Полиуретановая монтажная пена: особенности и преимущества

В июне 2013 г. компания Dow Chemical («Дау Кемикал») запустила совместную программу со своим стратегическим партнером в России, компанией-производителем монтажных пен «Проффлекс». Программа стимулирует использование однокомпонентной полиуретановой монтажной пены для теплоизоляции окон, а также прочих нужд ремонта и благоустройства квартир. Это позволит увеличить экономию тепла и сократить потребление энергии в жилых помещениях по всей стране.

В рамках этой беспрецедентной инициативы владельцы жилья, решившие заменить старые окна, бесплатно получат 100 тыс. баллонов монтажной пены. Применение каждого баллона способствует сокращению эмиссии парниковых газов в размере трех тонн (в эквиваленте CO₂) за 10 лет. Результаты проекта внесут вклад в смягчение углеродного следа, связанного с организацией Зимних Олимпийских игр в Сочи. В проект вовлечены свыше 130 оконных компаний во всех регионах России.

Ингредиенты и технология производства монтажной пены оказывают ключевое влияние на качество установки и теплоэффективность оконной системы. Данный обзор посвящен тонкостям производства пены и тем решениям, которые позволяют достигать оптимальных результатов при монтаже окон.

Что такое монтажная пена

По своим химическим свойствам монтажная пена относится к группе полимерных материалов, а именно полиуретанов. Распространение данных веществ в современном мире очень велико. Их применение происходит повсеместно — это и изготовление мягкой мебели (всем известный поролон является полиуретаном), и теплоизоляция зданий и труб, и изготовление бытовых приборов (в первую очередь холодильников), и даже изготовление синтетических тканей (например, такие материалы, как лайкра и спандекс, являются полиуретанами).

В 2012 г. мировая химическая общественность отмечала 65-летие промышленного освоения нового класса полимеров — полиуретанов. Полиуретан впервые был получен в 1937 г., а уже через 10 лет в 1947 г. был освоен его промышленный выпуск. Вначале полиуретаны использовались в качестве эластомеров и покрытий с великолепными адгезионными свойствами. В 50-е годы XX века полиуретаны начинают активно применяться для производства различных видов пен, в качестве наполнителей и теплоизоляции, а в середине 1970-х годов в Англии появляется однокомпонентная полиуретановая пена в аэрозольном баллоне. Первоначально аэрозольная пена использовалась для утепления и уплотнения строительных конструкций, и только позднее ее стали применять в качестве конструкционного материала при строительстве.

Классический способ получения полиуретана при производстве какого-либо изделия предполагает непосредственное смешение компонентов (полиэфир, изоцианат и функциональные добавки) и последующее отверждение.

В случае с однокомпонентной монтажной пеной процесс превращения компонентов в готовое изделие (отвердевшую пену) происходит в два этапа и может быть растянут по времени на очень длительный период.

Первый этап осуществляется на заводе. Предварительно подготовленная химическая смесь из полиэфиров, изоцианата и газов на высокоточном дозирующем устройстве подается в аэрозольный баллон, где происходит смешение данных компонентов. Первоначально активные ОН группы полиэфиров соединяются с изоционатными группами МДИ, в результате чего образуется сложный олигомер с разветвленной структурой с избыточным количеством активных групп.

Когда баллон уже находится в руках потребителя, непосредственно в момент извлечения монтажной пены осуществляется второй этап. В роли активных связующих групп выступает молекула воды, изомерический вид которой имеет структуру Н-О-Н. При соединении с влагой воздуха происходит отверждение пены. Таким образом, фактическое получение конечного продукта происходит на глазах и под контролем конечного потребителя.

Свойства однокомпонентных монтажных пен

Применение полиуретановой монтажной пены в качестве конструкционного материала было вызвано целым рядом уникальных свойств, позволяющих повысить производительность труда, снизить себестоимость строительства и одновременно улучшить качество монтажа.

