Пенополиуретан для утепления: паропроницаемость и теплопроводность утеплителя

• Что такое паропроницаемость утеплителя
• Теплопроводность изоляции
• Как влияют эти характеристики на качество изоляции
• Паропроводность и теплоизоляция ППУ

Выбор эффективного теплоизоляционного материала невозможен без учета основных, а также специфических для каждого вида технических характеристик. Наряду с теплофизическими свойствами, большое значение имеет способность утеплителя пропускать водяные пары. Низкая теплопроводность в сочетании с оптимальными показателями паропроницаемости позволяют использовать пенополиуретан для утепления жилых домов, общественных зданий, промышленных объектов, а также в качестве шумо- и гидроизоляции самых разных строительных конструкций.

Что такое паропроницаемость утеплителя

Из школьного курса физики известно, что в атмосфере всегда содержится определенное количество воды в газообразном состоянии — водяной пар. 

Давление водяного пара напрямую зависит от параметров воздуха. С повышением температуры окружающей среды парциальное давление водяных паров увеличивается. Зимой на улице холодно, а в доме намного теплее, поэтому давление пара внутри помещения значительно выше, чем снаружи. Разница давления определяет стремление водяных паров выйти из дома в область меньших значений — зимой пар перемещается из помещения наружу, а летом, наоборот, стремится попасть с улицы внутрь здания.

Способность строительных материалов под воздействием разности давлений на противоположных сторонах пропускать сквозь себя или задерживать водяные пары, содержащиеся в воздухе, называется паропроницаемостью. Выражается коэффициентом паропроницаемости или величиной сопротивления паропроницанию при воздействии водяного пара. 

Коэффициент паропроницаемости (μ), измеряют который в мг/(м·ч·Па), показывает, сколько миллиграммов водяного пара пройдет через 1 метр материала за единицу времени при разнице давлений в 1 Па. Чем меньше значение этого показателя, тем лучше пароизоляционные свойства материала. Утеплители с высокой паропроницаемостью, которые принято называть «дышащими», легко пропускают атмосферную влагу.

Теплопроводность изоляции

Самой важной характеристикой теплоизоляции, которая и определяет общую энергоэффективность материала является теплопроводность — способность проводить тепло. 

Согласно принятому в СНиП определению, коэффициент теплопроводности (λ) — это количество тепла, передаваемое за единицу времени на единицу площади поверхности при температурном градиенте (изменении температуры), равном единице. Единицей измерения является Вт/(м·К).

Этот показатель учитывает количество тепла, которое пропускает материал постоянно, а не за короткий отрезок времени. 

Выделяют несколько разновидностей коэффициента теплопроводности:

• λ10 — сухого материала при 10°C; 
• λ25 — сухого материала при 25°C; 
• λА — при 25°C и влажности 2%; 
• λБ — при 25°C и влажности 5%.

В средней полосе России, толщину утепления рассчитывают по показателю λБ. Сравнение теплотехнической эффективности разных видов теплоизоляции также проводят по этому параметру, учитывающему энергоэффективность утеплителя при эксплуатации в неблагоприятных условиях.

Как влияют эти характеристики на качество изоляции

Одним из обязательных этапов строительства или реконструкции жилых домов, промышленных объектов, тепловых магистралей является проведение теплоизоляционных мероприятий. Эффективность утепления в первую очередь зависит от соответствия технических характеристик используемой изоляции условиям эксплуатации. Нужно учесть влажность, возможное воздействие пара, наличие критических перепадов температуры, а также проанализировать плюсы и минусы наиболее подходящих по параметрам утеплителей.

Основными свойствами, которые определяют качество изоляционного слоя, является теплопроводность и паропроницаемость материала.

Теплопроводность как процесс представляет собой передачу энергии тепла от объекта к объекту до момента теплового равновесия, выравнивания температуры. Если речь идет об утеплении дома, важна скорость реакции — чем дольше происходит «температурное выравнивание», тем меньше остывает конструкция. 

Теплопроводность изоляции зависит от:

• структурных особенностей;
• плотности;
• толщины материала.

Коэффициент теплопроводности прямо пропорционален способности проводить тепло — чем большими способностями пропускать через себя тепловую энергию обладает утеплитель, тем выше значение данного параметра, поэтому чем ниже теплопроводность изоляции, тем она эффективнее. 

С показателем паропроницаемости не всё так однозначно. С одной стороны, способность теплоизолятора «дышать» способствует естественному воздухообмену и созданию в помещении благоприятного микроклимата. Однако если коэффициент паропроницаемости слишком высокий, материал будет интенсивно впитывать пары влаги, набухать и со временем утрачивать теплоизолирующие свойства. Во влажной среде могут появиться плесень.

