Полимерные теплоизоляционные материалы

 

Теплоизоляционные материалы, получаемые на основе органи­ческих полимеров, характеризуются значительной легкостью, малой теплопроводностью и достаточной механической прочностью. Осо­бый интерес представляют «заливочные» пено- и лоропласты на основе фенолоформальдегидных, пенополистирольных, пенополи-винилхлоридных и полиуретановых полимеров. Образование тепло­изолирующей прослойки пено- или поропласта непосредственно при изготовлении стеновых панелей значительно упрощает и уде­шевляет производство работ.

Пенополистирол имеет пористую структуру с замкнутыми ячей­ками, заполненными воздухом или газом (азот и др.), Сырьем для изготовления пенополистирола служат суспензионный полистирол и порофор как вспенивающий компонент.

Эту разновидность пенопласта выпускают в виде плит, изготов­ляемых беспрессовым способом, марок ПС-С (с антипиреном) и ПСБ (без него) или фасонных изделий марок ПС-1, ПС-4 и ПС-6. Пенополистирол характеризуется следующими показателями физи­ко-механических свойств: средняя плотность плит находится в пре­делах 20—40 кг/м³, теплопроводность 0,035—0,4 Вт/(м∙К), предел прочности при изгибе до 0,18 МПа, водопоглощение по объему — не более 2—5% за 24 ч. Пенополистирол не подвержен гниению, лег­ко гвоздится и склеивается со многими строительными материала­ми Он используется в конструкциях совмещенных кровель, в строительстве холодильников, при устройстве внутренних перегородок, междуэтажных перекрытий, вентиляционных каналов, утепления стен.

К весьма эффективному материалу относится экструзионныи пенополистирол «Экспол», вспучивающийся через расплав в экструдере. Он характеризуется максимальной устойчивостью теплотехниче­ских и физико-механических свойств во времени. Его структура отличается микропористостью при нулевой капиллярности, что обеспечивает низкое водопоглрщение при гарантированной высо­кой прочности. Такое сочетание позитивных показателей свойств пенополистирола благоприятствует его высокой долговечности. Он применяется как утеплитель оснований автомобильных дорог и же­лезнодорожного полотна, подземных частей зданий и сооружений, в конструкциях кровли, в зонах вечной мерзлоты и т. п.

Пенополивиншхлорид — жесткий, эластичный или полуэластич­ный пенопласт. Плиточный жесткий пенопласт ПХВ-1 — легкая га­зонаполненная пластмасса равномерного, замкнутопористого стро­ения. Длина и ширина плит бывает 500 мм при толщине не менее 45 мм. Эти плиты устойчивы к действию кислот, щелочей, воды и могут быть использованы в интервале температур от —60 до +60°С. Средняя плотность ПХВ-1 70—130 кг/м³, предел прочности при сжа­тии (перпендикулярно плоскости плиты) 0,4—7 МПа, водопоглоще­ние за 24 ч не более 0,3%, теплопроводность — 0,04 Вт/(м∙К).

Тенополивинилхлорид широко применяют для термоизоляции холодильников, рефрижераторов, а также для звукоизоляционных целей наравне с пенополистиролом.

Пенополиуретаны — газонаполненные пенопласта, получающи­еся на основе полиэфиров и диизоцианатов. Выпускают их в виде лит размером 500x500x50 мм. Такие пенопласты могут быть применены в интервале температур от —60 до +170°С. Пенополиурета­ны имеют среднюю плотность 100—200 кг/м³, теплопроводность —0,06 Вт/(м∙К); предел прочности при сжатии от 0,55 до 2 2 МПа.

Жесткие пенополиуретаны можно обрабатывать на токарных станках, пилить, сверлить, гвоздить. Пенополиуретан применяют в качестве тепло- и звукоизоляционного материала, в виде скорлуп и сегментов; широко используют для изоляции трубопроводов горя­чего и холодного водоснабжения.

