Статьи

В статье рассказывается об утеплителях, используемых в настоящее время строительной отраслью на территории России для утепления деревянных домов, об их достоинствах, недостатках и перспективах использования.

Вопрос использования эффективных утеплителей с каждым годом становится все более актуальным, в том числе и в малоэтажном домостроении, в связи с непрерывным ростом цен на энергоносители. В идеале эффективность утепления должна быть таковой, чтобы для стран, где холодный или прохладный климат, теплопередача (теплопроводность) конструкции дома снизилась как минимум в 3 раза по сравнению с тем уровнем, который существует сегодня. Работы по совершенствованию утеплителей имеют такую же значимость как работы по созданию альтернативных источников энергии или топливу. Чем меньше мы тратим на отопление жилища, тем больше экономия энергоресурсов.

Принцип утепления изложен в монографиях по теплофизике. Суть его в снижении теплопроводности конструкции и повышении ее термосопротивления. Чем с меньшей скоростью передается тепловая энергия, тем дольше сохраняется тепло в помещении. К утеплителям предъявляются такие же требования, как к любым другим строительным материалам. Все строительные материалы, в т.ч. и утеплители, должны удовлетворять четырем принципам экологической безопасности – химической, физической, пожарной и беологической. В настоящее время в мировой практике практически нет безопасных утеплителей, которые по своим характеристикам соответствовали вышеприведенным требованиям.

Для того, чтобы последнее утверждение выглядело доказательным, рассмотрим ниже качества и свойства, основных наиболее широко применяемых в мировой практике утеплителей.

Пенополистирол, который широко применяется в строительстве опасен по двум критериям: химической и пожарной безопасности. С точки зрения химической безопасности пенополистирол, представляющий собой вспененный полистирол, который в свою очередь относится к равновесным полимерам, которые при обычных условиях эксплуатации подвержены процессу деполимеризации и находится в термодинамическом равновесии со своим мономером – стиролом. А стирол это высокотоксичное вещество. Предельно допустимая среднесуточная концентрация (ПДКсс) для стирола по нормативам РФ составляет 0,002 мг/м³. Это показатель более жесткий, чем для канцерогенного формальдегида, для которого в РФ ПДКсс = 0,003 мг/м³. Поэтому над любыми изделиями из полистирола всегда в его массе и над ним будут находиться пары стирола, которые за счет испарения, проникновения в поры и диффузии проходят через любую стену. Это может быть и дерево, и кирпичная или монолитно железобетонная стена. Процесс диффузии остановить не возможно. Все материалы диффузионно проницаемы с разным коэффициентом диффузии. Вопрос только во времени. Следовательно, всегда будет присутствие очень токсичного стирола. Стирол помимо воздействия на печень (вызывая токсичный гепатит) и кровь человека, является эмбриогенным ядом. При длительном воздействии пары стирола могут вызывать уродство зародыша в чреве матери, что было доказано экспериментально еще 30 лет назад.

Второй недостаток пенополистирола – это его горючесть. Дело в том, что этот материал в виде предспененных гранул использовался как компонент для напалмовых бомб для сжигания бронетехники противника. Пенополистирол плавится и его плав горит с температурой выше 1100?С. Это единственный полимер, который горит с такой высокой температурой. Поэтому при загорании здания, в котором присутствует значительное содержание пенополистирола горит все, даже металлические конструкции. Но и это еще не все. При горении полистирола происходит его термодиструкция, при которой выделяется более 130 опасных для человека веществ.

