Пенополистирол — фасадный утеплитель

В этой статье: история открытия полистирола; технологии производства; сферы применения пенополистирола; применение в строительстве, ГОСТы; свойства и характеристики; экологичность, долговечность и пожарная безопасность — так ли безопасен этот утеплитель; что в действительности означает термин «самозатухающий пенополистирол»; как выбирать пенополистирол

Расходы на отопление наших домов в период холодов весьма значительны, а все возрастающая стоимость энергоносителей увеличивает эти затраты год от года. А знаете ли вы, что в холода тепло буквально улетучивается из вашего дома, причем потери тепла не просто велики — они колоссальны! Сегодня большая часть зданий в России, не защищенная изоляционными материалами, теряет порядка 600 гигакалорий тепла с каждого квадратного метра, в то время как с квадратного метра жилья в Германии или в США уходит лишь 40 гигакалорий. Выходит, что домовладельцы фактически оплачивают отопление улицы, а вовсе не своих жилищ… Решить проблему теплопотерь может утепление стен здания с внешней стороны плитами пенополистирола — но так ли все просто с этим теплоизолятором?

История пенополистирола

Все началось в 1839 году, когда немецкий аптекарь Эдуард Симон, экспериментируя со стираксом (смола Liquidambar orientalis), случайно получил стирол. Немного поэкспериментировав со своим открытием, аптекарь установил, что полученное им маслянистое вещество самостоятельно уплотняется, превращаясь в подобие желе. Практической цели в открытии стирола Симон не увидел — назвал желеобразный стирол стиролоксидом и прекратил дальнейшие исследования.

В 1845 году стирол заинтересовал химиков Блита и фон Гофмана — англичанин и немец провели собственные исследования, установив, что это вещество становится желеобразным без доступа кислорода. Химики назвали полученный ими желеобразный стирол метастиролом. Спустя 21 год французский химик Марселин Бертло дал точное название процессу уплотнения стирола — полимеризация.

В 20-х годах прошлого столетия немецким химиком Германом Штаудингером было сделано эпохальное открытие — нагрев стирола вызывает цепную реакцию, в ходе которой образуются длинные цепочки макромолекул. Именно открытие Штаудингера привело к производству полимеров и пластмасс, за что в 1953 году он и получил Нобелевскую премию.

Первый синтез стирола выполнен исследователями американской компании «The Dow Chemical Company», коммерческое производство полистирола одними из первых запущено компанией «BASF» — в 1930 году ее инженеры разработали технологию производства полимеризированного стирола. В 1949 году компания получила патент на производство шариков из полистирола, вспененных пентаном — сама идея этого изобретения принадлежит инженеру-химику Фрицу Штясны. На основе этого патента в 1951 году «BASF» начинает промышленное производство теплоизолятора под торговой маркой «Styropor», выпускаемого по сей день.

Технология производства пенополистирола

Сырьем для производства всех типов изоляции из полистирола служит гранулированный полистирол, для образования ячеек применяется агент вспенивания. Этапов в технологическом процессе получения пенополистирола несколько:

• гранулы полистирола засыпаются в бункер предвспенивателя, где они раздуваются и приобретают шарообразную форму. Для получения теплоизолятора меньшей плотности операцию вспенивания повторяют несколько раз, с каждый разом достигая все большего размера шариков с целью уменьшения фактического веса пенополистирола;
• каждая операция вспенивания сопровождается помещением вспененных гранул в особый бункер, где раздутые шарики полистирола находятся от 12 до 24 часов. За этот срок давление внутри них стабилизируется, а при производстве методом суспензионной полимеризации происходит еще их сушка;
• по завершении заданного количества операций по вспениванию и выдержав срок вылеживания, полистирольные шарики помещаются в формовочный агрегат, где под действием горячего пара формируется пенополистирольный блок. Зажатые в узкой пресс-форме, расширенные под воздействием пара вспененные гранулы склеиваются друг с другом, сохраняя форму после охлаждения и извлечения из пресс-формы;
• на последнем этапе блоки пенополистирола, зачастую имеющие внушительные размеры, подлежат резке по заданным размерам. Но прежде блок из формовочного агрегата помещается на промежуточное хранение, где содержится порядка 24 часов. Дело в том, что под воздействием пара пенополистирольный блок набирает излишнюю влагу, а выполнить ровную резку во влажном состоянии пенополистирола никак не получится, т.к. избежать надломов не удастся. После сушки пенополистирольный блок нарезается по вертикали или горизонтали станочной пилой.

