Polyuretanová pěna a PIR

Polyuretany jsou nedílnou součástí moderního života. Vaše krásné a lesklé auto, vaše oblíbené tenisky, měkká pohovka a pohodlné křeslo a dokonce i medvídek vaší dcery – vše je vyrobeno z polyuretanu. Schopnost vyrobit materiál z polyuretanu s mimořádnou tepelnou vodivostí spolu s celou řadou speciálních vlastností činí tento materiál jedním z nejoblíbenějších izolačních materiálů nejen na planetě Zemi, ale i ve vesmíru.

Trocha historie

V roce 1937 vynalezl německý chemik Otto Bayer polyuretan a o tři roky později byla polyuretanová pěna poprvé použita při konstrukci letadel. Materiál přišel velmi vhod: ve světě začínala éra průzkumu vesmíru.

Inženýři si okamžitě oblíbili nový lehký, odolný materiál s překvapivě nízkou tepelnou vodivostí, který se dokonale hodil do extrémních teplot ve vesmíru: teplotní rozdíly se pohybují od 120 °C do minus 150 °C ve stínu hlubokého vesmíru. Polyuretan se zdá být vytvořen pro obtížné provozní podmínky. Může být právem nazýván vesmírným materiálem, protože kombinuje řadu jedinečných vlastností. Za prvé, je to vynikající izolant. Vrstva polyuretanu o tloušťce 1,6 cm poskytuje stejnou izolaci jako betonová stěna o tloušťce 1,34 m. Materiál vykazuje nízkou nasákavost. Polyuretan je jeden z nejtvrdších elastomerů, vyznačující se vysokou pevností. Součinitel pevnosti v tlaku je více než 120 kPa. Navíc se jedná o odolný materiál, jeho bezproblémová životnost bez ztráty tepelně izolačních vlastností je více než 50 let. A po této době může získat druhý život tím, že bude recyklován.

Řev kosmodromu: využití PIR v ruském kosmickém průmyslu od roku 1976

Nosná raketa Energia a kosmické letadlo Buran.
FOTO: HPH (DE.WIKIPEDIA)

Všechny unikátní vlastnosti materiálu se konstruktérům hodily při vytváření znovupoužitelných dopravních kosmických lodí, jejichž program tvorby začal v USA v roce 1971 a jmenoval se Space Shuttle. Odpovědí byl systém Energia-Buran v Sovětském svazu, spuštěný v roce 1976. Navzdory konstrukčním rozdílům mezi oběma komplexy oba využívaly ke startu raketoplánu externí palivovou nádrž s vodíkem a kyslíkem v kapalném stavu, která potřebovala tepelnou izolaci.

Američané k tomu použili novou generaci polyuretanů – PIR, což byl v té době ve Spojených státech celkem běžný izolační materiál. Ale nejlepší vědecké mozky Unie musely rychle vyvinout podobnou technologii pro výrobu a použití PIR. A s tímto úkolem se vyrovnali: výroba byla zahájena! PIR byl však velmi drahý materiál, protože se vyráběl v malých sériích z velmi vzácných surovin.

Řev kosmodromu: využití PIR v ruském kosmickém průmyslu od roku 1976

„PIR (tepelná izolace na bázi polyisokyanurátové pěny) se stal jediným materiálem pro tepelnou izolaci palivové nádrže nosné rakety. Materiál umožnil udržet požadovaný teplotní režim pro plyny umístěné uvnitř prostorů nádrže v kapalném stavu – minus 183 °C pro kapalný kyslík a minus 253 °C pro kapalný vodík – za nejnáročnějších podmínek mechanického přetížení a dynamického ohřevu při startu lodi.”

Igor Romualdovič Šidlovský
Vedoucí laboratoře tepelných izolací a tepelně ochranných nátěrů v závodě Progress v letech 1981-1997.

Nízký součinitel tepelné vodivosti materiálu je dán porézní vnitřní strukturou. V důsledku polymeračního procesu vznikají uzavřené buňky naplněné inertním plynem, který je, jak známo, nejlepším tepelným izolantem. Velké množství takových pórů v materiálu – až 96 % – ho činí objemným a ultralehkým.

„Jednou z vynikajících vlastností polyuretanu je to, že v době pěnění má velmi dobrou přilnavost, zejména ke kovům,“ řekl Igor Romualdovich. Upustili od lepení polyuretanových panelů – hmota byla příliš velká, samotné lepidlo vážilo tuny. Pěnový nástřik umožnil zvýšit užitečné zatížení, o který každý gram bojovali všichni specialisté projektu. Energia mohla vynést na oběžnou dráhu asi 100 tun nákladu, zatímco raketoplán mohl nést pouze 30 tun.