В связи с вышеизложенным, в западной Европе еще 20 лет назад пенополистирол полностью удален из жилых зданий. Основное же мирное применение пенополистирола в северной Европе и Канаде – для утепления дорожных и железнодорожных путей. Для придания дороге долговечности в тело ее «слоеного пирога» добавляют плиты из этого материала. Причем используется не вспененный, а экструзионный пенополистирол (технология разработанная фирмой BASF, Германия) у которого жесткая и прочная оболочка. Это дает возможность пенополистиролу не насыщаться влагой, сохранять теплоизолирующую способность и предотвращать промерзание дорожного полотна – что является основной причиной его быстрого разрушения. Также эффективно применение пенополистирола в теплицах, особенно в северных районах. Исследования показали, что токсичный стирол не выделяется во влажную среду, который так и остается в пенополистироле не принося никакого вреда. Кроме того, того под слоем песка, гравия или почвы о пажарной опасности пеностирола речи не идет. Вот где место этого материала.

Поэтому, в Советском Союзе при единой системе санитарно-химического контроля применения полимерных материалов МИНЗДРАВ СССР запретил использование пенополистирола в строительстве. 

Пенополиуретан по прежнему активно используется в строительстве, причем для утепления в том числе и многоэтажных зданий. Этот материал также категорически не допустим в строительстве.

В обычных условиях эксплуатации сам пенополиуретан химической опасности не представляет. Но этот материал исключительно активно горит, и при горении выделяет более 100 высокотоксичных веществ, в том числе синильную кислоту, которая по токсичности относится к боевым отравляющим веществам. По этой причине он был запрещен к применению в строительстве еще во времена СССР и не используется как утеплитель за рубежом.

Механизм проталкивания крупнейшими производителями этих пенополистирола и пенополиуретана в строительство одинаков. Промышленные мощности производства пенополистирола и пенополиуретана были развиты в огромных масштабах в период холодной войны, когда в больших объемах производились напалмовые бомбы. Эти материалы также использовались также и применяются до сих пор выполнения термоизоляции носовых частей боевых ракет и заполнения полостей крыльев в самолетах. В дальнейшем, стремясь получить сверхприбыли, производители стали проталкивать эти высоко опасные материалы в строительство, организуя активную дезинформацию об их свойствах и умалчивая об их опасности.

Важно отметить, что никаких реальных работ по созданию трудногорючих утеплителей на основе пенополиуретанов до сих пор не ведется. А исследования показали, что возможно получение трудногорючих пенополиуретановых утеплителей, которые будут обладать гораздо меньшей опасностью.

Применение жесткого пенополиуретана очень распространено для теплоизоляции горячих трубопроводов в виде обрамленных скорлуп. Там где трубы монтируются под землей, вопрос пожарной безопасности отпадает. Но что делать там, где горячие трубопроводы идут над землей и подвергается поджогу. Современные технические решения сегодня позволяют сделать жесткий (утеплительный) и мягкий (мебельный) пенополиуретан трудногорючим. Разработаны пропитки способные превратить этот материал в изделия, не поддерживающие горение (категории Г2).

Утеплители на основе минеральных, стеклянных и базальтовых волокон.

Эти утеплители применяются в виде мягких, полужестких и жестких плит, а также в виде матов прошивных и не прошивных. Эти материалы имеют очень широкое распространение в мировой практике, превосходя любые другие утеплители многократно. Однако эти материалы эти материалы имеют два серьезных недостатка.

Первый недостаток – эти материалы не соответствуют требованию обеспечения химической безопасности жилья. Дело в том, для того чтобы эти материалы не рассыпались и для формирования плит в них используются в качестве связующего фенолоформальдегидные смолы. Эти смолы априори содержат недопустимое высокое количество содержание остаточного формальдегида и фенола. Фенолоформальдегидные смолы, как и карбамидоформальдегидные смолы, которые также иногда используются в как связующие в рассматриваемых материалах, имеют механизм отщепления канцерогенного формальдегида. Т.е. эти смолы постоянно выделяют формальдегид, т.к. как относятся также к равновесным полимерам, которые постоянно выделяют свой мономер. И чем выше температура, тем выше скорость этого процесса. Это зафиксировано во всех справочниках.