Основных способов производства пенополистирола два — суспензионная полимеризация и поляризация в массе. Технология суспензионной полимеризации базируется на неспособности воды к растворению виниловых полимеров. На этапе вспенивания гранулы стирола засыпаются в реакторы-автоклавы объемом до 50 м³, заполненные деминерализованной водой с растворенными в ней инициатором полимеризации и стабилизатором эмульсии. Полимеризации проходит под постоянным давлением, с равномерным подъемом температуры от начальных 40 до максимальных 130^оС — на весь процесс отводится около 14 часов. Вспененный полимер извлекается из реактора вместе с водной суспензией, отделяется от нее в центрифуге, затем промывается водой и проходит стадию сушки. Основные преимущества данной технологии — постоянное промешивание гранул полимера внутри реактора в ходе полимеризации, эффективное распределение и отвод тепла, что обеспечивает в результате значительный срок хранения вспененного полимера.

Технология полимеризации в массе осуществляется иначе — вода отсутствует, процесс полимеризации непрерывен и проходит при более высоких температурах. В серии последовательно соединенных друг с другом мешалок-реакторов, при температуре от начальных 80 до конечных 220^оС, гранулы полистирола вспениваются. Полимеризация считается состоявшейся и завершенной, если расплавлено от 80 до 90% исходного стирола. При создании вакуума в последнем реакторе колонного типа не прореагировавший стирол устраняется, затем в расплав вводятся антипирены, красители, стабилизаторы и другие добавки, в результате действия которых происходит гранулирование полимера. Не вступивший в реакцию и извлеченный стирол используется при следующей закладке. Довести процесс полимеризации сырья до получения свыше 90% вспененного полистирола при этой технологии крайне затруднительно, т.к. скорость проведения реакции достаточно высока, а возможность отвода тепла здесь отсутствует.

Производство вспененного полистирола по методу суспензионной полимеризации более распространено в России и СНГ, в странах Запада и Америки преобладает технология полимеризации в массе, позволяющая получить теплоизолятор с более высокими характеристиками по плотности, гибкости, четкости границ и цвету, не говоря уже о меньшем проценте отхода.

Технология получения экструдированного (экструзионного) пенополистирола в целом схожа с технологией полимеризации. Разница заключается в продавливании расплава с введенными в его состав агентами вспенивания через пресс-экструдер, получая в результате теплоизолятор с ячейками диаметром до 0,2 мм. Именно малый размер ячеек обеспечивает экструдированному пенополистиролу высокие эксплуатационные свойства и популярность в сфере строительства.

Области применения

Сочетание прочностных и теплоизоляционных свойств, легкости в обработке и переработке, низкой стоимости — благодаря этим характеристикам пенополистирол широко распространен в самых разных сферах нашей жизнедеятельности. Чаще всего этот материал применяется для: упаковки различных товаров и оборудования; изотермической упаковки продуктов питания; производства одноразовой посуды; гасителей энергии в автопромышленности; спасательных плавательных средств; объемной наружной рекламы и т.д.

Отсутствие угрозы пыления — главного положительного отличия пенополистирола от минеральной ваты, позволяет использовать этот материал для термоизоляции холодильного оборудования в пищевой промышленности.

Пенополистирол применяется для термоизоляции дорожного полотна, препятствуя промерзанию основания. Для этой цели используются марки пенополистирола высокой плотности — от 35 кг/м³ и выше. Этот материал используется и для термоизоляции железнодорожного полотна, эффективно препятствуя перекосам рельс и их проседанию на неустойчивых грунтах.