Однокомпонентная полиуретановая монтажная пена обладает такими качествами, как:

• высокая уплотняющая способность;
• низкая теплопроводность;
• великолепная адгезия ко всем строительным материалам, за исключением полиэтилена и фторопласта (тефлона);
• высокая удельная механическая прочность;
• легкая обрабатываемость;
• простота применения;
• низкая звукопроницаемость;
• экологичность после застывания;
• гипоаллергенность;
• совместимость с большинством лакокрасочных покрытий;
• способность принимать на себя нагрузки и компенсировать линейные деформации строительных и ограждающих конструкций.

В России активное применение монтажной пены как конструкционного материала началось со второй половины 1990-х годов, вместе с активным развитием строительного рынка. Основными причинами, по которым именно российский рынок стал для западных производителей наиважнейшим, являлись:

• большие объемы строительства;
• потребность в масштабной реконструкции старых строений, сохранивших несущую способность конструкций, но имевших обветшалые окна и двери;
• особенность российских строительных технологий;
• суровый климат на большей части территории России, вынуждающий заказчика предъявлять высокие требования к герметизации оконных и дверных проемов.

Кроме того, на первом этапе внедрения в промышленность монтажных пен, несомненно, положительную роль для их популяризации сыграли не очень строгие (по сравнению с Западной Европой) требования природоохранного законодательства. Все это позволило выйти на наш рынок как зарубежным, так и отечественным производителям с предложением относительно дешевых продуктов, базирующихся на озоноразрушающих рецептурах.

Совокупность вышеперечисленных факторов позволила однокомпонентным монтажным пенам прочно укрепиться на рынке в качестве основных компонентов в монтаже окон и дверей, а также при герметизации зазоров и щелей.

Значение монтажной пены как конструкционного материала в России очень велико. Наиболее эффективно все важные свойства этого продукта проявляются при монтаже внешних ограждающих конструкций (окон и дверей). В наших суровых климатических условиях очень важно не просто установить окно, но и обеспечить эффективную теплоизоляцию помещения. Многие потребители осведомлены о современных качественных стеклопакетах, которые позволяют обеспечить экономию тепла и энергии, но очень немногие задумываются о важности профессионального монтажа окна, заботясь только о том, как оно выглядит снаружи.

В соответствии с определением, данным ГОСТ, уплотняющий материал, на который производится монтаж окна, является частью оконной системы. Поэтому крайне важно использовать качественные монтажные материалы, чтобы обеспечить эффективную теплоизоляцию всего окна. Исследования показывают, что эффективный монтажный шов обеспечивает до 50% экономии всей энергии, приходящейся на окно. Только использование качественных монтажных пен может гарантировать потребителю последующее отсутствие проблем с проникновением холодного воздуха через стыки и места примыкания оконной системы к стенам.

Современные качественные монтажные пены существенно отличаются от тех продуктов, что поставлялись на рынок в середине 1990-х годов. Эти отличия носят как количественный, так и качественный характер – во-первых, появились пены с высоким выходом пены из одного баллона, до 70 л. Во-вторых, пены стали более сложными по своему химическому составу – в рецептурах перестали применяться озоноразрушающие газы, зато теперь вводятся добавки – антипирены, повышающие огнестойкость.

Считается, что традиционная гонка за объемом выхода монтажной пены из баллона в последнее время достигла своего предела. Возможности баллонов стандартного объема исчерпаны полностью. Ответственные производители выпускают пену с заявленным условным выходом 70 л — это технологический предел с учетом необходимости обеспечения гарантированно безопасного уровня заполнения баллона. В связи с этим современные тенденции в развитии монтажных пен заключаются в создании продуктов с заданными свойствами в зависимости от особенностей применения:

• пены различного объема выхода (от 45-50 до 70 л) для обеспечения оптимального выбора в зависимости от объемов выполняемых работ;
• пены с низким первичным расширением для монтажа отделочных и конструктивных элементов невысокой жесткости;
• пены с повышенной огнестойкостью для применения в качестве основного монтажного элемента для противопожарных дверей;
• пены, предназначенные для монтажа внешних ограждающих конструкций в зимних условиях при пониженной температуре применения;
• пены-гели для крепления отделочных материалов и различных видов плитки;
• клеющие пены — заменители вяжущих веществ при монтаже внутренних перегородок.