Плиты теплоизоляционные из пенопласта на основе резальных фенолоформальдегидных смол применяют в ограждающих конструкци­ях при температуре изолируемых поверхностей не более 130°С. Это трудносгораемые изделия, марки по средней плотности 50, 75, 100. Размеры плит: длина — от 600 до 3000, ширина — 500—1200, тол­щина — 50—150 мм. Предел прочности при изгибе — не менее 0,08—0,26 МПа (в зависимости от марки), теплопроводность — не более 0,038—0,043 Вт/(м∙К), влажность при отгрузке плит всех ма­рок — не более 20% по массе.

Изделия теплоизоляционные из пенопласта марок ФРП-1 и резопен применяют в виде цилиндров, полуцилиндров, сегментов и отводов. Они имеют среднюю плотность в сухом состоянии 65—ПО кг/м³. Внутренний диаметр цилиндров 47—221 мм, номинальная толщина 30, 40, 50, 60 мм и длина 1000 и 1500 мм. Их применяют для тепло­изоляции трубопроводов диаметром 45—219 мм. Полуцилиндры применяют для изоляции трубопроводов диаметром 45—273 мм, сегменты — диаметром 325—1020 мм.

Сотопласты — тепло- и звукоизоляционные материалы, получа­емые путем горячего формования гофрированных листов бумаги, ткани или древесного шпона, предварительно пропитанных феноло-формальдегидным резольным полимером.

Физико-механические свойства сотопластов зависят в основном от формы и размеров сот и от природы материала, образующего стенки полостей. Благодаря невысокой стоимости и малой тепло­проводности наиболее широкое применение в строительстве полу­чили сотопласты с наполнителем из хлопчатобумажных тканей и бумаги. Для улучшения теплотехнических показателей материала ячейки-соты заполняют измельченным пенопластом или стеклова­той. Сотопласты применяют чаще всего как промежуточный слой при изготовлении трехслойных высокопрочных панелей.

Минора — легкий, тепло- и звукоизоляционный материал в виде затвердевшей пены белого цвета. Сырьем для мипоры служат мочевиноформальдегидные полимеры, 10%-ный раствор сульфонафтеновых кислот и некоторые добавки.

Мипору выпускают блоками объемом от 0,005 до 0,100 м³ (при толщине 10 и 20 см) или в виде плиток и крошки.

Основные физико-механические свойства мипоры: средняя плот­ность 10—20 кг/м³, теплопроводность 0,03 Вт/(м∙К). Крайне малая механическая прочность мипоры затрудняет ее непосредственное применение. Поэтому ее чаще всего используют как теплоизоляци­онный заполнитель и звукопоглощающий материал в каркасных конструкциях.

Глава 14 Акустические материалы и изделия

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Акустическими называются материалы, способные уменьшать энергию звуковой волны, снижать уровень громкости внутреннего или внешнего звука.

Звук_это восприятие ухом упругих механических колебаний и

волн, возникающих в среде под влиянием принудительных воздейст­вий. Частоты колебаний, выражаемые в герцах (Гц), могут быть низкими, средними и высокими, что обусловлено числом колебаний в 1 с: при низкой частотности — 16—500 Гц, средние — 500— 2000 Гц, высокие — 2000—15000 Гц и выше (1 Гц = 1 колебание в 1 с). Количество энергии, переносимой звуковой волной за 1 с через площадку площадью 1 см², перпендикулярную направлению дви­жения волны, называют силой звука и выражают в ваттах на 1 см² (Вт/см²). Человеческое ухо воспринимает звук лишь при его силе не ниже некоторой минимальной величины, называемой поро- гом слышимости. Порог слышимости различен для низких, средних и высоких частот. Наиболее чувствительно человеческое ухо к коле­баниям с частотами в области 1000—3000 Гц, когда порог слышимо­сти достигает интенсивности звука до 10^-16 Вт/см². Болевые ощуще­ния в ухе возникают при пороге 10^-2 Вт/см², называемом болевым порогом, большим в 10^м раз по силе звука, чем при пороге слыши­мости. Последнюю силу звука принимают как нулевой уровень. За реальный уровень громкости полагают величину, пропорциональ­ную логарифму отношения силы данного звука к силе звука на нуле­вом уровне, выражаемую в белах (Б) или децибелах (дБ). Например, шепот — 10, тихий разговор — 40, улица с нормальным движени­ем — 60, а с шумным — 70, грузовой автомобиль — 90, авиацион­ный мотор — 120 дВ, болевой порог — 140 дБ. Эти и другие данные учитывают при расчетах звукоизоляции по формулам.

