PŁYTY WARSTWOWE SYNERGIA
ARTYKUŁ IZOLACJE 01/2019
KRZYSZTOF MILCZAREK
WSTĘP
Jaka jest historia powstania płyt warstwowych i czemu zawdzięczają one swoje niepowtarzalne właściwości oraz ogromną popularność?
KRÓTKI RYS HISTORYCZNY
Zacznijmy dla porządku, od krótkiego rysu historycznego dotyczącego narodzin, rozwoju i synergicznego spotkania dwóch składowych materiałów, jakimi są stal i poliuretan. Stal, ze względu na swoją historyczną rolę, nazywana była niekiedy „kręgosłupem cywilizacji”. Jest to stop żelaza z węglem, plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie, o zawartości węgla nieprzekraczającej ok. 2%.
Żeby jednak stało się to jasne musiało minąć wiele stuleci. Zaczęło się dawno, bo ok. 5–6 tysięcy lat temu, ale odtrąbić ostateczne zwycięstwo żelaza nad brązem (poprzednia epoka) można było ok. 1000–700 roku p.n.e. Wtedy to żelazo stało się niezwykle pożądane, szczególnie na polu walki. Odkryto wiele istotnych w praktyce właściwości technologicznych tego wynalazku. Minęło kilkanaście stuleci, kiedy francuski chemik i metalurg Rene F. Reaumur zrozumiał, że elementarna różnica między żelazem a stalą to różna zawartość węgla w ich wewnętrznej strukturze. W połowie XIX wieku (1855) Anglik Henry Bessemer opracował przemysłową technologię kontrolowanej produkcji stali z ciekłej żelaznej surówki. I tak, z niewielkimi zmianami, jest do dzisiaj. Epoka żelaza trwa w najlepsze.
Poliuretany to zupełnie inna bajka. To fragment tej części chemii, którą zwykliśmy określać chemią organiczną (chemią węgla). W 1828 roku profesor Friedrich Wöhler z Uniwersytetu w Getyndze dokonuje pierwszej syntezy związku organicznego (mocznika). Kilka lat później francuski chemik Charles Adolphe Wurtz, profesor uczelni medycznych w Paryżu, członek Francuskiej Akademii Nauk, opracowuje procesy otrzymywania różnych odmian polimerów uretanowych, opierając się na odkrytej przez Wurtza reakcji izocyjanianów z alkoholami, prowadzącej do powstania grup uretanowych. W XX wieku w Niemczech profesor Otto Bayer opracowuje nowy sposób poliaddycji poliizocyjanianów. Jest to pierwsza teoretycznie uzasadniona i udokumentowana idea praktycznej produkcji poliuretanu. Wkrótce ukazuje się publikacja w niemieckim opisie patentowym DRP 728981 z dnia 13 listopada 1937 roku „Sposób wytwarzania poliuretanów i polimoczników” zespołu wynalazców w składzie: Otto Bayer, Werner Siefkena, Heinrich Rinke, L. Orthner i H. Schild. Prace badawcze nad poliuretanami przyspieszyła II wojna światowa. Pierwsze powojenne spienione tworzywa poliuretanowe zespół prof. Bayera otrzymał w 1947 roku. Natomiast pierwsza fabryka produkująca twarde pianki poliuretanowe rozpoczęła swoją działalność w 1960 roku. Najwięcej badań oraz największa ilość produkcji miały miejsce w Stanach Zjednoczonych, co wiązało się z kosmicznymi programami wahadłowców. Kolejnym krokiem było zakładanie w Stanach Zjednoczonych fabryk, które masowo produkowały spieniony poliuretan na potrzeby nowoczesnego budownictwa. I od tego momentu zaczęła się prawdziwa ekspansja tego produktu.
JAK POWSTAŁY PŁYTY WARSTWOWE?
Do pomysłu zamknięcia spienionego poliuretanu w stalowe okładziny przyznaje się wielu. Trudno powiedzieć kto był prekursorem tej technologii. Pierwszymi podobnymi elementami konstrukcyjnymi zajmowali się już w latach 30. XX wieku Amerykanie w Laboratorium.
Produktów Leśnych (FPL) w Madison, Wisconsin w Stanach Zjednoczonych. To oni odkryli, że badane przez nich wielowarstwowe panele z poszyciem ze sklejki i płyty pilśniowej mogą być z powodzeniem wykorzystywane jako element konstrukcyjny ścian, dachów czy podłóg konstrukcji szkieletowych z betonu i stali. To tak popularne w tamtejszym budownictwie do dziś SIP – Structural Insulated Panels (panel z izolacją strukturalną). Pierwszy komercyjny SIP został wyprodukowany przez firmę Dow w 1952 roku.
