Vlastnosti polyuretanových pěn používaných ve stavebnictví

Tuhé polyuretanové pěny používané ve stavebnictví se vyznačují vysokými tepelně izolačními vlastnostmi, širokým rozsahem provozních teplot, vysokou měrnou pevností, nízkou propustností vody a páry, širokými technologickými možnostmi výroby, odolností vůči korozi, působení atmosférických faktorů, chemického prostředí a záření.

Vlastnosti polyuretanových pěn (PUF)

Tepelněizolační vlastnosti tuhých pěnových plastů závisí na hermetických rozměrech buněk a součinitel tepelné vodivosti kolísá od 0,019 do 0,035 W/(m K). Pro srovnání: keramzitový štěrk má součinitel tepelné vodivosti 0,12 až 0,14 W/(m K), pěnové sklo nebo plynové sklo – 0,84 W/(m K), šitá minerální vlna – 0,056 W/(m K). Použité druhy polyuretanové pěny neztrácejí své tepelněizolační a pevnostní vlastnosti během provozu při teplotách od -100 °C do +100 °C. Některé druhy polyuretanové pěny odolávají zvýšeným teplotám až do 320 °C bez zhoršení provozních vlastností a jiné druhy – sníženým teplotám až do -250 °C.

Zvuková pohltivost polyuretanové pěny závisí na jejích tlumicích vlastnostech, elasticitě, tloušťce izolační vrstvy a propustnosti vzduchu. Zvuková kapacita polyuretanové pěny je určena stupněm absorpce zvukové energie částicemi vzduchu uvnitř buněk a třecí prací při pohybu částic mezi propojenými buňkami, jakož i tuhostí buněčné konstrukce nebo frekvencí vybuzených vibrací. Aby se eliminoval odraz zvuku od vrstvy polyuretanové pěny, musí být její impedance (odpor vůči prostředí) rovna impedanci vzduchu. V tomto ohledu má polyuretanová pěna s nízkou hustotou nejlepší vlastnosti. Experimentálně bylo zjištěno, že největší absorpci hluku poskytuje poloelastická polyuretanová pěna.

V praxi lze zvukově pohltivé vlastnosti polyuretanové pěny zvýšit různými způsoby:

• v nízkofrekvenční zóně – výběrem velikosti vzduchové mezery mezi vrstvou polyuretanové pěny a vibrující strukturou;
• ve střední frekvenční zóně – výběrem formulací tak, aby rezonanční frekvence polymerních přepážek byly mimo provozní rozsah frekvencí zvukových vibrací;
• ve vysokofrekvenční zóně – perforováním filmových povlaků.

Chemická odolnost polyuretanové pěny je vyšší než u jiných pěnových plastů. Chemické výpary až do maximální přípustné koncentrace je neničí. Polyuretanová pěna je odolná vůči následujícím agresivním prostředím: benzín, benzen, halogenované uhlovodíky, zředěné kyseliny, oleje, změkčovadla, alkoholy; omezeně odolná vůči ketonům, etherům, koncentrovaným kyselinám.

Takové vlastnosti polyuretanové pěny rozšiřují možnosti jejich využití v chemickém a petrochemickém průmyslu. Polyuretanové pěny nanesené na kovový povrch jej chrání před korozí jak vrstvou vlastní pěny, tak i filmy vytvořenými během procesu pěnění na površích pěny ze strany kovu a z vnějšího prostředí. Účinnost ochrany je dána druhem použité polyuretanové pěny a stupněm poškození povlakové vrstvy.

Absorpce vody polyuretanové pěny nepřesahuje 1-3% objemu za 24 hodin a závisí na specifikách použité receptury. S rostoucí hustotou se absorpce vody snižuje. Použitím vodoodpudivých přísad (například ricinového oleje) ve receptuře je možné snížit absorpci vody až 4krát.