В тоже время удалось реализовать технические решения, которые позволяют предотвратить выделение формальдегида и фенола. Суть решения сводится к тому, что в состав соответствующих смол вводится добавки, которые необратимо поглощают фенол и формальдегид со скоростью, большей, чем они выделяются из полимера. Одна добавка дополнительно выполняет роль отвердителя, а другая выполняет роль каталитического хемосорбента, необратимо связывающего фенол и формальдегид. Помимо этого обе добавки являются сильнейшими антипиренами, которые ликвидирую второй недостаток утеплителей (с использованием в качестве связующего фенолформальдегидные и карбамидоформальдегидные смолы) – их высокую горючесть, которая сопровождается повышенным выделением фенола и формальдегида как продуктов термодиструкции.

Это технические решения были проверены экспериментально. Более того, один из заводов в Западной Сибири использовал эти добавки в промышленном масштабе и установил, что идет резкое снижение горючести и повышение механической прочности утеплителя на примере минераловатных плит с карбамидоформальдегидной смолой в качестве связующего. Однако развития эти работы не получили.

Таким образом утеплители из минераловатных, стеклянных и базальтовых волокон, которые сейчас широко производятся, по соображениям химической и пожарной безопасности не допустимы в строительстве без радикального изменения характеристик фенолоформальдегидных и карбамидоформальдегидных смол. 

Пеноизол – вспененная карбомидоформальдегидная смола, которая заливалась в простенок. Но как уже неоднократно было сказано, при всем времени эксплуатации из этого материала, являющегося нестабильным полимером, выделяется метанол и формальдегид. Начинается диффузия этих веществ через стену. По этой причине Пеноизол был запрещен еще в 1988 году решением МИНЗДРАВА СССР. В настоящее время некоторые фирмы в России и Украине пытаются возродить производство этого опасного утеплителя, что не допустимо.

Но с этим явлением можно бороться, использовав специальную защитно-дисперсионную грунтовку стены «Василол», который является продуктом нанотехнологии и для формальдегида является каталитическим хемосорбентом. Он избирательно поглощает формальдегид и после накопления его до критической концентрации превращает в полимер – полиоксиметилен. Сорбент имеет огромную емкость по формальдегиду, поглощение которого происходит постоянно. «Василол» содержит и специальный полимер, который ничего не выделяя, обеспечивает этому веществу великолепную адгезию к дереву, штукатурке и пластмассе. «Василол» поглощает и фенол. Кроме того, он является мощнейшей огнезащитной грунтовкой, обеспечивая 1 категорию огнезащиты. При воздействии пламени «Василол» образует минералезованный кокс, который в течении длительного времени защищает деревянную конструкцию от огня. Кокс не пропускает воздух, а без кислорода воздуха древесина не горит. Этот кокс механически прочный и не отваливается от деревянной поверхности и в тоже время подвергается любой последующей обработке – наклейке обоев, покраске и т.д.

Сравнение значений теплопроводности различных материалов дает возможность сделать вывод, что с точки зрения теплоизоляционных качеств свойства этих групп материалов практически полностью адекватны. Поэтому одним из главных аргументов апологетов утеплителей из вспененных материалов в пользу их применения является цена: вспененные пластмассы существенно дешевле, чем минераловатные или стекловолоконные материалы.

Минераловатные, базальтовые и стекловатные утеплители, в отличии от пенополистирола и пенополиуретана, даже сегодня с успехом могут быть использованы в малоэтажном деревянном домостроении. Но при одном условии – если будут использованы связующие не выделяющие фенол, формальдегид и метанол. Если будут подвергнуты химической обработке с целью обеспечения их экологической безопасности. В настоящее время в России разработана технология производства базальтовых матов толщиной до 45 мм без всякого связующего или с небольшим количеством связующего в виде водорастворимого не токсичного сополимера, который при воздействии пламени образует кокс и воду.

