Она и в гаражах, и на кухне, и в машинах, и на лодках. О ней написаны книги. Что за чрезвычайно полезный продукт? Это – клейкая лента, возможности которой обширны. Но нам важно понять, как можно использовать ее основную функцию при герметизации воздуховодов.
Работа над проектом началась в середине 90х, когда коммунальные службы Калифорнии, обеспокоенные множеством сообщений о случаях, связанных с нарушением герметичности воздуховодов в условиях эксплуатации, обратились в лабораторию Беркли с просьбой разработать методы тестирования, которые бы позволяли оценивать долговечность герметиков. Они понимали, что герметизация мест утечки воздуха в воздуховодах – мера, оправдывающая затраты по экономии энергии и обеспечению нормального распространения воздуха по всему зданию.
В этой статье мы подводим итоги нашего исследования и предлагаем описания некоторых испытаний.
В Национальной лаборатории Лоуренса Беркли прочность и долговечность герметиков изучалась более 10 лет. В результате мы ожидали получить хорошие показатели для различных герметизирующих материалов. Но то, что мы обнаружили, удивило нас. Большинство из них (мастики, широкий ассортимент ленточных продуктов с акриловой или бутиловой клейкой основой и аэрозольные герметики) выдержали испытания без каких-либо значительных изменений. Единственной, не прошедшей тест, оказалась лента на тканевой основе с каучуковой клейкой массой (причем, в некоторых случаях она значительно разрушилась).
Как и многие строительные материалы, герметики воздуховодов классифицированы лабораторией UL по технике безопасности с применением стандартов UL 181B. Требования, изложенные в них, используются многими компетентными органами. В начале наших испытаниях немногие клейкие ленты соответствовали им, а те, что тестировались на долговечность герметизации, показали практически те же результаты, что и не отнесенные к какому-либо классу ленты.
Нам пришлось сосредоточить свои усилия на улучшении методик тестирования и попытках найти ответ на вопрос, почему клейкая лента смогла пройти тесты UL 181B, но, тем не менее, столь недолговечна в широком использовании. Для решения этой проблемы мы провели несколько дополнительных исследований.
Предыстория
Лаборатория UL разработала стандарты для герметиков, используемых для жестких и гибких воздуховодов и воздушных соединителей: UL 181A и UL 181B соответственно. Хотя они и похожи, но наиболее подходящим для нас оказался UL 181В, так как он применяется к системам гибких воздуховодов, смонтированных на месте эксплуатации, и только к лентам для соединения их внутреннего цилиндра с муфтой при одновременном использовании хомута с целью механической поддержки соединения. (Во многих строительных нормах приводятся ссылки на стандарт UL для герметиков без указания ограничений применения в данных типах соединений.) Стандарт распространяется и на клейкие ленты, чувствительные к давлению (UL 181B-FX), мастики (UL 181 B-M) и крепление (UL 181B-C).
 |
| Рис. 1. Соединения муфты с вентиляционной камерой с отставшим ленточным герметиком, и ряд опытных образцов соединения муфты с вентиляционной камерой, использованных в ходе испытаний |
Совет по воздушной диффузии (ADC) разработал стандарты, содержащие рекомендации для установки систем воздуховодов с использованием двойной обмотки клейкой лентой и хомута для механического соединения поверх стыка внутренней части гибких воздуховодов с муфтой.
С клейкими лентами, чувствительными к давлению, было проведено 6 тестов: проверка прочности на разрыв, на отслаивание под углом 180°, на сдвиг, открытое сжигание, образование плесени в связи с влажностью и температуру. Хотя все они направлены на проверку важных аспектов эффективности герметиков, но вряд ли могут предложить адекватное решение проблемы прочности. Например, согласно требованиям теста “прочность на сдвиг”, клейкая лента должна выдерживать точно определенный груз, не отделяясь и не смещаясь более чем на 3,2 мм в течение суток.
|
||
| Рис. 2. Опытный образец соединения внутреннего цилиндра с муфтой, иллюстрирующий два соединения лентой и нейлоновыми хомутами |
Стандарты UL 18IB и ADC были ориентированы на соединения внутреннего цилиндра с муфтой. Опыты показали, что источником утечки воздуха являются сложные соединения муфты с вентиляционной камерой. Кроме того, для обоих типов соединений обычно используется один и тот же способ герметизации (например, лента). Таким образом, при оценке пригодности герметиков важно иметь в виду все возможные применения.
