קצף פוליאורתן קשיח ושימושיו בבנייה

קצף פוליאורתן קשיח ושימושיו בבנייה

מאמר לפירסום בעיתון "מבנים"

אייל קצנשטיין, סמנכ"ל מפעלי פוליאורטן

דר' משה פוטרמן, יועץ מקצועי

פוליאורתן הוא ללא ספק מהחומרים הפלסטיים השימושיים ביותר בחיינו.  בגלל הרבגוניות הרבה שלו, אנו פוגשים אותו בכל אשר נפנה: חומר סופג אנרגיה בפגושי מכוניות, רכיבים גמישים עם סקין (הגה מכונית, משענת יד לכיסא, משענת ראש לג'קוזי), ספוג גמיש ויסקואלסטי ("עם זיכרון") לריפוד, סוליות נעליים, אלסטומר סופג אנרגיה בקפיצים,  אריזות למוצרים רגישים, חלקי משחק אלסטיים לפעוטות, חומר בידוד ועוד יישומים רבים שהיריעה קצרה מלפרטם.

ראשיתו של הפוליאורתן בגרמניה בתחילתה של המאה הקודמת, שם הוא פותח על ידי הכימאי (ממוצא יהודי, אם זה חשוב) אוטו באייר  ( Otto von Bayer). עם השנים הפך המפעל הכימי הנושא את שמו –  BAYER  –  והממוקם היום בעיר לוורקוזן למפעל המוביל בעולם בתחום הפוליאורתנים, ובכלל לאחד מענקי הכימיה שעיסוקיו בפלסטיקה, תרופות (…אספירין), צרכי צילום (…אגפא) ועוד. רבים מכירים בוודאי את קבוצת הכדורגל של הקונצרן, באייר לוורקוזן, אשר הוקמה במקור לרווחת העובדים.

גם בארץ החלה הפעילות המסחרית בתחום הפוליאורתן ומוצריו כבר בשנות השישים של המאה הקודמת כאשר התעשיין היינץ קצנשטיין ז"ל ובנו יובל הקימו את מפעל "פוליאורטן בע"מ" במפרץ חיפה, שם הוא נמצא עד היום ומוביל את שוק הפוליאורטן במדינת ישראל ובסביבת הייצוא הקרובה. במפעל, היושב על שטח של 10,000 מ"ר, עוסקים בכל הקשור לפוליאורטן: ·         פיתוח וייצור חומרי גלם למגוון אדיר של תעשיות ויישומים ·         ייצור מוצרים מפוליאורטן כולל ליווי וייעוץ משלב הרעיון. ·         ייצור תיקון ואחזקת מכונות פוליאורטן ליציקה ולמריחת דבק ·         שיווק, תיקון ואחזקת מכונות להתזת פוליאורטן ·         תמיכה טכנית בייצור באמצעות צוות טכני רחב ומיומן ·         פיתוח ושיווק חומרים נלווים לייצור (כגון צבעים, חומרי הפרדה וחומרי ניקוי) ·         ייצור בקבוקי פוליאורטן חד-קומפוננטים, לוחות פוליאורטן מוכנים לשימוש   לקבלת "טעימה" ממגוון האפשרויות האינסופי הטמון בפוליאורטן, אנא הסתכלו בסדרות החומרים השונות באתר החברה בדף חומרי גלם-סיסטם. לפרטים נוספים אנא פנו למשרדים בטלפון 04-8410186.

יתרונו הגדול והמעניין של הפוליאורתן הוא באפשרות לייצר ממנו מוצרים תעשייתיים מדויקים

במפעל כמו גם האפשרות להתיזו כחומר גלם באתר ולקבל את המוצר הנדרש in situ . בניגוד לדעה הרווחת שהפוליאורתן הוא קצף קשיח לבידוד בלבד יש לציין כי הוא נמצא בשימוש גם כחומר קומפקטי (כלומר לא כקצף) וגם כחומר גמיש.  השליטה בתכונות הללו (מידת הקצפה, אם בכלל וקושי) כמו גם ברבות אחרות, נתונות בידי כימאי המפעל כפי שיורחב להלן.

מהו הפוליאורתן

ככלל הפוליאורתן הינו חומר פולימרי תרמוסטי דו קומפוננטי, תוצר תגובה של שני מרכיבים נוזליים, איזוציאנט ופוליאול, שבעת התגובה הכימית ביניהם יוצרים חומר מצולב שהוא לרוב כבר בחזקת המוצר הסופי ואינו בר עיבוד יותר.

