Pianki polistyrenowe w budownictwie - struktura a właściwości
2007-03-06 Jacek Majewski – Tworzywa Sztuczne i Chemia Nr 1 (32) - styczeń/luty 2007
Zakres
przemysłowych zastosowań pianek polimerowych stale się rozszerza,
obejmując przemysł samochodowy, lotniczy, meblowy, opakowaniowy oraz
budownictwo mieszkalne i drogowe. Gdy w roku 1952 koncern BASF
rozpoczął produkcję spienionego polistyrenu ekspandowanego (ang.
Expanded Polystyren, w skrócie EPS), dopiero po upływie kilku lat
konserwatywny i nieufny rynek materiałów budowlanych zaaceptował to
nowe tworzywo, uznając jego zalety.
Wprowadzenie
Spośród tych zalet najważniejsze dla budownictwa są: niska przewodność
cieplna właściwa, dobra przyczepność do podłoża z klasycznych
materiałów budowlanych (beton, gips, tynk, zaprawa) oraz łatwość
obróbki mechanicznej na placu budowy (cięcie, wiercenie otworów,
mocowanie gwoździami itp.). Obecny trend energooszczędności budynków
stymuluje wzrost produkcji pianek polistyrenowych i rozwój badań nad
tym tworzywem.
Mimo że w przyrodzie materiały o strukturze zawierającej pory zamknięte
są dość rozpowszechnione (np. drewno, korek), to od wynalezienia
syntetycznego polistyrenu około roku 1870 upłynęło ponad 80 lat, zanim
opanowano technologię jego spieniania (przy czym nastąpiło to w
Niemczech - kraju o ogromnych osiągnięciach w dziedzinie chemii).
Obecnie prawie każdy rodzaj tworzywa termoplastycznego lub
termoutwardzalnego można wytworzyć w postaci spienionej.
W budownictwie mieszkaniowym ceni się pianki polistyrenowe przede
wszystkim ze względu na ich właściwości termoizolacyjne. Od roku 1970 w
wielu krajach rozwiniętych wprowadzono urzędowe przepisy dotyczące
energooszczędności - m.in. także termoizolacji budynków. Spowodowało to
wzrost zapotrzebowania na materiały termoizolacyjne. Obecnie produkcja
pianek polistyrenowych stanowi około 25% wszystkich wytwarzanych pianek
i przewiduje się stały jej wzrost o 2,5% rocznie z powodu wymiany
termoizolacji włóknistej w budynkach starszych (azbest!) oraz ich
docieplania, a także wskutek zaostrzania norm energooszczędnościowych.
Skuteczność termoizolacji budynku zależy nie tylko od parametrów
użytych materiałów, ale także od kształtu bryły budynku i od rozkładu
pomieszczeń. Jednak właściwy dobór materiału termoizolacyjnego i
odpowiednie jego rozmieszczenie mogą znacznie zmniejszyć koszt
ogrzewania i klimatyzowania budynku. Pianki polistyrenowe znajdują
zastosowanie do izolowania cieplnego ścian, stropów i dachów, a także
podmurówek i fundamentów.
Mniej znanym, ale równie ważnym zastosowaniem budowlanym pianek
polistyrenowych jest ich użycie w drogownictwie - ze względu na ich
właściwości mechaniczno-sprężyste. W roku 1965 po raz pierwszy
wykorzystano pianki polistyrenowe jako wypełnienie podłoża pod
nawierzchnią dróg na terenach torfowo-bagiennych (zamiast ciężkich płyt
betonowych powodujących osiadanie nawierzchni).
Ocena wpływu pianek polistyrenowych na środowisko naturalne jest
ambiwalentna. Z jednej strony podkreśla się, że elementy piankowe
zastępują elementy wykonywane z materiałów naturalnych (np. z drewna) -
przy czym uwzględnienie specyfiki tworzyw sztucznych pozwala uzyskać
konstrukcje lepsze niż wykonane z materiałów tradycyjnych (należy
wykorzystać dużą jednorodność struktury materiału piankowego oraz
możliwość dokładnego wykonania elementów trójwymiarowych o dużych
gabarytach). Z drugiej strony niektóre substancje spieniające (tzw.
poro-fory) zakłócają równowagę ozonową, a podczas spalania się pianek
powstają związki szkodliwe dla zdrowia. Część pianek polistyrenowych
można poddać recyklingowi, lecz ich wartość jako materiału ustępuje
piankom nowym.