Для большинства зданий задача акустики, акустического благо­устройства заключается в снижении уровней внешних шумов до до­пустимого при относительном режиме тишины в помещениях про­изводственных, учебных, жилых, культурно-бытовых и других зданий. Для зданий общественного назначения важно также обеспе­чить в основных помещениях хорошую слышимость и разборчи­вость, а в музыкальных помещениях — еще и естественность звуча­ния инструментов и голоса. Эти задачи решаются комплексом конструктивных, планировочных и предупредительных мероприятий. Главным из них служит правильное назначение строительных материалов в конструкциях, особенно в ограждающих (стены, перегородки), междуэтажных перекрытиях и кровельных -покрытиях. Выбор материалов основан на их различной способности к задержа­нию (поглощению) звуковой волны, которая может распространять­ся как в воздухе, так и в твердых телах и жидкостях. Скорость звука в воздухе приблизительно равна 340, в воде — 1450 м/с, в твердых телах еще выше: в кирпичной кладке — 2000, бетоне — 4000, метал­ле — свыше 5000 м/с. На пути воздушного переноса звука устанав­ливают преграды из звукопоглощающих материалов и конструкций. Сложнее преграды установить на пути материального I (ударного) переноса звука, например при устройстве междуэтажных перекрытий. Чаще всего воздушные и ударные переносы шумов со­вмещаются, особенно в современных зданиях, выполняемых из сборного железобетона, обладающего малым звукопоглощением, и имеющих щели, неплотности и отверстия, а при тонких конструкци­ях — способные еще и к изгибным колебаниям. С увеличением мас­сы ограждения улучшается поглощение звука, так как массивное ограждение труднее перевести в изгибное колебание под влиянием волнового звукового давления. Но с увеличением массы ограждения прирост звуковой изоляции происходит медленно. Так, например, если при массе перегородки 100 кг звукоизоляция составляет 40 дБ, то при массе 200 кг — 44 дБ, при 300 кг — 48 дБ. Для дальнейшего снижения шума потребуется устраивать либо очень тяжелые одно­родные ограждения, либо заменить их ограждениями из двух стенок со сплошными воздушными прослойками (без жестких связей между стенками), переходить к слоистым конструкциям и т. п.

Для борьбы с шумом и переносом звука используют звукопогло­щающие (активно поглощающие звук) и звукоизоляционные (сни­жающие уровень шума) материалы. Ниже рассмотрены основные разновидности этих материалов. Они могут быть отделочными и прокладочными.

Отделочные материалы частично поглощают звук внутри поме­щений, например промышленных цехов, машинописного бюро и пр., или технических устройств, например вентиляционных воздухо­водов и др. Отделочные звукопоглощающие материалы также опти­мизируют условия слышимости в помещениях, например, в зритель­ных залах, лекционных аудиториях, радиовещательных студиях и т. п. Большая или меньшая часть звуковых волн обычно отражает­ся от конструкций, выполненных из отделочных звукопоглощаю­щих материалов. В результате в помещении сохраняется звучание даже после прекращения действия источника звука. Такое явление называется реверберацией.

Прокладочные материалы используют под упругими полами междуэтажных перекрытий, предохраняя тем самым помещения от распространения материального (ударного) переноса звука. Неред­ко эти материалы комбинируют с отделочными.

Числовую величину поглощения звука оценивают коэффициен­том, который показывает долю энергии звуковой волны, поглощае­мой 1 м² поверхности материала в открытом проеме. Чем больше величина коэффициента звукопоглощения, тем выше соответствую­щая эффективность строительного материала в конструкции. При этом учитывают также частотность звучания, от которой сущест­венно зависит величина коэффициента звукопоглощения.

ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Звукопоглощающие материалы разделяют по разным призна­кам: характеру поглощения звука, виду и технологии изготовления, характеру поверхности изделий. Все эти материалы обычно являют­ся также отделочными, поскольку способствуют созданию внешней архитектурной выразительности помещений.

По характеру поглощения звука материалы разделяют на порис­тые, мембранные и перфорированные. Наиболее распространенны­ми являются пористые. Звуковая энергия поглощается в этих мате­риалах в основном за счет трения частиц воздуха в порах и капиллярах, весьма развитых и различных по диаметру. С повыше­нием пористости увеличивается звукопоглощение, хотя имеется не­который предел пористости (около 80%), выше которого звукопог­лощение не возрастает и даже имеется тенденция к его снижению. Важен также размер диаметра пор. При малых размерах пор про­никновение звуковой энергии в толщу материала затруднено, а зву­копоглощение оказывается незначительным. Оптимаггьным может быть принят диаметр пор до 1 мм. При мембранном типе материала сила звука снижается вследствие затраты энергии на вынужденное колебание достаточно массивных и жестких мембран (плиты, фа­нерные листы, плотный картон, некоторые ткани и др.). Перфори­рованные панели и другие материалы имеют отверстия, в которых задерживается воздух, создающий тормоз на пути воздушного пере­носа звука, что создает лучший эффект звукопоглощения.

С звукопоглощающим материалам, отличающимся между собой внешним видом и технологией изготовления, относятся плитные, рулонные и комбинированные. По характеру поверхности изделий эти материалы разделяются на плиты с естественной фактурой, с по­рами и раковинами, с рифленой поверхностью, с перфорированной поверхностью, т. е. с отверстиями одного или разного диаметра, расположенными симметрично или бессистемно.

Независимо от разновидностей звукопоглощающего материала они имеют, некоторые общие признаки. Их коэффициент звукопоглощения не должен снижаться ниже 0,20 при низких частотах звука и ниже 0,40 при средних частотах. Они должны быть достаточно огнестойкими, противостоять гниению и не должны вьщелять химиче­ских веществ и неприятного запаха. Их средняя плотность не дол­жна быть выше 300—400 кг/м³. Немаловажное значение имеют декоративные свойства и цвет звукопоглощающих материалов, поскольку они, как правило, служат и для архитектурной отделки по­мещений (чем, кстати, существенно отличаются от других пористых материалов — теплоизоляционных). Эти материалы при выполне­нии своей основной функции — поглощение звука — реагируют на частотность его колебания. С увеличением частотности звукопогло­щение пористым материалом увеличивается, а при низких частотах повышенный эффект приносят сплошные воздушные прослойки (за зоры) размером 7—10 см между стенками.

К сравнительно эффективным относятся акустические плиты на основе синтетических связующих и с применением в них волокни­стых заполнителей — стеклянной и минеральной ваты. Эти плиты имеют габариты 500x500x20 мм и среднюю плотность до 140 кг/м³. Они покрыты сверху декоративным покровным слоем и обладают хорошими декоративными качествами. Их используют для обли­цовки потолков, вестибюлей, залов театров, концертных залов, ра­диостудий и помещений с большим шумовыделением. Коэффициент звукопоглощения в интервале частот от 500 до 2000 Гц составляет 0,40—0,47, а предел прочности при разрыве — 0,3—0,4 МПа.

Другой разновидностью акустических изделий служат: плиты из легких бетонов на основе неорганических вяжущих и с применением пемзы, керамзита, вспученного перлита или вермикулита и др.; пли­ты из фибролита средней плотности до 300 кг/м³ особенно при ши­рине стружки 2— 3 мм; древесноволокнистые плиты двухслойные перфорированные при воздушном зазоре в конструкции 5 см и бо­лее; гипсовые плиты (перфорированные и сплошные), армирован­ные стекложгутом или поливинилхлоридным шнуром; древесност­ружечные плиты, изготовленные из мелкой стружки на основе синтетических смол, и некоторые другие. Практическую пользу при­носят акустические звукопоглощающие штукатурки (в 3—4 слоя) на основе белого портландцемента и с заполнителями в виде обожжен­ной каолиновой крошки с размером зерен 1—3 мм, или тонкограну­лированной минеральной ваты с гранулами 2—3 мм, или перлито­вого песка с размером зерен до 5 мм и насыпной плотностью 80—200 кг/м³. Эффективно выполняют функции звукопоглощения конструкции из пористых волокнистых материалов, покрытых раз­личными тонкими перфорированными листами и сетками. Перфо­рация в плитах и листах может быть сквозной и несквозной в зави­симости от типа и назначения конструкций.

