2.2.6 Vrste izolativnih materialov
Stiropor (EPS) je pred dobrimi 50 leti izumila nemška tovarna BASF. Kratica EPS pomeni ekspandiran polistiren, ki je bolj znan kot stiropor. To je lahek izolacijski material izdelan iz drobnih kroglic polistirena, ki med postopkom izdelave povečajo prostornino (ekspandirajo) za 40-50 krat. Postopek proizvodnje se nadaljuje tako da se v blok formi kroglice stiroporjah pod pritiskom pare »zlepijo« in zavzamejo obliko forme. Takšen blok se mora posušiti ter je tako pripravljen za razrez v plošče in nadaljnje pakiranje. Stiropor je zdravstveno neoporečen, saj ne vsebuje nobenih primesi. Stiropor je odličen toplotni in zvočni izolator saj vsebuje 98% zraka, ujetega v zaprto celično strukturo. Danes stiropor velja za najbolj razširjeno obliko izolacije na zgradbah. Odlikujejo ga odlično toplotno izolativne lastnosti ter nižja cena v primerjavi z drugimi izolacijami. Prav tako pa stiropor odlično duši udarni zvok v plavajočih podih. Odporen je na vlago, saj se v vodi ne razkraja, zelo malo vlage pa vpije tudi, ko je popolnoma potopljen. Nekatere vrste stiroporja so paropropustne, obstojne in zelo prilagodljive. Lahko se izdela v poljubni velikosti in obliki. Stiropor je kemično nevtralen
material, brez vonja, prenaša temperature do 75°C in na ognju razpada. Glavne tehnične lastnosti, ki opredeljujejo osnovne lastnosti stiroporja so [9]:
• CS (tlačna trdnost),
• BS (upogibna trdnost),
• TR (natezna trdnost),
• DS (dimenzijska stabilnost),
• 𝜆 (toplotna prevodnost).
Stirodur, je podobno kot stiropor iz polistirena, le da je ekstrudiran. To pomeni, da je bolj kompakten, gost. Tako je primeren za izolacijo površin, ki so pod takim ali drugačnim pritiskom. Tako se v praksi uporablja za hidroizolacijo temeljev objektov, za izolacijo pohodnih površin (estrihov) še posebej pa je primeren za izolacijo ravne strehe. Tako kot stiropor uporabljamo tudi stirodur za različne namene, kot embalažo , v vsakdanjem življenju in seveda v gradbeništvu. V gradbeništvu, je tako znan kot dobrer toplotno izolacijski material, saj ima edinstveno življenjsko dobo in obstojnost. Stirodur imenujemo tudi “ekstrudirani polistiren ” ali na kratko XPS. Stiropor nastane s postopkom polimerizacije, z ekstrudiranjem stirena , brez dodajanja plina. Pri tem se stirenu doda dodatke, ki jih dozirajo v posebni stiskalnici in pri visoki temperaturi . Tako nastane veriga polistirena, izredno trdega in trpežnega polimera.
Stiropor lahko oblikujemo tudi v različne izdelke [10].
Izolacija iz mineralnih vlaken, kamor sodita kamena in steklena volna, je že desetletja najpogostejša izbira graditeljev, saj ima dobre toplotno izolativne in druge lastnosti. Primerna je za izolacijo in vgradnjo v vse dele stavbe, ki morajo biti izolirani. Kamena in steklena volna se razlikujeta po glavni surovini, načinu izdelave in tudi nekaterih mehanskih in fizikalnih lastnostih. Obe vrsti volne je mogoče dobiti v različnih oblikah, dimenzijah in gostotah, kar jima zagotavlja specifične lastnosti, ki določajo njuno uporabnost. V gradbeništvu namreč velja, da se najboljši učinki dosežejo, če se na pravo mesto vgradi pravi material. Zato v nadaljevanju natančneje predstavljamo izdelavo, lastnosti in uporabnost obeh vrst mineralne volne. Glavna surovina za proizvodnjo kamene in steklene volne so mineralne kamnine, vendar različne. Obema materialoma je skupno tudi to, da sta sestavljena iz majhnih vlaken različnih dolžin, podobne so tudi njune toplotnoizolativne lastnosti, poleg tega sta oba negorljiva, po zdaj dostopnih raziskavah pa sta oba tudi zdravju neškodljiva. To so zadostni razlogi, da ju manj poučeni graditelji med seboj ne ločijo. Vendar je med njima kar nekaj razlik [10].
