Vlastnosti pěnového polystyrenu (pěnový plast)

Mezi prvními, kteří vyvinuli technologii pěnění polyetylenu, byli specialisté z japonské společnosti Sekisui Chemical Co. Ltd.. V roce 1968 se objevil materiál Softlon – pěnový nízkohustotní polyethylen LDPE (LD-PE), molekulárně zesíťovaný vysokým zářením (radiation crosslinked) pomocí technologie vyvinuté tehdejší malou firmou samotnou. Nový materiál má unikátní tepelně izolační a plastické vlastnosti. V roce 1971 zorganizovala Sekisui první výrobu pěnového polyetylenu v Evropě spolu se švýcarskou společností ALVEO, která se v roce 1973 dostala pod její úplnou kontrolu.

Pěnový polyethylen (expandovaný polyethylen EPE) patří do tzv. třídy plynem plněných (pěnové polymery nebo pěnové plasty) termoplastických polymerů (termoplastů).

Pěnové polymery se běžně označují jako organické, vysoce porézní materiály získané ze syntetických pryskyřic. Často se nazývají pěnové plasty nebo pěnové plasty, stejně jako celulární plasty plněné plynem. Polymerní pěny jsou heterogenní disperzní systémy skládající se z pevné a plynné fáze.

Plasty plněné plynem jsou dvoufázové systémy sestávající z polymerní matrice a relativně rovnoměrně dispergované plynné fáze. Tato struktura plastů určuje některé společné vlastnosti jejich vlastností, a to extrémně nízkou hmotnost, vysokou tepelnou a zvukovou izolaci.

Polymerní pěny se rozlišují na bázi termoplastických polymerů s lineární strukturou – polyolefinové pěny (polyethylen, polystyren, polyvinylchlorid, polypropylen atd.) a termosetové polymery – na bázi polymerů s prostorovou strukturou (fenolformaldehyd, močovinoformaldehyd, nenasycené polyestery, epoxid, polyuretan atd.). Pro termoplastické pěnové polymery jsou nebezpečné teploty blízké průtokové teplotě, kdy je výrazně snížena pevnost materiálu a nadměrný tlak plynu může materiál zničit.

V závislosti na fyzikální struktuře buněk lze pěnové polymery podmíněně rozdělit do tří skupin: pěnové plasty, porézní polymery a voštinové polymery.

Pěnový polystyren představují materiály s buněčnou strukturou, ve kterých jsou plynná plniva izolována od sebe navzájem a od okolí tenkými vrstvami polymerního pojiva. Uzavřená buněčná struktura poskytuje dobrý vztlak a vysoké tepelně izolační vlastnosti. Jejich pevnost je nízká a závisí na hustotě materiálu. Příkladem pěnového plastu je pěnový polystyren. Objemová hmotnost takových pěnových polymerů se pohybuje od 20 do 300 kg/m3.

Pěnové plasty s otevřenou porézní strukturou, v důsledku čehož plynné inkluze v nich přítomné volně komunikují mezi sebou a okolní atmosférou. Jejich zdánlivá hustota se pohybuje od 5-90 do 90-800 kg/m3. Příkladem pěnového plastu je polyethylenová pěna.

Voštiny Jsou vyrobeny z tenkých plátových materiálů, které nejprve získají vzhled zvlnění nebo vlákna a poté se spojí ve formě voštin. Materiál se skládá z různých tkanin, které jsou napuštěny různými pojivy. Voštinové plasty se vyznačují poměrně vysokou tepelnou izolací, elektroizolačními vlastnostmi a rádiovou transparentností. Příkladem je zde materiál s ochrannou známkou Tyvek od společnosti DuPont.

Existují dva hlavní způsoby výroby pěnových polymerních produktů: fyzikální (přímé vstřikování plynu do taveniny polymeru) a/nebo chemické (přidáním činidel (aditiv), které se rozkládají s uvolňováním plynu během zpracování), nepočítaje případ výroby polyuretanových pěn, u kterých se plyn uvolňuje v důsledku chemické reakce složek během lisování.

