Новые результаты по исследованиям изменения теплопроводности с течением времени плит из пенополиизоцианурата (PIR) современного производства
П.П. ПАСТУШКОВ1,2, канд. техн. наук (pavel-one@mail.ru)
В.Г. ГАГАРИН1,2,3, д-р техн. наук, проф., член-корр. РААСН (gagarinvg@yandex.ru);
Д.А. ИЛЬИН3,4, канд. техн. наук (ilin.d@tn.ru)
И.Ф. НАГАЕВ4, технический директор направления ПМ и PIR (nagaev@tn.ru)
2 Научно-исследовательский институт механики МГУ
имени М.В. Ломоносова (119192, г. Москва, Мичуринский проспект, 1)
3 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
4 ООО «ТехноНИКОЛЬ-Строительные Системы» (129110, г. Москва, ул. Гиляровского, д. 47, стр. 5, эт. 5, пом. I, комн. 13)
НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЯМ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ С ТЕЧЕНИЕМ ВРЕМЕНИ ПЛИТ ИЗ ПЕНОПОЛИИЗОЦИАНУРАТА (PIR) СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Статья посвящена описанию комплексных исследований изменения теплопроводности плит из пенополиизоцианурата (PIR) современного производства, облицованных с двух сторон фольгой. Проведено сравнение двух методик определения установившейся теплопроводности – показано, что методика НИИСФ предпочтительна перед методикой, изложенной в ГОСТ Р 56590-2016. По результатам серии экспериментов на самом современном в РФ испытательном оборудовании найден закон изменения теплопроводности с течением времени испытанной марки PIR и значения установившейся теплопроводности при средней температуре в образце 10 и 25 оС. При использовании наиболее точного прибора по определению теплопроводности получена практически абсолютная сходимость результатов экспериментов с результатами математического моделирования по методике НИИСФ. Объяснены различия в значениях установившейся теплопроводности, которые получаются при испытаниях на разных приборах. Полученные новые результаты и методические наработки имеют большую практическую значимости в связи с расширением объема применения плит PIR в современном строительстве.
Ключевые слова
Установившаяся теплопроводность, плиты из пенополиизоцианурата, газонаполненные пластмассы, математическое моделирование
Введение
Пенополиуретаны появились более 80 лет назад. В настоящее время этот вид материала составляет самую большую долю в сегменте термореактивных полимерных эффективных утеплителей и активно применяется в строительной сфере. Самой современной модификацией полиуретанов, используемых в строительстве, является пенополиизоцианурат (PIR) [1, 2]. В работах [1, 2] описываются принципы разработки рецептур изделий из вспененного полиуретана (PUR) и полиизоцианурата (PIR), однако в них исследуются материалы 90-х годов.
Пенополиизоцианурат (PIR) относится к классу газонаполненных пластмасс. Теплопроводность таких материалов меняется с течением времени вследствие изменения газового состава в порах [3]. Авторами [4] установлены два основных фактора изменения во времени теплопроводности газонаполненных полимерных теплоизоляционных материалов: проникновение воздуха в ячейку и снижение концентрации газа в ячейках. В работах [5, 6] определено, что теплопроводность закрытоячеистых полимерных теплоизоляционных материалов (PUR) в течение длительных промежутков времени в значительной степени зависит от процессов газообмена между ячейкой и окружающей средой. Приведены результаты влияния вида газообразователя на теплопроводность PUR во времени. В работе [7] изучено изменение теплопроводности во времени плит PUR, облицованных газопроницаемыми обкладками – бумагой и стеклохолстом. Показано, что кривая изменения теплопроводности стабилизируется после первоначального роста. Полученные зависимости позволяют рассчитывать декларируемую теплопроводность PUR на весь срок службы. При этом в работе не представлены результаты исследования изделий PIR, облицованных газонепроницаемыми обкладками (фольгой). В работе [3] предложена математическая модель, описывающая изменение теплопроводности газонаполненных полимерных теплоизоляционных материалов во времени. Применимость математической модели проверена на примере плит из пенополиизоцианурата (PIR) с облицовкой из фольги.
