Химия - Пенополистирол - Свойства

Теплопроводность и энергоэффективность

Теплопроводность — одно из ключевых свойств теплоизоляционных материалов. Хорошие показатели теплопроводности позволяют сократить толщину утеплителя, необходимую для обеспечения нужного уровня тепла, а значит, и затраты на сам материал.

Примерный расчёт толщины стен из однородного материала для выполнения требований СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».

1. Нормируемое значение сопротивления теплопередаче Rreq = 3,14. 2. Толщина однородного материала d = Rreq * l.

Влагостойкость

Панель из EPS типа I согласно стандарту CAN/CGSB 51.20 M87 может абсорбировать максимум 6 % влаги. При таком количестве воды она, тем не менее, сохраняет 92 % от своего первоначального значения R.

В рамках глобальной программы оценки методов изоляции фундаментов, закладываемых ниже уровня грунта, Канадская ассоциация строителей жилых зданий разработала методику испытания, позволяющую определить влияния на вспененный пенополистирол, обусловленные воздействием циклов замораживания и размораживания. Пенополистирол, расплавленный надлежащим образом, был подвергнут 50 циклам замораживания/размораживания в 4%-ном растворе хлорида натрия. Раствор соли обеспечивал жёсткие условия испытания. Результаты после 50 циклов замораживания/размораживания не выявили никакого влияния ни на ячеистую структуру вспененного пенополистирола, ни на целостность её структуры. Такое использование в Северной Америке и в Европе в течение многих лет подтверждает, что циклы замораживания/размораживания очень слабо влияют на структуру качественного пенополистирола.

Влагостойкость, а также морозоустойчивость позволили рекомендовать вспененный пенополистирол для изоляции фундаментов даже в регионах с суровым климатом.

Химическая и биологическая нейтральность

В США Ассоциация переработчиков пенополистирола в 2004 году спонсировала испытательную программу по исследованию возможности образования плесени на пенополистироле. Испытательная лаборатория компании SGS провела исследования в соответствии с национальным стандартом ASTM C1338 «Метод определения сопротивлению образования плесени теплоизоляционных и облицовочных материалов». Испытательные образцы из пенополистирола были подвергнуты тесту на пять различных типов плесени, для проверки их на рост плесени. Результаты показывали, что в идеальных для роста плесени лабораторных условиях, грибы не росли и плесень не образовывалась.

Долговечность пенополистирола

Долговечность службы высококачественного пенополистирола подтверждена различными испытаниями. Так, в рамках научно-исследовательской работы Шведского королевского технологического института, результаты которой были опубликованы в 1999 г.,определялись минимальные сроки службы строительных материалов в конструкциях зданий. Минимальный срок службы пенополистирола был определен в 60 лет..

В России в настоящее время не существует утвержденного стандарта, регламентирующего требования к долговечности, и испытания проводятся по методике разработанной Научно-исследовательским институтом строительной физики РААСН. В 2001 г. в испытательной лаборатории теплофизических и акустических измерений НИИСФ проведены исследования на долговечность образцов пенополистирола из сырья компании BASF. Образцы подвергались цикличным температурно-влажностным воздействиям в климатической камере КТК-800. По этой методике один цикл, включающий двукратное понижение температуры до −40оС, чередующееся с нагревом образцов до + 40оС и последующей выдержкой в воде, эквивалентен по температурно-влажностному воздействию 1 усл. году эксплуатации теплоизоляционного материала в многослойной ограждающей конструкции. Всего проведено 80 циклов испытаний образцов пенополистирольных плит. Полученные результаты позволили сделать заключение, что изделия из пенополистирола успешно выдержали циклические испытания на температурно-влажностные воздействия в количестве 80 циклов, что может быть интерпретировано как соответствующее количество условных лет эксплуатации в многослойных ограждающих конструкциях с амплитудой температурных воздействий ±40оС. Проведение испытаний было остановлено по экономическим причинам, а не по причине значительного ухудшения свойств материала. Таким образом, по результатам российских испытаний, долговечность материала составила не менее 80 лет .

Аспекты экологической безопасности использования пенополистирола

Хотя в российском обществе ведутся споры относительно экологической безопасности пенополистирола, известно, что за более чем 50 лет применения вспененного пенополистирола и стиролосодержащих материалов в мире не были выявлены подтвержденные корреляции между его использованием и нарушениями репродуктивных и иных функций у людей.

Кроме того, Международный строительный кодклассифицирует пенополистирол как один из наиболее энергоэффективных и экологически чистых утеплителей. Что также подтверждается исследованиями Американских специалистов, пришедших к выводу о безопасности SIP-технологий с использование пенополистирола.