В ОАО НИИ «Гипролеспром» разрабатывают утеплители, которые отвечают всем четырем критериям экологической безопасности. В результате совместных работ реализуется технология производства различных материалов на основе ультратонкого стекловолокна. Одна из российских компаний готовится к производству рулонного утеплителя на основе базальтового волокна.

Очень перспективны работы по использованию древесных отходов. В этом году завершаться работы по созданию блочного закладного утеплителя на основе опилок (блоки 200х200х400 мм), названного «ТЕРОС»-блок (ТЕпло РОСсии). У этого материала 60..65% объема занимают опилки, остальное это цемент и полимер минеральные связующие, которое сильно повышают прочность при малой плотности. В итоге получен материал, который имеет плотность 400..450 кг/м³ и у которого коэффициент теплопроводности от 0,08..0,10 Вт/м°С. Это легкие, прочные, негорючие и не гниющие блоки, потому, что там заложено все – антипирены, антисептики и т.д. Такой материал для нашей лесной страны очень перспективный с учетом огромного количества отходов деревообработки.

Более того, отработан вариант для тех мест, где нет опилок, то можно использовать минеральные пористые порошки (эти легкие заполнители, у которых засыпная масса порядка – 150..200 кг/м< sup="">), которые производятся в России в больших количествах. <>

Огромная перспектива у плитных и блочных материалах на основе минеральных микросфер. Это такой песок, который при увеличении похож на яичную скорлупу. Такая скорлупа замкнута и механически очень прочная. Эти минеральные микросферы являются отходами крупнотоннажных производств по всей России, их просто необходимо собирать. Сырье для нетоксичных утеплительных материалов у нас под ногами.

. Разработчиком этого материала, технологии его получения и техники для нанесения является финская фирма «Макрон». Самая большая проблема эковаты – это не устойчивость формы. Когда утепляется горизонтальная поверхность, происходит усадка эковаты, и ее теплоизолирующие свойства ухудшаются. Она засасывает влагу, т.е. является гидроскопичным материалом. И при высыхании она не восстанавливает своих свойств. Дело в том, что частицы Эковаты – это размельченная бумажная макулатура – напоминает при увеличении «червячков». Эти «червячки» не являются устойчивыми, т.е. стремятся к уплотнению (созданию каркаса), т.е. пытаются набрать плотность бумажной макулатуры.

Чтобы бороться с этим явлением, финская фирма начала применять водную дисперсию поливинилацетата (клей «ПВА»), но в этом случае необходимо много полимера, что приводит к удорожанию материала. Кроме того, и ПВА-дисперсия сама по себе также гигроскопична. Она впитывает воду и долго высыхает.

Разработаны два технических решения, позволяющих придать утеплителям на основе Эковаты формоустойчивость и устойчивость к усадке. Первое – это комбинация Эковаты с жесткими частицами, обладающими каркасностью. Второе – использование в качестве связующего полимер-минеральные композиции., которые при отверждении придают материалу жесткость и снижают горючесть. Такие композиции могут быть использованы как для получения плитных материалов, так и засыпного утеплителя, который в полостях, например, стен, после отверждения полимер-минерального связующего образует безусадочный слой теплоизоляции. Эти разработки предлагались производителям Эковаты, но поддержки не получили.

Эковата хорошо поддается огне- и биозащите, и является химически безопасным материалом. А также имеет неограниченную сырьевую базу в виде бумажной макулатуры.

Перспективы развития производств создания новых теплоизоляционных материалов?

Настоящая перспектива лежит в области создания не только экономически выгодных, но экологически безопасных материалов. Т.е. материалы не должны выделять в воздух никаких вредных веществ, должны быть пониженной горючести (не хуже, чем Г2), не должны поражаться грибком и жуками древоточцами, и иметь высокую долговечность (не менее 50-70 лет).

Пенополистирольные утеплители с этих позиций абсолютно бесперспективный материал. Из строительства он должен быть выведен раз и навсегда.