Aby dobrze rozumieć specyficzne właściwości pianek polistyrenowych,
należy umieć powiązać te właściwości z budową pianek: ich
makrostrukturą i mikrostrukturą, oraz z właściwościami polimeru
tworzącego szkielet pianki. Z kolei struktura danego rodzaju pianki
jest uwarunkowana przebiegiem procesu produkcji; zatem - przynajmniej
częściowo - właściwości cieplne i mechaniczne pianki pośrednio wynikają
ze sposobu jej wytwarzania.
Metody wytwarzania pianek polistyrenowych
Ze względu na konieczność wprowadzenia do spienianej objętości polimeru
środka spieniającego, każdy proces wytwarzania pianek o porach
zamkniętych wymaga zastosowania wysokich ciśnień. Dominują dwie
podstawowe metody wytwarzania pianek polistyrenowych: metoda formowania
wytłocz-nego (ang. Extruded Moulding), w której otrzymuje się piankę
ekstrudowaną (KPS), oraz metoda ekspandowania granulek polistyrenowych,
w której otrzymuje się piankę EPS.
Pianka XPS produkowana jest w sposób ciągły poprzez przetłaczanie przez
ustnik wytłaczarki lepkopłynnego polistyrenu zawierającego kilka
procent środka spieniającego, czyli poroforu. W przypadku pianki XPS
jako poroforu używa się gazów niskowrzących, głównie
chlorowcowęglowodorów (np. freon CFC-22). Z uwagi na szkodliwość
freonów dla warstwy ozonowej w atmosferze, coraz częściej stosuje się
zamiast CFC związki HCFC, zawierające mniej chloru (np. HCFC 142 b),
które są mniej szkodliwe dla warstwy ozonowej, lecz za to zwiększają
efekt cieplarniany. Dwutlenek węgla C02 jest uważany za porofor
najbardziej przyjazny środowisku (jego wpływ na efekt cieplarniany jest
kilkanaście razy słabszy niż takiej samej ilości HCFC), a przy tym tani
i nietoksyczny; jednak jakość pianki jest gorsza pod względem
termoizolacyjnym.
Mieszanina polistyrenu i gazu spieniającego w obszarze przed ustnikiem
ma temperaturę ok. 120-140°C i znajduje się pod znacznym ciśnieniem
(ok. 80-120 barów), co pozwala utrzymać fazę gazową rozpuszczoną w
polistyrenie. Po przejściu przez ustnik wytłaczarki następuje gwałtowny
spadek ciśnienia (do l bara, czyli do ciśnienia atmosferycznego); w
lepkopłynnym polistyrenie powoduje to nagle lokalne parowanie (wrzenie)
rozprężonego gazu wokół zarodków pęcherzyków gazu. Z kolei szybkie
ochłodzenie masy polistyrenu poniżej temperatury zeszklenia powoduje
usztywnienie ścianek komórek wokół rozszerzonych pęcherzyków gazu i
stabilizację uzyskanej struktury piankowej (zestalenie matrycy
polimerowej) . Tą metodą można osiągnąć nawet czterdziestokrotny
przyrost objętości.
Wytwarzanie wyrobów z pianki EPS metodą klasyczną przebiega w dwóch
etapach. Najpierw metodą suspensyjną otrzymuje się granulki podobnie
jak przy produkcji polistyrenu litego; jednak do płynnego
monomerycznego styrenu dodaje się poroforu gazowego (najczęściej
mieszaninę izomerów pentanu: izopentanu i n-pentanu; stosowano także
propan, butan lub eter) w ilości 7-8% wagowo. Granulki o średnicy
500-800 mikrometrów zawierające rozpuszczony porofor zostają podgrzane
do temperatury ok. 100°C i ekspandowane wstępnie (wzrost objętości 5-10
razy). Po ochłodzeniu granulki te poddaje się starzeniu w celu
wdyfundowania powietrza do wnętrza granulek.