Z biegiem czasu konstrukcja tych elementów zmieniała się i udoskonalała zarówno jeśli chodzi o poszycie, jak i wypełnienie materiałem termoizolacyjnym.
Mniej więcej od lat 60. XX wieku popularne stały się elementy podobnie zbudowane, ale zamiast okładzin z materiałów drewnopochodnych (dziś głównie płyt OSB) powszechnie stosowane były okładziny metalowe (profilowane blachy), głównie stalowe, ale także aluminiowe. Technologia dość szybko dotarła do Polski i już w latach 1974–1975 uruchomione zostały pierwsze linie produkcyjne do wytwarzania tych produktów. To „płyta obornicka” (PW8/B). Są pierwsze w naszym kraju płyty typu sandwich (sandwich panel).
Warstwy termoizolacyjne w płytach warstwowych konstruowane są głównie z trzech materiałów: wełny mineralnej (skalnej), spienionego polistyrenu (styropian, EPS) lub spienionego poliuretanu (PUR, PIR). Rzadziej stosowany jest styropian ekstrudowany (XPS), pianki fenolowe rezolowe (PF) lub szkło piankowe (CS).
Korzyści płynące z takiego połączenia materiałów są nie do przecenienia, szczególnie w przypadku płyt warstwowych wypełnionych spienionym poliuretanem w okładzinach z blachy stalowej. To właśnie w przypadku tego produktu możemy mówić o tej niezwykłej synergii, będącej wynikiem współdziałania obu materiałów (stali i poliuretanu).
Stalowa blacha to materiał o naturalnej elastyczności, wytrzymałości na naprężenia, o dużej swobodzie w wymiarowaniu płaszczyzn, a także znacznej odporności na uderzenia. Metalowa okładzina jest nieprzeniknioną barierą dla wody i wszelkiego rodzaju gazów, pyroforów, w tym dla najbardziej niebezpiecznego w budownictwie gazu, jakim jest para wodna. Ważną zaletą stali jest również niepalność.
Najistotniejszymi cechami spienionych poliuretanów są natomiast ich znakomite właściwości termoizolacyjne (λ ≈ 0,022 W/(m·K)). Na współczesnym rynku budowlanym nie mają praktycznie konkurencji. Dodatkowo ich właściwości mechaniczne mogą być kształtowane w bardzo szerokim zakresie, odpowiednio do konkretnego problemu. Niezwykle istotnym atutem poliuretanu jest także mała gęstość tworzywa (≈ 32 kg/m3)), a więc ułatwiający pracę niewielki ciężar. Spieniony poliuretan (PUR, PIR) jest praktycznie nienasiąkliwy (max 2%), a zmiany właściwości termoizolacyjnych w razie kontaktu z wodą są minimalne. Zwiększenie przewodności cieplnej sztywnej pianki poliuretanowej po 28 dniach zanurzenia w wodzie jest znikome i wynosi ok. 0,0018 W/(m·K)). Dodając do tego niezwykłą odporność na działanie grzybów, glonów, a także gryzoni (np. kun) można twierdzić, że trwałość elementów użytych w konstrukcji typowego budynku jest w większości wyższa niż trwałość samej budowli.
W kontekście doboru materiału termoizolacyjnego, warto wspomnieć także o globalnych efektach ekologicznych, tj. jego produkcji, żywotności itp. Jeśli chodzi o poliuretan, to udział energii potrzebnej do jego wyprodukowania w porównaniu z uzyskanymi, realnymi oszczędnościami po jego instalacji w całym okresie eksploatacji, jest najkorzystniejszy i nie stanowi nawet 1/100 tych oszczędności. Takiego poziomu efektywności nie osiąga żaden z popularnych na rynku materiałów izolacyjnych.
JAK POWSTAŁY PŁYTY WARSTWOWE?
Złóżmy teraz nasze półprodukty razem. Co otrzymamy w wyniku takich technologicznych działań? Z połączenia opisanych wyżej materiałów powstała płyta warstwowa z metalową okładziną z blachy (najczęściej) stalowej (0,4–0,7 mm) i wypełnieniem ze spienionego poliuretanu (najczęściej PIR-u). Dzięki odpowiednio profilowanej blasze (35–45 mm) i trwałemu połączeniu z nią wypełniającej wnętrze panelu warstwie spienionego poliuretanu otrzymuje się produkt o niezwykłych właściwościach mechanicznych. Panel zdolny jest bowiem przenosić takie naprężenia, że można go stosować nawet jako element samonośny, bez niebezpieczeństwa zniszczenia czy nawet nieodwracalnego odkształcenia, np. w konstrukcjach dachów.