Oba způsoby mají výhody i nevýhody. Použití fyzikálních nadouvadel je ekonomicky výhodnější, vyžaduje však speciální vybavení a dodržování velmi přísných protiexplozivních a požárních bezpečnostních opatření. Chemická pěnidla lze používat na standardních zařízeních a nevyžadují zvláštní protipožární opatření. Jako pěnidlo lze použít různé sloučeniny v závislosti na požadovaných vlastnostech konečného produktu a typu použitého materiálu.

Pěnové výrobky mohou mít jakoukoli fyzickou podobu – desky, fólie, plechy, obruče, závity, tyče, profily, laminované desky atd. Měrná hmotnost (hustota) pěnových výrobků se obvykle pohybuje v rozmezí od 5 do 800 kg/m3 s velikostí pěnových buněk od 0,05 mm do 15 mm. Obsah počtu buněk ve struktuře materiálů lze měnit od 0 do 100 % v závislosti na zvolených surovinách a technologickém postupu.

Pěnění termoplastů lze provádět jak vstřikováním, tak vytlačováním.

Podle typu vytváření mezimolekulárních vazeb mezi buňkami při výrobě lze pěnové polymery také podmíněně rozdělit do tří skupin: se zesíťovanou strukturou molekul, nezesíťované a odděleně tvořené z kapkovitých struktur podobných granulím pomocí prvních dvou metod.

Při výrobě pěnových produktů lze použít přísady (prostředky) pro zlepšení stability, například glycerolmonostearát, perforační přísady pro urychlení a zlepšení výměny plynů v materiálu a nahrazení plynů vzduchem. Podle volby výrobce se také používá mnoho dalších přísad, které mění a/nebo zlepšují vlastnosti produktů. Mohou to být antioxidanty (pro zpomalení procesů termooxidační destrukce), nukleátory (nukleační – pro zvýšení tuhosti), barvicí pigmenty, retardéry hoření (pro snížení hořlavosti).

Obecnou třídu pěnových polymerů lze podmíněně klasifikovat podle základního pěnového polymeru, struktury pěnového produktu a typu mezimolekulární vazby, která je prezentována ve formě blokového diagramu:

Klasifikace pěnových polymerů

Srovnávací charakteristiky pěnových polymerů

Specifické vlastnosti plynem plněných plastů určují technické zaměření a ekonomickou efektivitu jejich aplikace v různých oblastech průmyslu. Vzhledem k nízké průměrné hustotě, vysokým tepelně a zvukově izolačním vlastnostem, zvýšené měrné pevnosti, jakož i řadě cenných technologických a provozních vlastností nemají pěnové plasty mezi tradičními stavebními materiály obdoby.

Tyto materiály se vyznačují vysokou měrnou pevností, výrazně vyšší než u konkurenčních produktů. Většina plastů plněných plynem má však určité nevýhody. Možnost jejich použití je výrazně omezena: sníženou požární odolností, tepelnou odolností a teplotní odolností při teplotách nad 200 0C. Navíc procesy destrukce („stárnutí“) těchto materiálů a jejich biostabilita při dlouhodobém používání nebyly plně prozkoumány.

Také v podmínkách dlouhodobého statického namáhání dochází u pěnových plastů k creepovým deformacím, které snižují rozměrovou stálost materiálu. Při použití pěnových polymerů v konstrukčních prvcích jsou významné deformace nepřijatelné, proto je povaha a velikost deformace materiálu v čase brána jako kritérium odolnosti pěnových plastů vůči statickému namáhání. Deformovatelnost pěnových plastů závisí na velikosti a trvání působících napětí. Při vysokém zatížení (0,4–0,45 meze pevnosti v tlaku) se v průběhu času intenzivně vyvíjí tečení.

Provozní podmínky stavebních tepelně izolačních materiálů jsou dány typem stavby a regionem stavby. Periodické vlhčení (střídání vlhčení a sušení) nejintenzivněji snižuje pevnost a elastické vlastnosti pěnových plastů (až o 40 % v závislosti na typu polymerní báze).

Cyklování zmrazování a rozmrazování také snižuje pevnost pěnových plastů. Po 25 cyklech tlakových zkoušek nemodifikovaného polystyrenu a polyethylenových pěn je tedy pokles pevnosti 13-15%, pro polyvinylchloridové pěny od 2-15% a pro fenolové pěny – 22%.

