книги из ГПНТБ / Павлов В.А. Пенополистирол

родную мрнодисперенуго структуру. Вследствие различ­ ной кратности расширения гранул ячеистая структура по объему пенопласта является полидисперсной, диа­ метры ячеек и толщина их стенок различны. Неодно­ родность, полидиісперсность ячеистой структуры за­ трудняют определение зависимости между кажущейся плотностью и структурой пенопластов. Для получения срезов с однородной ячеистой структурой6 образцы пе­ нополистирола вырезают из плит таким образом, чтобы каждый срез представлял собой часть только одной гра­ нулы. Подсчет количества ячеек проводили6 с помощью микроскопа МБИ-6. Одновременно определяли кажу­ щуюся плотность образцов путем взвешивания, а также измеряли с точностью до 0,01 мм размеры срезов.

Кажущаяся платность, г/см3

Как видно из экспериментальных данных6 (рис. ІѴ.З), кажущаяся плотность коррелирует со средним диаметром ячеек пенопластов. Эта зависимость имеет гиперболический характер. Для установления анали­ тической зависимости кажущейся плотности от парамет­ ров ячеистой структуры пенополистирола использова­ ли 6 геометрические модели структуры. Если предста­ вить структуру пенополистирола состоящей из совокуп­ ности сферических ячеек диаметром d, которые распо­ ложены по углам кубической решетки, то при толщине стенки ячейки, равной б, массу полимерной основы в одной ячейке можно представить уравнением:

где ро — плотность полимерной основы пенополистирола.

Число ячеек п в каком-либо кубическом объеме со стороной b будет равно п — (b/d)3. Масса полимерной

90

основы в этом объеме равняется:

Поскольку величина рассматриваемого объема V = Ь3, кажущаяся плотность пенополистирола будет равняться:

Пренебрегая величиной б3, получаем выражение для определения кажущейся плотности:

При допущении, что б = const, выражение (1) позво­ ляет аппроксимировать зависимость кажущейся плот­ ности пенополистирола от среднего диаметра ячеек лишь на небольших отрезках изменения кажущейся плотности пенополистирола. При кажущейся плотности пено­ пласта ПСБ до 0,045 г/см3 отклонения расчетных дан­ ных от экспериментальных составляют 22—28% (откло­ нения подсчитывали, исходя из максимальной разности ординат расчетной кривой и наиболее удаленной от нее но вертикали экспериментальной точки).

При установлении зависимости кажущейся плот­ ности от среднего диаметра ячеек в широком интервале кажущейся плотности пенополистирола необходимо учитывать толщину стенок ячеек. Вычисление толщины стенок ячеек показало, что в интервале кажущейся плотности 0,015—0,135 г/см3 зависимость толщины сте­ нок ячеек от кажущейся плотности пенопластов носит приближенно линейный характер и может быть описана выражением:

где бкр — критическая (минимальная) толщина стенки ячейки, при которой еще возможно образование данной ячеистой структуры пенопласта; а — константа.

Коэффициент корреляции зависимости толщины стенки ячейки от кажущейся плотности для пенопласта ПСБ равняется 0,62.

Подставляя выражение (2) в уравнение (1) и при­ равнивая dKp = 3td5Kp 6о> получаем уравнение, выражаю­

S1

щее зависимость кажущейся плотности от параметров ячеек пенопласта:

Для различных видов пенопластов параметры ячеек имеют определенные значения, соответствующие ста­ бильности ячеистых структур. Для каждого пенопласта можно написать неравенство dKp ^ d ^ dM, где <ДР и du —■минимальный и максимальный критические диа­ метры ячеек. Ниже приведены параметры ячеек бесстрес­ совых полистнрольных пенопластов ПСБ и ПСБ-с:

Максимальные .отклонения экспериментальных дан­ ных от расчетных зависят от кажущейся плотности пе­ нопласта. При кажущейся плотности пенопласта 0,020 ± 0,005 г/см3 эти отклонения составляют 15—25%, а при 0,090 ± 0,005 г/см3 — 9%.