Согласно гиду по экологичности строительных материалов «Building materials and the envirnoment» с точки зрения экологичености свойства пенополистирола соотносятся со свойствами других видов теплоизоляции следующим образом:

Зелёный рейтинг BRE — метод анализа ряда фактов влияния на экологию и человека, который классифицирует все материалы по шкале от А до E,где А — наилучший показатель безопасности и дружественности к окружающей среде, а E — наихудший показатель.

Удобство монтажа

Пенополистирол — легкий, прочный и не хрупкий материал. Резка пенополистирола возможна без использования специальных режущих инструментов и позволяет применять простые средства, такие как нож или ручная пила. Обращение с материалом не представляет опасности для здоровья во время транспортировки, монтажа, использования и демонтажа, поскольку он не радиоактивен, не содержит опасных волокон или других веществ. Пенополистирол может обрабатываться и резаться не вызывая раздражения, экземы или раздражения кожи, дыхательных путей и глаз. Это означает, что дыхательные маски, защитные очки, защитная одежда и перчатки не требуются для того, чтобы работать с пенополистиролом. Цемент, известь, гипс, ангидрит и растворы, модифицированные полимерными дисперсиями, не оказывают негативного эффекта на пенополистирол. Все это делает пенополистирол полностью безопасным и практичным при использовании в гражданском, промышленном и транспортном строительстве. Монтаж пенополистирольных плит простой процесс и доступен практически каждому человеку

Взаимодействие с растворителями

Растворимость пенополистирола в технических жидкостях в первую очередь обуславливается химической природой исходного полимера. Пенополистирол хорошо растворяется в исходном мономере, в ароматических и хлорированных углеводородах, сложных эфирах, кетонах, сероуглероде. В низших спиртах, низкомолекулярных алифатических углеводородах, простых эфирах, фенолах и воде пенополистирол нерастворим.

Особые свойства вспененного полистирола

Пенополистирол — типичный представитель поро- и пенопластов поэтому его физико-механические и теплофизические характеристики ничем существенно не отличаются от остальных ячеистых пластмасс.

Но в силу ячеистой природы низкая теплостойкость стирола полимеров объясняет особенности окислительной, термоокислительной и термической деструкции, а также горения пенополистирола что обуславливет особенности его применения, а также накладывает ряд ограничений на его использование.

Современный пенополистирол, применяемый в строительстве, производится по технологиям, предусматривающим применение, специальных химических добавок: стабилизирующих, термостабилизирующих и антипиренов. Эти добавки значительно увеличивают стойкость полистирола к окислительной, термоокислительной и термической деструкции, при необходимости в пенополистирол может быть добавлена добавка, увеличивающая его стойкость к солнечному свету, вернее его ультрафиолетовой составляющей. Как правило, такая добавка не применяется, поскольку, пенополистирол находится в составе конструкции и защищен от воздействия негативных факторов.

Деструкция пенополистирола

Неизбежность деструкции полистирола обусловлена самой сущностью полимеризационных пластмасс. Под воздействием внешних факторов у всех полимеров, в том числе и у полистирола происходят разрушения макромолекул в результате чего изменяются химико-физические и эксплуатационные свойства. Деструкция пенополистирола существенным образом отлична от деструкции полистирола. В первую очередь это обусловлено развитой наружной поверхностью, характерной для всех вспененных пластмасс.

1831 г. из смолы styrax было получено новое органическое соединение, названное «стиролом», из которого в 1839 г. впервые был получен полимер полистирол – одно из первых синтетических высокомолекулярных соединений, синтезированных человеком. Строение полистирола было впервые установлено в 1911-1913 гг. русским ученым И.И.Остромысленским. Первые промышленные полимеры, были получены в условиях, при которых отсутствовали термодинамические ограничения со стороны участвующих реагентов, поэтому полистирол удалось синтезировать примерно за 100 лет до открытия термодинамической теории полимеризации. И только в 1948 г. с развитием физико-химии полимеров начались детальные исследования в области термодинамики полимеризационных процессов, результатом которых стало открытие равновесного состояния системы «полимер – мономер».

