Materiały i wyroby termoizolacyjne
Rodzaje materiałów lub wyrobów termoizolacyjnych
Nazewnictwo materiałów termoizolacyjnych i wyrobów z nich stosowanych w budownictwie jest bardzo obszerne. Polskie Normy dotyczące wyrobów termoizolacyjnych, ich marek, form, rozmiarów itp. są stosunkowo liczne. Klasyfikowanie termoizolacyjnych wyrobów i materiałów można przeprowadzić w oparciu o różne kryteria. Do takich kryteriów zalicza się np. rodzaj surowca (klasyfikacja surowcowa), przeznaczenie i dziedziny zastosowania, rodzaj formy i zewnętrzny wygląd oraz gęstość objętościową.
Wszystkie materiały termoizolacyjne ze względu na rodzaj surowca klasyfikuje się na dwie duże grupy - organiczne i nieorganiczne. Do pierwszej grupy zalicza się materiały komponowane z rozwłóknionego drewna, torfu, trzcinowe płyty, a także wyroby z mas plastycznych. Podstawowymi materiałami należącymi do drugiej grupy są: wełna mineralna i wyroby z niej. Wata szklana i wyroby z niej, szkło spienione, ceramiczne spieki z ziemią okrzemkową, a także sypkie (ziarniste) materiały termoizolacyjne (keramzytobeton, spęczniały wermikulit i perlit). Organiczne materiały charakteryzują się mniejszą wytrzymałością i są mniej użyteczne w eksploatacji, ponieważ są bardziej higroskopijne i bardziej podatne na destrukcyjne działanie wilgoci, a także nie są wystarczająco odporne na podwyższone temperatury (maksymalnie do 100ºC). Nieorganiczne materiały nie mają tych wad i dobrze znoszą bardzo wysokie temperatury.
Ta klasyfikacja nie jest dostatecznie czytelna, jeśli weźmie się pod uwagę materiały złożone, tj. zawierające zarówno organiczne, jak i nieorganiczne surowce. Przykładami mogą być płyty wiórowo-cementowe, przygotowane z drewnianych wiórów i cementu, a także wyroby z nieorganicznych surowców z lepiszczem organicznym. Nazywa się je mineralno-organicznymi. Można je umownie klasyfikować zarówno do materiałów organicznych (płyty wiórowo-cementowe), jak i do nieorganicznych (wyroby z waty mineralnej na lepiszczu bitumicznym).
Według zewnętrznego wyglądu i sposobu produkcji materiały termoizolacyjne dzieli się na materiały w postaci kształtek i sypkie. Pierwsze otrzymuje się w procesie formowania i nadawania im określonych form i kształtów (płyty, maty, segmenty, łuki), wówczas noszą nazwy wyrobów termoizolacyjnych. Sypkie materiały otrzymywane przemysłowo mają postać włókien albo porowatych ziaren, a także ich mieszanin.
Do materiałów sypkich należą takie materiały nieorganiczne, jak grys keramzytowy, spęczniały wermikulit, granulowana wełna mineralna oraz takie materiały organiczne, jak wełna drzewna. Materiały sypkie stosuje się do ocieplenia, wypełniając nimi puste przestrzenie przy izolowanych elementach (np. przestrzeń poddaszy). Najczęściej do tego celu używa się styropianu w postaci granulatu. Materiały sypkie stosowane są również w masach izolacyjnych do termoizolacji przewodów rurowych i aparatury cieplnej.
Wyroby formowane dzieli się na sztywne i miękkie. Do pierwszej grupy należą płyty, bloki, cegły, łupiny i podobne, do drugiej zaś maty, wojłok, sznury i inne. Z materiałów sztywnych najczęściej stosowane są płyty, wytwarzane w bardzo szerokim asortymencie, z materiałów miękkich najczęściej używane są maty (przeważnie z materiałów mineralnych) i wojłok.
Większość materiałów termoizolacyjnych jest wytwarzanych przemysłowo. Przygotowywane są w dobrze zorganizowanych i zmechanizowanych zakładach wytwórczych, według ściśle opracowanych receptur i technologii, na wszystkich etapach przeprowadza się badania, co zapewnia ich wysoka jakość i spełnienie wymogów obowiązujących norm.
Z uwagi na zakres stosowania dzieli się je na dwie grupy - do izolacji cieplnej powierzchni w budynkach (ścian, podłóg, dachów) i do izolacji termicznej powierzchni urządzeń i rurociągów (ciepło- lub zimnochronnej). Pierwsze można określić jako budowlane materiały izolacyjne, drugie jako instalacyjne materiały izolacyjne, drugie jako instalacyjne materiały izolacyjne.
Dużo materiałów, szczególnie nieorganicznych, używanych jest do termoizolacji konstrukcji budowlanych i instalacji przemysłowych. Zalicza się do nich wełnę mineralną, wyroby z włókien ceramicznych, watę szklaną, szkło spienione, pianobetony inne.
Do termoizolacji instalacji przemysłowych, pracujących przy znacznie wyższych temperaturach niż obiekty budowlane, używane są bardziej efektywne materiały izolacyjne o w mniejszym współczynniku przewodzenia ciepła, a więc i o mniejszej gęstości objętościowej, nie wyższej niż 400 kg/m³. Wysoko efektywne materiały należy także stosować przy termoizolacji chłodziarek oraz instalacji chłodniczych.