Dobór ściennych płyt warstwowych determinowany jest jeszcze innymi właściwościami, takimi jak np. ochrona przed hałasem (dźwiękami powietrznymi i uderzeniowymi), trwałość, odporność ogniowa, odporność korozyjna, przepuszczalność powietrza, szczelność na wodę opadową, kolorystyka, poziom albedo powierzchni, forma przetłoczeń i wiele innych indywidualnych parametrów. Najważniejsze są jednak właściwości termoizolacyjne, efektywność energetyczna, oszczędność energii i ochrona cieplna.
NAJPROSTSZE STUDIUM PRZYPADKU
Aby nieco przybliżyć problem, spróbujmy wykonać, oczywiście w dużym przybliżeniu, ale w miarę realnie, szacunek oszczędności przeliczony np. na zaoszczędzony zapas węgla czy drewna do ogrzania budynku. Załóżmy, że konstruujemy dom, bungalow o powierzchni ok. 100 m2. Dla prostszego rachunku niech będzie to 10×10 m, zaś wysokość ścian 3 m. W sumie da to powierzchnię ścian 4×10×3≈120 m2. Dodajmy do tego dach 100 m2 i dla prostoty szacunków odejmijmy 20 m2 na drzwi i okna. Razem daje to powierzchnię ≈ 300 m2. Załóżmy, że dom budujemy z płyty warstwowej o grubości 11–12 cm. Da nam to wtedy rozsądny współczynnik przenikania ciepła U na poziomie ≈ 0,20 W/(m2·K). Przyjmijmy wartość zawartości energii odniesiony do 1 m2 takiej termoizolacji na poziomie ≈ 332–361 ≈ 350 MJ/m2 (źródło: Hammond, G i Jones, C, 2008, Invertory of carbon and Energy, ICE, Wersja 1.6 a). Można także założyć, za tymi samymi autorami, ponad (minimum) 100-krotny zysk energetyczny płynący z oszczędzonej energii odniesionej do 1 m2 konstrukcji w całkowitym czasie jej eksploatacji w stosunku do włożonej w produkcję energii. Oznacza to oszczędność energii na poziomie 300 m2×350 MJ/m2×100 ≈ 10 500 000 MJ energii. Przyjmijmy, za publikowanymi danymi, kaloryczność średniej klasy węgla na poziomie 25 MJ/kg lub suchego drewna ok. 18 MJ/kg. Dzieląc oszacowane oszczędności przez kaloryczność tych dwóch nośników, otrzymujemy interesujący, a dla niektórych nawet szokujący wynik, który mówi, że oszczędności płynące z instalacji efektywnych płyt z rdzeniem poliuretanowym to ekwiwalent 10 500 000 MJ/25 MJ/kg = 4200 kg = 420 tony węgla lub prawie 600 ton suchego drewna. Tyle paliwa mniej puścilibyśmy z dymem oczywiście z wszystkimi przebogatymi ekologicznymi konsekwencjami. Jest zatem temat do przemyśleń.
To już nie tylko teoria, ale rzeczywistość codziennej praktyki budowlanej. Inwestorzy przekonali się bowiem, że koszty inwestycyjne z zastosowaniem płyt warstwowych (wartość materiałów i robocizny) są znacznie niższe niż realizacji budynku w tradycyjnym stylu. Cały proces jest prostszy, zdecydowanie szybszy i mniej narażony na błędy. Tak realizowane inwestycje to także wygoda w montażu. Projekt może bowiem zakładać zamówienie budynku na miarę. Pełne jego skompletowanie u producenta i przeprowadzenie szybkiego, precyzyjnie zaplanowanego procesu inwestycyjnego. To po prostu czysty zysk. To się liczy. To się opłaca.
W wielu przypadkach ewidentną wartością dodaną jest swoboda w kształtowaniu architektonicznej wizji projektanta. Sama płyta warstwowa daje w tym zakresie wielkie możliwości, a jej uniwersalność pozwala także na łączenie z wieloma tradycyjnymi materiami, jak np. betonem, drewnem, ceramiką, szkłem itp. Architektura obiektu może być zatem ładna, a czasem nawet piękna. I widać to gołym okiem, ponieważ praktycznie nie buduje się już w innych technologiach pomieszczeń magazynowych, inwentarskich czy przemysłowych. Przestało się po prostu opłacać robić to inaczej. Tak więc ze względów ekonomicznych, energetycznych, ekologicznych, a także estetycznych oraz wielu innych płyta warstwowa, szczególnie z wypełnieniem poliuretanowym, jest skazana na pełne powodzenie mimo rzeczywistej ostrej konkurencji na budowlanym rynku. A może właśnie dlatego…?