הפוליאורתן הבסיסי מבוסס על תגובת דחיסה (condensation)  כימית בין

            איזוציאנט                                                         O=C=N-R-N=C=O

            פוליאול                                                             H – O – R’ – O – H

ליצירת הפוליאורתן                                             – NH-R-NH-CO-NH-R’-NH-CO-

כאשר הסימולים R ו- R' מסמלים שיירים אורגניים שונים ומגוונים המקנים בעצם לפולימר במידה רבה את תכונותיו כרצוננו. התאור לעיל הינו כאמור תאור בסיסי ביותר. במרבית המקרים אחד המרכיבים, ולעיתים שניהם, הוא כבר לאחר ראקציה ראשונית בצורת קדם (פרה-) פולימר בעל משקל מולקולרי גבוה.

תמונה מספר 1: פוליאול (מימין) ואיזוציאנט.  

(הפוליאול הינו לרוב בעל גוון בהיר ואילו האיזוציאנט הינו לרב בעל גוון חום עקב החנקן שבו). 

אף שכאמור הפוליאורתן הינו מוצר דו רכיבי נהוג להבחין בין שני סוגי תוצרים :

• פוליאורתן דו קומפוננטי, כפי שהוסבר ופורט לעיל
• פוליאורתן "חד קומפוננטי" שבו המרכיב האיזוציאנטי מגיב עם מולקולות מים (דהיינו עם מי הלחות שבאוויר) תוך יצירת הפולימר ותוך פליטת גז דו-תחמוצת הפחמן (₂CO ). פליטת בועות הגז גם גורמת להקצפה עצמית של המוצר תוך יצירת קצף פולימרי.

תמונה מספר 2: יישום של פוליאורטן חד קומפוננטי באריזת לחץ (אירוסול) למילוי חללים ומישקים. משמש גם לקיבוע משקופים, לבידוד שטחים קטנים, איטום וכו'.

הבחנה נוספת שכדאי להיות מודעים לה היא בין פוליאורתן ארומטי ופוליאורתן אליפטי.

רוב השימוש בפוליאורטן נעשה בפוליאורטן ארומטי שהוא תוצר של איזוציאנט ארומטי ועל כן נתייחס אליו בלבד. להלן דוגמא למבנהו הכימי של איזוציאנט ארומטי מקובל:

חומר נוסף ממשפחת הפוליאורתנים שכדאי להכירו הוא הפוליאיזוציאנורט שהינו מוצר דחיסה בעל מבנה טבעתי כפי שניתן לראות בנוסחא שלהלן:

עיקר יתרונותיו של הפוליאיזוציאנורט הוא בעמידות המשופרת באש, תוצאה של המבנה הטבעתי היציב יותר ועל כן הוא משמש בעיקר בתחום הבניה, כאשר דרישות בטיחות האש עולות על הנדרש מקצפים פולימריים סטנדרטיים.

עקב העובדה שמוצרי הפוליאורתן הינם תוצר תגובה של שני מרכיבים ושכל אחד מהמרכיבים יכול להיות בעל מבנה שונה הרי מגוון הפוליאורתנים הוא כמעט בלתי מוגבל וזאת בהתאם ל-:

• סוג האיזוציאנט ומבנהו הכימי
• סוג הפוליאול או תערובת הפוליאולים
• משקל המולקולרי של הפרה-פולימר המשמש לריאקציה
• לדרגת הצילוב המוסגת
• מידת ההקצפה והצפיפות
• התוספים וחומרי המילוי המשמשים בייצור.

הקצפת הפוליאורתן

אחת מתכונותיו העיקריות והחשובות של הפוליאורתן היא ביכולת להקציף אותו תוך תהליך הפילמור לקבלת קצפים קשיחים או גמישים, וזאת גם במפעל וגם באתר.

עיקר חשיבותם של קצפי הפוליאורתן הקשיחים  הם כחומרי בידוד תרמי  מעולים (ועל כן משמשים לבידוד של בתי קירור, מכולות קירור, מקררים, צידניות, דוודי חימום מים, קולטי שמש ועוד),  ואילו של אלה הגמישים  – כחומרי ריפוד ושיכוך אנרגיה.

תמונה מספר 3: יישום פוליאורטן מוקצף לבידוד על גג מבנה באמצעות מכונת התזה. יישום זה מבטיח שכבת בידוד רציפה ללא גשרי קור לקבלת אפקט בידוד מקסימלי.