Использование для расчетов других геометрических моделей ячеистой структуры приводит к получению уравнений, подобных (1) и (3), и практически не вносит ничего существенно нового в описание зависи­ мости кажущейся плотности пенопласта от параметров ячеистой структуры.

Определение кажущейся плотности пенополистирола заключается в измерении объема и массы образца пра­ вильной геометрической формы и расчете массы мате­ риала, приходящейся на единицу объема. Для опреде­ ления кажущейся плотности применяют образцы в форме куба с ребром 30 мм.

В зависимости от соотношения твердой и газовой фаз в единице объема материала показатель кажущей­

количества газообразователя или вспенивающего аген­ та. После того как кажущаяся плотность достигнет предельного минимального значения, увеличение коли­ чества газообразователя в исходной композиции сверх оптимального не приводит к дальнейшему ее поннже-

92

нию3 (;рис. IV.4). Например, по существующей техно­ логии невозможно изготовлять пенопласт ПС-1 с кажу­ щейся плотностью менее 0,05 г/см3 даже при увеличении содержания газообразователя в композиции до 8—10%, что обусловливается пластифицирующим действием продуктов разложения газообразователя.

. Кажущаяся плотность пенополистирола в объеме из­ делий может колебаться. Наиболее заметны эти коле­ бания по высоте плит и блоков (рис. IV.5). Так, напри­ мер, средняя кажущаяся плотность плит из пенополи­ стирола марки ПС-4 составляет 0,040—0,045, а внутрен­ них слоев не. превышает 0,030—0,035 г/ем3. Это объясняется главным образом технологическими причи­ нами3. Так, при быстром нагревании заготовок плит пенополистирола ПС-4 минеральный газообразователь может разложиться раньше, чем пенополистирол пере­ ходит в вязкотекучее состояние по всей толщине заго­ товки.

При определении кажущейся плотности и других ха­ рактеристик пенополистирола наблюдается повышенное рассеяние экспериментальных данных, которое обуслов­ лено спецификой структуры этих материалов. Статисти­ ческие методы позволяют определять показатели свойств при помощи доверительных интервалов, оцени­ вать зоны рассеяния и устанавливать вид и параметры функции их распределения9“12. Методика статистиче-

позиции.

93

ской обработки результатов испытаний пенопластов при­ ведена в работе8.

Ниже приведены некоторые данные по статистической обработке результатов исследования кажущейся плот­ ности пенополистирола. Так, у пенопластов ПСБ и ПС-4

Рис. IV.6. Гистограмма и плотность распределения ка­ жущейся плотности пено­ полистирола ПСБ.

наблюдается изменение кажущейся плотности по тол­ щине. Наличие уплотненны* слоев приводит к значи­ тельному рассеиванию кажущейся плотности. Рассеяние зависит от формы образцов, причем меньшее рассеяние наблюдается на образцах в форме куба. Использование брусков приводит к увеличению параметров рассеяния. Например, для групп партий пенопласта ПС-1 коэффи­ циент изменяемости кажущейся плотности для образцовкубиков равен 3,1%, для брусков — 3,9%. Как видно из гистограммы и плотности распределения экспери­ ментальных данных для пенополистирола ПСБ, сведен­ ных в интервалы группирования, распределение являет­ ся однородным, достаточно похожим на нормальное (рис. IV.6).

Физико-химические свойства пенополистирола

_Онень ценным свойством пенополистирола является его стойкость к действию влаги. Это особенно важно при ишол’ьзовани-и пенополистирола в строительных конструкциях. К свойствам, связанным с действием влаги, относятся водопоглощение, -гигроскопичность, паропроніицаемость, водостойкость, стойкость при перемен­ ном увлажнении и высушивании. Поведение пенополи­ стирола при взаимодействии с влагой зависит главным образом от его структуры. Наилучшими свойствами об*

94

ладает пенополистирол с замкнутыми порами и ячей­ ками, а иаихуД'Шими — с открытыми, сообщающимися порами. Не менее_важнь™ фактором является кажущая­ ся плотность пенополистирола. Большое значение имеет и соблюден«е_параметров технологических . операций. Так7~недостаточное спекание гранул при формировании пенополистирола ПСБ-с обусловливает образование межгранульных пустот и пор, »следствие чего увеличи­ вается водопоглощение этого пенопласта.