Настоящая работа посвящена описанию результатов комплекса исследований теплопроводности плит из пенополиизоцианурата (PIR) современного производства, облицованных с двух сторон фольгой – LOGICPIR PROF Ф/Ф, проведенного за последние два года в секторе испытаний теплофизических характеристик строительных материалов лаборатории строительной теплофизики НИИСФ РААСН совместно с компанией ТЕХНОНИКОЛЬ.
Методики определения установившейся теплопроводности PIR
Как было отмечено во введении, теплопроводность пенополиизоцианурата (PIR) меняется с течением времени. Важной задачей для специалистов является определение теплопроводности газонаполненных полимерных теплоизоляционных материалов после прекращения процесса замещения газа, закачиваемого в поры при производстве, на воздух и установления постоянной концентрации газовой смеси в ячейках – установившейся теплопроводности. Этот процесс, в зависимости от ряда факторов, может занимать достаточно длительное время, поэтому практический интерес представляют ускоренные методы такого определения.
Можно выделить два подхода к определению установившейся теплопроводности PIR: 1) подвергнуть испытываемые образцы воздействию повышенных температур, чтобы ускорить процесс диффузии газов, и после этого определить теплопроводность – такой метод положен в основу Приложения С «Определение термического сопротивления и теплопроводности после старения» ГОСТ Р 56590-2016 «Плиты на основе пенополиизоцианурата теплозвукоизоляционные. Технические условия»; 2) провести серию испытаний теплопроводности образцов через различные промежутки времени и по математической модели получить уравнение изменения теплопроводности с течением времени, а также значение установившейся теплопроводности – такая методика разработана в лаборатории строительной теплофизики НИИСФ РААСН [3] и легла в основу Методического пособия по назначению расчетных теплотехнических показателей строительных материалов и изделий [8]. На первом этапе исследований в 2020-2021 гг. был проведен сравнительный анализ результатов, полученных по двум описанным методикам.
Как такого понятия «установившейся теплопроводности» в ГОСТ Р 56590-2016 нет, есть понятие «теплопроводности после старения». Если принять, что два этих понятия близки либо вообще тождественны, то методика, описанная в Приложения С ГОСТ Р 56590-2016 и заключающаяся в сочетании метода «испытания свежеизготовленного образца» и метода «с применением фиксированных приращений», вызывает ряд вопросов. Согласно описанному в действующей редакции алгоритму, определяется начальная теплопроводность образцов, далее образцы подвергаются воздействию повышенных температур (70 оС) в течение 21 суток, после этого вновь определяется теплопроводность. По результатам испытаний к начальному значению теплопроводности прибавляется фиксированное в табл. С.2 приращение. Видимо, при переводе зарубежного прообраза данного стандарта (либо же в оригинале зарубежного стандарта) допущена опечатка, и фиксированное приращение должно прибавляться к значению теплопроводности, полученному после воздействия повышенных температур, а не к начальному значению. Также достаточно условно выбран период воздействия повышенных температур – 3 недели. При этом в работе [6] отмечается, что теплопроводность образцов пенополиуретана даже после хранения в течение 39 недель при 70 оС меньше, чем теплопроводность образцов, которые хранились при комнатной температуре в течение 5 лет. В целом, Приложение С ГОСТ Р 56590-2016 слишком объемно и сложно для восприятия.
В этом плане методика, разработанная в НИИСФ [3, 8], не предлагает необоснованных дополнительных экспериментальных действий. Она заключается в серии определений теплопроводности образцов через различные промежутки времени после момента производства и расчета, по полученным данным, некоторых параметров математической модели изменения теплопроводности с течением времени газонаполненных пластмасс. Полученные экспериментальные данные подтвердили адекватность предложенной математической модели. При этом следует признать, что расчетная часть методики НИИСФ также сложна для восприятия, и ее необходимо доработать до простого в применении инженерного подхода.
Значение установившейся теплопроводности плит из пенополиизоцианурата LOGICPIR PROF Ф/Ф, полученное по методике ГОСТ Р 56590-2016 было на 0,002 Вт/(м·оС) меньше, чем полученное по методике НИИСФ. Такая разница очень существенна для исследуемого типа теплоизоляционных материалов. По совокупности замечаний к методике Приложения С ГОСТ Р 56590-2016, описанных выше, было принято решение второй этап исследований проводить по методике НИИСФ [8].