Kamena volna: Osnovna surovina za proizvodnjo kamene volne sta kamnini bazalt in diabaz, ki se jima v procesu taljenja dodaja koks. Končni izdelek vsebuje še veziva, ki mu dajejo trdnost, ter protiprašno in vodoodbojno emulzijo. Poleg tega pa mu za doseganje kemičnih in tehnoloških lastnosti, med katerimi je zelo pomembna biotopnost vlaken, dodajajo še različne druge dodatke. Proces proizvodnje se začne v kupolni peči, kjer talijo kamnine pri temperaturi 1600 ˚C. V naslednjem koraku talino razvlaknijo in ji medtem dodajajo vezivo ter druge dodatke. Potem vlakna zbirajo na neskončnem traku in oblikujejo primarno plast kamene volne.
To plast pozneje še utrjujejo, na koncu pa kameno volno razrežejo in pakirajo v različne dimenzije. Vsa vlakna kamene volne, ne glede na njeno obliko, gostoto ali dimenzijo, so podobne dolžine ali krajša kot pri stekleni volni. Pri tem pa igra morda najpomembnejšo vlogo gostota, ki določa različne mehanske lastnosti končnega izdelka in s tem tudi primernost njene vgradnje kot izolacijskega materiala v različnih delih stavbe. Gostota vpliva tudi na toplotno prevodnost materiala, požarno odpornost in zvočno zaščito. Pri tem pa velja, da mehanska in požarna odpornost linearno rasteta z večjo gostoto. To pomeni, da je za izolacijo predelov, na katerih bo kamena volna tudi po vgradnji izpostavljena mehanskim obremenitvam, treba izbrati tisto z večjo gostoto. Za toplotno prevodnost kamene volne pa velja, da je pri manjši gostoti višja, potem z večanjem gostote pada in na neki točki ponovno narašča. Najnižjo toplotno prevodnost ima pri gostoti od 50 in 80 kg/m3. Pri večjih gostotah začne toplotna prevodnost ponovno naraščati. Kamena volna je zelo dober toplotni izolator, saj je vrednost toplotne prevodnosti med 0,035 in 0,040 W/m·K. Kameni volni dodajajo emulzijo, s katero prevlečejo vlakna, tako da so vodoodbojna. To pomeni, da vlakna ne vpijajo vode oziroma se ne navlažijo.
Voda pa lahko vdre v prazne prostore med vlakna. Takrat se njena toplotna prevodnost poveča.
Zato je treba kameno volno pravilno skladiščiti, transportirati in kar je najpomembneje, pravilno vgraditi. To pomeni, da ni primerna za izolacijo prostorov s konstrukcijami, za katere je ves čas značilna visoka prisotnost vlage ali celo vode. Kamena volna je negorljiva, temperatura tališča vlaken pa je nad 1000 ˚C. Zato je primerna tudi za vgradnjo tam, kjer se zahteva visoka požarna varnost. Kameno volno izdelujejo v različnih oblikah, dimenzijah in gostotah. S tem posamezni izdelki dobijo zelo specifične lastnosti, ki jih zahtevajo različne možnosti njene uporabe.
Kamena volna je primerna za izolacijo prav vseh delov stavbe. Tako se jo uporablja za izolacijo ravnih in poševnih streh, votlih predelnih sten, podov in zunanjih sten kot del fasadnega sistema. Za manj zahtevna izolacijska dela, kot je izoliranje strehe med špirovci, lahko uporabimo volno z manjšo gostoto, medtem ko so za izolacijo fasade primerne plošče, ki imajo večjo trdnost. Prav za izolacijo fasad izdelujejo kameno volno v obliki lamel, pri katerih smer vlaken v materialu omogoča debelejšo izolacijo in enostavnejšo vgradnjo kot pri klasični vzdolžni smeri vlaken. Kako debelo izolacijo izbrati, je odvisno od mesta, ki ga želimo izolirati, in toplotne zaščite, ki jo želimo doseči. Okvirno veljajo standardi, ki predpisujejo debeline, vendar proizvajalci svetujejo, da se pred odločitvijo graditelji posvetujejo s projektanti in proizvajalci in šele potem izberejo za posamezen primer najustreznejšo debelino in tudi gostoto izolacije in tip izolacije [11].