Odolnost polyuretanové pěny vůči dlouhodobému vystavení vodě je obzvláště důležitá pro stavbu lodí. Pěnoplasty intenzivně absorbují vodu díky vyplnění makrobuněk v celém objemu vzorku a sorpci vody buněčnými stěnami. Absorpce vody u pěnoplastů je výrazně nižší, protože vlhkost difunduje buněčnými stěnami pomalu. Bylo zjištěno, že polyuretanové pěny se vyznačují dobrou rozměrovou stálostí při dlouhodobém vystavení vodě. Po měsíci vystavení se objemu vzorků polyuretanové pěny zvýšil pouze o 2,5 %, poté začalo smršťování, které po 3 letech činilo 1 % objemu, respektive 0,3 % lineárních rozměrů. Objem vzorků polyuretanové pěny se po měsíci testování zvýšil na 4 % a po třech letech vystavení se přiblížil původnímu objemu.

Ohnivzdornost a tepelná odolnost. PPU používaný společností patří mezi samozhášivé (S), zpomalující hoření (TB) a ohnivzdorné (TS) polyuretanové pěny. V praxi se zvýšení požární odolnosti PPU, stejně jako jiných pěnových plastů, dosahuje hlavně dvěma způsoby: chemickou modifikací receptury a zavedením plniv. První z nich je dražší a pracnější, zatímco druhý se používá častěji. Jako plniva se používají halogenované a fosforové sloučeniny. V některých případech je vhodné nanést plněný PPU jako povlak na povrch dříve napěněného PPU ve formě tenké vrstvy. Takové dvouvrstvé povlaky lze použít v těch odvětvích národního hospodářství, kde jsou na povlaky kladeny zvýšené požadavky na požární odolnost.

Ohnivzdornost polyuretanové pěny lze zajistit nanesením speciálních nátěrů na jejich povrch. Například společnost „Carboline“ (USA) vyvinula pro tento účel nátěr „Pyrocrit L/D“ na bázi oxychloridu hořečnatého. Společnost „Ritm“ má dostatečné zkušenosti s nanášením cementové malty na nátěr polyuretanové pěny.

PPU-250 lze dlouhodobě používat jako tepelně odolný dielektrický a ohnivzdorný materiál při teplotách od -60 do +200 °C a krátkodobě i při vyšších teplotách. Při kontaktu s otevřeným ohněm se vytvoří povrchová vrstva koksu, která chrání izolovaný povrch před účinky vysokých teplot a pomáhá uhasit plamen. Teplota povrchu izolovaného vrstvou PPU-250 o tloušťce 35 mm tak nepřekročí 50 °C při vystavení teplotě 10 °C po dobu 340 minut.

Polyuretanová pěna třídy I-11 má vysokou požární odolnost podle SNiP 2-80-7, je zpomalovač hoření, koeficient hořlavosti KT je 0,9-1,0.

Ekologie. Polyuretanové pěny používané společností jsou během provozu bezpečné pro životní prostředí. Pro použití polyuretanové pěny existují příslušná povolení od hygienických a epidemiologických orgánů.

Stárnutí. Životnost různých materiálů je určena jejich odolností vůči stárnutí, tj. schopností zachovat si své vlastnosti během provozu na úrovni technických požadavků. Klimatické testy byly provedeny v různých oblastech: mírně chladné (Vladimir), suché horké (Taškent), velmi chladné (Antarktida, stanice Vostok), horké vlhké (v rovníkové oblasti). V důsledku testů bylo zjištěno, že změna kontrolovaných vlastností polyuretanové pěny byla prakticky nevýznamná a zůstala na přijatelné úrovni.

