Przemysł poszukujący nowych materiałów izolacyjnych, i to w miarę uniwersalnych, stosuje różne rozwiązania. Musi przy tym uwzględniać rangę wznoszonej budowli, jej parametry techniczne i funkcjonale, warunki gruntowo-wodne posadowienia, a przede wszystkim ? potencjalne koszty.
Biorąc pod uwagę wyżej wymienione względy, biura projektów i wykonawstwo budowlane wykorzystuje bądź systemy izolacyjne wielowarstwowe, bądź też materiały jedno- czy dwuwarstwowe, w części tylko spełniające jednocześnie wymagania hydro-, chemo- i termoochronne.
Są to często materiały bardzo różne pod względem składu chemicznego i struktury. Obok materiałów natury nieorganicznej, w prefabrykatach izolacyjnych są używane kompozyty i tworzywa sztuczne, w postaci różnego rodzaju płyt ekspandowanych (pianki polistyrenowe, poliuretanowe i inne), tkanin i mat (np. poliestrowe), kitów i innych materiałów spajających.
Liczną grupę materiałów izolacyjnych warstwowych stanowią różnego typu izolacje z udziałem materiałów bitumicznych, które mogą spełniać równocześnie funkcje chemo-, termo- i hydroochronne, a nawet akustycznoochronne. Izolacje tego typu, zwłaszcza w charakterze izolacji rolowych (papy), bardzo skutecznie spełniają funkcje izolacyjne już od kilkudziesięciu lat.
Okazuje się, że papy na osnowie ze zwykłej tektury budowlanej i konwencjonalnych asfaltach, otrzymywanych w stosunkowo prostych technologiach, dobrze spełniały swoje funkcje, zwłaszcza w warunkach małego dostępu powietrza i oddziaływania UV.
Aparatura składa się z dwóch wież destylacyjnych: I wieża pracuje pod normalnym ciśnieniem, II ? pod zmniejszonym (wieża próżniowa). W I wieży, w wyniku rozprężenia ogrzanej do 350°C ropy, następuje jej gwałtowne odparowanie, a następnie skroplenie poszczególnych frakcji. Na dole kolumny zbiera się najcięższa frakcja ropy naftowej (mazut), która dalej jest przepompowywana i podgrzewana do temperatury 400?425°C. W II wieży następuje dalsze rozfrakcjonowanie, aż do uzyskania asfaltu.
Wysoka hydrofobowość materiałów z udziałem substancji bitumicznych decyduje o tym, że są one wykorzystywane w izolacjach wielowarstwowych. Lokuje się je w dwóch newralgicznych położeniach: w części stykowej z podłożem (fundamenty betonowe), oraz części licowej pokrycia dachowego (stropodachy betonowe). Sytuowanie materiałów bitumicznych na granicy z materiałami mineralnymi z jednej strony (dolna warstwa) i atmosferą z drugiej, jest podyktowane wysokimi i sprawdzonymi właściwościami fizykochemicznymi tych materiałów.
Sposoby polepszania konwencjonalnych bitumów
Z trzech rodzajów lepiszczy bitumicznych asfalty są pochodzenia petrochemicznego, natomiast smoły i paki ? karbochemicznego. Ze względu na podejrzewaną szkodliwość zdrowotną pewnego rodzaju węglowodorów aromatycznych występujących w smołach i pakach, została ograniczona stosowalność tych lepiszczy w budownictwie. Są one obecnie wykorzystywane w wyrobach izolacyjnych, pracujących w środowiskach o dużym i trwałym zawilgoceniu i zagrożeniu bakteryjnym. Podobnych dylematów nie obserwuje się w przypadku lepiszczy asfaltowych. Toteż stają się przedmiotem coraz szerszych badań teoretycznych oraz zastosowań aplikacyjnych. W dążeniu do rozszerzenia właściwości asfaltów, najkorzystniejsze efekty przynosi modyfikowanie ich za pomocą żywic syntetycznych, równie termoplastycznych jak same asfalty.
Do modyfikacji asfaltów, używa się obecnie najczęściej kauczuku syntetycznego styren?butadien?styren (SBS) lub styren?butadien?rubber (SBR) oraz ataktycznego polipropylenu (APP). Są to materiały bardzo efektywne technicznie, a jednocześnie relatywnie tanie. Przy formułowaniu warunków łączenia dwóch węglowodorowych substancji (asfaltu i żywicy syntetycznej) w celu otrzymania polimeroasfaltu, wyrobu o korzystniejszych właściwościach fizykomechanicznych niż materiały wyjściowe, używa się pojęcia kompatybilności. Nazwa ta, w języku potocznym, oznacza zgodność fizykochemiczną składników do tworzenia homogenicznej mieszaniny. Idąc dalej ?zgodność? asfaltu z polimerem tłumaczy się podatnością do wzajemnego rozpuszczania się, co z kolei kłóci się z definicją rozpuszczalności spotykanej w dziedzinie nauk chemicznych. W przypadku asfaltu i polimeru następuje najpierw pęcznienie, a następnie dyspergowanie (rozpraszanie) jednego składnika w drugim (np. molekuł polimeru w częściach olejowych asfaltu lub odwrotnie). Do przebiegu procesu dyspergowania (homogenizacji) potrzebny jest wkład energii cieplnej (podgrzewanie) i mechanicznej (mieszanie). Aby proces ten był skuteczny, a układ homogeniczny i stabilny w czasie, łączone materiały powinny wykazywać znaczące podobieństwa chemiczne i fizykochemiczne. Dla przykładu, w przypadku asfaltu, zawierającego w swoim składzie węglowodory nasycone i aromatyczne, użyty do modyfikacji polimer również powinien zawierać takie węglowodory. Wówczas, zgodnie z obowiązującą w chemii zasadą, że ?podobne rozpuszcza podobne?, następuje pęcznienie i dyspergacja jednego składnika w drugim, by w końcowym efekcie utworzyć homogeniczny układ łączonych składników. Oczywiście, opisany wyżej proces fizykochemiczny musi być wspomagany wkładem energii mechanicznej i cieplnej.
