Що таке поліуретан PUR/PIR проти XPS та EPS

Поліуретан — це матеріал, до якого майже кожен доторкався, не знаючи, як він називається. Тверда жовтувата піна в стінці холодильника, серцевина сендвіч-панелі на промисловому цеху, фольгована плита на плоскому даху, піна з балончика для монтажу вікон — одна й та сама хімічна родина з різною густиною і різною рецептурою.

У будівництві ви зустрінете скорочення PUR та PIR. Різниця між ними — лише одна цифра в рецептурі, але вона змінює напрочуд багато: верхню робочу температуру, поведінку при горінні, клас за EN 13501-1. А між PUR/PIR, XPS та EPS є відмінність, яку рідко чесно пояснюють клієнту — поліуретан має найнижчу теплопровідність з трьох, але вона змінюється з часом, тоді як у EPS практично не змінюється.

Три речення, які варто запам'ятати: PUR/PIR має найнижчу λ з трьох — задекларовані 0,023–0,030 Вт/(м·К) проти 0,030–0,038 у XPS (зазвичай 0,033–0,035) та 0,030–0,038 у EPS. Ця λ старіє, бо газ у комірках поступово заміщується повітрям, і саме тому EN 13165 вимагає декларувати постарілу величину, а не значення свіжої плити. І облицювання — це не пакування: алюмінієва фольга утримує газ і знижує задекларовану λ на кілька міліват на метр-кельвін порівняно з тією ж піною під вуаллю.

Що таке поліуретан: хімія простими словами

Поліуретан не постачається як готова пластмаса. Він виготовляється на місці — у формі, у стінці панелі або прямо в порожнині дверей — з двох рідких компонентів:

• Поліол — рідина з великою кількістю гідроксильних (–OH) груп. Вона несе основу майбутньої пластмаси, а в ній розмішані каталізатори, антипірени та порофор (спінювач).
• Ізоціанат — зазвичай полімерний MDI, рідина з реактивними –N=C=O групами.

Щойно ці дві рідини зустрічаються, –OH та –N=C=O утворюють уретановий зв'язок. Реакція екзотермічна — сама виділяє тепло і сама ним прискорюється; звідси відчуття, знайоме кожному монтажнику: балончик нагрівається, поки піна росте. Це тепло — не побічний ефект, а саме те, що спучує піну, за двома механізмами:

• Хімічно. Ізоціанат реагує також із водою — утворюються амін і вуглекислий газ, а амін зв'язується з ще одним ізоціанатом до сечовинного зв'язку. У жорстких пінах саме ця реакція запускається першою.
• Фізично. У поліолі розчинений низькокиплячий порофор — пентан, циклопентан, а в нових системах HFO. Тепло випаровує його, і він роздуває мільйони комірок.

Суміш спінюється за секунди, желатинізується і незворотно твердне в термореактивну пластмасу: вона не плавиться повторно, а при достатній температурі обвуглюється. І найважливіше — порофор залишається замкненим у закритих комірках, яких, за даними PU Europe, понад 90%, а за продуктовими специфікаціями часто 95% і більше. Саме цей газ, а не сама пластмаса, пояснює рекордно низьку теплопровідність — і пояснює, чому вона потім погіршується.

PUR і PIR: одна цифра в рецептурі

Ця цифра називається ізоціанатним індексом і являє собою просте співвідношення: скільки ізоціанату закладено в рецептуру відносно кількості, яка теоретично точно потрібна для реакції з усім активним воднем — помножене на 100. Індекс 100 означає «рівно стільки, скільки потрібно».

• PUR — поліуретан у вузькому сенсі. Індекс приблизно 100: майже весь ізоціанат іде в уретанові зв'язки.
• PIR — поліізоціанурат. Індекс понад 180 — це поріг, який найчастіше вказує література, хоча точної межі, де закінчується PUR і починається PIR, немає. Надлишковому ізоціанату немає з чим більше реагувати, і в присутності тримеризаційного каталізатора він реагує сам із собою: три ізоціанатні групи замикаються в шестичленне ізоціануратне кільце.

Це кільце значно термостабільніше за уретановий зв'язок, і це дає три переваги: вищу робочу температуру; кращу поведінку при горінні, бо PIR виділяє менше тепла й утворює обвуглений захисний шар; і, як наслідок, кращу поведінку в готовій конструкції. Цифри: ізоціануратний зв'язок починає руйнуватися при понад 200 °C, тоді як уретановий — уже при 100–110 °C.

Плата за це невелика, але реальна: PIR більш крихкий та кришиться на зрізі, а рецептура складніша у виробництві. Тому величезна частина продукції на ринку насправді є гібридами PUR/PIR — індекс достатньо високий, щоб утворилися ізоціануратні кільця, але не настільки, щоб плита кришилася. Продуктовий стандарт єдиний для обох: EN 13165, «фабрично виготовлені вироби з жорсткої поліуретанової піни».

