Современные полимерные теплоизоляционные материалы

УДК 691
ББК  38.3
У95
Рецензенты:
заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор В.И. Бесшапошникова,  
профессор кафедры материаловедения и товарной экспертизы  
ФГБОУ ВО «Российский государственный университет им А.Н. Косыгина  
(Технология. Дизайн. Искусство)»;
доктор технических наук, профессор А.В. Марков,
профессор кафедры химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов  
Института тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова 
ФГБОУ ВО «МИРЭА — Российский технологический университет» (РТУ МИРЭА)
 
Ушков, Валентин Анатольевич. 
У95	 	
Современные полимерные теплоизоляционные материалы  [Элек-тронный ресурс] : [учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство] / В.А. Ушков, К.С. Стенечкина, М.Г. Бруяко ; Мини-стерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Мос-ковский 
государственный строительный университет, кафедра строительного материаловедения. — Электрон. дан. и прогр. (1,5 Мб). — Мос-ква : Издательство МИСИ – МГСУ, 
2024. — URL: http://lib.mgsu.ru. — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-3567-1  (сетевое)
ISBN 978-5-7264-3568-8 (локальное)
В учебном пособии содержатся сведения о современных полимерных теплоизоляционных 
материалах, используемых в строительной индустрии. Рассмотрены классификация и основные 
принципы получения газонаполненных полимеров, макроструктура и эксплуатационные характеристики пенопластов, методы испытания, технологические и физико-механические свойства 
полимерных теплоизоляционных материалов на основе термопластичных полимеров и реакционноспособных олигомеров.
Для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Учебное электронное издание
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2024

Учебное электронное издание
Ушков Валентин Анатольевич, Стенечкина Ксения Сергеевна, 
Бруяко Михаил Герасимович
СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ 
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Учeбноe поcобиe 
Редактор Е.В. Трофимова
Корректор Ю.М. Викторова
Верстка и дизайн титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 29.10.2024. Объем данных 1,5 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

Оглавление
Введение............................................................................................................................................................5
Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ 
ПОЛИМЕРНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ....................................................7
1.1. Классификация газонаполненных полимеров..........................................................................7
1.2. Основные принципы получения газонаполненных полимеров.............................................8
1.2.1. Получение газонаполненных полимеров без вспенивания полимерной 
матрицы..............................................................................................................................9
1.2.2. Получение газонаполненных полимеров с помощью вспенивания 
полимерной матрицы...................................................................................................... 11
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ 
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ................................................................................ 15
Глава 3. МАКРОСТРУКТУРА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ 
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ................................................................................ 18
3.1. Макроструктурные характеристики пенопластов................................................................. 18
3.2. Методы определения эксплуатационных характеристик полимерных 
теплоизоляционных материалов............................................................................................. 19
3.3. Основные эксплуатационные свойства ПТМ.........................................................................20
Глава 4. ПОЛИМЕРНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ 
ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ........................................................................................24
4.1. Пенополиэтилен.........................................................................................................................24
4.2. Пенополивинилхлорид............................................................................................................. 30
4.3. Пенополистирол........................................................................................................................ 32
Глава. 5. Полимерные теплоизоляционные материалы на основе реакционноспособных 
олигомеров........................................................................................................................................34
5.1. Термостойкость и пожарная опасность пенопластов............................................................34
5.2. Пенополиуретаны и пенополиизоцианураты......................................................................... 37
5.3. Карбамидные пенопласты........................................................................................................ 47
5.4. Новолачные и резольные фенольные пенопласты................................................................. 51
5.5. Эпоксидные пенопласты...........................................................................................................60
Заключение...................................................................................................................................................... 62
Библиографический список........................................................................................................................... 63