Po wystarzeniu (przez ok. 6 tygodni) odmierzona ilość granulek
wsypywana jest do formy metalowej (matrycy) o kształcie wyrobu
końcowego. Wskutek ogrzania granulek (np. przez wstrzykiwaną gorącą
parę wodną) powyżej temperatury zeszklenia, granulki znów ekspandują -
aż do całkowitego wypełnienia formy. Wewnątrz matrycy nacisk granulek
na ścianki wzrasta (do 25 barów i więcej), wskutek czego granulki
pianki naciskają na siebie i stapiają się między sobą swymi
sąsiadującymi ściankami i krawędziami. Osiągany całkowity przyrost
objętości może być nawet dwudziestokrotny.
Za wadę powyższej metody wytwarzania pianki EPS uważa się używanie
pentanu, który podczas ekspandowania granulek PS ulatnia się do
atmosfery, wpływając na zawartość ozonu oraz powstawanie smogu; ponadto
pentan może ulegać fotooksydacji, co zwiększa ilość C02 w atmosferze.
Jako rozwiązanie alternatywne opracowano metodę spieniania polistyrenu
z użyciem wody (pary wodnej) jako środka spieniającego - nazywaną w
skrócie metodą WEPS. Woda jest substancją przyjazną dla środowiska,
niepalną, a ze względu na małą masę molową (18 g/mol), 4-krotnie
mniejszą niż masa molowa izomerów pentanu (72 g/mol), stanowi porofor
bardzo wydajny (teoretycznie ekspansja w piance EPS otrzymywanej metodą
WEPS powinna być czterokrotnie większa).
Jednak w przeciwieństwie do częściowej mieszalności styrenu i pentanu,
woda jest praktycznie nierozpuszczalna w czystym styrenie. Dlatego za
pomocą dodatku emulgatorów (sur-faktantów) wytwarza się emulsję
kropelek wody w styrenie lub w mieszaninie styrenu z jego prepolimerem
(rys. 1 a). Emulgowanie wody w tej mieszaninie przebiega w temperaturze
90°C przy dużej szybkości mieszania, w ochronnej atmosferze azotu.
Gdy zostanie osiągnięty stopień przereagowania (polimeryzacji) 20-60%,
wystarczający do zatrzymania mikro-kropelek wody w lepkich grudkach
polimeru, całą mieszaninę umieszcza się w zbiorniku z wodą zawierającą
stabilizatory zawiesiny (rys. l b) i prowadzi się polimeryzację
suspensyjną (perełkową). Otrzymuje się sferyczne granulki polistyrenu z
uwięzionymi mikrokropelkami wody (o średnicy rzędu l mikrometra).
Granulki te po wsypaniu do formy ogrzewane są strumieniem gorącego
powietrza o temperaturze 130-135°C, a po ekspandowaniu chłodzone
powietrzem zimnym. Ponieważ para wodna (o małych cząsteczkach) bardzo
szybko dyfunduje z granulek do powietrza na zewnątrz komórek, w
praktyce uzyskuje się przyrost objętości ok. piętnastokrotny; po
dodaniu do mieszaniny wyjściowej drogich środków inicjujących parowanie
pęcherzyków objętość początkową można zwiększyć do 25 razy.
Podczas ekspandowania pianki może zachodzić zjawisko koalescencji,
czyli łączenia się drobnych komórek pianki w komórki większe, oraz
formowanie się kanałów dla bezefektywnego ujścia pary wodnej
poroforowej. Ponadto występuje tak zwane „okno ekspansyjne", poza
którym formowanie pianki nie zachodzi. W przypadku metody WEPS okno
ekspansyjne (ang. expansion window) obejmuje przedział temperatury oraz
przedział czasu od rozpoczęcia nagrzewania, kiedy granulki mają
odpowiednie warunki do efektywnego ekspandowania. Optymalną temperaturą
jest właśnie 130-135°C; w temperaturach niższych ciśnienie pary wodnej
wewnątrz granulek jest za słabe, by spowodować znaczną ekspansję - w
temperaturze poniżej 115°C ekspansja w ogóle nie następuje. Z kolei
temperatura zbyt wysoka powoduje, że ciśnienie pary rozrywa nadmiernie
zmiękczone ścianki komórek pianki. Metoda WEPS w obecnej wersji nie
znalazła szerszego zastosowania.