Sortiment a vlastnosti pěnových materiálů jsou velmi rozsáhlé a rozmanité. V Rusku byla zavedena GOST 16381-77 TIM pro použití pěnových polymerů jako tepelně izolačních materiálů, ve kterých jsou klasifikovány podle následujících hlavních vlastností:

1. Podle druhu suroviny

Tepelně izolační materiály mohou být organické a minerální. Zahraniční druhy pěnového polyetylenu se měří podle normy ISO 1923 (1981).

2. Tvarem a vzhledem

Materiály se dělí na jednotlivé výrobky (desky, bloky, cihly, válce, půlválce, pláště, segmenty), role a šňůry (rohože, šňůry).

3. Podle průměrné hustoty

Na rozdíl od mnoha jiných stavebních materiálů není jakost tepelně izolačního materiálu určena jeho pevností, ale průměrnou hustotou, která se vyjadřuje v kg/metr krychlový.

Podle tohoto ukazatele se tepelně izolační materiály dělí do následujících stupňů: 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500. Horní mez jeho průměrné hustoty představuje tepelně izolační materiál. (například produkty třídy 100 mohou mít průměrnou hustotu 75-100 kg/mXNUMX).

Metoda stanovení hustoty v zahraničí je popsána v normě ISO 845 BS4443 Part 1, Method 2, DIN 53420 1978

4. Tuhostí

Tepelně izolační materiály jsou rozděleny do následujících typů: měkké, polotuhé a tuhé. Kromě toho se vyrábí výrobky se zvýšenou tuhostí a tvrdostí, které jsou vysoce odolné vůči vnějšímu zatížení.

Tuhé materiály, nejrozšířenější v tepelné izolaci budov, tedy zahrnují výrobky s R(cж) – mez pevnosti v tlaku při 50% deformaci větší než 0,15 MPa, elastické – méně než 0,01 MPa (polotuhé zaujímají střední polohu).

5. Metodou tvorby pórů

Tepelně izolační materiály jsou rozděleny do následujících typů:

• vláknité materiály rámu;
• expandované materiály;
• pěnové materiály;
• materiály s porézním plnivem;
• materiály s hořlavými přísadami;
• materiály s prostorovým rámcem.

6. Podle hořlavosti

Tepelně izolační materiály jsou klasifikovány podle SNiP 21-01-97.

7. Podle tepelné vodivosti

Materiály a výrobky jsou rozděleny do tříd:

A – nízká tepelná vodivost (č.

Provozní teplota, C

Maximální pevnost, MPa

Modul pružnosti v tlaku, MPa

Absorpce vody za 24 hodin, %

Polystyrenová pěna by nezískala celosvětové uznání bez svých jedinečných vlastností: nízká tepelná vodivost a energetická účinnost, odolnost proti vlhkosti, chemická a biologická neutralita, trvanlivost, šetrnost k životnímu prostředí a netoxicita. Vzhledem k široké škále užitných vlastností a nízkým nákladům je rozsah použití pěnového polystyrenu (pěnový plast) neomezený a stále roste.

Pěnový plast se snadno zpracovává a vyrábí, a co je nejdůležitější, je netoxický a bezpečný pro životní prostředí a pro člověka. Dnes neexistuje žádný typ činnosti, kde by se člověk nepotýkal s potřebou použití tohoto materiálu vždy ospravedlňuje funkce, které jsou mu přiděleny. Medicína nebo gastronomie, výroba nebo chov zvířat, včelařství nebo zahradnictví, architektura nebo stavebnictví, izolace nebo reklama – pěnový polystyren nemá obdoby ani konkurenty.

Tepelná vodivost a energetická účinnost pěnového plastu.

Tepelná vodivost je klíčovou vlastností tepelně izolačního materiálu. Ten v souladu s mezinárodními normami určuje požadovanou tloušťku izolačního materiálu.