Результаты экспериментальных исследований теплопроводности PIR
Для проведения второго этапа исследований изменения теплопроводности с течением времени в сектор испытаний теплофизических характеристик строительных материалов была доставлена одна заводская упаковка плит из пенополиизоцианурата LOGICPIR PROF Ф/Ф непосредственно в день ее производства – 31.01.2021 г. Далее была проведена серия измерений теплопроводности по методике ГОСТ 7076 образцов из пенополиизоцианурата LOGICPIR PROF Ф/Ф при средней температуре в образце 10 и 25 оС спустя 1, 3, 7, 15, 30, 60, 90, 120, 240 и 360 суток после производства.
Испытания проводились на приборе для измерения теплопроводности Lambda-Meter EP500е (Германия), приобретенным НИИСФ РААСН в рамках программы Минстроя РФ в 2020 году, а также (параллельно) на отечественном приборе – Измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 «250», который достаточно давно используется во многих лабораториях РФ. О некоторых различиях в результатах измерений теплопроводности PIR и их причинах на разных приборах отечественного производства рассказано в работе [9].
Прибор для измерения теплопроводности Lambda-Meter EP500е имеет минимальную погрешность измерений среди всех мировых аналогов – менее 1%, позволяет испытывать образцы разных размеров – вплоть до цельных плит (рис. 1), а также измерять теплопроводность фактически во всем диапазоне температур применения строительных материалов без дополнительных операций. Он реализует одну из двух широко распространенных принципиальных схем приборов для измерения теплопроводности, описанных в том числе в ГОСТ 7076 – «прибор с горячей охранной зоной». Измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 «250» реализует другую принципиальную схему – «прибора, оснащенного тепломером». Заявленная погрешность прибора – до 5%. Испытания проводятся на образцах размерами 250х250 мм. Стабильно получать результаты измерения теплопроводности на нем можно при средней температуре в образце, близкой к комнатной. Для стабильных измерений при средней температуре в образце, отличной от комнатной, необходимо помещать данный прибор в климатическую камеру, в которой создавать температуру близкую к необходимой средней температуре в образце (рис. 2).
Рис. 1 Испытание цельной плиты LOGICPIR PROF Ф/Ф на приборе Lambda-Meter EP500е
Рис. 2 Испытания на измерителе теплопроводности ИТП-МГ4 «250», помещенном в климатическую камеру
Результаты испытаний при средней температуре в образце 10 оС и 25 оС, полученные на приборе Lambda-Meter EP500е, а также при средней температуре 25 оС, полученные на измерителе ИТП-МГ4 «250», спустя различные промежутки времени после даты производства представлены в табл. 1. Результаты получены осреднением результатов испытаний 3-х образцов, вырезанных из разных мест разных плит в упаковки (образцы имели размеры 500х500 мм для измерений на приборе Lambda-Meter EP500е и 250х250 мм для измерений на ИТП-МГ4 «250»).
Табл. 1 Результаты испытаний теплопроводности образцов LOGICPIR PROF Ф/Ф
Кол-во суток после даты производства | Испытания на приборе | Испытания на измерителе ИТП-МГ4 «250» | |
Lambda-Meter EP500е | |||
Теплопроводность при средней температуре 10 оС, λ10, Вт/(м·оС) | Теплопроводность при средней температуре 25 оС, λ25, Вт/(м·оС) | Теплопроводность при средней температуре 25 оС, λ25, Вт/(м·оС) | |
1 | 0,0185 | 0,0202 | 0,0207 |
3 | 0,0186 | 0,0203 | 0,021 |
7 | 0,0187 | 0,0204 | 0,0213 |
15 | 0,0188 | 0,0205 | 0,0213 |
30 | 0,0191 | 0,0209 | 0,022 |
60 | 0,0197 | 0,0214 | 0,0223 |
90 | 0,02 | 0,0219 | 0,0233 |
120 | 0,0202 | 0,0221 | 0,0237 |
240 | 0,0205 | 0,0224 | 0,024 |
360 | 0,0207 | 0,0226 | 0,0247 |
Математическое моделирование изменения теплопроводности PIR
Для использования математической модели изменения теплопроводности с течением времени, описанной в [3], были найдены необходимые параметры уравнения,
(1)
где λ0 – теплопроводность материала в начальный момент времени (при t=0), Вт/(м·оС);
λ1 – теплопроводность смеси газов, закачиваемой при производстве, Вт/(м·оС);
λ2 – теплопроводность воздуха, Вт/(м·оС);
zд – объемная доля дисперсной, доли ед.;
s – параметр, характеризующий скорость замены газа воздухом, сут-1;
t – время, сут.