W skład pianek XPS oraz EPS wytwarzanych metodami klasycznymi - oprócz
styrenu i resztek poroforu wchodzą także różne dodatki. Najważniejsze z
nich to substancje ułatwiające zarodkowanie pęcherzyków gazu na
początku rozprężania (ang. nucle-ation agents) oraz środki
ogniouodparniające (ang. flame retardants) - ponieważ pianki są dość
łatwopalne, co uważane jest za ich poważny mankament (uniemożliwia
stosowanie izolacji piankowej polistyrenowej w miejscach o podwyższonym
zagrożeniu pożarowym). Najczęściej jako inhibitor palności dodawane są
związki bromu (np. HBCD - heksabromocyklodo-dekan). Niekiedy dodaje się
również barwniki, ponieważ naturalna barwa pianek PS jest biała.
Rys. 1. Schematyczne przedstawienie etapów metody WEPS: a) emulgowanie
kropelek wody w mieszaninie styrenu z jego prepolimerem; b)
polimeryzacja suspensyjną granulek z wewnętrznymi kropelkami wody
Ze względu na bardziej rozbudowany proces wytwarzania w przypadku
pianki EPS, wymaga ona 2-3 razy większego zużycia energii (150-270 kWh)
w celu otrzymania l m3 pianki, niż jest potrzebne w przypadku pianki
XPS (85-115 kWh).
Makrostruktura i mikrostruktura pianek polistyrenowych
Powszechnie uważa się, że jednorodność kształtu i rozmiaru komórek
pianki (homogeniczność morfologiczna) poprawia jej właściwości
termoizolacyjne i mechaniczne. Właściwości te zależą głównie od trzech
czynników:
- właściwości tworzywa wielkocząsteczkowego tworzącego matrycę pianki;
- gęstości pozornej pianki;
- jej struktury geometrycznej (m.in. od kątów pomiędzy płaszczyznami ścianek komórek i kątów między krawędziami komórek).
Ze względu na przeciętną średnicę komórek, pianki polimerowe dzieli się na:
- makroporowate (średnica komórek wynosi ponad 100 mikrometrów);
- mikroporowate (średnica komórek wynosi od l mikrometra do 100 mikrometrów);
- ultramikroporowate (średnica komórek wynosi od 0,1 mikrometra do l mikrometra);
- nanoporowate (średnica komórek wynosi od 0,1 nm do 100 nm).
Złożoność procesu wytwarzania pianek (i inne jego aspekty) warunkuje
złożoność ich struktury. Strukturę pianki EPS analizuje się
dwupoziomowo:
- Makorostruktura pianki EPS - nazywana też strukturą nadcząsteczkową -
utworzona jest przez (makro) komórki zamknięte, o średnicach rzędu
kilku milimetrów (np. 2-4 mm); komórki te odpowiadają granulkom
wyjściowym.
- W obrębie każdej z tych komórek występuje mikrostruktura utworzona
przez wiele drobnych mikrokomórek o średnicach rzędu dziesiątków lub
setek mikrometrów; mikrokomórki te zostały utworzone wokół pierwotnych
położeń zarodków pęcherzyków poroforu w stanie gazowym.
Taka struktura pianki EPS pozwala zmieniać gęstość pozorną (a tym samym
sztywność mechaniczną) pianki w szerokich granicach. Dolna wartość
gęstości osiągalnej dla pianki EPS wynosi około 10 kg/m3 (0,01 g/cm3);
poniżej tej wartości zachodzi ryzyko wystąpienia znacznych luk pomiędzy
ekspandowanymi granulkami oraz ich niepełnego stopienia się wzajemnie
ściankami - co pogarsza wytrzymałość mechaniczną, szczelność i trwałość
pianki. Słabe stopienie ścianek sprawia, że pękanie pianki przebiega po
powierzchniach między komórkami.
Struktura pianki XPS jest dużo bardziej jednorodna niż pianki EPS pod
względem spoistości: występują w niej jedynie komórki powstałe wokół
pierwotnych położeń zarodków pęcherzyków odparowującego poroforu.