Klasyfikację podstawowych materiałów i wyrobów termoizolacyjnych podano w PN-89/B-04620. w normie tej w następujący sposób scharakteryzowano poszczególne materiały i wyroby termoizolacyjne:
wełna, wata - materiał bezkształtny w postaci krótkich, luźno ułożonych włókien naturalnych, z tworzyw sztucznych, ze stopionych skał, minerałów, żużli, ceramiki lub szkła,
mata (termoizolacyjna) - wyrób elastyczny, płaski, składający się z warstwy materiału włóknistego i jednostronne lub dwustronnej okładziny,
mata Lamella - mata termoizolacyjna składająca się z pasm materiału włóknistego z lepiszczem przyklejonym do elastycznej okładziny przy zachowaniu prostopadłego ułożenia włókien do jej powierzchni,
filc (termoizolacyjny) - wyrób elastyczny, płaski, stanowiący warstwę wełny mineralnej, zawierający lepiszcze,
wojłok (termoizolacyjny) - wyrób elastyczny, płaski, stanowiący warstwę waty szklanej z lepiszczem, z jednostronną okładziną lub bez okładziny,
welon (termoizolacyjny) - wyrób w postaci taśmy, składający się z włókien szklanych ułożonych niesymetrycznie i sklejonych lepiszczem,
płyta (termoizolacyjna) - wyrób płaski, sztywny, w kształcie prostopadłościanu, z materiału komórkowego, włóknistego z lepiszczem lub ziarnistego z lepiszczem,
płyta Lamella - płyta termoizolacyjna składająca się z pasm materiału włóknistego z lepiszczem przyklejonym do sztywnej okładziny, przy zachowaniu prostopadłego ułożenia włókien do jej powierzchni,
płyta (termoizolacyjna) warstwowa - płyta termoizolacyjna składająca się ze sztywnych okładzin i izolacyjnej warstwy środkowej z materiału włóknistego z lepiszczem lub materiału komórkowego,
otulina (termoizolacyjna) - wyrób sztywny w kształcie cylindra lub półcylindra z materiału komórkowego, włóknistego z lepiszczem lub ziarnistego z lepiszczem,
kształtka (termoizolacyjna) - wyrób sztywny o złożonym kształcie, z materiału komórkowego, włóknistego z lepiszczem lub ziarnistego z lepiszczem,
bloczek (termoizolacyjny) - wyrób sztywny o regularnym kształcie, z materiału komórkowego, włóknistego z lepiszczem lub ziarnistego z lepiszczem,
sznur (termoizolacyjny) - wyrób elastyczny z materiału włóknistego w oplocie lub okładzinie.
Do powyższych wyrobów można jeszcze zaliczyć stosowane w ciepłownictwie rury preizolowane. Izolacja rur i płaszcz ochronny są wykonywane w zakładzie produkcyjnym, na miejscu natomiast łącza.
Budowa materiałów termoizolacyjnych
Materiały termoizolacyjne ze względu na budowę dzieli się na: komórkowe, ziarniste, włókniste, blaszkowe i mieszane.
Dla materiałów komórkowych charakterystyczne są jednorodne sferyczne pory, równomiernie rozłożone w objętości materiału. Taką strukturę maja betony komórkowe, szkło spienione, spienione masy plastyczne. Sypkie materiały wykazują strukturę ziarnistą, a wielkość ich porowatości zależy od rozkładu średnic ziaren składowych (granulometria); im bardziej ziarna są jednorodne pod względem rozmiarów, tym większa jest porowatość. Materiały z włókien organicznych lub mineralnych (włókna roślinne, wełna mineralna i wata szklana) mają strukturę włóknistą. Blaszkowa budowa właściwa jest dla materiałów mających w swoim składzie łyszczyki, np. spęczniony wermikulit. Są również materiały o strukturze mieszanej, zbudowane zarówno z włókien, jak i ziaren.
Budowa materiału wpływa nie tylko na jego właściwości termoizolacyjne, ale również na cechy wytrzymałościowe, gęstość objętościową i pozostałe fizykomechaniczne parametry. Na termoizolacyjne właściwości materiałów ma wpływ ich struktura. W materiałach anizotropowych duży wpływ na przewodzenie ciepła ma kierunek przepływu ciepła przez materiał. Obserwuje się to w przypadku drewna: dla drewna sosnowego o gęstości 550 kg/m³ przy przepływie ciepła równoległego do kierunku włókien współczynnik przewodzenia ciepła wynosi 0,36 W/(m·K), natomiast przy przepływie ciepła prostopadle do kierunku włókien 0,16 W/(m·K). Kierunek ułożenia włókien w materiałach izolacyjnych, takich jak wełna mineralna lub wełna szklana, ma również duży wpływ na wartość współczynnika przewodzenia ciepła. Właściwość ta jest wykorzystywana w przypadku produkcji materiałów izolacyjnych w celu otrzymania produktu o wymaganej izolacyjności cieplnej.
Właściwości materiałów termoizolacyjnych
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, Porowate masy plastyczne |
50-90 60-75 85-90
82-87 90-98 |
Stal Granit, marmur Beton ciężki
Cegła pełna Drewno sosnowe |
0 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 () 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.
Wg dzieła „Budownictwo ogólne - materiały i wyroby budowlane - tom 1” wydanie z 2005 r. (amw)
4 Materiały termoizolacyjne - rodzaje, budowa, właściwości
(amw) materiałoznawstwo 3