Další nespornou výhodou PIR jsou jeho vysoké protipožární vlastnosti. PIR je nejnovější generace polyuretanů a díky své struktuře PIR nehoří, nepodporuje hoření a nešíří plamen. Při interakci s plamenem dochází ke zuhelnatění vnější vrstvy polyisokyanurátu a na povrchu se vytvoří uhlíková matrice, která chrání vnitřní vrstvy polymeru a zabraňuje dalšímu šíření plamene.

Takový jiný polyuretan

Dnes se polyuretany používají v raketové a kosmické technice v celé řadě oblastí. „Vzhledem k nízké tepelné vodivosti se polyuretanové pěny používají k tepelné izolaci a také jako výplňový materiál při vytváření třívrstvých panelů kvůli jejich relativní pevnosti a nízké hustotě,“ komentuje Alexander Shaenko, vedoucí vzdělávacího programu Moderní kosmonautika na vysokou školou strojní. Vysvětluje, že třívrstvé panely jsou konstrukčními prvky konstrukce (klapky kapotáže, aerodynamická kormidla, pláště modulů).

Od vesmíru až po střechu

Podle ISOPA (European Diisocyanate and Polyol Producers Association) se jen v Evropě ročně vyrobí až 2 miliony tun polyuretanů. Předpokládaná spotřeba materiálu v roce 2015 bude celosvětově 7,1 mil. tun, z toho 5-6 mil. tun bude použito ve stavebnictví na tepelnou izolaci stěn, střech a základů. Moderní verzí izolace na bázi polyuretanové pěny je polyisokyanurátová (PIR) pěna. Pro svou pevnost, kompaktnost a lehkost je celosvětově nejoblíbenější izolací v komerčních nemovitostech, zejména při výstavbě obchodních center, logistických komplexů a chladírenských skladů. Kromě ekologické nezávadnosti a dalších vlastností polyuretanu uvedených výše může PIR nabídnout majiteli budovy energetickou účinnost – úsporu energie snížením množství energie potřebné k vytápění nebo chlazení budovy. Nízká tepelná vodivost PIR přetrvává po dlouhou dobu. Výzkum Federace evropských asociací pevných polyuretanových PU Europe prokázal, že polyuretanová izolace po 33 letech plně vyhovuje všem deklarovaným hodnotám a vlastnostem. Tím je zajištěna minimální spotřeba energie budov po celou dobu jejich životnosti.

Se všemi svými výhodami není tepelná izolace PIR na ruském trhu větší než 1%. Dmitrij Kapralov, vedoucí oddělení PIR ve společnosti TechnoNIKOL, přiznává, že mnoho klientů mylně považuje tuto izolaci za nový materiál. Mezitím PIR desky za posledních 30 let získaly 76 % podílu na americkém trhu plochých střech a 40 % evropského trhu. „Ruský trh s polyuretany je extrémně úzký. Donedávna pouze několik podniků specializujících se na výrobu sendvičových panelů zastupovalo vlastní produkci. Dovoz materiálu ze zahraničí se ukázal jako ekonomicky neopodstatněný, a tak byla volba učiněna ve prospěch jiných typů tepelné izolace,“ vysvětluje Dmitrij Kapranov.

V září 2015 zahájila společnost TechnoNIKOL vlastní výrobu tepelně izolačních desek PIR v Rjazani. Odborníci předpokládají, že jakmile závod dosáhne své projektované kapacity, což je 30 milionů m2 výrobků ročně, tepelná izolace PIR se stane na ruském trhu dostupnější ve srovnání s jejími evropskými protějšky a bude zabírat minimálně 5 % trhu plochých střech v příštích 30 let.

Jak vidíme, historie PIR v Rusku teprve začíná a existuje velká šance, že každá třetí střecha v naší zemi dostane střechu vyrobenou z prostorové izolace.

Pěnový polyisokyanurát neboli PIR je tepelně izolační materiál, který se osvědčil v Evropě a Americe, který se nakonec objevil i v Rusku.

PIR JE MODERNÍ POLYMER, NEJNOVĚJŠÍ GENERACE POLYURETANOVÉ PĚNY.

Více než 95 % objemu materiálu tvoří uzavřené, tuhé, nehořlavé články naplněné inertním plynem. Právě díky své struktuře má PIR unikátní fyzikální a mechanické vlastnosti: nízký součinitel tepelné vodivosti 0,022 W/m°K, zvýšenou pevnost – více než 120 kPa, vysoké protipožární vlastnosti a také dlouhou životnost bez ztráta jeho kvalit.