Паропроводность и теплоизоляция ППУ

В результате сравнения современных теплоизоляционных материалов можно сделать вывод о том, что одними из наиболее оптимальных показателей теплопроводности и паропроницаемости обладает ППУ.

Пенополиуретан — это пористый газонаполненный полимер.

В основе этой разновидности пластмассы лежат полиуретановые компоненты: 

«А» — полиол;

«В» — полиизоцианат.

Смешиваясь, они вступают в реакцию синтеза полимера с выделением углекислого газа, который характеризуется низкой теплопроводностью. Благодаря процессу газообразования, ППУ приобретает отличные теплоизоляционные качества.

Структура материала получается пористой, с изолированными ячейками. Газ, содержащийся внутри закрытых пор, обладает теплопроводностью порядка 0,016 Вт/(м·К), что на 0,010 единиц меньше показателей воздуха. Это одно из главных преимуществ ППУ в сравнении с волокнистыми и стирольными утеплителями. Теплопроводные свойства пенополиуретана напрямую зависят от его ячеистой структуры.

Полиольный компонент в составе обеспечивает полимерную базу, которой свойственна плотность, твердость, горючесть и другие характерные особенности ППУ. 

Изоцианатный — отвечает за вспенивание состава.

Дополнительные добавки призваны скорректировать определенные свойства полимера. Например, антипирены ускоряют полимеризацию, повышают огнестойкость материала.

Скорость протекания химической реакции, а также пропорциональное соотношение компонентов определяют основные свойства полученного утеплителя.

Возможные варианты:

1. Гибкий пружинистый материал, характеризующийся мягкостью, эластичностью, но при этом демонстрирующий низкую прочность на разрыв (к этой категории относится всем известный поролон).
2. Плотный и прочный вариант изоляции, которая обладает большей твердостью, но и большей хрупкостью при сгибании.
3. Жидкий (вспененный) с жесткой структурой и закрытыми ячейками ППУ.

Широко используемая в строительстве монтажная пена также является пенополиуретаном, однако состоящим не из двух, а из одного компонента, который на воздухе, вступая в контакт с парами воды и кислородом, полимеризуется, формируя ячейки открытого типа. Отсюда и совершенно другие физико-технические показатели.

У каждого типа пенополиуретана свои эксплуатационные особенности и область применения.

Основные технические показатели на примере ППУ с высоким содержанием закрытых ячеек (до 90%): 

• теплопроводность — 0,017–0,035 Вт/(м·K);
• плотность — 40–120 кг/м³;
• паропроницаемость — 0,05–0,07 мг/(м·ч·Па);
• водопоглощение — до 3% в сутки;
• прочность на сжатие — 0,18 Н/мм²;
• прочность на изгиб — 0,59 Н/мм²;
• рабочая температура — от -150 до +220 ℃;
• срок службы — 30–50 лет.

Технология производства и состав сырья определяют тип теплоизолятора ППУ:

• Мягкий (открытоячеистый)

ППУ подобного типа обладает более высоким коэффициентом теплопроводности по сравнению с закрытой ячейкой, поэтому такой материал чаще используют для эффективной шумоизоляции, а не для утепления.

Для эксплуатации мягкого ППУ в качестве утеплителя нужно выбирать изделия толщиной не менее 15–20 см, а также в обязательном порядке монтировать пароизоляцию изнутри помещения и ветрозащиту снаружи. Открытоячеистый пенополиуретан боится влаги и активно впитывает ее, теряя энергоэффективность. 

Имеет плотность 10–15 кг/м³. Применяется для мансард, стеновых перекрытий, стен дома изнутри. Является дышащим материалом с высокой паропроницаемостью.

• Заливочный

Заливочный ППУ внешне напоминает твердую губку, в которой застыли пузырьки воздуха. От напыляемого типа отличается постепенным вспениванием (в течение 20 секунд).

У такого пенополиуретана с закрытыми ячейками самый низкий коэффициент теплопроводности (при плотности 50-60 кг/м³), поэтому материал эффективно сохраняет тепло. Кроме того, ППУ характеризуется хорошей адгезией с любой поверхностью — стеклом, металлом, деревом, кирпичом.

• Жесткий

Утеплитель с закрытоячеистой структурой и повышенной плотностью используется практически везде, так как отличается высокой тепло- и шумоизоляцией — теплопроводность колеблется между 0,019 и 0,035 Вт/(м·K). Им утепляют наружные стены домов, бани, склады.