Водопоглощение. Данные по влаго- и водопоглощениго пенополистирола ]’3>13-19 представлены в табл. ІѴ.2 и ІѴ.З.

С уменьшением кажущейся плотности водопоглоще­ ние пенопластов возрастает главным образом из-за на­ рушения равномерности структуры я увеличения разме­ ров ячеек1. Водопоглощение полистирольного пено­ пласта кажущейся плотности 20—25 кг/м3 в 4—6 раз больше, чем водопоглощение материала кажущейся плотности 60 кг/м3. На рис. ІѴ.7 приведена зависимость

95

Т а б л и ц а IV.3. Влаго- и вОдогіоглощеНие пенополистирола при кратковременном увлажнении

водопоглощения от кажущейся плотности пенополисти­ рола ПСБ и ПС-1.

',s ho

Водопоглощение пенополистирола зависит и от про­ должительности увлажнения (рис. IV.8). После увлаж­ нения пенополистирола кажущейся плотности 20— 40 кг/м3 в течение года водопоглощение возрастает в 2—3 раза. При длительном увлажнении образцов пено­ полистирола изменяются и их размеры. У пенополисти­ рола ПСБ изменение размеров не превышает 0,25%.

Были проведены исследования по определению влия­ ния пористости на водопоглощение пенополистиролаІ0. Несмотря на то, что пенопласты, полученные по разной технологии, обладают почти одинаковой кажущейся плотностью, их пористость различна, что и обусловли­ вает различное водопоглощение (табл. ІѴ.4). Данные

96

Рис. IV.9. Зависимость водопоглощения от содержания открытых пор в пенополистироле.

Водопоглощение пенопластов зависит и от размера гранул, из которых они получены (табл. IV.5). С умень­ шением размера гранул снижается количество закрытых пор в пенополистироле, что обусловливает увеличение водопоглощения.

Т а б л и ц а IV.4. Влияние технологии изготовления пенополистирола на его водопоглощение

Водостойкость пенополистирола характеризуется снижением прочности при сжатии после выдержки в воде. Данные, приведенные в табл. IV.6, показывают, что Пенополистирол является водостойким материалом. Наибольшая потеря прочности наблюдается у жестких полгастирольных поропластов марки ПС-1. Наиболее стойкими к действию влаги являются пенопласты ПСБ.

»Гигроскопичность материала характеризует степень его увлажнения парами воздуха. Этот показатель очень

* Отношение прочности образца после выдержки в воден исходной.

важен при исследовании эксплуатационных свойств пе­ нополистирола. Данные о гигроскопичности13 беспрессовош и (прессового пенополистирола различных марок представлены на рис. IV. 10 и ІѴ.11. Беспрессовый пено-

98

полистирол несмотря на небольшую кажущуюся плот­ ность обладает пониженной гигроскопичностью: до 5% при кажущейся плотности 20 кг/м3 и до 2% при кажу­ щейся 'плотности 30 кг/м3. Гигроскопичность иенополи- ■стирола марок ПС-1 и ПС-4 зависит от кажущейся плотности в большей сте­ пени: при уменьшении кажущейся плотности пе­ нополистирола ПС-4 ги­ гроскопичность резко воз­ растает.

Стойкость к циклическому увлажнению. Стойкость пенополистирола к циклическому увлажнению опреде­ ляют13 как отношение прочности при 10%-ном сжатии после 25 циклов испытания к исходной прочности при 10%-ном сжатии. Каждый цикл включает увлажнение в течение 3 ч и высушивание в течение 3 ч. Это отноше­ ние обычно составляет 0,6—1,2.

Динамика поглощения я выделения влаги бесстрес­ совым пенополистиролом показана на рис. IV.12. Как видно,-водопоглощение достигает наибольшего значения в первые циклы испытания, а дальше растет незначи­ тельно. Выделение поглощенной влаги в первые циклы испытания примерно в 2 раза меньше водопоглощения.