Čím nižší je koeficient tepelné vodivosti, tím méně tepla odevzdává izolační materiál do ulice. Podle údajů Výzkumného ústavu stavební fyziky dokument „Stavební normy a pravidla Ruské federace“ z roku 2003 popisuje požadavky na tloušťku každého izolačního materiálu v souladu s klimatickými podmínkami.

Zde jsou údaje z tabulky uvedené pro teplotní režim klimatické zóny města Moskvy a regionu.

Přední stavební firmy po celém světě dlouhodobě oceňují dobré tepelně izolační vlastnosti pěnového polystyrenu, které umožňují vynakládat minimum peněz a energie na vytápění obytných budov a na samotný izolační materiál (izolaci).

Ve Francii je tak 80 % soukromých domů izolováno pěnovým plastem. V západní Evropě dosahuje počet budov zateplených pěnovým polystyrenem 27 % z celkového počtu budov. V Itálii je toto číslo 44 %. Lídrem ve spotřebě pěnového polystyrenu ve stavebnictví je Německo (48 % veškerého vyrobeného pěnového polystyrenu). A není se čemu divit, protože pěnový polystyren pomohl výrazně snížit náklady na energii na vytápění. V Rusku však technologie předních stavebních společností nestojí a neustále rozšiřují výrobu pěnového polystyrenu.

Odolnost pěnového plastu proti vlhkosti

Studie ukázaly, že polystyrenová pěna může absorbovat pouze 4% vlhkosti. Navíc absorbovaná vlhkost není schopna zničit buněčnou strukturu pěnového polystyrenu při opakovaném zmrazování a rozmrazování. Schopnost odolávat vysoké vlhkosti udělala z pěnového polystyrenu výjimečně spolehlivý materiál pro pokládání základů a stavbu ve vysoce vlhkých klimatických zónách.

Chemická a biologická neutralita pěnového polystyrenu

Jakýkoli materiál schválený pro použití v gastronomii a medicíně musí projít přísným testováním na možnost tvorby plísní. V důsledku klinických zkoušek nebyl žádný ze známých typů plísní schopen růst na pěnovém polystyrenu, a to i přes ideální laboratorní podmínky pro rozvoj hub.

Podle výsledků studie byla polystyrenová pěna uznána jako jediný známý materiál doporučený pro dlouhodobý styk s potravinami. To je důvod, proč se pěnový polystyren široce používá při výrobě nádob na potraviny, obalových produktů a jednorázového nádobí.

Pěnový polystyren navíc hlodavci nežerou a není pro ně potravně atraktivní.

Snadnost použití.

Pěnový plast je lehký, což pomáhá snižovat náklady na dopravu materiálu, instalaci a hlavně snižuje tlak vyvíjený izolačním materiálem na základ a celou konstrukci.

Navíc je pěnový polystyren díky své struktuře nejpohodlnější a nejbezpečnější pro práci ze všech známých materiálů. Práce s materiálem, jako je pěnová deska, sendvičové panely, penoplex nebo bloky z pěnového polystyrenu (pěnové bloky), nevyžaduje ochranu dýchacích cest a pokožky, což nelze říci o skelné vatě nebo minerální vlně.

Atraktivní cena pěnového polystyrenu – kromě všech jeho dalších kladných vlastností – z něj dělá prostě ideální materiál pro stavební a projekční práce.

Trvanlivost a spolehlivost polystyrenové pěny.

Všechny materiály jsou náchylné k destrukci – stárnutí a sebedestrukci. Před spolehnutím se na materiál a jeho použitím ve stavebnictví byla pěna podrobena laboratorním testům.

Cílem experimentu byla trvanlivost materiálu, jeho odolnost vůči změnám teplot, maximální a minimální teplota potřebná pro zachování struktury materiálu.

Během experimentů byla polystyrenová pěna zmražena na -40 stupňů Celsia a poté zahřátá na +40 stupňů s vystavením vodě. Po 80 cyklech takové úpravy, odpovídajících 80 letům v normálním prostředí, nebylo možné zjistit žádné výrazné zničení pěny, zachovala si 92 % svých vlastností. To znamená, že pěnový polystyren může sloužit v extrémních klimatických podmínkách více než 80 let prakticky bez ztráty užitných vlastností.