Жесткий ППУ производят в нескольких формах. Листы, плиты используют на ровных поверхностях, скорлупу в виде цилиндра — для изоляции трубопроводов.

В продажу изоляция ППУ поступает в жидком состоянии (в бочках, в заранее заправленных баллонах) или в затвердевшем (плиты, блоки, скорлупа для труб).

К преимущества пенополиуретана можно отнести:

• высокие теплоизоляционные свойства — утеплитель имеет один из лучших показателей теплопроводности;
• долговечность — срок эксплуатации не менее 30 лет;
• хорошая адгезия с большинством строительных материалов;
• отсутствие швов — утеплитель напыляется сплошным ковром, что исключает появление мостиков холода;
• экологичность материала — после завершения полимеризации ППУ становится полностью безопасным для человека и окружающей среды, так как в его составе отсутствуют летучие компоненты;
• огнестойкость — материал не поддерживает процесс горения, способен к самозатуханию;
• малый вес, не создающий серьезных нагрузок на конструкции здания;
• возможность нанесения на самые сложные по геометрии поверхности;
• минимальный уровень поглощения воды;
• химическая инертность практически ко всем веществам, используемым на бытовом уровне;
• биологическая стойкость — не выступает средой для размножения микроорганизмов;
• широкий диапазон рабочих температур — от -160 до +150 ⁰С;
• универсальность — утеплитель можно использовать снаружи и внутри здания.

Среди недостатков следует отметить:

• интенсивное разрушение под воздействием ультрафиолета, что предполагает защиту утеплителя на открытых участках;
• сложная технология, из-за чего утепление ППУ своими руками невозможно;
• невозможность устройства вентиляционного зазора, что требует сложных инженерных расчетов толщины напыляемого слоя — требуется для вывода точки росы с поверхности стены;
• необходимость использования специального оборудования;
• необходимость строго выполнять инструкцию по утеплению — отклонение от технологии ведет к ухудшению теплоизоляционных свойств утеплителя.

Низкая паропроницаемость и гидроизоляционные свойства жестких блоков пенополиуретана позволяют использовать их практически при любых строительных работах:

• теплоизоляция наружных стен дома, балкона, чердака, кровли;
• акустическая изоляция изнутри и снаружи зданий и сооружений (ангаров, цехов, складов);
• гидрозащита и утепление фундаментов.

Пенополиуретан такого типа используется в строениях с высоким уровнем влажности (бани, сауны, бассейны). Материал также выдерживает механические воздействия, поэтому подходит для утепления фасада и фундамента.

Отсутствие паропроницаемости создает проблемы при утеплении деревянных стен и газонаполненных блоков снаружи, так как слой утеплителя смещает точку росы из толщи стены на ее поверхность. Внутри помещения в морозный день уровень влажности в несколько раз выше. Поэтому молекулы пара стремятся на улицу. Свободного отвода нет — препятствует ППУ. В результате образуется конденсат на стыке утеплителя со стеной. Дерево преет, пено- и газоблоки разрушаются образовавшимися кристаллами льда. При утеплении стен изнутри из-за низкой паропроницаемости утеплителя такой проблемы нет — влажному воздуху из помещения перекрывается доступ к точке росы, а сухого морозного воздуха недостаточно для образования конденсата.

При напылении двухкомпонентного пенополиуретана в процессе химической реакции состав постепенно увеличивается в объеме. С наружной стороны дома образуется плотный бесшовный слой, не требующий дополнительной мембраны и ветрозащиты.  Однако нужно либо создать препятствие для выхода пара изнутри, либо обеспечить вентиляцию внутри стеновой конструкции. При этом выбирают ППУ с паропроницаемостью выше, чем у основания. 

Выделяют три группы напыляемых материалов:

1. Низкой плотности (28-32 кг/м³). 

Паропроницаемость такого утеплителя близка к массиву дерева — 0,05 мг/(м·ч·Па). Подходит для стен, потолка и нежилой кровли.

2. Средней плотности (32-40 кг/м³). 

В отличие от первого образца здесь медленнее происходит процесс расширения рабочей массы.

3. Высокой плотности (40-80 кг/м³). 

Такой ППУ лучше справляется с механической нагрузкой. Дышащая способность не меняется, а теплопроводность выше — 0,03-0,04 Вт/(м·K). Допускается утепление перекрытий и эксплуатируемой кровли.

По техническим характеристикам достаточно нанести состав слоем 2-3 см. Но на практике специалисты придерживаются 5 см. Обосновано это смещением точки росы в сторону утеплителя. При увеличении толщины риск образования конденсата между ППУ и основанием сводится к минимуму, так как пары легко проходят сквозь пористую полимерную прослойку.