Natomiast z uwagi na bardziej gwałtowny przebieg procesu spieniania niż
w przypadku pianki EPS komórki te są w piance XPS na ogół większe oraz
bardziej jednorodne co do wielkości i bardziej regularnie
rozmieszczone. Ponadto wskutek operacji przetłaczania część komórek
pianki XPS ulega wydłużeniu w kierunku przetłaczania - co wprowadza
anizotropię właściwości mechanicznych. Jakość warstwy powierzchniowej
elementów z pianki XPS jest na ogół lepsza niż w przypadku pianki EPS,
natomiast kształty wyrobów z pianki XPS są dość nieskomplikowane i
często wymagają dopasowania na placu budowy (np. za pomocą cięcia
gorącym drutem - dobra jakość powierzchni cięcia).
Aby zrozumieć właściwości pianek, należy powiązać ich makrostrukturę i
mikrostrukturę z właściwościami materiału polimerowego poddanego
spienianiu, stosując odpowiedni model matematyczny, pozwalający
przewidzieć reakcję na obciążenia cieplne lub mechaniczne.
Analizując ten model, można optymalizować dobór materiału, gęstość
pozorną i parametry struktury pianek rzeczywistych pod kątem
konkretnych zastosowań na podstawie oszacowania parametrów termicznych
oraz mechanicznych modelu pianki. Duży wpływ na wybór modelu ma
stosunek części materiału zawartej w krawędziach komórek pianki do
pozostałej części materiału tworzącej ścianki komórek. Jeśli ścianki są
znacznie cieńsze niż krawędzie, to piankę modeluje się jako szkielet
sprężysty (kratownicę przestrzenną) , tak jak w przypadku pianek o
porach otwartych.
Rys. 2. Elementarna komórka sześcienna modelu pianki jednorodnej
W danej objętości pianki zawsze występuje rozrzut wymiarów komórek oraz
ich orientacji; jeżeli nie jest on zbyt duży, to jako dostateczne
przybliżenie przyjmuje się sieć komórek jednolitą i regularną.
Najprostszy jest model sześcienny komórki sieci (rys. 2); bardziej
skomplikowany, ale mniej anizotropowy (do 10%) jest kształt komórki
posiadający 8 ścianek sześciokątnych i 6 ścianek kwadratowych (taki
wielościan nosi nazwę angielską [z greki] tetrakaidecahedrat), powstały
po ścięciu naroży sześcianu (rys. 3).
Rys. 3. Elementarna komórka modelu pianki jednorodnej o ściankach sześciokątnych i kwadratowych
Mikrostrukturę pianki EPS można też modelować za pomocą powłok
sferycznych o różnych promieniach, ale o tym samym stosunku grubości
powłoki do promienia - przy czym sfery mniejsze zapełniają luki
pomiędzy sferami większymi (rys. 4). Jeżeli trzeba uwzględnić rozrzut
kształtu i orientacji komórek, to stosuje się modele numeryczne
zrealizowane metodą elementów skończonych (FEM), obejmujące większą
liczbę - np. 100 - komórek. Można wówczas model uszczegółowić,
wprowadzając falistości ścian i krawędzi komórek, aby sztywność modelu
lepiej odzwierciedlała sztywność pianek. Ponadto można wtedy uwzględnić
fakt, że komórki pianki lokalnie mogą wykazywać duże zróżnicowanie
wymiarów, mimo że struktura jako całość sprawia wrażenie jednorodnej.
Gęstości pianek stosowanych w praktyce mogą się zawierać w przedziale
od 0,001 g/cm3 do 0,96 g/cm3. Dla gęstości małych i średnich zakłada
się, że sztywność pianki o komórkach zamkniętych zależy od:
Rys. 4. Model idealnej struktury pianki złożony z powłok sferycznych
Jeżeli wartość tego ciśnienia jest zbliżona do wartości ciśnienia
atmosferycznego, to przy modelowaniu ściskania statycznego pianki w
czasie do kilku godzin należy uwzględnić sprężanie gazu w komórkach.
Natomiast przy dłuższych okresach czasu wskutek dyfundowania gazu
(spowodowanego jego sprężeniem) przez ścianki komórek na zewnątrz do
otoczenia, ciśnienie to wyrównuje się z ciśnieniem atmosferycznym i
należy pominąć jego udział. Dla dużych gęstości pianki stosuje się
modele opracowane dla tworzyw porowatych, np. model nazywany „2+1".
