Materiały izolacyjne

Pojęcie izolacji cieplnej

Izolacją cieplna nazywamy ogólnie materiał , który chroni pomieszczenie, obiekt, urządzenie przed utratą ciepła. Z punktu widzenia techniki za materiały izolacyjne uważa się tylko takie, których współczynnik przenikania ciepła λ obliczony w temperaturze 20°C jest mniejszy od 0,175 W/mK.

Zadania materiałów izolacyjnych

Materiały izolacyjne w instalacjach sanitarnych pełnią funkcję:

– ochrony cieplnej budynków, instalacji, zbiorników (ograniczanie strat ciepła do otoczenia)

– ochrony przed wykraplaniem sie pary wodnej na zimnych ściankach rur i zbiorników

– ochrony akustycznej instalacji i budynków poprzez zmniejszenie szumów, drgań

– częściowej ochrony przed korozją

Podział materiałów izolacyjnych

Materiały izolacyjne można dzielić według różnych kryteriów. Z uwagi na pochodzenie materiały izolacyjne dzieli się na dwie duże grupy:

– organiczne – składające się z różnych części roślinnych lub porowatych mas plastycznych

– nieorganiczne – otrzymane z surowców mineralnych (skały, cementy, szkła, żużle itp.).

Do materiałów termoizolacyjnych pochodzenia organicznego zaliczamy:

– materiały torfowe (proszek torfowy, płyty torfowe),

– płyty pilśniowe,

– płyty wiórowo – cementowe,

– płyty ze słomy i z trzciny,

– płyty paździerzy lnianych i konopnych,

– płyty drzewne, korkowe i z kory sosnowej,

– maty i płyty z wełny owczej,

– materiały nasypowe z celulozy.

Do materiałów termoizolacyjnych pochodzenia nieorganicznego zaliczamy:

– wełnę żużlową i wyroby z niej (praktycznie nie stosowane)

– wełnę skalną i wyroby z niej,

– przędzę ,watę i wełnę szklaną oraz wyroby z nich,

– szkło piankowe,

– wyroby azbestowe ( obecnie wycofane z użytkowania!),

– wyroby ze spienionego poliuretanu ( np. pianki PUR),

– wyroby z polistyrenu spienionego, styropiany ( ekspandowane i ekstrudowane).

Ze względu na postać i kształt materiały izolacyjne można dalej dzielić na:

– płyty, maty i taśmy izolacyjne

– pianki rozprężne

– otuliny

– izolacje sypkie

Właściwości materiałów izolacyjnych

Porowatość. Jest to podstawowa właściwość materiałów termoizolacyjnych, określająca ich jakość. Termoizolacyjność zależy nie tylko od sumarycznej porowatości, ale także jej charakteru, rozmiaru i rozkładu porów. Pory w materiale termoizolacyjnym tworzone są podczas ich produkcji na skutek wprowadzania do surowca gazotwórczych preparatów (poroforów) powodujących pęcznienie masy lub też w trakcie sklejania albo spiekania cząstek materiału albo włókien. Lepszymi właściwościami termoizolacyjnymi charakteryzuje się materiał z małymi zamkniętymi porami (spośród materiałów o takiej samej porowatości sumarycznej), wypełnionymi powietrzem lub gazem (powietrze odznacza się bardzo małym współczynnikiem przewodzenia ciepła, w temperaturze 20ºC mającym wartość 0,02512 W/(m·K)).

Unieruchomienie powietrza w małych zamkniętych porach umożliwia lepsze wykorzystanie jego właściwości izolacyjnych. Powietrze znajdujące się w ruchu przenosi również ciepło przez konwekcję. Dlatego w gruboporowatych, jamistych materiałach z wydłużonymi otwartymi porami są warunki do przenikania konwekcyjnych potoków powietrza. Materiał taki jest lepszym przewodnikiem ciepła niż materiał z małymi i zamkniętymi porami. Im mniejsza objętość powietrza zamkniętego w oddzielnych porach, tym mniejsza możliwość konwekcji i tym lepsze jego termoizolacyjne właściwości. Stosunek objętości powietrza znajdującego się w porach i substancji budującej materiał także ma wpływ na termoizolacyjne właściwości materiału. Im mniejsza gęstość objętościowa termoizolacyjnego materiału , tym mniejsza jego przewodność ciepła. Dla materiałów o dużej porowatości, w których udział objętościowy substancji stałej jest bardzo mały, współczynnik przewodzenia ciepła zbliża się do współczynnika przewodności powietrza.

W tablicy 1. zestawiono porównawczo wartości porowatości materiałów termoizolacyjnych i wybranych materiałów konstrukcyjnych.

