воздухопроводов. Второй тип применяется на плоских кровлях в системах с клеевым креплением.
Использование PIR-плит в строительстве позволяет не просто повысить его качество, но и добиться существенной экономии, например, за счёт снижения стоимости работ по устройству плоских кровель. Дело в том, что термостойкая PIR-кровля не требует защитной стяжки и позволяет использовать рулонную гидроизоляцию из синтетических ПВХ-мембран, укладываемую непосредственно на плиты утеплителя. За счёт этого монтаж обходится примерно в 1,5 раза дешевле и происходит в 1,5 раза быстрее, чем в системах со стяжкой и традиционной гидроизоляцией.
Использование PIR для утепления зданий улучшает их теплоизоляционные характеристики. Это, в частности, повышает показатель энергоэффективности, который рассчитывается методом энергомоделирования в ходе сертификации LEED, а также позволяет снизить расход энергоресурсов на отопление. Благодаря этим и другим преимуществам доля PIR в теплоизоляции плоских кровель, например, на рынке США на сегодняшний день достигает 76%, а в Европе — 40% и растёт на 3% ежегодно.
Отдельная линейка продукции — плиты LOGICPIR компактного размера 1200×600 мм — была разработана специально для теплоизоляции жилых помещений, а также лоджий и балконов, бань и саун. Благодаря фольгированной обкладке такая плита, при условии применения армирующего скотча для проклейки швов, не требует использования пароизоляционных материалов, что упрощает и удешевляет ремонт и строительство. При этом сама пароизоляция из фольги является особо надёжной.
Не только плиты
Производство теплоизоляционных PIR-плит — важная, но далеко не единственная область применения пенополиизацианурата. Очень широко используется этот материал и в агропромышленном комплексе, где распространены здания на основе металлокаркаса. В таких конструкциях PIR применяется сразу в двух вариантах исполнения: он входит в состав классических трёхслойных сэндвич-панелей (ТСП), либо используется в виде плит большого размера. В обоих случаях такой утеплитель позволяет существенно сократить затраты на строительство, поскольку зданиям не требуется внутренняя отделка помещений. Кроме того, эти виды утепления имеют значительно меньший вес, что позволяет сэкономить на их транспортировке и монтаже.
Ещё одна важная область применения — строительство заводов сжиженного природного газа. Их основой, определяющей производственный потенциал предприятия, являются хранилища и накопители готовой продукции. Устройство таких хранилищ, где сжиженный газ находится при атмосферном давлении и температуре примерно -167 °C, предполагает наличие между стенками резервуара изоляционного барьера. В качестве материала для его устройства также служит PIR, который, благодаря своим свойствам, обеспечивает высокую механическую прочность резервуара, поддержание требуемых условий хранения сжиженного газа и предотвращает его утечки в жидкой или газообразной форме.
Пример поистине массового применения PIR — холодильная промышленность. На сегодняшний день этот материал практически вне конкуренции в качестве теплоизолятора для холодильных и морозильных камер, как промышленного, так и бытового назначения. И дело здесь не только в его низкой теплопроводности, но и в химической инертности. Поэтому холодильные камеры с утеплением из пенополиизоцианурата широко используются в пищевой, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности с повышенными требованиями к чистоте производства, и, конечно, в обычных домашних холодильниках.
Рассказ об использовании PIR мы начали с того, что первоначально этот инновационный материал нашёл своё применение в космической отрасли. Применяется он там и сегодня. Сочетание малого веса (что критично для космоса), высокой прочности, рекордных теплоизоляционных показателей и стойкости к воздействию температур делают пенополиизацианурат практически незаменимым при строительстве космических летательных аппаратов. Кроме того, уже сейчас специалисты всерьёз рассматривают его как главного кандидата на роль строительного материала для инопланетных станций. Возможно, что всего через каких-то 100 лет или даже раньше первые земные колонисты заселят марсианские жилые купола, построенные из PIR-плит.