Rozhlédněte se a přemýšlejte: z čeho se skládají předměty kolem vás? Budete se divit, ale mnohé z nich – polštáře na pohovku, světlý nábytek z IKEA, umělé štuky na stropě, tlumiče v podrážkách vašich oblíbených tenisek – jsou vyrobeny ve skutečnosti ze stejného materiálu – polyuretanové pěny. Vznikl ve 30. letech dvacátého století, za necelých 100 let zcela proměnil náš svět a zároveň neustále nachází nové oblasti použití. Dnes je vrcholem vývoje polyuretanové pěny komerčně vyráběný materiál s nevyslovitelným názvem „pěnový polyisokyanurát“, obvykle nazývaný PIR. Nyní stále více nahrazuje tradiční materiály ve stavebnictví a mnoha dalších oblastech života a v blízké budoucnosti se může stát dokonce hlavním materiálem na planetě. Čím je PIR jedinečný?

Dmitrij Školnikov
Diskutujte o tématu

Jak získat „materiál budoucnosti“

Dnes je PIR vrcholem technologického vývoje polyuretanové pěny, jednoho z nejuniverzálnějších a nejoblíbenějších polymerních materiálů, patřícího do kategorie termosetů plněných plynem a poprvé syntetizovaného asi před 60 lety. Jeho jedinečnost spočívá v tom, že změnou podílu dvou hlavních chemických látek zapojených do reakce (celkem se jedná o více než tucet činidel) je možné získat širokou škálu materiálů s různými fyzikálními vlastnostmi pro různé aplikací.

Výchozími materiály pro výrobu PIR a polyuretanové pěny jsou dnes petrochemické produkty – polymerní organické sloučeniny a vícesytné alkoholy. Alternativní možností je použití určitých druhů rostlinných olejů: ricinový, sójový, řepkový, slunečnicový atd. Takové suroviny jsou však mnohem dražší.

Syntéza a vlastnosti polyuretanové pěny

Polymerizační reakce je založena na interakci dvou klíčových činidel, nazývaných „složka A“ a „složka B“:

1. Složka A je polyol: vícemocný alkohol obsahující více než jednu hydroxylovou skupinu -OH. Do této skupiny chemických sloučenin patří zejména ethylenglykol, propylenglykol, glycerin, sorbitol atd.;
2. Složka B – polyisokyanát: organická sloučenina obsahující funkční skupinu –N=C=O. Zejména při výrobě polyuretanové pěny a PIR se používá polymer 4,4-methylendifenyldiisokyanát neboli pMDI, vyráběný společnostmi BASF, Covestro, Huntsman a Dow.

Reakci lze popsat jako reakci polyolu a diisacionátu za vzniku polyurethanu v přítomnosti katalyzátoru (obvykle aminové skupiny). Před reakcí se do směsi zavede pěnidlo, které nejprve vyplní porézní a poté hermeticky uzavřenou strukturu polyuretanu a přemění ji na materiál zvaný polyuretanová pěna.

Kromě uvedených činidel se na syntéze podílí přibližně 10-13 dalších látek: katalyzátory, stabilizátory a různé přísady ovlivňující konečné vlastnosti materiálu.

Téměř okamžitě po výrobě polyuretanové pěny si chemici všimli, že její vlastnosti závisí na délce řetězce plynem plněných mikrogranulí, která je zase určena poměrem polyolových a izokyanátových složek, jakož i funkčností a molekulovou hmotností polyolu. sám. Změnou tohoto poměru byly získány materiály s velmi rozdílnými vlastnostmi: od měkkých houbovitých (například pěnová pryž, moderní výplně matrací, některé druhy izolace pro oděvy atd.) až po tuhé pěny s vysokou hustotou používané ve stavebnictví jako izolace pro průmyslové chladničky a mrazničky, výplň do sendvičových panelů, pro izolaci potrubí a výrobu pevných deskových izolací.

PIR: vlastnosti a rozdíly

Pěnový polyisokyanurát byl poprvé syntetizován v 60. letech XNUMX. století. Technologie její výroby se liší od technologie výroby „klasické“ polyuretanové pěny. Především poměr složek A a B v reakční směsi.