Tablica 1. Porowatość wybranych materiałów termoizolacyjnych i konstrukcyjnych

Materiał termoizolacyjny

Porowatość, %

Materiał konstrukcyjny

Porowatość, %

Gazobeton

Ceramika porowata

Szkło spienione

Drewno porowate,

płyty włókniste

Porowate masy plastyczne

50-90

60-75

85-90

82-87

90-98

Stal

Granit, marmur

Beton ciężki

Cegła pełna

Drewno sosnowe

0,2-0,8

9-17

24-33

67-73

Gęstość objętościowa. Jest to jedna z ważniejszych właściwości charakteryzujących termoizolacyjność materiałów. Im mniejsza gęstość objętościowa, tym lepsza jakość materiału termoizolacyjnego. Przykładem lekkich materiałów są pianki mas plastycznych o minimalnej gęstości objętościowej wynoszącej 15 – 25 kg/m³. Ze zwiększeniem gęstości objętościowej podwyższa się wartość współczynnika przewodzenia ciepła (l) oraz zwiększa się wytrzymałość.

Wytrzymałość. Większość materiałów termoizolacyjnych o bardzo porowatej budowie cechuje niewielka wytrzymałość. Charakteryzują ją trzy wskaźniki – wytrzymałość na ściskanie, na zginanie i na rozciąganie. Zwykle wytrzymałość wysokoporowatych materiałów charakteryzuje tylko wytrzymałość na ściskanie, wyrobów włóknistych – wytrzymałość na zginanie, termoizolacyjnych wyrobów miękkich (wojłoku, maty mineralnej i innych) – wytrzymałość na rozciąganie. Przedział wytrzymałości materiałów konstrukcyjno-termoizolacyjnych, niezależnie od ich budowy, charakteryzuje się dwoma wskaźnikami – wytrzymałością na ściskanie i zginanie. Wytrzymałość termoizolacyjnych materiałów na ściskanie zawiera się w granicach 100 – 1500 kN/m², niekiedy osiąga 5000 kN/m², tylko w nielicznych przypadkach przekracza 5000 kN/m². Wytrzymałość materiałów można w określonych (wymaganych) przedziałach zmienić przez dobór warstw albo zastosowanie specjalnych metod ich obróbki. Właśnie w taki sposób podwyższa się wytrzymałość gotowych wyrobów, np. autoklawizowanie porowatych betonów o gęstości objętościowej 500 kg/m³ półtorakrotnie zwiększa ich wytrzymałość na ściskanie. Podobny efekt uzyskuje się przy utwardzaniu betonu w wilgotnym środowisku, przy temperaturze nie niższej od 175ºC, w wyniku powstania komórkowego szkieletu zwiększającego wytrzymałość betonu.

Wilgotność. Znaczny wpływ na jakość termoizolacyjnych materiałów ma ich wilgotność. Duża porowatość sprzyja zawilgoceniu materiałów. Gdy materiały te są eksploatowane w warunkach dużej wilgotności, przestrzenie pomiędzy włóknami czy pory mogą być wypełnione częściowo lub całkowicie wodą. Woda wypełniająca komórki materiału ma współczynnik przewodzenia ciepła ok. 20-krotnie większy niż gaz. Między innymi z tego powodu współczynnik przewodzenia ciepła materiału izolacyjnego zależy od stopnia jego zawilgocenia. Zawilgocenie materiałów termoizolacyjnych powoduje wzrost współczynnika przewodzenia ciepła, obniża wytrzymałość, odporność na korozję biologiczną oraz mrozoodporność.

Nasiąkliwość. Nie mniej ważnym wskaźnikiem materiałów termoizolacyjnych jest nasiąkliwość.

Przewodność cieplna. Jest to podstawowy wskaźnik określający jakość materiałów termoizolacyjnych.

Inne bardzo ważne właściwości materiałów termoizolacyjnych to: odporność biologiczna, mrozoodporność , ognioodporność, palność, stabilność termiczna.

Tabela 2 Właściwości wybranych materiałów izolacyjnych

Właściwości	Jednostka	Styropian	Pianka poliuretanowa	Pianka polietylenowa	Pianka kauczukowa	Wełna mineralna
Gęstość	Kg/m³	10-30	20-40	35		Od 36 – maty lamelowe Do 140
Współczynnik przewodzenia ciepła „l”	W/mK	0,045-0,040	0,035dla t= 40°C 0,032 dla t=10°C	0,040 dla t=40°C 0,038 dla t=10°C	0,040 dla t=40°C 0,037 dla t=10°C	0,035 dla t=10°C
Klasyfikacja ogniowa		Palny, samogasnący, przy paleniu wydziela czarny gryzący dym	samogasnący	Nie rozprzestrzeniający ognia, normalne wydzielanie dymu	Samogasnący, bardzo niskie wydzielanie dymu	niepalna
Odporność na temperaturę	°C	80	+135°C dla pianki miękkiej, +150°C dla pianki twardej	-30 do (+95°C)²	-40 (-200°C)³ do +105°C (+175°C)⁴	200-750°C
Współczynnik oporu przeciw dyfuzji pary wodnej		50-60¹		2000-3000	7000
Odporność na warunki atmosferyczne		Starzeje się pod wpływem promieniowania UV,	Niska nasiąkliwość, starzeje się na słońcu		Może być stosowany na zewnątrz (HT/Armaflex)	Nie ulega procesowi starzenia, chronić przed wilgocią
Uwagi		kruchy	krucha	Wysoka elastyczność	Wysoka elastyczność	Pyli się w czasie układania