Пенополиуретан имеет перспективу развития как утеплитель только при условии обеспечения категории его горючести не хуже, чем Г2 за счет введения добавок в его композицию, которые не только снижают его горючесть, но и при действии высоких температур обладают свойством дымоподавления. Такие добавки производятся в нашей стране.

Весьма перспективным направлением утеплителей на основе минераловатных, стеклянных и базальтовых волокон является организация рулонных нетканых материалов, которые могут достигать толщины до 40 мм. Для скрепления волокон могут применяться нетоксичные пожаростойкие пропитки как полимерной, так и не органической природы, а также скрепление нетканых полотен методом иглопробивки. Что же касается традиционных технологий получения утеплительных материалов на основе указанных волокон, то уже имеется разработка и положительный опыт полной замены фенолоформальдегидных и карбамидоформальдегидных связующих на композиции на основе водных растворов трудногорючих сополимеров. Эти сополимеры с высокой скоростью при температурах выше 140°С образуют пространственно-сшитые структуры, которые по прочности не уступают структурам, образующимся из фенолоформальдегидных и карбамидоформальдегидных смол. Для производства таких связующих в России имеется мощнейшая сырьевая база и производство соответствующих продуктов может быть увеличено многократно в течении короткого времени, поскольку развито производство водных дисперсий такого типа. При таком подходе сразу отпадает проблема токсичности и горючести этих материалов, которые становятся полностью безопасными.

В настоящее время промышленно производятся нетканые материалы на основе ультратонкого стекловолокна без связующего, но обработанные с целью ликвидации пыления растворами специальных нетоксичных и негорючих полимеров. В результате получается негорючий экологически безопасный утеплитель.

Перспективными являются также работы по огне- и биозащите мягких теплоизоляционных древесноволокнистых плит (ДВП). Эти плиты абсолютно экологически чистые, но в настоящее время обладают серьезными недостатками. Они высоко горючи и обладают способностью к самовоспламенению. Кроме того, они впитывают влагу, теряя теплоизоляционные свойства, и в конечном итоге, влагопоглощение приводит к тому, что в массе этого материала развивается грибок и насекомые. Производимый промышленно же сегодня такой материал можно назвать полупродуктом, (но никак не продуктом, готовым к теплоизоляции) т.к. он не проходит ни по пожарной, ни по биологической опасности. Однако сделаны разработки, которые позволяют путем обработки древесно-волокнистых плит антисептиками и антипиренами с получением утеплительной плиты с горючестью Г2, не выделяющих никаких вредных веществ, поскольку все пропитки не разлагаются, не испаряются и не возгоняются, при этом значительно снижается водопоглощение.

Перспективным является использование отходов древесины при создании утеплителей. В нашей стране средний выход сортовых пиломатериалов из леса кругляка составляет 40%, остальные 60% выбрасывается, сжигается и пр. – что создает дополнительную экологическую опасность окружающей природы и населению. Поэтому была отработана технология производства конструкционных термоблоков, имеющие прочность на сжатие не менее 25 кгс/см² с морозостойкостью не менее 35 циклов.

Необходимо возродить систему экологического контроля безопасности строительных материалов и прекратить массовое использование высокотоксичных материалов.

1. Аскадский А.А., Матвеев Ю.И. Химическое строение и физические свойства полимеров. - М., Химия, 1983.
2. Ван-Кревелен Д.В. Свойства и химическое строение полимеров. Пер. с англ. Под ред. А.Я. Малкина и др. - М., Химия, 1976.
3. Привалко В.П. Молекулярное строение и свойства полимеров. - Л. Химия, 1986.
4. Тадмор З., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров. Пер. с англ. Под ред. Р.В. Торнера. - М., Химия, 1984.
5. Хан Ч.Д. Реология в процессах переработки полимеров. Пер. с англ. Под ред. Г.В. Виноградова, М.Л. Фридмана. - М., Химия, 1983.