Tabela 1. Zestawienie wybranych właściwości pianek XPS i EPS stosowanych w budownictwie
Jednym z nowoczesnych tworzyw kompozytowych litych są polimery
zawierające nanocząstki glinek lub iłów. Ostatnio zastosowano zawiesinę
wodną zawierającą ok. 5% wagowo zdyspergowanych nanocząstek ilastych
jako surowiec wyjściowy do wytwarzania pianki EPS z wykorzystaniem pary
wodnej jako poroforu. Stwierdzono, że nanocząstki zwiększają liczbę
zarodków porotwórczych w granulkach, a mały dodatek nanocząstek
znacznie poprawia właściwości mechaniczne (i inne) pianek polimerowych.
Domieszka nanocząstek jest na tyle mała, że tylko nieznacznie zwiększa
gęstość pianki. Szczególnie atrakcyjne są zastosowania nanocząstek
jednowymiarowych (w postaci mikropłytek - np. grafitowych - o grubości
pojedynczych nanometrów); poprzez odpowiednie uporządkowanie ich
ustawienia w ściankach komórek pianki można znacznie poprawić
właściwości barierowe tych komórek i całej struktury.
Wyraźna różnica w chłonności wilgoci wynika z występowania większego
udziału luk pomiędzy ekspandowanymi granulkami pianki EPS w jej
objętości; natomiast pianka XPS wykazuje znacznie większą zwartość i
jednorodność struktury, co utrudnia penetrację cząsteczek wody do
wnętrza tej pianki.
Podsumowanie
Materiały piankowe, z uwagi na ich komórkową budowę, stanowią przejaw
tendencji do naśladowania przez technikę rozwiązań konstrukcyjnych
przyrody (każdy organizm składa się z komórek zamkniętych błoną
komórkową). Właściwości pianek polimerowych - zarówno cieplne, jak i
mechaniczne - dzięki udoskonaleniu technologii ich wytwarzania są
współcześnie zbliżone do właściwości różnych materiałów naturalnych,
które zastępują (np. drewna) lub nawet je przewyższają.
W najbliższej przyszłości oprócz postępu wynikającego z wprowadzenia
dodatków kompozytowych, oczekuje się zadowalającego rozwiązania
problemów powodowanych przez niektóre nieekologiczne porofory oraz
bardziej skutecznego uodpornienia tworzyw spienionych stosowanych w
budownictwie - w tym pianek XPS i EPS - na zagrożenia pożarowe.
Literatura:
[1] F. SAINT-MICHEL i IN.: Mechanical properties of high density
polyurethane foams: effect of the density, Composite Science and
Technology 66(2006), 2700-2708.
[2] JJ. CREYECOEUR i IN.: Water expandable polystyrene (WEPS), Polymer 40(1997), 3685-3702.
[3] J.S. HORWATH: The Compressible Inclusion Function of EPS Geofam, Geotextiles and Geomembranes 15(1997), 77-120.
[4] T. FEU-CHONG, E. HERYE, A. ZAOUI: Micromechanical modelling of
intracellular pressure-induced viscoelastic shrinkage of foams:
application to expanded polystyrene, European Journal of Mechanics A/
Solids 18(1999), 201-218s.
[5] M. BROCCA, Z.P. BAŻANT, J.M. DANIEL: Microplane model for stiff
foams and finite element analysis of sandwich failure by core
indentation, International Journal of Solids and Structures 38(2001),
8111-8132.
[6] A.P. ROBERTS, EJ. GARBOCZI: Elastic moduli of model rondom
three-dimensional closed-cell cellular solids, Acta Materialia
49(2001), 189-197.
[7] J. SHEN, X. CAO, LJ. LEE: Synthesis and foaming of water expandable
polystyrene-clay nanocomposites, Polymer 47(2006), 6303-6310.
[8] LJ. LEE i in.: Polymer nanocomposite foams, Composites Science and Technology 65(2005), 2344-2363.
[9] J. ROSACCI, S. SHIYKUMAR: Bead fusion in polystyrene foams, Journal of Material Science 38(2003), 20-206.
Dr inż. Jacek Majewski jest adiunktem Katedry Automatyki i Metrologii
na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej
e-mail: metromay@elektron.pol.lublin.pl
Do druku