Uspokojivou odolnost polyuretanové pěny vůči přímému vystavení atmosférickým faktorům lze ilustrovat na příkladu nástřiku na sklady ropy v Moskvě, Jekatěrinburgu, Krasnojarsku a Čitě. Za 15 let provozu těchto zařízení nebyla zjištěna žádná plíseň, eroze ani bobtnání povlaku. Zbarvení uvnitř polyuretanové pěny zůstalo prakticky nezměněno. Barva vnějšího povrchu se změnila ze světle žluté na tmavě hnědou. Pevnost v tahu zůstala prakticky nezměněna, zatímco rázová houževnatost vnitřních vrstev se zvýšila 1,5krát. Tepelná vodivost se změnila z 0,033 na 0,04 W/(m K). Teplota měknutí zůstala prakticky nezměněna. Tyto údaje jsou v dobré shodě s vypočítanými údaji, podle kterých se tepelná vodivost po 30 letech skladování polyuretanové pěny zvyšuje o 15 %. Absorpce vody polyuretanové pěny nepřekročila 0,15 kg/mXNUMX. Dielektrické vlastnosti zůstaly prakticky nezměněny. Změna barvy polyuretanové pěny (žloutnutí) je způsobena přítomností volných aminoskupin v polymeru a vlivem světla. Intenzitu tohoto procesu lze snížit změnou receptů.

Radiační odolnost polyuretanové pěny. Při ionizujícím záření byl zjištěn mírný pokles (o 0,3-2,4 %) hmotnosti vzorků tuhé polyuretanové pěny. Pevnost se zvyšuje o 20-40 %. Při vystavení záření se mění dielektrické vlastnosti: tangens dielektrických ztrát při frekvenci 1 MHz se snižuje 2krát a dielektrická konstanta se znatelně mění. Objemový odpor se monotónně zvyšuje. Se zvyšující se frekvencí se dielektrická konstanta při teplotách do 100 °C nevýznamně snižuje. Hlavním parametrem určujícím dielektrickou konstantu v teplotním rozsahu do 100 °C je hustota polyuretanové pěny.

Toxicita. Po dokončení procesu vytvrzování (10–20 sekund) jsou polyuretanové pěny netoxické. Při teplotě 500 °C se uvolňuje oxid uhelnatý a oxid uhličitý. Testy provedené na myších ukázaly, že toxicita produktů rozkladu polyuretanové pěny je za stejných podmínek výrazně nižší než toxicita produktů rozkladu dřeva a pryže.

Záruční doba. Druhy polyuretanových pěn používané společností si zachovávají své vlastnosti po dobu 15 až 50 let. Dlouhodobé ultrafialové záření nechráněných polyuretanových pěn ve spoji, které odpovídá 60leté životnosti, nemá znatelný vliv na jejich fyzikální a mechanické vlastnosti v hloubce větší než 10 mm od povrchu. Při dlouhodobém vystavení proměnným teplotám a cyklické deformaci, což odpovídá 40leté životnosti, se polyuretanové pěny nedrolí, nevznikají praskliny ani jiné porušení makrostruktury.

Polyuretanová pěna (PUF) je na trhu s tepelnou izolací bezkonkurenční díky svým nejvyšším tepelněizolačním vlastnostem a odpovídající nízké tepelné vodivosti. Nejblíže k ní se v tomto technologickém parametru nachází extrudovaná polystyrenová pěna, která má součinitel tepelné vodivosti 0,03 W/m*deg., a podobný ukazatel PUF je od 0,023 do 0,035 W/m*deg. s hustotou polymerního tepelného izolantu od 30 do 200 kg/m3.

Vynikající vlastnosti polyuretanových pěn v oblasti odolnosti vůči teplotním vlivům předurčily široké použití polyuretanové pěny v oblasti tepelné izolace topných potrubí systémů zásobování teplem a teplou vodou, různých typů kryogenních a chladicích systémů a instalací, ropovodů a dalších. Provozní teplota polyuretanové pěny pro potrubí topných sítí je 140 stupňů Celsia (při krátkodobém zvýšení provozní teploty chladicí kapaliny na 150 stupňů Celsia) a při nízkých teplotách polyuretanové pěny perfektně slouží při snížení na -180-200 stupňů Celsia.

