1
UNIVERZITET U TUZLI
TEHNOLOŠKI FAKULTET
ODSJEK: Kemijsko-tehnološki
DIPLOMSKI RAD
Utjecaj globalnih ekoloških čimbenika na izbor poliuretana
i drugih izolacionih materijala u gradjevinarstvu
Mentor: Student
:
Dr Jasminka Sadadinović, docent Mato Petrović
Tuzla, veljača,1999
.
2
1. UVOD
Polimerni materijali su postali sastavni, skoro nezamjenjivi dio naše
svakodnevnice. Skoro da nema područja ljudskog djelovanja u kojem
polimerni materijali nisu našli značajnu primjenu. Gradjevinarstvo je jedna od
oblasti u kojoj se različite vrste polimera veoma široko koriste. Tako se npr.
polivinilklorid (PVC) koristi za podne obloge, zatim za proizvodnju raznih vrsta
cijevi a u novije vrijeme i za proizvodnju gradjevinske stolarije ( vrata, prozori
itd.). Polietilen (PE) se takodjer koristi za izradu cijevi, a našao je svoju
primjenu i za pokrivanje. Poliizobutilen se koristi izmedju ostalog i za
hermetizaciju. Posebno je interesantan tzv. polimerni beton, kojeg postoji više
vrsta a najviše se koriste furanski, epoksidni, polieterski.
Materijali koji su našli veliku primjenu u gradjevinarstvu su i
polimerne pjene.
Tako se npr. ekspandirani polistiren (PS) u vidu ploča zatvorenih pora koristi
za oblaganje krovova, dok preekspandirani PS, presvučen tečnim smolama
služi za izolaciju kuća. Fenolne pjene (PF), sa 100% zatvorenom strukturom
rade se u obliku folija i blokova. To su vatrootporni materijali te su kao takvi
ušli u novi prijedlog za jeftinu gradnju kuća zasnovanu na drvenim ramovima i
pločama od PF pjene.
Dvokomponentna silikonska pjena dobro prijanja na betonske zidove, otporna
je na plamen i uz to osigurava dobru zvučnu izolaciju. Tako je npr. četrnaest
zgrada u centru Hjustona uključujući i 71-spratnu zgradu banke izolirano i
zaštićeno ovom pjenom. Poliimidna pjena (PI), ima osobinu da se ne pali
ispod 430°C i kao takva se čini kao vrlo atraktivna zamjena za poliuretanske
pjene za odredjene aplikacije.
Da bi se stekla bolja predodžba o razini uporabe plastičnih materijala u
gradjevinarstvu može nam poslužiti tabela 1. u kojoj su date količine plastičnih
materijala koje su upotrijebljene u gradjevinarstvu za različite namjene 1981 i
1982. godine u SAD.
Posebnu primjenu u gradjevinarstvu, naročito u oblasti izoliranja imaju
poliuretanske pjene (PUR). Od ukupno proizvedenih količina poliuretanskih
pjena, oko 15 % otpada na primjenu u gradjevinarstvu. Ove pjene se u prvom
redu koriste kao izolatori. Ove pjene danas predstavljaju predmet izučavanja
velikog broja znanstvenika različitih specijalnosti, od onih koji rade na njihovu
dobijanju do onih koji proučavaju oblasti u kojima se ove pjene primjenjuju
kao što su npr. auto-industrija, industrija gradjevinskih materijala itd.
U posljednje vrijeme i znanstvenici koji se bave izučavanjem globalnih
klimatskih promjena sve više pažnje posvećuju ovoj vrsti materijala i njihovom
bilo pozitivnom bilo negativnom utjecaju na ukupne klimatske promjene tj. na
efekat staklenika i uništavanje ozonskog omotača u zemljinoj atmosferi.
