Исследование теплопроводности утеплителей в диапазоне от -190 до +80 °С

По результатам испытаний в ВНИИФТРИ лучшее сопротивление теплопередаче показал утеплитель PIR

На правах рекламы

Ученые независимой лаборатории Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) провели испытания теплопроводности при различных температурах четырех самых популярных в строительстве утеплителей: модифицированного пенополиуретана PIR, полистирола (экструзионного XPS и вспененного EPS) и минераловатного утеплителя (МВ).

Цель испытаний — установить зависимость теплопроводности материалов от температуры в диапазоне от -190 до +80 С.

ВНИИФТРИ — один из ведущих метрологических институтов России, государственный научный центр Российской Федерации. Именно этот институт отвечает за единство измерений и является хранителем эталонов.

По результатам измерений ученые выявили следующие факты:

Факт 1: теплопроводность всех изученных материалов растет, когда повышается температура, и наоборот, падает, когда температура снижается.

Факт 2: лучшим сопротивлением теплопередаче обладает теплоизоляция PIR за счет структуры материала: закрытых ячеек, наполненных газом с крайне низкой теплопроводностью.

Факт 3: обнаружились отклонения показателей теплопроводности материалов от тех, что заявляются производителями. Минимальные отклонения у EPS, максимальные — у минеральной ваты.

Методика испытаний

Испытания проходили на установке для измерения теплопроводности «ТАУ-5» (фотография 1). Эта установка является эталонным средством второго разряда с допускаемой основной погрешностью измерений теплопроводности в 2%.

Установка реализует нестационарный метод нагретого круга и представляет собой резервуар с жидким азотом, в который погружаются исследуемые образцы с нагревателем — датчиком теплопроводности.

Фотография 1. Установка «ТАУ-5»

Из представленных материалов (EPS/XPS/PIR/МВ) подготавливалось по 2 измерительных образца в виде цилиндров диаметром 30 мм, и толщиной 15 мм (фотография 2). Между образцами устанавливался датчик-нагреватель. Таким образом фактические измерения теплопроводности проводились по поверхностям, находившимся в середине плиты.

Фотография 2. Внешний вид образцов

Фотография 3. Установка первой половины образца, датчик-нагреватель, установка датчика, установка второй половины образца.

Измерения и сравнение теплопроводности проводились в атмосфере воздуха при комнатной температуре 295 К (22С) и в атмосфере азота в диапазоне температур от 80 до 360 К (-193/87С) несколькими сериями: от 80 до 360К с шагом 5-10К и от 360 до 80К с аналогичным шагом. Измерения в каждой точке, при определенной температуре, производились в несколько этапов, до установления среднего квадратичного отклонения близким или равным нулю (рис. 1).

Рисунок 1. Результаты сходимости измерений по одной точке при температуре 300К/26С.

Общие результаты испытаний

Результаты испытаний показали, что теплопроводность всех проанализированных утеплителей возрастает с повышением температуры, см. рис. 2.

Рисунок 2. Теплопроводность ТИМ при в диапазоне температур -190/+80С.

Результаты испытаний по отдельным материалам

XPS и EPS

Результаты измерений образцов XPS и EPS (рис. 3, 4) показали, что значения теплопроводности на воздухе и в азоте в начале первой серии совпадали и только после нагрева до 330К (57C) в первой серии снизились на 2 и 2,5% соответственно. Далее последовала стабилизация, причем температурная зависимость теплопроводности имеет относительно гладкий характер.

Большой размах диапазона значений, а также вогнутость графика температурной зависимости говорят о наличии в порах легких газов с высокой теплопроводностью, замерзающих при температурах фазового перехода паров воды в лед.

Что примечательно, температурная зависимость теплопроводности EPS пересекает зависимости XPS (рисунок 2). При -80 оС она ниже, при размораживании газов – выше).

Рисунок 3. Теплопроводность XPS в диапазоне температур -190/+80С.

Рисунок 4. Теплопроводность EPS в диапазоне температур -190/+80С.

Минеральная вата

При измерении образцов минеральной ваты значения теплопроводности открытопористого материала в отличие от закрытопористых на воздухе и в азоте практически совпадали (рис. 5) даже после нагрева до 360К (87С) в первой азотной серии.

Причем температурная зависимость теплопроводности носит относительно гладкий характер, а некоторый разброс объясняется непрочностью и неоднородностью ваты. Большой размах диапазона значений теплопроводности, а также выпуклость температурной зависимости говорят о наличии в порах ваты одного газа — азота. Все остальные газы сорбировались в азот сразу после погружения.

Рисунок 5. Теплопроводность минеральной ваты в диапазоне температур -190/+80С.

Утеплитель PIR

Результаты измерений образцов PIR-изоляции показали, что температурная зависимость теплопроводности носит негладкий характер и имеет два минимума или точки перегиба при -33 и -13С (рис. 6).

Это говорит о наличии в порах материала не менее двух газов (пентан и СО2), которые конденсируются ниже этих температур, тем самым повышая теплопроводность за счет увеличения доли легких молекул в газовой фазе. Однако рост показателя незначителен и больше напоминает стабилизацию значения теплопроводности при понижении температуры.

Рисунок 6. Теплопроводность PIR-изоляции при в диапазоне температур -78/+42С.

Представленные материалы становятся более эффективными в зоне критических отрицательных температур (менее -15С): снижение коэффициента теплопроводности принимает характер стремительного падения.