Введение
В настоящее время большое внимание уделяется повышению термического сопротивления строительных конструкций и снижению тепловых потерь при транспортировке теплоносителя от производителя потребителю. В условиях Российской Федерации тепловые потери 
приближаются к 370 млн т условного топлива из 1400 млн т условного топлива, производимого в стране за год. С учетом изношенности действующих тепловых сетей, составляющих более 
90 %, и введения более жестких нормативов по тепловой защите зданий и сооружений, тепловой изоляции оборудования, регламентированных соответственно СП 50.13330.2012 Теп-ловая 
защита зданий и СП 61.13330.2012 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов, возникла необходимость в применении в строительной индустрии более эффективных теплоизоляционных материалов и конструкций.
Теплоизоляционные конструкции обеспечивают нормативный уровень тепловых потерь 
и безопасную для человека температуру на их наружных поверхностях, а также требуемые 
температурные параметры (тепло-холодо) носителя. При этом тепловая изоляция должна отвечать следующим критериям:
–– энергоэффективности — иметь оптимальное соотношение между стоимостью теплоизоляционной конструкции и стоимостью тепловых потерь через изоляцию в течение расчетного срока эксплуатации;
–– эксплуатационной надежности и долговечности — выдерживать без снижения теплозащитных свойств и разрушения эксплуатационные, температурные, механические, химические и другие воздействия в течение расчетного срока эксплуатации;
–– безопасности для окружающей среды и обслуживающего персонала при эксплуатации. 
При выборе эффективных теплоизоляционных материалов, входящих в состав теплоизоляционных конструкций для поверхностей с положительными температурами теплоносителя (20° и выше), учитывают следующие факторы:
–– местоположение изолируемого объекта;
–– температуру изолируемой поверхности и окружающей среды;
–– требования пожарной безопасности;
–– агрессивность окружающей среды или веществ, содержащихся в изолируемых объектах;
–– допустимые нагрузки на изолируемую поверхность;
–– наличие вибраций и ударных воздействий;
–– требуемую долговечность теплоизоляционной конструкции;
–– температуру применения и теплопроводность теплоизоляционного материала;
–– температурные деформации изолируемых поверхностей;
–– условия монтажа (стесненность, высотность, сезонность и др.).
Теплоизоляционные конструкции состоят из основного теплоизоляционного слоя, обеспечивающего нормативную работу технологического оборудования и трубопроводов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к тепловой изоляции, и защитно-покровного 
слоя, предохраняющего теплоизоляционный слой от атмосферных воздействий, механических повреждений, воздействий агрессивных сред и т.п. Для оборудования и трубопроводов 
с температурой теплоносителя до +300° для всех способов прокладки, кроме бесканальной, 
применяют теплоизоляционные материалы плотностью не более 200 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности в сухом состоянии при температуре 25° не более 0,06 Вт/(м·℃).
Основной теплоизоляционный слой выполняют из различных теплоизоляционных материалов, классификация которых приведена в ГОСТ 16381-2022 Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация. Общие технические требования. 
Основным видом производимых в России утеплителей являются материалы на основе минеральных волокон, доля которых в общем объеме производства теплоизоляционных 
материалов превышает 73 % (в том числе 32 % из минеральной ваты и 41 % из стеклянного волокна). 

Более эффективными теплоизоляционными материалами являются полимерные теплоизоляционные материалы  на основе термопластичных и  термореактивных полимеров (пенопласты, газонаполненные полимеры), обладающие низкими кажущейся плотностью (15–100 кг/м3) и теплопроводностью (0,022–0,045 Вт/(м·℃)), широким температурным 
интервалом применения (от –180° до +150°), хорошим сочетанием прочности и плотности. 
Применение полимерных теплоизоляционных материалов (ПТМ) позволяет значительно 
повысить надежность и долговечность строительных конструкций, на 10–15 % снизить потери тепла, в 1,5–1,8 раза увеличить производительность и улучшить условия труда при выполнении строительно-монтажных работ. При этом использование пенопластов часто является 
единственно возможным решением технических задач. Учитывая, что прочность пенопластов 
в основном пропорциональна их кажущейся плотности, требуемый диапазон плотностей газонаполненных полимеров определяется областью их применения. 
В России более 22 % рынка ПТМ приходится преимущественно на пенополистирол беспрессовый (17 %) и экструзионный (4 %), а также на жесткие пенополиуретаны (ППУ) (1 %). 
Доля других видов пенопластов не превышает 5 %. Объем производства строительных пенопластов вырос в 2010 г. в 2,3 раза к уровню 2005 г. и составил около 6 млн м3. Планом развития газо- и нефтехимии России до 2030 г., разработанным Минэнерго РФ, предусмотрен рост 
объемов производства пенопластов в 5,8 раза. Быстрый рост объемов производства и применения пенопластов в современном строительстве обусловлен их низкой кажущейся плотностью (кажущаяся плотность полимерных пен колеблется в диапазоне от 5 до >900 кг/м3), превосходными изолирующими свойствами, способностью поглощать энергию (включая удар, 
вибрацию, звук) и создавать ощущение комфорта в жилых помещениях. Пенопласты могут 
быть изготовлены практически из любого полимера, выбор которого определяется требуемыми эксплуатационными свойствами теплоизоляционных изделий и экономичностью процесса их производства.