Пенополистирол в строительстве

Одним из первых применять пенопласт для утепления зданий начал американец Хут Хеддок. По его словам, идея термоизоляции домов возникла случайно — Хут заказал в кафе чашку горячего кофе и вдруг обратил внимание, что горячая жидкость в одноразовом стаканчике из полистирола совсем не обжигает пальцы. Проведя в 1984 году эксперимент — построив дом на Аляске и утеплив его пенопластом — он убедился в эффективности полистиролового теплоизолятора.

По ГОСТ 15588-86 допустимо применение пенополистирол в качестве изолирующего промежуточного слоя строительных конструкций. В странах Евросоюза пенополистирол более 40 лет успешно применяется в фасадном утеплении — плиты пенополистирола наклеиваются на основной конструкционный материал, будь то бетон или кирпич, с внешней (наружной) стороны, поверху их покрывают слоем штукатурки.

Как отмечают европейские архитекторы, применение пенополистирола в фасадном утеплении сокращает энергозатраты на отопление троекратно.

Плиты и блоки из экструдированного пенополистирола применяются в качестве несъемной опалубки и одновременного теплоизолятора. Применяемая технология такова: пенополистирольные плиты устанавливаются на заданном расстоянии друг от друга, соединяются между собой особой системой стяжек, в промежуток между плитами укладывается арматура армирования и заливается бетон. Разнообразие готовых блоков из пенополистирола позволяет выстраивать фасады сложной архитектуры. На собранные из блоков экструдированного пенополистирола и заполненные бетоном стены обязательно наносится защитное покрытие — снаружи это может быть облицовочный кирпич или цементно-песчаная штукатурка, изнутри два слоя гипсокартона со стыковкой «в разбежку» или слой штукатурки. Важное условие для опалубки из пенополистирола: плотность этого материала в блоках опалубки должна быть не менее 35 кг/м³.

Клей для пенополистирола не должен содержать в своем составе органических растворителей, разрушающих полистирол. Наиболее безопасно использовать клеи на основе цемента, фасованные в крафт-мешки по 25 кг и затворяемые водой — неорганические компоненты таких смесей не окажут на полистирол никакого отрицательного действия. Важный момент: необходимо достичь наибольшей площади контакта плиты пенополистирола с утепляемой поверхностью (в идеале — 100% площадь контакта) чтобы исключить воздушные пазухи, выступающие в роли мостов холода и накапливающие конденсат.

Свойства и характеристики пенополистирола

Теплопроводимость

Высокие теплоизоляционные свойства пенополистирола объясняются его строением, образованным множеством спаянных между собой шариков, в свою очередь состоящих из множества ячеек с заключенным в них воздухом. А поскольку воздух внутри ячеек не способен перемещаться, то именно он выступает в роли теплоизолятора — неподвижная воздушная среда обладает отличными изоляционными свойствами. По своей сути, пенополистирол состоит из воздуха — 98% воздуха и лишь 2% исходного полистирола.

Коэффициент теплопроводности этого материала ниже, чем у любого другого теплоизолятора, в т.ч. минеральной ваты, и находится в диапазоне 0,028-0,034 Вт/м·К. Теплопроводность пенополистирола возрастает при повышении его плотности, к примеру, у экструдированного пенополистирола с плотностью 45 кг/м³ коэффициент теплопроводности составляет 0,030 Вт/м·К. Рабочие температуры, при которых пенополистирол сохраняет свои свойства — от — 50 до +75^оС.

Водопоглощение и паропроницаемость

Если сравнить экструдированный пенополистирол с пенопластом, произведенным из того же стирола, но по несколько другой технологии, то паропроницаемость пенопласта равна нулю, а экструдированный пенополистирол обладает паропроницаемостью в 0,019-0,015 Мг/(м·ч·Па). Возникает вопрос: как такое возможно, ведь структура любого материала из вспененного полистирола не может пропускать пар? Причина паропроницаемости более плотного по сравнению с пенопластом экструзионного пенополистирола — пар проникает в шарики и составляющие их ячейки по его сторонам, разрезанные при формовке, в то время как формовка пенопластовых изделий выполняется без резки. С водопоглощением ситуация обстоит наоборот: пенопласт способен впитать до 4% воды при погружении или соприкосновении с ней, а экструдированный пенополистирол — лишь 0,4%, что объясняется его большей плотностью.