Последние два вида продуктов только появляются на рынке и завоевывают свое место за счет простоты применения, водостойкости, высокой экологичности и гипоаллергенности в застывшем виде.

Кроме того, на рынке появляются продукты, улучшающие свойства монтажной пены и облегчающие проведение монтажных работ — речь идет о так называемых модификаторах поверхности монтажной пены. Задача модификаторов состоит в активации контактных поверхностей за счет использования специально подобранной композиции ПАВ, что особенно актуально при низкой влажности окружающего воздуха (в холодный или жаркий периоды года), а также на запыленных поверхностях. Нанесение активатора на поверхность пены приводит к ускорению полимеризации и обеспечивает более равномерную структуру материала.

Основы химической технологии производства однокомпонентной монтажной пены

Фактически производство монтажной пены осуществляется в три этапа:

• производство базовых химических компонентов (полиэфиры, изоцианаты, химические добавки и пропелленты), которое осуществляется на крупных химических предприятиях;
• подготовка полиэфирной смеси из различных активных компонентов для обеспечения заданных свойств конечного продукта;
• непосредственно производство аэрозольного баллона, включающее в себя стадии подачи компонентов в баллон и контроль первичной полимеризации веществ внутри.

На всех этих стадиях важнейшей задачей производителя является обеспечение контроля качества исходного сырья и конечного продукта. Сбой на любой из стадий может привести к неудовлетворительному финальному результату.

Для того чтобы монтажная пена, полимеризуясь, пробрела окончательную структуру, важно правильно подобрать полиэфирную композицию активных компонентов. Набор полиэфиров подбирается таким образом, чтобы обеспечить заданные параметры жесткости и эластичности пены. Также добавляются инертные пластификаторы и специальные добавки, которые обеспечивают специальные свойства — например, огнестойкость. Важными компонентами являются катализаторы, способствующие ускорению реакции между ОН-группами и изоцианатными группами, т. к. без них реакция протекала бы излишне медленно. Крайне важно правильным образом стабилизировать пузырьки пены, обеспечив определенный процент в соотношении открытых и закрытых ячеек. Это также достигается специальными добавками.

Общее количество компонентов, составляющих полиэфирную композицию, может достигать десяти. Важным аспектом является не только соблюдение стабильности смеси при каждом производственном цикле, но и качество исходных компонентов. Высочайшее качество пены «Проффлекс» обеспечивается качеством исходного сырья производства компании Dow. При этом Dow отвечает как за исходное сырье (полиолы и полиизоцианат), так и за производство полуфабриката (компонент А, состоящий из различных полиолов и добавок).

Полиолы и полиизоцианат производятся на европейских заводах Dow и доставляются оттуда на завод ООО «Дау Изолан» во Владимире, который является совместным проектом c российской компанией НПП «Изолан».

Открытый в 2009 г., этот завод является крупнейшим в Европе (мощность 100 тыс. тонн систем компонентов в год), оснащен самым современным дозирующим и смесительным оборудованием. Состав полиуретановой композиции учитывает специфику и запросы российского рынка, а автоматизированные методы контроля на всех стадиях производства позволяют гарантировать стабильное качество и стабильность продукта, который в последующих циклах переработки будет заправлен в баллон с монтажной пеной.

Производители монтажной пены стараются подобрать композицию таким образом, чтобы пена полностью заполняла пустоты и не деформировала конструкции (это достигается особой структурой ячеек готовой пены, позволяющей воздуху свободно двигаться в ее объеме).

В связи с тем, что гарантийный срок на баллоны монтажной пеной равен минимум одному году, очень важно обеспечить стабильность поведения олигомера в баллоне и избежать процесса постепенной полимеризации. Достигается это двумя способами — высокой культурой производства (контроль точности дозировки компонентов, контроль качества поставляемого сырья) и соблюдением правил хранения монтажной пены (только в вертикальном положении и при положительной температуре).

