Rozhlédněte se a přemýšlejte: z čeho se skládají předměty kolem vás? Budete se divit, ale mnohé z nich – polštáře na pohovku, světlý nábytek z IKEA, umělé štuky na stropě, tlumiče v podrážkách vašich oblíbených tenisek – jsou vyrobeny ve skutečnosti ze stejného materiálu – polyuretanové pěny. Vznikl ve 30. letech dvacátého století, za necelých 100 let zcela proměnil náš svět a zároveň neustále nachází nové oblasti použití. Dnes je vrcholem vývoje polyuretanové pěny komerčně vyráběný materiál s nevyslovitelným názvem „pěnový polyisokyanurát“, obvykle nazývaný PIR. Nyní stále více nahrazuje tradiční materiály ve stavebnictví a mnoha dalších oblastech života a v blízké budoucnosti se může stát dokonce hlavním materiálem na planetě. Čím je PIR jedinečný?
Jak získat „materiál budoucnosti“
Dnes je PIR vrcholem technologického vývoje polyuretanové pěny, jednoho z nejuniverzálnějších a nejoblíbenějších polymerních materiálů, patřícího do kategorie termosetů plněných plynem a poprvé syntetizovaného asi před 60 lety. Jeho jedinečnost spočívá v tom, že změnou podílu dvou hlavních chemických látek zapojených do reakce (celkem se jedná o více než tucet činidel) je možné získat širokou škálu materiálů s různými fyzikálními vlastnostmi pro různé aplikací.
Výchozími materiály pro výrobu PIR a polyuretanové pěny jsou dnes petrochemické produkty – polymerní organické sloučeniny a vícesytné alkoholy. Alternativní možností je použití určitých druhů rostlinných olejů: ricinový, sójový, řepkový, slunečnicový atd. Takové suroviny jsou však mnohem dražší.
Syntéza a vlastnosti polyuretanové pěny
Polymerizační reakce je založena na interakci dvou klíčových činidel, nazývaných „složka A“ a „složka B“:
- Složka A je polyol: vícemocný alkohol obsahující více než jednu hydroxylovou skupinu -OH. Do této skupiny chemických sloučenin patří zejména ethylenglykol, propylenglykol, glycerin, sorbitol atd.;
- Složka B – polyisokyanát: organická sloučenina obsahující funkční skupinu –N=C=O. Zejména výroba polyuretanové pěny a PIR využívá polymer 4,4-methylendifenyldiisokyanát neboli pMDI, vyráběný společnostmi BASF, Covestro, Huntsman a Dow.
Reakci lze popsat jako reakci polyolu a diisacionátu za vzniku polyurethanu v přítomnosti katalyzátoru (obvykle aminové skupiny). Před reakcí se do směsi zavede pěnidlo, které nejprve vyplní porézní a poté hermeticky uzavřenou strukturu polyuretanu a přemění ji na materiál zvaný polyuretanová pěna.
Kromě uvedených činidel se na syntéze podílí přibližně 10-13 dalších látek: katalyzátory, stabilizátory a různé přísady ovlivňující konečné vlastnosti materiálu.
Téměř okamžitě po výrobě polyuretanové pěny si chemici všimli, že její vlastnosti závisí na délce řetězce plynem plněných mikrogranulí, která je zase určena poměrem polyolových a izokyanátových složek, jakož i funkčností a molekulovou hmotností polyolu. sám. Změnou tohoto poměru byly získány materiály s velmi odlišnými vlastnostmi: od měkkých houbovitých (například pěnová pryž, moderní výplně matrací, některé druhy izolace pro oděvy atd.) až po tuhé pěny s vysokou hustotou používané ve stavebnictví jako izolace pro průmyslové chladničky a mrazničky, výplň do sendvičových panelů, pro izolaci potrubí a výrobu pevných deskových izolací.
PIR: vlastnosti a rozdíly
Pěnový polyisokyanurát byl poprvé syntetizován v 60. letech XNUMX. století. Technologie její výroby se liší od technologie výroby „klasické“ polyuretanové pěny. Především poměr složek A a B v reakční směsi.