Закрытоячеистая структура экструдированного пенополистирола

Прочность

По прочности безусловным лидером является экструдированный пенополистирол — его прочность статического изгиба равна 0,4 — 1,0 кгс/м², пенопласта же — 0,07-0,20 кгс/м². Связи между молекулами экструзионного пенополистирола многократно прочнее, чем в структуре пенопласта. Поэтому производство и использование последнего все более сокращается — на смену пенопласту приходит более прочный и современный теплоизолятор, которым является пенополистирол, полученный методом продавливания через пресс-экструдер.

Взаимодействие с химическими и органическими продуктами

На пенополистирол не оказывают никакого воздействия: строительные растворы на основе гипса, цемента, ангидрита или извести; битумные смолы, сода каустическая, растворы мыла и соли, минеральные удобрения, грунтовые воды и эмульсии, применяемые при асфальтировании. Повреждают, разрушают структуру и полностью растворяют пенополистирол в некоторых случаях: олифы, некоторые виды лаков, органические растворители (скипидар, ацетон и т.д.), спиртосодержащие соединения и нефтепродукты.

Кроме того, на открытые поверхности пенополистирола оказывает разрушающее воздействие ультрафиолет солнечных лучей — регулярно облучаемая ими поверхность теряет упругость и прочность, после чего следует разрушение структуры пенополистирола атмосферными явлениями.

Звукопроводимость

Использование пенополистирола для звукоизоляции эффективно лишь частично — при достаточной толщине этот материал отлично подходит для защиты от ударного шума, но не способен бороться с воздушными шумами, звуковые волны которых распространяются по воздуху. Неспособность пенополистирола гасить воздушные шумы связана с полной изоляцией составляющих его ячеек и значительной жесткости внешних поверхностей.

Биологическая устойчивость

Жизнедеятельность плесени на поверхностях пенополистироловых плит невозможна — таковы результаты лабораторных испытаний 2004 года, проведенных в США по заказу американских производителей пенополистирола.

Характеристики по пожарной безопасности, экологичности и долговечности пенополистирола

Производители этого теплоизоляционного материала называют его исключительно экологически безопасным, негорючим и сохраняющим свои эксплуатационные свойства долгие годы. Внешне это так и выглядит — исключение фреона из технологического процесса не вредит озоновому слою, введение антипиренов делает пенополистирол не поддерживающим горение, а лабораторные испытания десятками циклов замораживания и оттаивания характеризуют долговечность. Однако более пристальное изучение пенополистирола показывает несколько иную картину…

Окисления воздухом материалов на основе стирола полностью избежать невозможно, причем у пенопластов скорость окисления выше, чем у экструдированного пенополистирола — в структуре пенопластов более крупные шарики и менее прочные связи. Чем выше температура — тем больше скорость окисления, при этом гореть пенополистиролу не требуется, выделение толуола, бензола, этилбензола, формальдегида, ацетофенона и метилового спирта происходит в процессе воздушного окисления при комнатной температуре более +30^оС. Кроме того, свежеуложенный пенополистирол выделяет стирол, не полимеризированный в процессе производства. Повторюсь — 100% полимеризация всего исходного сырья, заложенного в реактор, невозможна.

Все виды полистирола горючи — с точки зрения официальной системы классификации строительных материалов, те из них, что утрачивают изначальный объем при нагреве в воздушном пространстве, являются горючими. Утверждения производителей полистирола любого типа о его самостоятельном затухании не отражают пожарные характеристики полистирола в полной мере, т.е. информация намеренно искажается.

Продукты горения пенополистирола

Большинство производителей этого теплоизолятора утверждают, что под нагревом пенополистирол выделяет не больше ядовитых веществ, чем дерево. Если при горении дерева выделяются боевые отравляющие вещества, то такое утверждение верно — ведь оплавляясь под воздействием тепла свыше 80^оС, пенополистирол выделяет в воздушную среду большое количество дыма и сажи, содержащего в т.ч. небольшие количества гидробромида (бромистого водорода), гидроцианида (синильной кислоты) и карбонилдихлорида (фосгена).