Уравнение (1) полностью определяется тремя параметрами: λ0, (λ1 – λ2)zд и s. Теплопроводность материала в начальный момент времени, λ0, принималась по результатам первой серии испытаний. Параметры (λ1 – λ2)zд и s рассчитывались по алгоритму, описанному в [8]. Данные параметры возможно определить серией экспериментов через 1, 7, 15, 30 и 60 суток после производства, но при использовании большего набора экспериментальных точек, параметры уравнения (1) будут находиться с большей точностью. В табл. 2 представлены параметры уравнения (1), определенные по результатам испытаний на приборе Lambda-Meter EP500е и на измерителе ИТП-МГ4 «250».
Табл. 2 Параметры уравнения изменения теплопроводности с течением времени
Параметр | Испытания на приборе | Испытания на измерителе ИТП-МГ4 «250» при средней температуре 25 оС | |
Lambda-Meter EP500е | |||
при средней температуре 10 оС | при средней температуре 25 оС | ||
λ0, Вт/(м·оС) | 0,0185 | 0,0202 | 0,0207 |
(λ1 – λ2)zд, Вт/(м·оС) | 0,0021 | 0,0023 | 0,0038 |
s, сут-1 | 0,014 | 0,014 | 0,014 |
Подставляя найденные значения параметров в уравнение (1), получен закон изменения теплопроводности плит LOGICPIR PROF Ф/Ф при средней температуре 10 оС в зависимости от времени:
Закон изменения теплопроводности при средней температуре 25 оС в зависимости от времени, соответственно, представляется в виде:
На рис. 3 и 4 представлены сравнение изменения теплопроводности при средней температуре 10 и 25 оС, соответственно, плит из пенополиизоцианурата марки LOGICPIR PROF Ф/Ф с течением времени, полученное экспериментальным путем на приборе Lambda-Meter EP500е и рассчитанное по методике НИИСФ [8].
Рис. 3 Изменение теплопроводности при 10 оС плит LOGICPIR PROF Ф/Ф
Рис. 4 Изменение теплопроводности при 25 оС LOGICPIR PROF Ф/Ф
На рис. 5 представлено подобное сравнение изменения теплопроводности при средней температуре 25 оС испытанной марки пенополиизоцианурата с течением времени, но полученное экспериментальным путем на измерителе ИТП-МГ4 «250».
Рис. 5 Изменение теплопроводности при 25 оС LOGICPIR PROF Ф/Ф
(измерения проведены на ИТП-МГ4 «250»)
Сравнение экспериментальных и расчетных данных, результаты определения установившейся теплопроводности PIR
Как видно из представленных графиков на рис. 3 и 4 результаты расчетов по формуле (1) полностью коррелируются с результатами экспериментов – расхождения в экспериментальных и расчетных данных составляют менее 1%. Таким образом, за счет использования самого точного среди мировых аналогов прибора для измерения теплопроводности Lambda-Meter EP500е была получена абсолютная сходимость результатов экспериментов с результатами математического моделирования по методике НИИСФ [8]. При этом экспериментальные точки, полученные на измерителе теплопроводности ИТП-МГ4 «250», также хорошо коррелируются с расчетом (рис. 5), но расхождение этих данных немного выше, что объясняется худшей точностью представления результатов на данном приборе – до 0,001 Вт/(м∙оС) (при этом в приборе Lambda-Meter EP500е до 0,00001 Вт/(м∙оС)).
Установившаяся теплопроводность, λ∞, Вт/(м·оС), по методике [8] находится по формуле:
(2)Таким образом, по формуле (2) установившаяся теплопроводность пенополиизоцианурата LOGICPIR PROF Ф/Ф при средней температуре в образце 10 оС составляет (с округлением до 0,001 Вт/(м∙оС) согласно ГОСТ 7076):
λ∞ = 0,0185 + 0,0021 = 0,021 Вт/(м·оС);
при средней температуре в образце 25 оС:
λ∞ = 0,0202 + 0,0023 = 0,023 Вт/(м·оС);
при средней температуре в образце 25 оС при измерениях на ИТП-МГ4 «250»:
λ∞ = 0,0207 + 0,0038 = 0,025 Вт/(м·оС).