Životnost polyuretanové pěny je 25-30 let a více, což bylo empiricky stanoveno za provozních podmínek různých objektů s použitím polyuretanové pěny aplikované různými technologickými metodami. V Německu, USA, Švédsku, Japonsku a dalších zemích bylo zaznamenáno a zdokumentováno mnoho faktů o otevření funkční polyuretanové pěnové tepelné izolace, přičemž pěna aplikovaná v 70. letech se v současnosti používá se zachováním přijatelných fyzikálních tepelněizolačních vlastností a ukazatelů.

Tuhá polyuretanová pěna si zachovává své tepelněizolační vlastnosti i v provozních situacích, kdy podobné tepelněizolační materiály absorbují vlhkost a téměř úplně ztrácejí své tepelněizolační vlastnosti.

Hlavní vlastnosti tuhé polyuretanové pěny (PUF):

• nízká hustota materiálu, plasticita a schopnost vyplnit objemy a výklenky, které je obtížné izolovat jinými způsoby;
• nízká tepelná vodivost tepelně izolačního materiálu PPU, vysoký energeticky úsporný efekt;
• široký rozsah hustot materiálu, což umožňuje výrobu kompozic se širokou škálou výkonnostních charakteristik;
• nízká propustnost páry a nízká absorpce vody, což umožňuje dlouhodobé zachování vysokých tepelněizolačních vlastností;
• vysoká přilnavost k většině stavebních a konstrukčních materiálů, což umožňuje použití různých technologií nanášení polymerů, a to i na povrchy, se kterými se obtížně pracuje;
• výrobky z polyuretanové pěny se snadno obrábějí, řezají a lepí s přesným dodržením stanovených rozměrů;
• vysoká chemická odolnost vůči organickým rozpouštědlům, benzínu, roztokům solí, zředěným kyselinám a zásadám;
• schopnost zcela desorbovat vlhkost (vysušit kapalinu, která vstoupila do polymeru) na původní počáteční vlastnosti tepelně izolačního materiálu;
• trvalá biostabilita – polymer není náchylný k účinkům mikroorganismů, plísní, hniloby, například jej nepožírají krysy, které narušují integritu jiných polymerních materiálů (komunikační kabely a elektrické vedení atd.);
• není toxický materiál a nepředstavuje nebezpečí pro lidské zdraví, proto se elastické (pěnové) polyuretanové pěny používají k výrobě nábytku a tuhé polyuretanové pěnové polymery se používají k tepelné izolaci, včetně střech, stěn, základů a chladicích jednotek pro skladování potravin;
• široký rozsah provozních teplot od -180 °C do +150 °C;
• Fyzikální, mechanické a požárně nebezpečné vlastnosti polyuretanové pěny se značně liší se změnami poměru složek A a B.

Charakteristickým rysem polyuretanů jsou jejich vysoké fyzikální a mechanické vlastnosti, které v souhrnných charakteristikách překonávají většinu alternativních polymerních materiálů, jako je pryž, kaučuk a dokonce i některé druhy kovů. Zvýšená tvrdost dosažená několika typy technologií (například při potahování armatur hlavních ropovodů a plynovodů) umožňuje použití polyuretanů ve výrobcích vystavených obzvláště silnému mechanickému zatížení, tření a nárazům (hřídele válcované za studena nebo ohýbané oceli, různé typy podpěr a další ocelové výrobky). Lité polyuretany překonávají pryže, plasty a kovy v odolnosti proti opotřebení a oděru. Zároveň si polyuretan se zvýšenými pevnostními vlastnostmi zachovává vysokou elasticitu, mez deformace při přetržení dosahuje 350 %, což poskytuje hodnotu pevnosti na úrovni 50 MPa.

Polyuretanová pěna se vyznačuje vysokou pevností, odolností proti opotřebení, odolností proti bobtnání v olejích a rozpouštědlech, značnou odolností vůči ozonu a záření. Kombinace vysoké elasticity s tvrdostí v polyuretanech určuje její poptávku v moderním průmyslu a tepelně izolační vlastnosti polyuretanových pěn – v systémech se zvýšenými požadavky na úroveň tepelné ochrany konstrukcí a budov.