Так что же дает производителям пенополистирола утверждать, что их продукт менее опасен при возгорании, чем древесина? По российскому ГОСТ 30244-94 подобное заявления было бы просто невозможно, ведь этот стандарт относит материалы на основе пенополистирола, как наиболее горючие, к группам Г3 и Г4. А вот в Европе существует иная методика оценки горючести, вернее, их целых три — биологическая, химическая и комплексная. По биологической методике оценки токсичности наиболее опасным материалом является именно древесные материалы — быстро сгорают с выделением большого количества СО2 при температур самовозгорания. Но оценка токсичности биологическим методом дается лишь по нескольким конечным параметрам, несопоставимым, к примеру, при сравнении на токсичность продуктов горения древесины и полистирола. Точно так же обстоят дела с вычислением токсичности химическим методом…

Реальную картину дает лишь комплексный метод, безоговорочно применяемый в Европе ко всем полимерным материалам.

Однако в России поставщики европейского пенополистирола и местные производители демонстрируют покупателям экспертные заключения лишь по биологическому и химическому методам, активно придавая эти данные широкой огласке.

Еще один классический ход, якобы демонстрирующий негорючесть полистирола: плиту подвешивают в воздухе, направляют на нее пламя горелки — так часть плиты, куда попадает открытое пламя, выгорает, но далее огонь не распространяется. Какое заключение можно дать полистиролу после просмотра этого ролика? А никакого — если эту же плиту полистирола уложить на жесткую негорючую поверхность, то капли расплава, образующиеся при горении материала, разнесут высокую температуру и открытое пламя по всей площади плиты, которая сгорит полностью!

Коэффициент дымообразования для пенополистирола, не содержащего антипирены, равен 1 048 м²/кг, но у самозатухающего пенополистирола с введенными в его состав антипиренами этот показатель выше — 1 219 м²/кг! Для сравнения: коэффициент дымообразования резины равен 850 м²/кг, а древесины, с которой производители постоянно сравнивают продукты полистирола — лишь 23 м²/кг. Поскольку для не специалиста в вопросах пожарной безопасности приведенные значения дымообразования ничего не объясняют, приведу такие данные — если задымленность в помещении составляет более 500 м²/кг, то на расстоянии вытянутой руки не будет видно ровным счетом ничего.

Последствия горения полистирола известны по трагедии 2009 года, произошедшей в Перми, в ночном клубе «Хромая лошадь» — большинство погибших в этом пожаре задохнулись продуктами горения утеплителя, которым были открыто обшиты внутренние перегородки. Нужно отметить, что владельцы клуба сэкономили на утеплителе, использовав не экструдированный пенополистирол, а упаковочный пенопласт меньшей плотности, который превосходно горит и не склонен к самозатуханию.

Долговечность пенополистирола

При покупке действительно качественного теплоизоляционного материала, соблюдении всех требований по монтажу, полноценному закрытию внешней площади пенополистирола слоем качественной штукатурки или декоративными панелями, его срок службы составит свыше 30 лет. Но эти условия в действительности никогда не соблюдаются на 100% — непрофессионализм монтажников, попытки заказчиков уменьшить расходы, ошибки в расчетах и надежда «на авось».

Классическим просчетом является ставка на толщину пенополистирола — мол, если монтировать плиты 30 см толщины, то теплоизоляционный эффект возрастет в разы с одновременным увеличением срока службы материла. В действительности с увеличением толщины срок службы полистироловой теплоизоляции будет сокращаться, т.к. значительные температурные перепады вызовут деформации и усадку, образовывая трещины и уменьшение площади прямого контакта плит пенополистирола с изолируемой поверхностью, образовывая обширные воздушные пазухи. В странах Евросоюза толщина пенополистирола, применяемого для фасадного утепления, не может превышать 3,5 см — это требование, помимо вопросов долговечности теплоизоляции, связано с пожарной безопасностью, ведь чем тоньше слой пенополистирола, тем меньшее количество продуктов горения будет выделено им при пожаре.