הקצפת הפוליאורתן נעשית לרב תוך שימוש במוספים מתפיחים (blowing agents  ( היוצרים גז תוך כדי תהליך הפילמור והמיצוק של הפוליאורתן. לפני שנים רבות היה מקובל להשתמש להתפחה בפחמימנים על בסיס פלור-כלור שכידוע עתה פוגעים בשכבת האוזון שבאטמוספירה ומהווים בשל כך בעייה אקולוגית חמורה. בשנים האחרונות נמנעים מלהשתמש חומרים אלה ובמקומם משתמשים בתחליפים על בסיס פחמימנים שאינם מכילים פלור או כלור.

להלן הסבר גרפי לתהליך ההקצפה  :

                   איור מספר 1 (מקור: Bayer)

יש לציין כי הקצפים הקשיחים בנויים בעיקר מתאים סגורים (ולכן מתאימים להיות חומרי בידוד) ואילו הקצפים הגמישים בנויים בעיקרם מתאים פתוחים המחוברים זה לזה.

תכונות קצפי הפוליאורתן הקשיח   

כאמור השימוש העיקרי של קצפי הפוליאורתן הוא לצורכי בידוד תרמי, הן כלוחות חרושתיים והן כחומר להתזה באתר ישירות על גבי הקיר או הגג הנדרשים לבידוד.

התקן הישראלי 1229 חלק 1 מגדיר את תכונות הקצף הפוליאורתני ודרישותיו מהוות דוגמא נאותה לתכונות חומר בידוד שכזה.  התקן מתייחס לשתי רמות של הקצפה על פי חוזק הלחיצה המאפיין את הקצף, 100 ק"פס 0.1 MPa)  ) ו- 150 ק"פס (0.15MPa ).

טבלה מס' 1 מסכמת את תכונות שני סוגי הקצף הללו (כמינימום נדרש).

            טבלה מס' 1: תכונות נדרשות מלוחות פוליאורתן מוקצפים  (ע"פ ת"י 1229 חלק 1)

יש לשים לב כי גם שיטת יישום החומר עשויה לתרום משמעותית ליכולת הבידוד והיא אינה באה לידי ביטוי בטבלה הנ"ל. התזת פוליאורטן מאפשרת כיסוי אחיד של פני השטח ללא גשרים תרמיים הנוצרים בשימוש בלוחות, ובכך מביאה לפער גדול משמעותית בבידוד דה פקטו המתקבל בשטח.

מובן כי חוזק הלחיצה של קצף פוליאורתני תלוי במידה רבה בצפיפותו, כפי שניתן לראות בגרף שבאיור מס' 2.

איור מס' 2 :  חוזק בלחיצה של קצפי פוליאורטן ביחס לצפיפותם (מקור: חוברת יישומי פוליאורטן בענף הבניה, פוליאורטן בע"מ).

מתוך התכונות המרוכזות בטבלה מס' 1 ניתן לראות כי אחת תכונות האופיניות והבולטות של קצף פליאורתני הוא מקדם ההולכה התרמית הנמוך שלו וכפועל יוצא מכך כושר הבידוד התרמי המעולה של החומר. ואמנם השוואה של התכונות התרמיות (החישוביות) של חומרי בנייה שונים לבידוד תרמי, כפי שהיא מופיעה בטבלה מס' 2 שלהלן (מתוך התקן הישראלי לבידוד תרמי של מבנים, ת"י 1045) מראה כי לקצף הפוליאורתן תכונות הבידוד הטובות ביותר בין חומרי הבנייה השונים המקובלים למטרת הבידוד התרמי והמוליכות התרמית שלו היא בסדר גודל של 0.030 ווט למ' ל- °C (רק לקצף הפנולפורמאלדהיד שהשימוש בו לא מקובל עקב הסיכון הבריאותי שבו מוליכות טרמית נמוכה במידת מה).
טבלה מס' 2 : תכונות תרמיות של חומרי בניה שונים לפי ת"י 1045

בפועל ניתן להגיע בקצפי הפוליאורתן לערכי מוליכות תרמית נמוכות אף יותר, כפי שנמצא בבדיקה שנעשתה במעבדות BAYER בגרמניה כמפורט להלן:

                        החומר                            צפיפות                       מוליכות טרמית

                                                            (ק"ג למ"ק)                    (W/m·°C)

             קצף פוליאורתן                               36                           0.018

             פוליאתילן מוקצף מצולב                 48                            0.034

             פוליסטירן מוקצף                            17                          0.036

             פוליסטירן מושחל מוקצף                29                           0.026           

 (התעודה המקורית מצויה בידי המחבר א.ק. וניתנת לעיון בכל עת)    

איור מס' 3 מראה בצורה גרפית את תכונות ההולכה התרמית של מספר חומרי בידוד מקובלים וביניהם קצפי הפוליאורתן.