О равновесном состоянии системы «полистирол - стирол» впервые высказал предположение Тобольский. Он же, с учениками, в 1957-1960 гг. вывел подробную математическую интерпретацию этого процесса для разных видов полимеров. В частности для полистирола, согласно предложенной им классификации, справедливо математическое обоснование типа «III-а» которое в упрощенном схематическом виде принято записывать так:

Пi=Пi-1+С

В той или иной форме эту формулу "«полимеризационно-деполимеризационного равновесия»" приводят как каноническую все основоположники химии высокомолекулярных соединений — Савада, Берлин, Гордон, Эммануэль, Кауш, Фойгт. Согласно этой формулы совместное существование системы «мономер-полимер» возможно только до некой предельной температуры Тпред, выше которой существование полимера термодинамически запрещено Ниже Тпред термодинамическое равновесие системы «полимер – мономер» регламентируется балансом внешних физических воздействий системы «температура - парциальное давление мономера над поверхностью полимера». При отводе мономера равновесие системы нарушается и начинается процесс деполимеризации, так как термодинамические законы существования Вселенной стремятся восполнить баланс. И если отвод мономера постоянен – процесс деполимеризации остановится только по исчерпанию запаса полимера. Иными словами - из условий полимеризационно-деполимеризационного равновесия полистирола, при температуре выше равновесной, или при концентрации мономера ниже равновесной термодинамически возможны процессы деполимеризации.

Для наглядной иллюстрации полимеризационно-деполимеризационного равновесия очень часто привлекают аналогию равновесия системы «вода-водяной пар», которое от температуры абсолютного нуля и до температуры Тпред всегда существуют совместно.

Помимо теоретического обоснования, равновесность системы «полистирол – стирол», обусловленную одновременностью течения реакции полимеризации стирола и деполимеризации полистирола доказана также и экспериментально.

Низкотемпературная деструкция пенополистирола

Термодинамические условия эксплуатации полимерных материалов всегда невыгодны с точки зрения устойчивости и сопровождаются процессом хоть и медленной, но неуклонной их деструкции. Полистирол существует в равновесном состоянии со своим мономером, образуя систему «стирол-полистирол», описываемую теорией термодинамики полимеризационных процессов которая утверждает, что константа полимеризационно-деполимеризационного равновесия зависит только от равновесной концентрации мономера. Поэтому в полимеризационных пластмассах в том числе и в полистироле всегда присутствует некоторое количество мономера, равновесная концентрация которого определяется термодинамическими характеристиками системы, а поэтому не зависит от механизма процесса.

Но сама по себе термодинамическая возможность протекания какого-либо процесса еще не обуславливает определенных скоростей его протекания и, в свою очередь, регламентируется или температурой или объемом протекания реакции. Для полистирола в форме плотных изделий, регламентирующим началом деструкции выступает температурный фактор. При более низких температурах его деструкция теоретически хотя и возможна в соответствии с законами термодинамики полимеризационных процессов, но из-за чрезвычайно низкой газопроницаемостью полистирола парциальное давление мономера имеет возможность изменяться только на наружной поверхности изделия. Соответственно ниже Тпред = 310 ˚С деполимеризация полистирола происходит только с поверхности изделия, и ею можно пренебречь для целей практического применения.

Для пенопополистирола на первый план выступает тот факт, что это не плотное изделие из полистирола, а набор ячеек площадью 0,06 - 2,5 мм2 с толщиной стенок от 3 микрон. Поэтому пенополистирол следует рассматривать как особое физическое состояние полистирола в форме совокупности тонких пленок, для которых вероятность контакта с внешней средой в несколько миллионов раз больше, чем для плотного изделия из полистирола. Процессы полимеризации и деполимеризации идут одновременно, но имеют свои особенности для тонких и толстых образцов. В толстом образце деполимеризовавшаяся молекула имеет больше шансов снова полимеризоваться, чем в тонком. Кроме того, в случае достаточно большой удельной поверхности раздела между полимером и газовой фазой становится справедливо так называемое «псевдоравновесное» состояние, описываемое термодинамическими параметрами «полимеризационно-деполимеризационного» равновесия. Поэтому деструкция тонких образцов имеет свои четко обозначенные особенности.

Окисление полистирола в толстых, массивных образцах лимитируется кислородом, растворенном в самом полимере. В тонких образцах превалирует окисление, инспирированное кислородом, диффундирующим в полимер извне, в результате градиента его концентраций в атмосферном воздухе и в полимере. Поэтому в пленках полистирола толщиной 25 мкм, к примеру, реакция его окисления идет в 1.7 – 6.7 раза быстрее, чем в толстых образцах. Окислительные процессы в полистироле пространственно локализуются в очагах – «микрореакторах» потому что именно в этих местах при прочих равных условиях растворяется в 5 – 6 раз больше кислорода, чем в бездефектных областях. Физико-химические воздействия жидких или газообразных сред, химически активных по отношению к полистиролу, вызывает набухание поверхностного слоя. В случае тонких пленок полистирола, такое набухание предопределяет практически мгновенное формирование микротрещин и каверн. В свете выше сказанного современная наука о полимерах четко разделяет деструкцию полимеров в зависимости от толщины образцов, называя для так называемых «тонких» образцов главной причиной снижения эксплуатационной долговечности – окисление, так как разрушение всего 0.1% углеродных связей приводит к многократному снижению молекулярной массы полимера, что ухудшает эксплуатационных характеристик на десятки процентов.