Aplikacija/materijal
* 1000 metričkih tona
* 1000 metričkih tona
1981
1982
4
2. Primjena PUR-pjena u gradjevinarstvu
Poliuretanski materijali posjeduju samo tisućiti dio toplinske vodljivosti
prirodnog kamena. Zbog toga gradjevinski stručnjaci u Njemačkoj tvrde da bi
se primjenom odgovarajuće izolacije u skladu sa važećim propisima (uz
neznatno povećanje gradjevinskih troškova od 4 – 5 % ) mogle ostvariti
uštede u grijanju od 30 – 40 %. O kakvoj se osobini poliuretanskih materijala
radi najbolje govori slijedeća usporedba; jedan jedini centimetar izolacionog
materijala daje istu toplinsku izolaciju kao zid opeke debeo 15 cm ili betonski
zid debljine 30 cm.
Posebna pogodnost primjene toplinskih izolacija od polimernih pjena je ta da
kod njih povećanje debljine izolacionog sloja zahtijeva posebno nizak prirast
ukupne cijene koštanja izolacije.Porast cijene koštanja uvjetovan je samo
proporcinalnim povećanjem cijene izolacionih ploča, jer su sav rad, interni
transport, materijali za spajanje i montažu te materijali za površinsku obradu
jednaki, bez obzira na debljinu izolacionih ploča.
Zbog svega ovoga polimerne pjene su izrazito atraktivan izolacioni materijal i
podatak da se godišnje utroši preko 2.5 miliona tona polimernih pjena
dovoljno govori. Od toga preko milion tona odnosno oko 40 % otpada na
poliuretanske pjene.
Korištenje poliuretana u izolaciji zgrada može se izvesti na nekoliko načina.
Na vanjske zidove specijalnim ljepilom učvršćuju se ploče od tvrde pjene ili se
nanosi tkzv. “odignuta fasada”. Pri takvoj gradnji poliuretanska tvrda pjena
služi kao toplinska izolacija, a prostor za provjetravanje izmedju zida i fasade
je namijenjen reguliranju vlage.
“
Jezgrena
izolacija
” kao drugi postupak omogućuje zidanje zdanja od dva
zida. Statičan vanjski zid i obloga. U šuplji prostor izmedju dva zida stavlja se
izolacija od poliuretanske tvrde pjene.
Najosmišljeniji način gradnje sa optimalnom zvučnom i toplinskom izolacijom
jeste oblaganje vanjske zidne konstrukcije integriranim toplinsko-izolacionim
slojem. To znači da se u elemente sa posebno velikim šupljinama, sasvim je
svejedno dali su od cigle, gipsa ili betona pri samoj proizvodnji upjenjuje
poliuretanska jezgra. Specijalni namjenski materijal, ubrizgan u tekućem
stanju, ekspandira u šupljinama, sljepljuje se sa elementom u čvrstu i trajnu
masu. Osim kasnijih energetskih ušteda veliku prednost predstavlja i smanjeni
utrošak rada.
Posebnu slabu točku u izolaciji zgrada čine krovovi. Stoga se i njihova
toplinska izolacija nalazi u središtu svake gradjevinske mjere radi uštede
energije. Najbolji način za izoliranje kosih krovova jeste postavljanje ploča od
tvrde poliuretanske pjene izmedju krovnih greda. Za ravne krovove tvrtka
“Bayer” je u suradnji sa nekoliko svojih partnera razvila nov, daleko
ekonomičniji postupak. Umjesto polaganja ploča sada se u jednom sloju, u
jednoj radnoj fazi, prskanjem nanosi poliuretanska pjena. Ovaj postupak jamči
5
jednakomjerno brtvljenje i toplinsku izolaciju jer dospijeva u sve skrivene
pukotine.
Osim za izolaciju samih zgrada poliuretanska pjena se koristi i za izoliranje
cjevovoda unutar zgrada te sistema daljinskog grijanja. O tome najbolje govori
podatak da se u Zapadnoj Evropi godišnje poliuretanskom pjenom izolira oko
5000 km cijevi.
Pored svojih neospornih kvalitetnih karakteristika zbog kojih se uostalom i
primjenjuju u ovolikom obimu, polimerne pjene imaju i odredjene nedostatke
posebno sa ekološkog aspekta.