            איור מס' 3 : תכונות תרמיות של חומרי בידוד מקובלים (מקור: Bayer)

לקצפי הפוליאורתן תכונה חשובה נוספת העושה אותם לברי חשיבות ותועלת רבה למטרות יחודיות של בידוד טרמי והיא עמידותם ותיפקודם בתנאי טמפרטורה רחבים. הפוליאורתן הוא כזכור קצף תרמוסטי שאינו משנה את צורתו גם בטמפרטורות גבוהות יחסית בניגוד לקצפים פולימריים תרמופלסטיים שמתעוותים כבר בטמפרטורות של  C°100 ואף פחות. לכן ניתן להשתמש בקצפי הפוליאורתן גם באזורים ובמערכות בהם עלול להתפתח חום רב וטמפרטורות גבוהות. איור מס' 4  מראה גרפית את תחומי הטמפרטורה בהם הפוליאורתן ממשיך לתפקד מבלי לאבד את כשר הבידוד התרמי שלו. על פי הגרף לא נפגע כשר הבידוד של  הפוליאורתן גם בטמפרטורה של כ- °C250 לפרקי זמן קצרים, ובטמפרטורות של עד כ-C °90 לפרקי זמן ממושכים.

קצפים ייעודיים מתאימים גם לשימוש בטמפרטורות נמוכות ואף קריאוגניות (-160^OC).

            איור מס' 4 :    גרף תחום הטמפרטורות השימושיות (מקור: Bayer).

כושר הבידוד של קצפים פולימריים תלוי במידת מה גם בספיגת המים אל תוך תאי הקצף. עקב העובדה שאחוז התאים הסגורים בפוליאורתן הוא גבוה מאד, ספיגת המים שלו נמוכה ואינה פוגעת בכשר הבידוד התרמי. ספיגות המים הינה גם פונקציה של צפיפות החומר: ככל שהצפיפות גבוהה יותר ספיגות המים נמוכה יותר.

כושר הבידוד התרמי המעולה של קצפי הפוליאורתן והאפשרות להתיז את החומר באתר עושה אותו למתאים ונוח לבידוד קירות, רצפות וגגות במבנים. התזת פוליאורטן מאפשרת כיסוי אחיד של פני השטח ללא גשרים תרמיים (הנמצאים בשימוש בלוחות ויריעות), ובכך מתקבל אפקט בידוד בשטח הגדל משמעותית מזה הנראה על פי נתוני מוליכות החום של החומר לכשלעצמו.

איורים  מס'  5 ו- 6 מראים דוגמאות לשימוש במערכות אלה לבידוד של קירות חוץ עם מעטפת גימור של טיח וקירות חוץ עם מעטפת אבן קשיחה, בהתאמה.

איור מס' 5 : סכימת התזה חיצונית על מעטפת קירות חוץ עם גימור טיח

איור מס' 6 : סכימת התזה חיצונית על מעטפת קירות חוץ עם חיפוי אבן

שימוש מקובל נוסף של קצפי הפוליאורתן הוא כרכיב הליבה באלמנטי  "סנדביץ" לבנייה.  יתרונם של הפאנלים הוא בשילוב של מספר תכונות שימושיות חשובות: כושר בידוד מעולה, עמידות לאורך שנים, משקל נמוך וחוזק גבוה ובעיקר, היכולת לבנות בצורה מהירה ופשוטה. שילוב התכונות הללו הוא שעומד בבסיס השימוש המאסיבי ברכיבים הללו בבתי קירור ובבניה קלה ומהירה.   איור מס' 7 מראה פנלים מתועשים של אלמנטי סנדביץ' ואת הרכבתם המהירה על גבי קונסטרוקצית מתכת.

תמונה מס' 4 :  פנלים לבנייה הכוללים רכיב ליבה של קצף פוליאורתן והרכבתם (מקור: Bayer וקטלוג מפעלי ישראל לבידוד)

אחת מהתכונות הרלוונטיות ביותר לקצפים פולימריים המשמשים לבידוד תרמי בבנייה היא סיווג בטיחות האש שלהם. כידוע, חומרים פולימריים אורגניים הינם בחזקת חומרים דליקים והשימוש בהם בבנייה, כמו גם בשאר החומרים הדליקים, מבוקר על ידי התקן הישראלי ת"י 921. לנושא חשוב זה יוקדש מאמר שלם שיפורסם בהמשך למאמר זה באחד הגליונות הקרובים של "מבנים".