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ 
ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Полимерные теплоизоляционные материалы  (газонаполненные полимеры) относятся 
к композиционным материалам, состоящим из твердой полимерной матрицы, наполненной 
газообразными включениями, полученных с помощью химических и физических газообразователей. При этом газообразные включения (ячейки) имеют различную геометрическую форму с размером от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Вспенивание полимеров 
осуществляют с помощью механических, химических или физических методов:
–– термическим разложением химических газообразователей с образованием азота и/или 
диоксида углерода под воздействием тепла извне или тепла экзотермической реакции полимеризации реакционноспособных олигомеров;
–– механическим введением газов в полимерные расплав, раствор или суспензию, которые 
отверждаются с помощью катализаторов и/или теплом, что способствует удержанию газовых 
пузырьков в полимерной матрице;
–– испарением низкокипящих жидкостей (фторзамещенные углеводороды, пентан, изопентан или метиленхлорид) внутри полимерной массы в результате экзотермической реакции 
или при подведении тепла извне;
–– испарением газа под действием экзотермического тепла, выделяющегося во время полимеризации, например, в результате реакции изоцианатов и воды с образованием диоксида 
углерода;
–– расширением газа, растворенного в полимерной матрице, после сбрасывания давления 
в системе;
–– введением полых микросфер (стеклянного или пластмассового бисера) в полимерную 
массу;
–– расширением наполненного газом бисера полимера под воздействием тепла или расширением бисера в полимерной матрице за счет теплоты, полученной в результате химических реакций (например, расширение полистирольного бисера в полиуретане или в эпоксидной смоле).
Эксплуатационные свойства ПТМ зависят от химической природы и свойств исходного 
полимера, используемого в качестве основы при их синтезе, характера пористости, размера 
и формы пор, технологии получения теплоизоляционных изделий. При этом для пенопластов 
на основе реакционноспособных олигомеров характерны более высокие прочностные характеристики, термостойкость и химическая стойкость, а для газонаполненных термопластов — 
высокие стойкость к ударным воздействиям и производительность технологических линий 
по их производству, а также возможность вторичной переработки отходов термопластичных 
пенопластов.
1.1. Классификация газонаполненных полимеров
Существует несколько вариантов классификации газонаполненных полимеров. В зависимости от их кажущейся плотности (ρ) пенопласты подразделяют на сверхлегкие (ρ < 10 кг/м3), 
легкие (ρ = 10–500 кг/м3) и облегченные (ρ > 500 кг/м3). 
В зависимости от прочности при сжатии при 50%-й деформации газонаполненные полимеры делят на эластичные или мягкие (прочность при сжатии менее 0,001 МПа), полужесткие (прочность 0,01–0,15 МПа) и жесткие (прочность более 0,15 МПа). При этом модуль упругости при сжатии для эластичных газонаполненных полимеров превышает 1000 МПа, а для 
жестких он менее 100 МПа.
Для классификации газонаполненных полимеров используют также термин «газоструктурный элемент» (ГСЭ), под которым подразумевают объем газовой ячейки, ограниченный 
стенками, ребрами (тяжами) и повторяющийся в структуре материала с определенной периодичностью. В зависимости от типа ГСЭ, составляющих структуру газонаполненных полимеров, различают:

–– ячеистые (пенопласты), состоящие из изолированных ГСЭ;
–– пористые (поропласты), состоящие из сообщающихся ГСЭ, в стенках которых находится как минимум два отверстия. Поропласты, у которых отсутствуют стенки ячеек, а структура представлена каркасом из ребер ГСЭ, называют сетчатыми, ретикулярными или ретикулированными;
–– синтактные  (синтактические, микробаллонные) пеноматериалы, в  которых ГСЭ представляют собой газовую фазу, заключенную в сферическую оболочку из монолитного материала (микросферы или микробаллоны из стекла, керамики или полимеров), равномерно наполняющего полимерное связующее;
–– сотовые пенопласты (сотопласты), в которых ГСЭ представляет собой ячейку в форме 
правильного шестигранника (соты) или другой геометрической фигуры;
–– поропласты с капиллярными (волокнистыми) ГСЭ, представляющими собой ячейку капиллярной (анизометричной) формы в волокнистой (нитевидной) структуре материала;
–– пеноматериалы со смешанным типом ГСЭ.
Следует отметить, что не существует пенопластов, не содержащих открытых пор. Поэтому в соответствии с рассмотренной выше классификацией к пенопластам с замкнутыми ячейками в полной мере относятся синтактные пеноматериалы, а термину «поропласты» идеально 
соответствуют материалы с ретикулярной структурой. В большинстве случаев к пенопластам 
относят материалы, состоящие из системы «полимер — газ», для которых характерно преобладание закрытых пор (ячеек), а к поропластам — материалы, в которых преобладают открытые поры (ячейки), в том числе капиллярные, сообщающиеся между собой и с окружающей 
средой. Довольно часто газонаполненные полимеры называют пенопластами и подразделяют 
их на закрытоячеистые (замкнутоячеистые), открытопористые и пенопласты со смешанной 
пористостью (пенопоропласты и поропенопласты). ПТМ классифицируют и по химической 
природе полимерной матрицы: на термопластичные пенопласты на основе полиолефинов, 
ПВХ и полистирола и пенопласты на основе реакционноспособных олигомеров (пенополиуретаны и пенополиизоцианураты (ПИР), карбамидные и фенолформальдегидные пенопласты, 
эпоксидные пенопласты).
1.2. Основные принципы получения газонаполненных полимеров
Производство газонаполненных полимеров включает следующие основные технологические операции: приготовление исходной полимерной композиции, введение в полимерную 
матрицу веществ, способных образовывать газовую фазу и фиксацию ячеистой структуры 
поро- и пенопластов. Подготовка исходной полимерной композиции состоит в тщательном дозировании и перемешивании полимеров, форполимеров или олигомеров, являющихся основой будущего поро- или пенопласта, с газообразователями различной химической природы, 
инициаторами и катализаторами отверждения исходных олигомеров, наполнителями, пластификаторами или модификаторами полимерной матрицы, антипиренами, ПАВ, стабилизаторами, красителями и другими целевыми добавками. При этом содержание, химическая 
природа и соотношение указанных ингридиентов варьируются в широких пределах в зависимости от требуемых параметров технологического процесса производства пенопластов и эксплуатационных характеристик теплоизоляционных изделий на их основе.
Получение газонаполненных полимеров происходит чаще всего за счет химического 
или физического вспенивания полимерной композиции, и значительно реже — без ее вспенивания. Химическое вспенивание полимеров реализуется за счет выделения газообразных веществ (СО2, Н2), образующихся в результате химического взаимодействия исходных 
компонентов полимерной композиции (например, при взаимодействии воды с ди- и полизоцианатами при производстве ППУ или ПИР выделяется СО2, который вспенивает композицию, а при производстве резольного пенофенопласта марки ФРП-1 вспенивание происходит за 
счет образования водорода при взаимодействии алюминиевой пудры в форполимере ФРВ-1А 
со свободными серной и ортофосфорной кислотами, содержащимися в продукте ВАГ-3) или