Методика тестирования в лаборатории Беркли была основана на типичных методах ускоренного старения и долговечности, когда опытные образцы изделия изготавливаются стандартным образом, а затем подвергаются строго контролируемым экстремальным рабочим температурам и давлению, которые наблюдаются в системах жилых зданий. Это означает, что на герметики непрерывно воздействуют горячим и холодным воздухом и перепадами давления, которые возможны в реальных условиях их эксплуатации. Температуры, которыми пользовались мы, были значительно ниже (27°С) тех, что допускаются в системах воздухопроводов техническими условиями. На наш взгляд, маловероятно, что они могут эксплуатироваться непрерывно при перепадах температур и давления. Из-за различий во взглядах на экстремальные воздействия, результаты наших тестов вряд ли могли применяться для определения долговечности герметиков в обычных условиях эксплуатации.
В ходе эксперимента мы использовали две методики тестирования: (1) тест на долговечность, в ходе которого герметики оценивались непосредственно в соединениях воздуховодов и (2) тест на отверждение при нагревании, характеризующий герметики, изготовленные из пробных материалов, используемых в системах воздуховодов. Последний похож на испытание при высоких температурах, используемое для стандартов UL 181B-FX, в то время как первый не имеет аналогов среди тестов UL. С использованием этих методик было протестировано сто сорок образцов. Испытания прошли тридцать три герметизирующих материала, 12 из которых перечислены в стандартах UL 181A, 181B-FX или 181B-M.
С помощью теста на долговечность оценивалось шесть видов герметиков: (1) лента с виниловой или полиэтиленовой основой, армированной волокнами и клейкой массой на основе каучука (обычная клейкая лента); (2) полипропиленовая лента с клейкой массой на акриловой основе; (3) лента на основе фольги с клейкой массой на акриловой основе; (4) лента с основой из фольги и толстым слоем клейкой массы на бутиловой основе; (5) мастика, как клеящее вещество, при высыхании превращающееся в полутвердую массу, и (6) аэрозольные герметики, клейкие виниловые полимеры, вдуваемые внутрь систем воздуховодов.
|
||
| Рис. 3. Справа и слева изображены образцы, установленные в диа гностическом оборудовании |
Для тестирования использовались два наиболее распространенных типа соединений, применяемых в большинстве систем воздуховодов: соединение внутреннего цилиндра с муфтой и соединение муфты с вентиляционной камерой, которое типично для рукава воздуховода, раздаточной коробки, приточной вентиляции или штрека с исходящей вентиляционной струей (рис.1). Это соединение представляет наибольшую сложность для герметизации с помощью клейкой ленты, так как места утечки, которые необходимо закрыть, находятся не в параллельной плоскости. Ленту нужно складывать, чтобы она подходила к соединению. Круглая муфта подстыковывается к плоскому куску металла с помощью комплекта гибких перемычек, закрепленных винтами для листового металла, чтобы механически поддерживать ее на месте. Промежутки между перемычками образуют отверстия размером от 3 до 6 мм , которые являются местами значительной утечки воздуха. Для этого типа соединения были оценены все виды герметиков.
Соединение внутреннего цилиндра с муфтой состоит из круглой муфты диаметром 6 дюймов, расположенной внутри цилиндра гибкого воздуховода (рис. 2). Каждый образец – внутренний цилиндр и два соединения муфты: по одному на каждом конце. Одна из муфт с открытым концом для соединения с вентиляционной камерой, через которую поступает горячий воздух. Другая – с торцевой заглушкой, которая была загерметизирована изнутри с помощью мастики. Для механической поддержки соединений большинства образцов использовался нейлоновый хомут. Мы тестировали также соединения без использования хомутов, чтобы проверить, оказывает ли такое крепление влияние на эффективность герметизации. Для соединения внутреннего цилиндра и муфты оценивались только ленты.
|
||
| Рис. 4а. Расплавление и просачивание клеящего вещества Рис. 4b. Пленка исчезла, клеящее вещество сохранилось |
Методика тестирования на долговечность
Тестирование осуществлялось с помощью прибора, который поддерживал давление в загерметизированных соединениях (рис.3). Температура поверхности каждого образца, температура воздуха и давление в местах утечки непрерывно проверялись с помощью системы данных, которая контролировала и температуру в приборе.
Измерения утечки воздуха для образцов соединения муфты с вентиляционной камерой проводились периодически (еженедельно или ежемесячно) путем удаления их из тестирующего прибора и измерения напора воздушной струи. Повреждения регистрировались лишь в том случае, если утечка превышала силу напора (которая фиксировалась перед установкой) воздушной струи в условиях герметизации на 10%.
 |
| Рис. 5. Просачивание клеящего вещества по краям ленты |
Для соединений внутреннего цилиндра и муфты надежного способа измерения утечки воздуха найдено не было, так как гибкий воздухопровод неплотно стыкуется с соединительной частью. Кроме того, гибкость внутреннего цилиндра и то, каким образом он соединен с муфтой из листового металла, оказывали большое влияние на объем утечки. Поэтому повреждения определялись по совокупности изменений в характере утечки, а также путем контроля внешних признаков герметиков, для чего использовались критерии: высыхание и затвердевание клейкой массы, усадка основы ленты, ее расслаивание (основа – волокно-клейкая масса) и отслаивание от образца.