Vladimir Shalimov, kandidát technických věd, vedoucí technické služby směru „Polymerové membrány a PIR v KMS“ ve společnosti TECHNONICOL: „V běžné polyuretanové pěně je to klasický poměr 1:1, tedy na jednu molekulu polyol existuje jedna molekula isokyanátu. Výsledkem reakce je molekula polymeru s lineární strukturou. Při syntéze polyisokyanurátové pěny závisí tento poměr na řadě faktorů (na molekulové hmotnosti a funkčnosti polyolu, na obsahu NCO skupin v isokyanátu a na jeho typu) a neměl by být menší než 1:2. V technologickém cyklu našeho podniku je to minimálně 1:3, to znamená, že na jednu molekulu polyolu připadají tři molekuly isokyanátu, z nichž dvě zůstávají volné. V tomto případě samotný proces probíhá při vyšší teplotě. V důsledku toho dochází k tzv. trimerizaci: volné NCO skupiny tvoří zvláště silné sloučeniny – trimery. Můžeme říci, že polyisokyanurátová pěna je trimerizovaný isokyanát. Vysoká pevnost chemických vazeb znesnadňuje zničení struktury polymeru, proto je polyisokyanurátová pěna chemicky a tepelně (včetně vystavení otevřenému plameni) stabilnější materiál: lámání isokyanurátových vazeb začíná při teplotách nad 200 °C, zatímco pro polyuretanovou pěnu – při cca 100 °C
Dalším podstatným rozdílem je použití jiných pěnidel. Do roku 2011 se při výrobě PIR používal freon-11 a po jeho zákazu v rámci klimatických dohod se začal používat pentan, plyn s nízkou tepelnou vodivostí patřící do skupiny nasycených uhlovodíků třídy alkanů. Po napěnění zůstává pentan utěsněn v uzavřených PIR buňkách (v izolačních deskách je navíc utěsněn parotěsnými výstelkami z hliníkové fólie), čímž je díky tomu dosaženo rekordně nízké tepelné vodivosti mezi komerčně vyráběnými tepelně izolačními materiály.
Vše začalo opravou bot
Stejně jako mnoho velkých objevů, které později změnily svět, byl vynález polyuretanové pěny náhodný. Německý chemik Otto Bayer pracoval ve 30. letech minulého století na vytvoření elastického materiálu pro opravy obuvi, konkrétně pro utěsnění prasklin v podrážkách. V tu chvíli nikoho nenapadlo, že technologie adiční polymerace diisokyanátů vyvinutá během tohoto výzkumu zahájí novou éru průmyslové výroby a polymer získaný společností Bayer brzy nahradí pryž, ocel, dřevo, tradiční tepelné izolace a mnoho přírodních materiálů.
Je zajímavé, že Otto Bayer pracoval pro Bayer AG řadu let, ale neměl žádný vztah k rodině jejích zakladatelů, protože byl prostě jejich jmenovec. Dá se však říci, že polyuretan a aspirin se skutečně objevily pod jednou střechou.
Šampion mezi polymery
Dnes se ve světě používá velké množství pěnových polymerů různého původu a složení. Téměř všechny však mají určité nevýhody, které omezují rozsah jejich použití. Důvodem je především dopad na životní prostředí a člověka.
Například jeden z nejlevnějších pěnových plastů – suspenzní polystyrenová pěna – se vyznačuje nízkou teplotní odolností. Již při +60-70 °C ztrácí materiál svou strukturu a začíná se rozkládat, přičemž se uvolňuje toxický plyn – styren a v případě požáru – dusivý kouř. Ve stavebnictví se proto takový pěnový polystyren nepoužívá k zateplování vnitřních prostor, ale používá se výhradně jako materiál pro vnější tepelnou izolaci základů a sklepů, dále jako izolace na omítkové fasády a ploché střechy průmyslových objektů. Odborníci jej důrazně nedoporučují používat například na zateplování balkonů a lodžií, které často provádějí majitelé bytů a nekvalifikovaní najatí stavebníci.
Polyuretanová pěna vyniká mezi polymerními materiály. To je vysvětleno nejen výjimečnou šíří jeho fyzikálních vlastností, ale také jeho téměř absolutní inertností vůči prostředí obklopujícímu člověka. Materiál je považován za hypoalergenní, bez zápachu a neuvolňuje těkavé sloučeniny. Jediným problémem dlouho zůstávala jeho schopnost udržet spalování. Jedním ze způsobů řešení tohoto problému bylo zavedení retardérů hoření do materiálu – speciálních protipožárních přísad, které umožňují tento problém eliminovat po dobu životnosti stanovenou výrobcem.