Широкой гаммой цветов обладают плиты «Силакпор», что вно­сит разнообразие в интерьеры помещений. Эти плиты изготовляют из легковесного ячеистого бетона (газо- и пенобетона) специальной структуры. Они могут быть с продольной щелевой перфорацией и без перфорации. Их средняя плотность 300—500 кг/м³, а коэффици­ент звукопоглощения в диапазоне 200—400 Гц составляет от 0,3 до 0,8. Хорошими эксплуатационными и архитектурными свойствами обладают плиты из газосиликата размером 750x350x25 мм. При их изготовлении компоненты (известь, песок, вода и красители) смеши­вают, раствор заливают в формы, изделия запаривают в автоклавах, после чего их фрезеруют и калибруют. Следует отметить, что эффек­тивность звукопоглощающих материалов становится высокой, если коэффициент звукопоглощения больше 0,6, и средней, если этот ко­эффициент находится в пределах 0,4—0,6.

Высокой эффективностью отличаются акустические плиты «Акмигран» и «Акминит» средней плотностью 350—400 кг/м³, а также гипсовые перфорированные плиты (с несквозной перфорацией) для подвесных потолков.

Плиты «Акмигран» изготовляют из минеральной или стеклян­ной ваты (гранулированной) на связке из смеси крахмала, бентони­та и карбоксилметилцеллюлозы. После формования и сушки поверхности плит отделывают.

Плиты «Акминит» имеют тот же состав, что и плиты «Акмиг­ран», но вместо бентонита используют каолин, литопон (смесь сер­нокислого бария и сернокислого цинка как пигментирующая добав­ка) и поливинилацетатную эмульсию. Плиты изготовляют методом отливки смеси в формы, в которой имеются гранулированная мине­ральная вата и раствор крахмального связующего. Формы высуши­вают в сочетании с вакуумированием, механически обрабатывают и окрашивают.

Плиты «Акмигран» и «Акминит» имеют коэффициент звукопог­лощения от 0,4 до 0,8 в интервале 200—2000 Гц. Перфорация плит увеличивает звукопоглощаемость на 10—20% при частотах 200—1000 Гц. Следует отметить, что применение плит «Акмигран» и «Акминит» возможно только при влажности до 70%, иначе крах­мальное связующее набухает. Полимерные добавки повышают во­доустойчивость, но не делают его водостойким. Увлажнение этих материалов снижает показатели звукопоглощающих свойств. Габа­риты плит — 300x300x20 мм. Лицевая (окрашенная) сторона плит имеет фактуру, т. е. отделку в виде неправильных трещин или ка­верн, которые имитируют поверхность выветрившегося известняка. Плиты крепят с помощью металлических профилей или специаль­ной мастики.

 

Рис. 14.1. График звукопоглощающей способности асфальтобетона

 

Большой звукопоглощающий способностью обладают асбестоцементные акустические экраны, перфорированные круглыми или щелевыми сквозными отверстиями, для подвесных потолков или

стен в шумных помещениях. Они обладают высокой механической прочностью, огнестой­костью, долговечно­стью, гигиеничностью, экономичностью.

При особой форме пустот в виде резо­наторов (полостей с уз­кой горловиной) роль звукопоглощающего и вместе с тем конструк­тивного материала мо­жет выполнять пустоте­лый глиняный кирпич, коэффициент звукопог­лощения которого мо­жет составлять до 0,8. Из других материалов следует отметить хоро­шие звукопоглощаю­щие свойства асфаль­тобетона (рис. 14.1), особенно с пористой структурой, что важно учитывать при борьбе с городским шумом, в цехах заводов и т. п.