Poliuretanske pjene imaju odredjene nedostatke u pogledu zapaljivosti i
toksičnosti dima koji pri tome nastaje . Osim toga u novije vrijeme se sve više
budi ekološka svijest na globalnom planu uslijed postojanja globalnih
ekoloških problema koji su problem čitavog čovječanstva. To se u prvom redu
odnosi na globalno zagrijavanje te uništenje ozonskog sloja u zemljinoj
atmosferi. Poliuretanske pjene su navedene kao predmet rasprave u vezi i sa
jednim i sa drugim problemom.
U postupku dobijanja poliuretanskih pjena koriste se tkz.
upjenjivači
.
Najoptimalniji spojevi za tu namjenu u smislu cijene i potrebnih karakteristika
bili su kloro-fluoro-ugljici (freoni)
CFC
. Medjutim vremenom se došlo do
saznanja da ovi spojevi uništavaju ozonski omotač zemlje što dovodi do
pojačanog UV-zračenja te ih je kao takve bilo potrebno izbaciti odnosno
zamijeniti.
Zbog njihovih izuzetnih karakteristika bilo je teško pronaći adekvatnu
zamjenu te možemo reći da postoji nekoliko alternativa koje se mogu iskoristiti
za odredjene namjene.
To su prije svega
pentani
(n-, izo- i ciklo-), zatim
metilen klorid, aceton, tečni
CO
2
, zatim
hidro fluoro ugljici HFC-245
(penta fluoro propan), te
hidro kloro
fluoro ugljici HCFC
(od kojih se najviše koristi
HCFC-141b
), koji nemaju štetan
uticaj na ozonski sloj.
Pored ovoga, treba se znati da je jedna od osnovnih reakcija dobijanja
poliuretana ona izmedju izocijanata i vode gdje nastaje CO
2
koji je najveći
uzročnik efekta globalnog zagrijavanja. Zbog toga se u zadnje vrijeme rade
posebne studije o opravdanosti korištenja poliuretanske izolacije sa stanovišta
uštede energije i njihove ekološke prihvatljivosti. Naime treba proučiti koliko
koristi može donijeti upotreba poliuretanske izolacije u smislu reduciranja
topline potrebne za zagrijavanje zgrada, sa čim se automatski postiže manja
potreba za proizvodnjom energije a samim tim i manja emisija CO
2
na jednoj
strani te na drugoj strani izabrati najoptimalnije upjenjivače za odredjene
primjene u smislu cijene koštanja i uz zadovoljenje ekoloških kriterija.
7
Druga reakcija dovodi do procesa upjenjavanja poliuretanskih pjena,
oslobadjanjem ugljikdioksida uz simultano formiranje nestabilne karbaminske
kiseline, koja prelazi u amin i ugljikdioksid.(3)
R-N=C=O + H
2
O
(R-NH-CO-OH)
R-NH
2
+ CO
2
(3)
karbaminska
kiselina
Amin odmah reagira sa dodatnom količinom izocijanata i prelazi u simetrično
substituiranu ureu.(4)
R-NH
2
+ R-N=C=O
R-NH-CO-NH-R (4)
substituirana urea
Ukupna reakcija se može prikazati na slijedeći način: (5)
2R-N=C=O + H
2
O
R-NH-CO-NH-R + CO
2
(5)
Uretanske i urea skupine posjeduju aktivni vodikov atom, koji kod povoljnih
uvjeta može reagirati sa izocijanatom pri čemu se formiraju alofonatne
odnosno biuretske veze: (6) i (7)
~NH-CO-O + ~NCO
~N-CO-O~
| (6)
CO-NH~
uretan izocijanat alofonat
~NH-CO-NH~ + ~NCO
~N-CO-NH~
| (7)
CO-NH~
urea izocijanat biuret
Ove veze (alofonatne i biuretske) su od posebnog značaja jer dovode do
prostornog umrežavanja polimera, što ima poseban uticaj na fizičko-
mehanička svojstva poliuretana.
Zbog velikih mogućnosti strukturnih varijacija kod formiranja poliuretana
moguće je dobiti vrlo specifične polimerne proizvode kao što su:
meke, tvrde
i polutvrde pjene, elastomeri, vlakna, premazi, ljepila, strukturalne pjene
itd.