Steklena volna: Glavni surovini, iz katerih izdelujejo stekleno volno, sta kremenčev pesek in reciklirano steklo. V procesu proizvodnje dodajo vezivo in različne dodatke, ki na primer zagotavljajo vodoodbojnost vlaken in njihovo biološko razgradljivost. Najprej pripravijo zmes, ki jo talijo v plinski ali električni peči. Talino potem vlivajo v rotorje. V naslednjem koraku oblikujejo vlakna, ki so pri stekleni volni bolj elastična in nekajkrat daljša od vlaken kamene volne. Vlakna se potem združujejo z utrjevanjem veziva med njimi. Na koncu sledita še razrez in pakiranje. Elastičnost vlaken omogoča večjo stisljivost volne, zato lahko pakirajo več volne
z manjšim volumnom rol. To pa pomeni tudi manjšo prostornino volne med transportom in skladiščenjem ter manjšo težo. Tudi pri stekleni volni toplotno prevodnost, ki je med 0,045 in 0,032 W/m·K, določa njena gostota. Izdelki z manjšo gostoto imajo praviloma slabšo oziroma višjo toplotno prevodnost, z večjo gostoto pa toplotna prevodnost pada. Za različne namene vgradnje izdelujejo stekleno volno z gostoto od 10 do 100 kg/m3. Druge lastnosti, ki jih izpostavljajo proizvajalci, pa so še negorljivost, saj je steklena volna tako kot kamena uvrščena v razred A1. Vlakna pa imajo tališče pri temperaturi 550 ˚C. Steklena volna je tudi dober zvočni izolator, zaradi dodatkov pa je dolgotrajno odporna na vpijanje vode. Zelo pomembno je tudi, da so njena vlakna topna v telesnih tekočinah, torej so biorazgradljiva, in zato tako kot kamena volna, po doslej znanih podatkih, ne ogroža zdravje ljudi. Stekleno volno izdelujejo v obliki rol ali plošč. Mehkejši izdelki v obliki rol so primernejši za toplotno in zvočno izolacijo poševnih streh, najpogosteje pa jo vgrajujejo v votle suhomontažne predelne stene, primerna pa je tudi za izolacijo stropov. V obliki plošč pa se pogosto uporablja za izolacijo plavajočih podov, kjer ni neposredno izpostavljena mehanskim obremenitvam, in za izolacijo prezračevanih in obzidanih fasad. Prednost, ki jo izpostavlja pred kameno volno, je, da je ni treba natančno odmerjati in rezati, ker zaradi enostavne vgradnje ne ostajajo prazna oziroma nezapolnjena mesta, ki bi lahko predstavljala toplotne mostove. Po uporabi, ko staro stekleno ali kameno volno zamenjamo z novo izolacijo, jo lahko zavržemo na lokalno deponijo gradbenega materiala. Če jo shranimo v primernih vrečah, pa jo lahko odložimo tudi poleg gospodinjskih odpadkov. Ker je biološko razgradljiva, po navedbah proizvajalcev ne ogroža okolja.
Opozarjajo pa, da je treba pri odstranjevanju več let vgrajene volne poskrbeti za zaščito rok in oči, ne bo pa odveč, če si dihalne poti zaščitimo s preprostimi zaščitnimi maskami. Obstaja namreč možnost, da se bo stara volna nekoliko bolj prašila kot nova, poleg tega pa jo pri odstranjevanju pogosto trgamo oziroma lomimo, pri tem pa se sprošča več prašnih delcev, kot pri vgradnji nove [11].
2.3 Metode merjenja toplotnih lastnosti
Za merjenje toplotnih lastnosti materialov uporabljamo več tehnik. Te se delijo na stacionarne in nestacionarne. S stacionarnimi metodami merimo toplotne lastnosti pri konstantnem temperaturnem gradientu, pri nestacionarnih metodah se temperaturni gradient s časom spreminja. Neke univerzalne metode trenutno še ni, zato je izbira metode odvisna od samega materiala, njegovih toplotnih lastnosti, agregatnega stanja, temperaturnega področja in oblike.
Ena izmed tehnik, ki je najbolj primerna za merjenje toplotnih lastnosti izolativnih materialov je metoda z varovano grelno ploščo - Guarded-Hot-Plate method (GHP). V našem primeru za merjenje toplotnih lastnosti izolativnih materialov pri gradnji nove stanovanjske hiše, pa smo uporabili nestacionarno metodo imenovano metoda tranzientnega toplotnega vira (TPS) [12].
2.3.1 Naprava za merjenje z varovano grelno ploščo
Z metodo varovane grelne plošče se vzorec materiala z ene strani segreje z električno ogrevano ploščo. Izhodna toplota (= stopnja toplotnega pretoka) ustreza električni moči, ki se dovaja v ogrevanje. Grelna plošča je vdelana v vdolbino kovinske plošče (imenovane zaščita), ki je ločeno kaljena na enako temperaturo kot grelna plošča. V večini primerov se temperatura varovala nadzoruje s sistemom za kroženje tople vode. Spodnja stran vzorca je pogosto tudi nadzorovana s temperaturo z vodo, vendar z nižjo temperaturo [13].
Slika 5: Zasnova merilne naprave za določanje toplotne prevodnosti po metodi varovane