Vladimir Shalimov, kandidát technických věd, vedoucí technické služby směru „Polymerové membrány a PIR v KMS“ ve společnosti TECHNONICOL: „V běžné polyuretanové pěně je to klasický poměr 1:1, tedy na jednu molekulu polyol existuje jedna molekula isokyanátu. Výsledkem reakce je molekula polymeru s lineární strukturou. Při syntéze polyisokyanurátové pěny tento poměr závisí na řadě faktorů (na molekulové hmotnosti a funkčnosti polyolu, na obsahu NCO skupin v isokyanátu a na jeho typu) a neměl by být menší než 1:2. V technologickém cyklu našeho podniku je to minimálně 1:3, to znamená, že na jednu molekulu polyolu připadají tři molekuly isokyanátu, z nichž dvě zůstávají volné. V tomto případě samotný proces probíhá při vyšší teplotě. V důsledku toho dochází k tzv. trimerizaci: volné NCO skupiny tvoří zvláště silné sloučeniny – trimery. Můžeme říci, že polyisokyanurátová pěna je trimerizovaný isokyanát. Vysoká pevnost chemických vazeb znesnadňuje zničení struktury polymeru, proto je polyisokyanurátová pěna chemicky a tepelně (včetně vystavení otevřenému plameni) stabilnějším materiálem: lámání isokyanurátových vazeb začíná při teplotách nad 200 °C, zatímco pro polyuretanovou pěnu – při cca 100 °C

Dalším podstatným rozdílem je použití jiných pěnidel. Do roku 2011 se při výrobě PIR používal freon-11 a po jeho zákazu se v rámci klimatických dohod začal používat pentan, plyn s nízkou tepelnou vodivostí patřící do skupiny nasycených uhlovodíků třídy alkanů. Po napěnění zůstává pentan utěsněn v uzavřených PIR buňkách (v izolačních deskách je navíc utěsněn parotěsnými výstelkami z hliníkové fólie), čímž je díky tomu dosaženo rekordně nízké tepelné vodivosti mezi komerčně vyráběnými tepelně izolačními materiály.

Vše začalo opravou bot

Stejně jako mnoho velkých objevů, které později změnily svět, byl vynález polyuretanové pěny náhodný. Německý chemik Otto Bayer pracoval ve 30. letech minulého století na vytvoření elastického materiálu pro opravy obuvi, konkrétně pro utěsnění prasklin v podrážkách. V tu chvíli si nikdo nepředstavoval, že technologie adiční polymerace diisokyanátů vyvinutá během tohoto výzkumu zahájí novou éru průmyslové výroby a že polymer získaný společností Bayer brzy nahradí pryž, ocel, dřevo, tradiční tepelnou izolaci a mnoho přírodních materiálů. .

Je zajímavé, že Otto Bayer pracoval pro Bayer AG řadu let, ale neměl žádný vztah k rodině jejích zakladatelů, protože byl prostě jejich jmenovec. Dá se však říci, že polyuretan a aspirin se skutečně objevily pod jednou střechou.

Šampion mezi polymery

Dnes se ve světě používá velké množství pěnových polymerů různého původu a složení. Téměř všechny však mají určité nevýhody, které omezují rozsah jejich použití. Důvodem je především dopad na životní prostředí a člověka.

Například jeden z nejlevnějších pěnových plastů – suspenzní polystyrenová pěna – se vyznačuje nízkou teplotní odolností. Již při +60-70 °C ztrácí materiál svou strukturu a začíná se rozkládat, přičemž se uvolňuje toxický plyn – styren a v případě požáru – dusivý kouř. Ve stavebnictví se proto takový pěnový polystyren nepoužívá k zateplení vnitřních prostor, ale používá se výhradně jako materiál pro vnější tepelnou izolaci základů a sklepů, dále jako izolace na omítkové fasády a ploché střechy průmyslových objektů. Odborníci jej důrazně nedoporučují používat například na zateplování balkonů a lodžií, které často provádějí majitelé bytů a nekvalifikovaní najatí stavebníci.

Polyuretanová pěna vyniká mezi polymerními materiály. To je vysvětleno nejen výjimečnou šíří jeho fyzikálních vlastností, ale také jeho téměř absolutní inertností vůči prostředí obklopujícímu člověka. Materiál je považován za hypoalergenní, bez zápachu a neuvolňuje těkavé sloučeniny. Jediným problémem dlouho zůstávala jeho schopnost udržet spalování. Jedním ze způsobů řešení tohoto problému bylo zavedení retardérů hoření do materiálu – speciálních protipožárních přísad, které umožňují tento problém eliminovat po dobu životnosti stanovenou výrobcem.

Skutečnou změnou hry však byl příchod PIR. Jeho speciální struktura se silnými zastřihovacími řetězy dodává materiálu nejen vynikající výkonnostní vlastnosti, ale také ho činí odolným vůči ohni. Při vystavení otevřenému plameni je povrch PIR desky pokrytý hustou uhlíkovou krustou, která zabraňuje dalšímu šíření plamene. A přestože podle klasifikace GOST nelze polyisokyanurátovou pěnu jako organický materiál klasifikovat jako nehořlavou, v praxi se stala skutečným bezpečnostním šampiónem mezi polymery.