Самозатухающий пенополистирол

В целях уменьшения угрозы возгорания производители вводят в состав полистирола антипирены, как правило, это гексабромциклододексан. В России пенополистирол с антипиренами в своем составе маркируется литерой «С», означающей «самозатухающий».

По большому счету самозатухающий пенополистирол горит не хуже материалов, не содержащих антипирен.

Возникает вопрос — так что же означает литера «С»? А означает она, что данный пенополистирол не самовоспламенится при повышении температуры, не более того. По степени горючести самозатухающему пенополистиролу присвоен класс Г2, но стоит учесть, что в течение срока эксплуатации антипирен будет постепенно утрачивать свои свойства, т.е. через несколько лет фактический класс горючести такого пенополистирола будет не выше Г3-Г4.

Критерии выбора пенополистирола

Дешевизна, высокие теплоизоляционные качества сделали материалы на основе полистирола крайне популярными на строительном рынке. А нарастание спроса привело к появлению множества предприятий, наперебой предлагающих продукцию собственного производства, заявляющих ее исключительное качество.

Будьте внимательны подбирая марку пенополистирола — в качестве фасадного утеплителя правильным будет выбрать ПСБ-С (пенополистирол самозатухающих) не ниже 40-й марки. При этом стоит учитывать нюанс — производитель в рамках разработанного им же ТУ выпускает ПСБ-С-40 плотностью в диапазоне от 28 до 40 кг/м³, а вовсе не 40 кг/м³, как предполагает несведущий покупатель, ориентируясь на цифру в марке. Вполне естественно, что производителю выгоднее выпускать марку 40 с наименьшей плотностью, ведь таким образом он больше зарабатывает, затрачивая меньше на исходное сырье. Марки пенополистирола ниже 25-й использовать в строительстве бессмысленно — плотность такого пенополистирола фактически будет соответствовать упаковочному пенопласту, непригодному для фасадного утепления из-за быстрой утраты эксплуатационных качеств.

Неплохо было бы выяснить, какой технологический процесс получения пенополистирола применяется на предприятии данного производителя. Если предприятие выпускает пенополистирол плотностью более 35 кг/м³, то это должен быть метод экструзии, т.к. без сжимания в процессе производства наибольшая плотность полистирола не превысит 17 кг/м³.

Узнать качество полистирола можно, надломив его — материал низкой плотности (применяемый лишь для упаковки) надломится между шариками, их форма в месте надлома будет округлой, размер различным. Надлом качественного экструзионного пенполистирола покажет образующие его многогранники одинакового размера, линия надлома частично пройдет через них.

Верным решением будет приобретение пенополистирола известных производителей Европы «BASF», «Nova Chemicals», «Styrochem», «Polimeri Europa» или отечественных «Технониколь», «Пеноплэкс». Производственные мощности данных производителей пенополистирола достаточны для выпуска действительно качественного продукта.

В завершении

При наличии негативных характеристик по горючести и продуктам горения, пенополистирол является одним из лучших и, одновременно, недорогих теплоизоляторов. Заключив плиту полистирола между двумя слоями цементной штукатурки, можно получить качественную теплоизоляцию зданий и помещений — отрицать этот факт бессмысленно. В Европе порядка 80% зданий общественного и жилого назначения утеплены по фасаду именно пенополистиролом.

Пенополистирол в качестве строительного утеплителя полноценную проверку временем еще не прошел — с момента первого применения прошло не более 40 лет.

Широко распространяемая производителями информация о неизменном качестве в течение 80-ти летней эксплуатации основывается на лабораторных испытаниях, на которые можно повлиять — скажем, предоставив для анализа особую партию образцов.

При утеплении пенополистиролом фасадов крайне важно полностью защитить внешнюю поверхность этого теплоизолятора достаточным слоем штукатурки на цементном связующем — малейшая площадь контакта пенополистирола с атмосферой и солнечным ультрафиолетом приведет к его быстрому разрушению.

Стоит ли утеплять этим материалом внутренние помещения — не стоит, несмотря на все заверения производителей. Они-то дадут гарантии, но какой от этого будет толк в случае пожара…