Форми, у яких зустрічається поліуретан

Одна хімічна родина, п'ять дуже різних продуктів:

• Тверді плити з облицюванням. Безперервна стрічка між двома валками — алюмінієва фольга, мінеральна вуаль, крафт-папір, бітумізована вуаль. Густина зазвичай 30–45 кг/м³.
• Серцевина сендвіч-панелі. Піна заливається між двома сталевими листами і водночас є ізоляцією та клеєм — панель несе навантаження, бо серцевина утримує обидві поверхні разом.
• Напилювана піна на місці. За каталожними даними закритоклітинна — 30–60 кг/м³ з λ до 0,020–0,022 Вт/(м·К); відкритоклітинна — лише 8–15 кг/м³ з λ 0,035–0,042 — дешевша й «дихаюча», але не є бар'єром для вологи.
• Ін'єкційна піна. Впорскується в закриту порожнину — двері, коробки ролет, бойлери, холодильні шафи. У побутовій техніці виробники вказують густину 30–40 кг/м³ і початкову λ 0,018–0,020 Вт/(м·К). Тому холодильники мають тонкі стінки й великий об'єм.
• Однокомпонентна монтажна піна. Ізоціанатний форполімер, який твердне під дією вологи з повітря — саме тому шов зволожують. Не є теплоізоляційним продуктом за EN 13165: клас за горючістю E (B3/B2 за DIN 4102-1 для вогнестійких версій), і її λ не можна порівнювати зі значенням плити.

Чому λ найнижча — і чому вона старіє

Тепло проходить крізь піну трьома шляхами: через тверду пластмасу, через випромінювання між стінками комірок і через газ у комірках. Поліуретан виграє за всіма трьома: низька густина, дуже дрібні комірки і газ, який проводить тепло гірше, ніж повітря. Тому свіжа плита PIR має приблизно 0,020–0,024 Вт/(м·К) — значення, якого не досягають ні XPS, ні EPS.

Проблема в тому, що гази рухаються. Піна не герметична — це дуже повільна мембрана:

• Вуглекислий газ виходить швидко. У вимірюваннях Шумахера та колег CO₂ від хімічного спінювання практично вичерпується приблизно за 150 днів.
• Повітря заходить. За даними Huntsman, свіжа плита має парціальний тиск повітря в комірках лише 0,02–0,05 бар; із роками він піднімається до атмосферного. А повітря проводить тепло значно краще за порофор.
• Порофор виходить повільно. У тих самих вимірюваннях циклопентан виявляється в комірках навіть через 1400 днів. Він не зникає — просто розбавляється повітрям.

Результат — плавне зростання λ протягом перших років, яке потім майже зупиняється. Це старіння ламбда — реальне, вимірюване і, на відміну від багатьох інших речей у галузі, стандартизоване.

Що саме означає «задекларована λ за EN 13165»

Додаток C стандарту EN 13165 вимагає не значення свіжої плити, а середньозважену за часом λ за 25 років — величину, яка через форму кривої досягається приблизно через 8 років експлуатації для дифузійно відкритих плит; для дифузійно щільної плити товщиною 30 мм те саме середнє значення досягається лише до 12-го року. Шляхи до неї два:

• Метод фіксованої надбавки. Вимірюється початкова λ при 10 °C, і до неї додається фіксована надбавка, яка залежить від порофору, товщини та дифузійної щільності облицювання. Для пентанових продуктів із дифузійно відкритим облицюванням товщиною до 80 мм надбавка становить 5,8 мВт/(м·К); у діапазоні 80–120 мм вона падає до 4,8, а при 120 мм — до 3,8, бо товща плита старіє повільніше. При дифузійно щільних облицюваннях надбавка дуже мала. Перед цим плита має пройти тест на нормальність: осердя 20 мм без облицювання витримується 21 день при 70 °C, і λ не повинна зрости більш ніж на 6,0 мВт/(м·К) для пентанів.
• Метод прискореного старіння. Увесь продукт, разом з облицюваннями, витримується 175 днів (25 тижнів) при 70 °C, після чого λ вимірюється і до неї додається запобіжна надбавка. Її можна зменшити або обнулити, якщо окремий «тест на прискорення» доведе, що 70 °C прискорюють процес достатньо — але обнулення допускається лише для дифузійно відкритих плит.

За обома шляхами додається статистика, і значення округлюється в бік збільшення до найближчого 1,0 мВт/(м·К) — тому в специфікаціях фігурують круглі числа на кшталт 0,023, 0,026 або 0,028.