Основы использования монтажной пены

В процессе применения образование пены происходит не одномоментно, а в несколько этапов. При выходе из баллона возникает первичное вспенивание (в результате эвакуации олигомера из баллона под воздействием пропеллента — газа-вытеснителя). Роль пропеллента, как правило, исполняет композиция, состоящая из пропана, бутана и их ближайших предельных гомологов, которая находится внутри баллона в сжиженном состоянии под избыточным давлением около 10 атмосфер. Мгновенно по выходу из монтажного пистолета (или трубочного адаптера) происходит вспенивание олигомера за счет вскипания оставшегося в пене газа по всему объему ее массы. За счет этого при первичном вспенивании объем олигомера увеличивается в 100 раз — получается первичная пена.

Находящаяся в баллоне композиция газов обеспечивает не только вытеснение олигомера, но и отвечает за равномерность структуры пены. Собственно состав и количество газовой части и определяют стандарты условного объема выхода пены из баллона.

В течение периода отверждения пены (обычно это несколько часов) происходит ее рост — первичное расширение. Далее пена полностью полимеризуется и затвердевает. Нормальный срок отверждения после выхода из баллона — 2 часа.

Первичное расширение происходит при протекании реакции полимеризации за счет взаимодействия свободных радикалов олигомера пены с влагой окружающего воздуха и образования при этом в результате реакции углекислого газа, который при расширении добавляет определенный объем к пене (обычно от 30 до 50 %). В течение 30-40 минут рост пены прекращается. Основным правилом правильного применения пены в контексте данной стадии является требование заполнения пустот на треть от их объема. Оставшийся объем пена заполнит сама. Если произойдет выход пены за границы заполняемых пустот, то этот излишек легко можно удалить ножом.

На этом процессы в качественной пене завершаются, дальнейших изменений не происходит. Остается только ее защитить от воздействия света с помощью специальных покрытий, штукатурки или обычной краски.

В продуктах низкого качества или бытовых пенах может возникнуть еще одна стадия формирования — вторичное расширение. Это крайне нежелательное неконтролируемое поведение пены, которое происходит уже после того, как она полностью полимеризовалась. Вторичное расширение может протекать от нескольких дней до нескольких месяцев в уже готовой пене. Именно поэтому нельзя применять такие пены при работах, связанных с установкой ответственных ограждающих конструкций, окон и дверей.

Причиной вторичного расширения является расширение газов (пропеллента и углекислого газа), оставшихся в закрытых ячейках пены, под воздействием температуры окружающего воздуха (из-за неправильного баланса открытых и закрытых ячеек). В качественных пенах эта проблема решена за счет наличия открытых ячеек.

Подбор рецептур смеси для монтажной пены требует соблюдения тонкого баланса взаимоисключающих показателей. С одной стороны, каждый производитель стремится обеспечить максимальный выход пены из одного баллона, т. к. это прямая экономия для потребителя. С другой стороны, необходимо обеспечить баланс открытых и закрытых пор.

По своим механическим характеристикам монтажная пена — это продукт, промежуточный между твердыми и мягкими полиуретанами. Примером мягкого полиуретана является поролон, который легко меняет свою форму под внешним воздействием и принимает прежний вид после прекращения внешнего воздействия. Пена же выполняет двойную функцию – с одной стороны, она способствует дополнительной фиксации окна или двери в проеме, а с другой стороны, способна принимать внешние деформации и воздействия на оконную конструкцию на себя (из-за наличия открытых ячеек), сохраняя тем самым пространственную стабильность всей конструкции.

При этом важно соблюдать правильность технологии монтажа, чтобы не допускать «запирания» конструкции внешними отделочными материалами и оставлять минимальное необходимое внутреннее пространство для деформации, т. к. линейное удлинение оконных профилей на большой длине (например, для балконной двери) при разнице между летней и зимней температурами в 50 градусов может достигать 10-12 мм.

В целом же не следует забывать, что применение качественных материалов в строительстве позволяет снизить затраты как на монтаж, так и на эксплуатацию в течение длительного времени.