Столь резкое снижение теплопроводности объясняется очень малым пятном контакта жидкой фазы тяжелых газов, образовавшейся в порах, с твердым веществом стенок. За счет этого изменяются доли легких молекул в газовой фазе и образуется вакуум, замещающий газовую фазу вспенивающего агента, но эти факторы не участвуют в передаче тепла. Как оказалось, вакуум надежно выполняет компенсаторную функцию.

Таблица 1. Результаты измерений теплопроводности материалов.

Температура

Теплопроводность Вт/м*К

K

C

PIR

XPS

EPS

MW

80

-193

0,010

0,011

0,010

0,015

85

-188

0,010

0,011

0,011

0,016

90

-183

0,010

0,012

0,011

0,017

95

-178

0,011

0,012

0,012

0,017

100

-173

0,012

0,013

0,012

0,018

105

-168

0,012

0,014

0,013

0,019

110

-163

0,012

0,014

0,013

0,020

115

-158

0,013

0,015

0,014

0,020

120

-153

0,013

0,015

0,014

0,021

125

-148

0,013

0,016

0,015

0,022

130

-143

0,014

0,016

0,016

0,023

135

-138

0,014

0,017

0,016

0,023

140

-133

0,014

0,017

0,017

0,024

145

-128

0,014

0,018

0,017

0,025

150

-123

0,015

0,018

0,018

0,025

155

-118

0,015

0,019

0,018

0,026

160

-113

0,015

0,019

0,019

0,027

165

-108

0,016

0,020

0,020

0,027

170

-103

0,016

0,020

0,020

0,028

175

-98

0,016

0,021

0,021

0,028

180

-93

0,017

0,022

0,021

0,029

185

-88

0,017

0,022

0,022

0,030

190

-83

0,018

0,023

0,023

0,030

195

-78

0,018

0,023

0,023

0,031

200

-73

0,018

0,024

0,024

0,032

205

-68

0,019

0,024

0,025

0,032

210

-63

0,019

0,025

0,025

0,033

215

-58

0,019

0,025

0,026

0,034

220

-53

0,019

0,026

0,027

0,034

225

-48

0,020

0,026

0,028

0,035

230

-43

0,020

0,027

0,028

0,035

235

-38

0,020

0,028

0,029

0,036

240

-33

0,020

0,028

0,030

0,037

245

-28

0,020

0,029

0,031

0,037

250

-23

0,020

0,029

0,032

0,038

255

-18

0,020

0,030

0,032

0,039

260

-13

0,020

0,031

0,033

0,039

265

-8

0,020

0,031

0,034

0,040

270

-3

0,020

0,032

0,035

0,040

275

2

0,020

0,033

0,036

0,041

280

7

0,020

0,033

0,037

0,042

285

12

0,020

0,034

0,038

0,042

290

17

0,021

0,035

0,039

0,043

295

22

0,021

0,036

0,040

0,043

300

27

0,022

0,036

0,041

0,044

305

32

0,022

0,037

0,042

0,045

310

37

0,023

0,038

0,043

0,045

315

42

0,024

0,039

0,044

0,046

320

47

0,024

0,039

0,045

0,046

325

52

0,025

0,040

0,046

0,047

330

57

0,026

0,041

0,047

0,047

335

62

0,026

0,042

0,048

0,048

340

67

0,027

0,043

0,049

0,049

345

72

0,028

0,043

0,050

0,049

350

77

0,028

0,044

0,051

0,050

355

82

0,028

0,050

360

87

0,029

0,051

Реальные и заявленные показатели теплопроводности

Интересно, что в процессе исследования обнаружились отклонения показателей теплопроводности материалов от тех цифр, которые заявляют производители (рис. 7).

Минимальные и максимальные показатели для диапазона заявленных значений теплопроводности определялись для ТИМ той же плотности, что и измеряемые образцы. Анализ заявляемых показателей проведен на основе сведений из открытых источников в интернете.

Рисунок 7. Отклонения теплопроводностей строительных материалов от заявляемых при 25С.

Таблица 2. Отклонение теплопроводности строительных материалов от заявляемой (%).

Наименование

Теплопроводность

Измеренная

Средние значения*

Отклонение, %

мин.

макс.

От мин.

От макс.

PIR, 32,9 кг/м3

0,022

0,021

0,026

4,8

-15,4

XPS, 30 кг/м3

0,036

0,029

0,032

24,1

12,5

EPS, 8,0 кг/м3

0,041

0,042

0,044

-2,4

-6,8

MW, 154,0 кг/м3

0,044

0,037

0,038

18,9

15,8

* - данные интернет-ресурсов

Итоги

Все изученные в независимой лаборатории ВНИИФТРИ материалы показали устойчивый рост теплопроводности с ростом температуры. Каждый в своем пределе, обусловленном строением материала. Если для XPS рост составил от 0,011 до 0,044, для МВ — 0,015-0,051, то для PIR — 0,010-0,029.

Как видим, лучше всего себя зарекомендовала современная теплоизоляция из огнестойкого пенополиизоцианурата PIR, модифицированного пенополиуретана. Результаты российских независимых исследований подтверждают данные, полученные в других странах: PIR действительно утепляет лучше.

Подписывайтесь на наш Telegram каналЭксклюзивные посты каждую неделю