При деструкции полистирола, в результате внутримолекулярного замещения с последующим распадом макрорадикалов, образуются низкомолекулярные вещества разнообразного состава - толуол, этилбензол, изопропилбензол, кумол. Продуктами окисления стирола на воздухе являются бензальдегид и формальдегид. Поэтому при санитарно-химических исследования пенополистирола нормативные документы в обязательном порядке предписывают осуществлять его проверку на выделения стирола, α-метилстирола, бензола, толуола, этилбензола, кумола, метанола и формальдегида. Аналогичные требования содержатся также и в украинских нормативных документах.

Низкотемпературная деструкция пенополистирола - мнение Ассоциации Производителей Пенополистирола

Вопрос о низкотемпературной деструкции современного пенополистирола до конца не исследован. Доподлинно известно, что в 1960—1970х годах в СССР проводились замеры, показавшие превышение ПДК по стиролу, однако это было связано с несовершенством химического производства. По причине использования несовершенных технологий в полученном полистироле оставалась значительная концентрация мономера, которая не извлекалась из материала при дальнейшей обработке . Современные разработки в области химической промышленности позволили решить эту проблему, и произведенный по современным технологиям пенополистирол не содержит остаточного мономера, что исключает превышение ПДК стирола при нормальных условиях эксплуатации.

Однако, стоит учитывать, что в связи с несовершенством систем контроля за производством и продажей строительной продукции, на современных строительных рынках до сих пор можно приобрести контрафактную продукцию, которая может нанести вред здоровью человека. .

При фотохимической деструкции под воздействием солнечного света разрушение пенополистирола происходит только в поверхностном слое на глубину несколько миллиметров. Однако, известно, что при правильной эксплуатации в строительстве пенополистирол не должен выступать наружу, и должен использоваться внутри инженерно-строительной конструкции.

Д.х.н., профессор кафедры переработки пластмасс РХТУ им. Менделеева Л. М. Кербер о выделении стирола из современного пенополистирола:

В условиях обычной эксплуатации стирол окисляться никогда не будет. Он окисляется при гораздо более высоких температурах. Деполимеризация стирола действительно может идти при температурах выше 320 градусов, но всерьёз говорить о выделении стирола в процессе эксплуатации пенополистирольных блоков в интервале температур от минус 40 до плюс 70 С нельзя. В научной литературе имеются данные о том, что окисления стирола при температуре до +110 С практически не происходит.

Также эксперты утверждают, что падение ударной вязкости материала при 65 градусах Цельсия не отмечено на интервале 5000 часов, а падение ударной вязкости при 20 градусах Цельсия не отмечено за 10 лет.

Токсичная природа стирола и способность пенополистирола выделять стирол считается европейскими экспертами недоказанной. Эксперты, как в строительной, так и в химической отрасли либо отрицают саму возможность окисления пенополистирола в обычных условиях, либо указывают на отсутствие прецедентов, либо ссылаются на отсутствие у них информации по данному вопросу .

Кроме того, сама опасность стирола изначально часто преувеличивается. Согласно крупномасштабным научным исследованиям, проведенным в в 2010 г в связи с прохождением обязательной процедуры перерегистрации химических веществ в Европейском Химическом Агентстве в соответствии с регламентом REACH,, были сделаны следующие выводы: мутагенность — нет оснований для классификации; канцерогенность — нет оснований для классификации; репродуктивная токсичность — нет оснований для классификации.

Более того, необходимо иметь в виду, что стирол естественным образом содержится в кофе, корице, клубнике и сырах.

Таким образом, основные опасения, связанные с особой токсичностью стирола, якобы выделяющегося при использовании пенополистирола, не подтверждаются.

Высокотемпературная деструкция пенополистирола

Высокотемпературная фаза деструкции пенополистирола хорошо и обстоятельно исследована. Она начинается при температуре +160С. С повышением температуры до +200С начинается фаза термоокислительной деструкции. Выше +260С преобладают процессы термической деструкции и деполимеризации. В связи с тем, что теплота полимеризации полистирола и поли-'''α'''-метилстирола одни из самых низких среди всех полимеров, в процессах их деструкции преобладает деполимеризация до исходного мономера — стирола.