Более высокое значение установившейся теплопроводности, полученное по результатам испытаний образцов на измерителе ИТП-МГ4 «250» связано с большей площадью боковых граней (контактирующих с воздухом) по отношению к площади образца (по сравнению с этим отношением для испытываемых образцов на приборе Lambda-Meter EP500е). Этим же объясняются и меньшие значения теплопроводности, получаемые при испытаниях на приборе Lambda-Meter EP500е на цельной плите, в сравнении с вырезанными образцами.
Также по полученным результатам в табл. 1 для исследованной марки PIR был установлен коэффициент для пересчета теплопроводности при средней температуре 25 оС, λ25, Вт/(м·оС), по значениям теплопроводности при средней температуре 10 оС, λ10, Вт/(м·оС), (и наоборот) равный 1,09: .
Заключение
В секторе испытаний теплофизических характеристик строительных материалов лаборатории строительной теплофизики НИИСФ РААСН проведены комплексные исследования изменения теплопроводности плит из пенополиизоцианурата (PIR) современного производства, облицованных с двух сторон фольгой – LOGICPIR PROF Ф/Ф. Проведено сравнение двух методик определения установившейся теплопроводности – показано, что методика НИИСФ, описанная в [8], предпочтительна перед методикой, изложенной в ГОСТ Р 56590-2016. По результатам серии экспериментов на самом современном в РФ испытательном оборудовании найден закон изменения теплопроводности с течением времени испытанной марки PIR и значение установившейся теплопроводности, которое при средней температуре в образце 10 оС составило 0,021 Вт/(м·оС), при средней температуре 25 оС – 0,023 Вт/(м·оС). При использовании наиболее точного прибора по определению теплопроводности получена практически абсолютная сходимость результатов экспериментов с результатами математического моделирования по методике НИИСФ [8]. Объяснены различия в значениях установившейся теплопроводности, которые получаются при испытаниях на разных приборах. Найден коэффициент пересчета между значениями теплопроводности исследованной марки PIR при средней температуре 25 оС и 10 оС. Полученные новые результаты и методические наработки имеют большую практическую значимости в связи с расширением объема применения плит PIR в современном строительстве.
Список литературы
- H.J.M. Grünbauer, J. Bicerano, P. Clavel, R.D. Daussin, H.A. de Vos, M.J. Elwell, H. Kawabata, H. Kramer, D.D. Latham, C.A. Martin, S.E. Moore, B.C. Obi, V. Parenti, A.K. Schrock, R. van den Boschvan. Rigid Polyurethane Foams. In book: Polymeric Foams. 2004.
- Ashida K. Polyurethane and Related Foams: Chemistry and Technology (1st ed.). CRC Press.
- Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Изменение во времени теплопроводности газонаполненных полимерных теплоизоляционных материалов // Строительные материалы. 2017. № 6. С. 28–31.
- Wiedermann R.E., Adam N., Kaufung R. Flame-Retarded, Rigid PUR Foams with a Low Thermal Conductivity. Journal of Thermal Insulation. 1988. Vol 11(4), pp. 242-253.
- Albrecht. Cell-gas composition - An important factor in the evaluation of long-term thermal conductivity in closed-cell foamed plastics // Cellular Polymers. January 2000. Vol. 19(5), pp. 319-331.
- Albrecht W. and H. Zehendner. Thermal conductivity of Polyurethane (PUR) rigid foam boards after storage at 23°C and 70°C // Cellular Polymers. 1997. Vol 16, pp. 35-42.
- Albrecht W. Change over Time in the Thermal Conductivity of Ten-Year-Old PUR Rigid Foam Boards with Diffusion-Open Facings // Cellular Polymers. 2004. Vol. 23(3), pp. 161-172.
- Методическое пособие по назначению расчетных теплотехнических показателей строительных материалов и изделий. М.: ФАУ «ФЦС», 2019.
- Пастушков П.П. О проблемах определения теплопроводности строительных материалов // Строительные материалы. 2019. №4. С. 57-63.