Результаты теста на долговечность
Как мы уже отмечали, среди образцов соединения муфты с вентиляционной камерой не прошла тест только лента на тканевой основе с клейкой массой на основе каучука. Тем не менее, временной диапазон разрушения этого типа ленты был широким: некоторые разрушились через несколько дней, другие – несколько недель (рис.4).
Эти разрушения были вызваны рядом факторов. У некоторых отмечалось разрушение клеевого соединения: клейкая масса вытекала из места герметизации или затвердевала и становилась хрупкой, что могло привести к катастрофическим последствиям, так как лента полностью отслаивалась от образца, оставляя слой клейкой массы на соединении. Расслоение было распространенным в основном из-за того, что усадка основы была больше, чем усадка клейкой массы или армирующей решетки. Например, один образец разрушился прежде, чем был установлен в тестирующий прибор. Он был подготовлен к тестированию и помещен на стенд в лаборатории на неделю – лента отслоилась от соединения, пытаясь вернуться в первоначальную форму.
 |
| Рис. 6. Произошло значительное ухудшение внешнего вида пленки из полиуретана с открытыми порами, но при этом пленка все еще обеспечивает хорошее герметическое уплотнение на стыке внутренней части воздуховода с муфтой |
Результаты тестирования также показали, что высокие температуры приводят к разрушению герметика. Образцы, которые были подвергнуты чередующимся (горячим/холодным) температурам не разрушались дольше, чем те, которые только нагревали. Образцы, которые охлаждали не постоянно, тоже разрушались (это относится и к клейкой ленте). Совокупность высокой температуры и разницы давления привела к более быстрому их разрушению, чем при воздействии только высокой температуры (это относится и к термически обработанным образцам). Это связано с тем, что если клейкая масса при высоких температурах разрушается, то при перепадах давления герметик смещается.
Результаты измерений утечки для соединений внутреннего цилиндра с муфтой не показали систематического увеличения ее объема за два года тестирования, катастрофических разрушений не наблюдалось и в предыдущих исследованиях. Для нескольких образцов объем утечки уменьшился. Визуальный осмотр показал, что это, возможно, связано с тем, что под воздействием высоких температур клейкое вещество начинает течь и герметизирует небольшие трещинки и места утечки (рис. 5). Среди незначительных повреждений были замечены – обесцвечивание, сморщивание и просачивание. К значительным можно отнести усадку, отслаивание, расслаивание и растрескивание (рис. 6).
Как и контроль по внешним признакам в тесте UL 18IB, эти оценки субъективны, но они служат для относительной классификации каждого типа ленты. Наблюдения показали, что полипропиленовая лента разрушилась сильнее, в то время как лента с основой из фольги и клейкой массой на основе бутила получила самые незначительные повреждения. Полипропиленовая лента, практически распавшись, все-таки сохраняла свои герметизирующие свойства. Это говорит о том, что она служит не для механического соединения, а только для герметизации пространства между муфтой и гибким воздуховодом.
Разрушение хомута
Одним из неожиданных результатов тестирования стало разрушение нейлоновых хомутов. Их обесцвечивание было замечено в первый месяц, а уже через четыре разрушился первый хомут. Нами использовались два вида нейлоновых хомутов, и оба показали один и тот же результат – хрупкое разрушение. Обычно это происходило в месте наибольшего механического давления, там, где хомут проходит через храповой механизм. Разрушение хомута – серьезная проблема, так как механическое соединение впоследствии поддерживалось только герметиками, которые могли выйти из строя даже из-за незначительного механического давления, что в свою очередь привело бы к распаду соединений воздуховода.
Для хомутов использовались материалы, применяемые обычно при эксплуатации и имеющие неизвестный диапазон рабочих температур. По сведениям от производителей, существуют и другие материалы. К ним можно отнести термостабилизированный найлон 6/6 для непрерывного воздействия температуры свыше 85 0 С и TEFZEL для еще более высоких температур, которые, возможно, увеличили бы долговечность хомутов. Но пока, в качестве альтернативы, мы можем рекомендовать только металлические хомуты, потому что они не разрушаются даже при самых высоких температурных колебаниях.