Przygotowany w powyższy sposób polimeroasfalt jest na dalszym etapie wykorzystywany przy produkcji wyrobów izolacyjnych w postaci, np.: materiałów rolowych, lepików, kitów itp. Produkcja tych wyrobów, celem podtrzymania wymaganej konsystencji, również wymaga wkładu energii. Zmiana lepkości wyrobu ma miejsce dopiero podczas eksploatacji. Zależy od warunków zewnętrznych, przy których materiał izolacyjny przechodzi bądź w stan lepko-sprężysty bądź w niższych temperaturach w stan sprężysto-kruchy. Każdemu z wyżej wymienionych stanów towarzyszą określone cechy fizyczno-mechaniczne: sztywność, lepkość, ciągliwość itp. Na właściwości te decydujący wpływ wywiera polimer wprowadzony w skład asfaltu. I tak, dla przykładu: modyfikacja asfaltu substancją kauczukopodobną typu SBS przyczynia się do podwyższenia sztywności polimeroasfaltu, znajdującego się w stanie lepko-sprężystym (do 100°C). Odbywa się to dzięki oddziaływaniu segmentów polistyrenowych, zarówno na części olejowe asfaltu jak i miękkie i elastyczne segmenty polibutadienowe. Te ostatnie z kolei wpływają zmiękczająco na substancję asfaltową w stanie sprężysto-kruchym, obniżając dość wyraźnie temperaturę łamliwości polimeroasfaltu. Ten sam polistyren, który w temperaturach poniżej 100°C spełniał funkcję nośnika sztywności, powyżej ok. 120°C, odłączając się (rozprzęgając) od polibutadienu, podlega mięknieniu i spełnia samodzielną funkcję substancji plastyfikującej. Jest to bardzo pożądana cecha sztucznego kauczuku SBS, ponieważ przyczynia się do wyraźnego obniżenia temperatur produkcji i wbudowywania materiałów izolacyjnych, jak również drogowych mieszanek mineralno-polimeroasfaltowych, nawet o około 30?50°C.
Poza zmianami cech fizykochemicznych i fizykomechanicznych materiałów izolacyjnych na bazie asfaltów modyfikowanych polimerami, pozwalającymi polepszyć właściwości wodo-, termo- i dźwiękoochronne, można w podobny sposób polepszyć cechy chemoodporne izolacji asfaltowych. Przykładem w tym względzie mogą być wyroby izolacyjne, w których asfalt został zmodyfikowany ataktycznym polipropylenem (APP). Polipropylen, ze względu na charakter niepolarny, jest bardzo odporny chemicznie. Wprowadza się go do asfaltu w stosunkowo znacznych ilościach (do ok. 20%), przez co polepsza się wysoką już odporność chemiczną asfaltów. W ten sposób modyfikowane asfalty są odporne do 120°C na roztwory soli, mocne kwasy i zasady, a także na środki piorące (detergenty). Odmiany wysokokrystaliczne, wprowadzane w skład asfaltów parafinowych, polepszają odporność wyrobów izolacyjnych również na polarne organiczne rozpuszczalniki, alkohole, estry, ketony, tłuszcze oraz oleje roślinne i mineralne.
W podsumowaniu skrótowej analizy wpływu dwóch wybranych polimerów termoplastycznych na asfalty, używane w wyrobach izolacyjnych, należy zauważyć, że rozwój chemii tworzyw sztucznych i postęp technologiczny w przemyśle petrochemicznym stwarza duże możliwości postępu technologicznego materiałów izolacyjnych, zwłaszcza na bazie lepiszczy bitumicznych. W świetle przytoczonych przykładów obecne technologie izolacji warstwowych, w których poszczególnym warstwom przypisane są określone i selektywne zadania funkcjonalne, nie wytrzymują próby czasu i będą eliminowane przez cieńsze, bardziej ekonomiczne i skuteczniejsze technicznie wyroby uniwersalne, łączące w pojedynczym systemie warstwowym wszystkie cechy izolacyjne: hydro-, termo-, chemo- i akustycznoodporność.
Hydro- i chemoodporność takich wyrobów będzie warunkowana hydrofobowym charakterem nasyconych połączeń węglowodorowych, znajdujących się w polimeroasfalcie, natomiast determinantą termo- i dźwiękochłonności wyrobu będzie układ koloidalny głównego składnika i jego zdolność do rozpraszania energii.
Dr inż. Paweł Mieczkowski
Politechnika Szczecińska
Literatura:
[1] Saechtling H.: Tworzywa sztuczne. Poradnik. WNT, Warszawa 2000.
[2] Szlezyngier W.: Tworzywa sztuczne. T. I, Wydawnictwo Oświatowe FOSZE, Rzeszów 1998.
[2] Praca zbiorowa: Materiały i wyroby budowlane. Arkady, Warszawa 2005.