Skutečnou změnou hry však byl příchod PIR. Jeho speciální struktura se silnými zastřihovacími řetězy dodává materiálu nejen vynikající výkonnostní vlastnosti, ale také ho činí odolným vůči ohni. Při vystavení otevřenému plameni je povrch PIR desky pokrytý hustou uhlíkovou krustou, která zabraňuje dalšímu šíření plamene. A přestože podle klasifikace GOST nelze polyisokyanurátovou pěnu jako organický materiál klasifikovat jako nehořlavou, v praxi se stala skutečným bezpečnostním šampiónem mezi polymery.
Tepelná izolace PIR je jednou z nejúčinnějších, bezpečných a odolných. Již dávno se stal známým po celém světě nejen jako konstrukční materiál, ale také jako vesmírný materiál schopný odolávat velkým přetížením a podmínkám. Byl například použit k vytvoření částí nosné rakety Energia a kosmického letounu Buran.
Prozradíme vám, jaké jedinečné vlastnosti tento materiál má a jaké části domu je vhodné zateplit.
Jaké vlastnosti má PIR?
PIR neboli polyisokyanurát je polymerní materiál s porézní vnitřní strukturou. Při vysokých teplotách v něm katalyzátory a přísady tvoří uzavřené buňky, které jsou naplněny permanentním plynem s nízkou tepelnou vodivostí.
Díky tomu má PIR rekordně nízký součinitel tepelné vodivosti 0,022 W/m•K, což z něj dělá nejúčinnější izolaci, navíc je tenký a ultralehký.
Materiál má také vysokou pevnost díky své mikrostruktuře – tuhý rám stěn a žeber z pevné hmoty. Zároveň jsou desky tenké a lehké, protože objem nijak neovlivňuje její tepelně izolační vlastnosti a tuhost.
PIR nehoří a nepodporuje hoření – i když materiál narazí na otevřený plamen, vnější vrstva jednoduše zuhoří – vytvoří se uhlíková matrice, která nedovolí plameni se dále šířit a chrání další vrstvy.
A pokud chcete na vlastní oči vidět, jak si PIR poradí s plameny, podívejte se na toto video
PIR si zachovává všechny své vlastnosti po neuvěřitelně dlouhou dobu – výrobci garantují více než 50 let služby.
Materiál má také vysokou odrazivost 95–98 %, což zaručuje extrémně nízkou absorpci paprsků a výrazně omezuje sálavou složku prostupu tepla ve stavebních konstrukcích zateplených fólií PIR.
Proč je PIR považován za vesmírný materiál
Když začala éra průzkumu vesmíru, inženýři okamžitě věnovali pozornost lehkému a odolnému materiálu s fenomenálně nízkou tepelnou vodivostí. Nejlépe mu vyhovovaly extrémní teploty ve vesmíru, kde dochází k náhlým změnám od +120 °C do −150 °C.
Již jedna vrstva PIR o tloušťce 1,6 cm poskytuje stejnou tepelnou izolaci jako např. betonová zeď o tloušťce 1,5 m. Díky vysoké pevnosti a minimální nasákavosti odolal materiál drsným podmínkám mechanického přetížení při startu lodí.
Důležité také bylo nepřetěžovat nosné rakety a lodě nadváhou a PIR je neuvěřitelně lehký. Materiál je navíc bezpečný v podmínkách požáru, který by mohl kdykoli nastat a zničit celý vesmírný projekt.
Jak se PIR používá ve stavebnictví?
Dnes se PIR používá také při výstavbě bytových, průmyslových a veřejných budov. Je vynikající pro konstrukci vyhřívaných podlah, protože se snadno instaluje a „nepohlcuje“ výšku místnosti v izolačních zónách – nevyžaduje další vrstvy parotěsné zábrany a je sama o sobě tenká.
PIR se také používá k izolaci stěn, střech, lázní a balkonů. Materiál zabraňuje promrzání místnosti a zabraňuje vzniku vlhkosti a plísní. Používá se také k izolaci okenních svahů a otvorů, aby se minimalizovaly tepelné ztráty v domě.