Пересмотр стандарта UL 181B
В 2003 г . стандарт UL 181B был пересмотрен для включения новых тестов для креплений, включая хомуты. Изделия, прошедшие их, должны были маркироваться UL 181B-C. Среди нововведений были тесты на проверку прочности на разрыв, прочности при натяжении (оценка механической целостности соединения), распространение дыма, теплообразование, образование плесени, утечку воздуха и старение при низких и высоких температурах.
При оценке долговечности хомуты нагревали до 100 0 С в течении 60 дней. На прочность на разрыв их испытывали до и после 60 дней, при этом они должны были сохранить 75% от первоначальных показателей. Этот тест не проводится при высоких температурах. Хомуты подготавливали в течение 48 часов при температуре 23 0 С и 50% относительной влажности перед экспериментом, который проводился при некоторой неопределенной температуре. Другими словами, их эффективность при повышенной температуре не оценивалась. При этом воздействие высокой температуры на свойства материала – это предмет изучения лаборатории UL.
Хотя новые тесты являются серьезным шагом вперед, но они нуждаются в некоторых исправлениях прежде, чем станут показателями эффективности хомутов.
Хомуты не тестировались в случае, если наблюдалось хрупкое разрушение при сгибании. Нам неизвестно, большую или меньшую прочность на разрыв они показывают по мере того, как становятся хрупкими. Хотя многие эластичные материалы демонстрируют при этом большую прочность. Кроме того, хомуты не подвергались какой-либо нагрузке на отверждение при нагревании. В реальных условиях эксплуатации они находятся под воздействием тепла и нагрузки одновременно. Без дополнительного тестирования мы не можем сказать, является ли это показателем, но, полагаем, что является.
Тестирование на долговечность проводилось в течение только 60 дней. В ходе исследований в лаборатории Беркли ни один хомут не разрушился за это время, которое кажется нам недостаточным. Принимая во внимание относительно произвольную природу критерия ограничения времени, лаборатории UL следует устанавливать такие временные рамки, которые помогут выявить различия между приемлемой и неприемлемой эффективностью.
Методика тестирования на отверждение при нагревании
В нашем тесте на отвежрдение, который является эквивалентом методики тестирования на отверждение при нагревании UL 181B-FX, герметики подвергались воздействию только высоких температур.
Образцы для теста подготавливались двумя способами: некоторые были теми же, что и для тестов на утечку, другие оценивали прилипаемость ленты к основе, а не к соединению воздуховодов. Это соответствует методике теста UL 181В для герметиков.
Результаты теста на отверждение при нагревании
Еженедельный контроль за внешними признаками в период тестирования показал, что образцы ленты на основе фольги со слоем бутиловой клейкой массы были повреждены меньше, а полипропиленовая лента была разрушена больше и, таким образом, не прошла тест.
Ухудшения по внешним признакам вряд ли являются показателями долговечности герметика при эксплуатации. Например, некоторые ленты, не пройдя тестирование по внешним признакам, эффективно работали в тестах на долговечность. Механически прочные основы других проходили различные виды визуального контроля, но проваливались во время более сложных тестов.
Выводы и рекомендации
Результаты нашего исследования показали, что для поддержания длительной прочности воздуховодов, нужно внимательно выбирать герметики. Ленты на тканевой основе с клейким резиновым веществом самые проблематичные из всех обычно используемых. Это было признано и Энергетическими нормами штата Калифорния (Раздел 24). Следовательно, вы можете хранить ленту с серой тканевой основой с каучуковой клейкой массой в ящике для инструментов или рюкзаке, но если вам действительно нужно средство для герметизации воздуховода на долгое время, стоит подумать о чем-то отличном от старой доброй клейкой ленты.
Хотя клейкие ленты обычно ухудшаются по внешним признакам, визуально это не всегда ведет к чрезмерной утечке. Так как тесты UL неполно рассматривают вопрос долговечности герметиков, мы рекомендуем дополнительно использовать стандарт Американского общества по испытанию материалов ASTM E2342-03 “Standard Test Method for Durability Testing of Duct Sealants” (“Стандартный метод испытаний для тестирования герметиков воздуховодов на долговечность”), который включает методики, подобные тем, что применялись в наших исследованиях.
Нейлоновые хомуты не прошли тестирования, но их систематического изучения и не проводилось. Лаборатория UL предложила для них новые стандарты, но протокол для текущего теста не предлагает его в качестве показателя долговечности. До тех пор, пока не появится подходящий тест, мы рекомендуем использовать только жаропрочные нейлоновые или металлические хомуты.
Об авторах:
Йен Волкер, доктор философии, член Американского общества инженеров по системам отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха;
Макс Шерман, доктор философии, старший научный сотрудник Отделения эколого-энергетических технологий Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Калифорния).
