книги из ГПНТБ / Павлов В.А. Пенополистирол

Сжатии изменяется от 5 до 45 ктс/м2 при увеличении кажущейся плотности пенополистирола от 15до 90 кг/м3, при трении пенополистирола наблюдается более высо­ кая пластическая деформация, чем при трении обычного полистирола І3. В процессе трения пенополистирол обте­ кает микроиеровности поверхности скольжения и факти­ ческая площадь касания определяется главным образом упругими свойствами пенополистирола, модуль упру­ гости которого в 104 раз меньше, чем металла. Зави­ симость коэффициента трения пенополистирола по ста­ ли от давления при различных скоростях скольжения 62

представлена на рис. ІѴ.40. Графики построены по точ­ кам, каждая из которых представляет собой средний результат трех измерений. Во всех случаях зависимость коэффициента трения от величины, обратной давлению, имеет вид прямой:

А

Р —в + р

140

Значения констант А и В, рассчитанные но методу наименьших квадратов для различных скоростей сколь­ жения62, приведены в табл. IV. 18. Коэффициент корре­ ляции зависимости р, = f(P), определенный для различ­ ных скоростей скольжения, колеблется от 0,965 до 0,990. что подтверждает правильность предполагаемой зависи­ мости коэффициента трения от нормального давления.

Для оценки вероятности гипотезы о прямолинейном за­ коне связи коэффициента трения и обратной величины нормального давления вычислен 62 показатель достовер­ ности, при оценке которого подтвердилась с вероятно­ стью 0,999 принятая гипотеза.

Увеличение коэффициента трения с ростом давления объясняется62 тем, что при упругом контакте двух тел площадь фактического контакта пропорциональна на­ грузке и зависит от жесткости контактирующих тел и геометрии поверхностей, причем в области малых на­ грузок коэффициент трения интенсивно увеличивается, а затем изменяется незначительно.

Из рис. IV.40 видно, что в исследованном диапазоне скоростей коэффициент трения увеличивается с ростом скорости скольжения. Зависимость., коэффициента тре­ ния от скорости скольжения в значительной степени обус­ ловлена температурой поверхностей трения и представ­ ляет собой по существу зависимость коэффициента тре­ ния от температуры поверхностей трения.

Из-за низкой теплопроводности пенополистирола теп­ ло, генерируемое при трении, не успевает отводиться с поверхности в объем материала и рассеиваться в окру­ жающую среду, а вызывает разогрев тонкого поверхно­ стного слоя материала. Увеличение скорости скольжения приводит к возрастанию количества тепла, генерируемо­

141

го в единицу времени, что обусловливает повышение температуры на поверхности трения. При этом увели­ чивается фактическая площадь контакта, а следователь­ но и коэффициент трения.

На рис. IV.41 приведена зависимость коэффициента трения пенополистирола от давления при различных температурах. Из рисунка видно, что стабилизация ко­ эффициента трения происходит при высоких температу­ рах раньше, чем при низких. С ростом нагрузки коэффи­ циент трения возрастает, стремясь к определенному пределу для каждой температуры, который обусловлен

не превосходит 0,15. Это объясняется тем, что с повыше­ нием температуры выше температуры стеклования пено­ полистирола резко изменяются механические свойства полимера: падает прочность, возрастает относительное удлинение и т. д., что вызывает значительное уменьше­ ние удельной силы трения. Уменьшение удельной силы трения может быть столь велико, что увеличение факти­ ческой площади контакта с ростом температуры не при­ водит к увеличению силы трения. Это необходимо учи­ тывать при расчетах режимов формования пенопласта непрерывным методом.

Рассмотрение зависимостей коэффициента трения от температуры и от скорости скольжения позволяет сде­ лать вывод, что с ростом температуры значения коэффи­ циента трения пенополистирола проходят через макси­ мум. Действительно, в исследованном интервале скорос­ тей температура поверхности трения (обусловленная ско­ ростью скольжения) образца, температура которого не превышает 20 °С, не достигает, по-'видимому, температу­ ры стеклования полимера и поэтому удельная сила тре­ ния остается практически неизменной, а увеличение ко­ эффициента трения происходит в результате увеличения фактической площади контакта. При нагревании образ­ ца до температуры, превышающей температуру стекло­ вания, материал размягчается и при этом, как было отме­ чено выше, из-за большого влияния удельной силы тре­ ния коэффицинет трения уменьшается с ростом темпе­ ратуры.

142

Теплофизические свойства пенополистирола

Одним из основных свойств пенополистирола являет­ ся его теплостойкость. Критерием теплостойкости пено­ полистирола служит формоустойчивость, характеризую­ щая поведение материала при повышенных температу­ рах. Условно за характеристику теплостойкости пенопо­ листирола принимают температуру, при которой линей­ ная усадка материала не превышает 1 %•

На теплостойкость пенополистирола и его рабочую температуру влияет природа газообразователя. Пенопо­ листирол ПС-1, изготовляемый с помощью органических газообразователей, оказывающих пластифицирующее действие на полимер, имеет рабочую температуру 65 °С, а рабочая температура пенополистирола ПС-4, изготов­ ляемого с использованием минеральных газообразовате­ лей, равна 70°С. Применение для получения пеноплас­ тов хлорпроизводных стирола позволяет повысить их теплостойкость 3.

Развитие во времени усадки пенополистирола носит) затухающий характер3 (рис. ІѴ.42). На усадку заметно'^ влияют влажность окружающей среды64 (рис. ІѴ.43) и ■ температура. При повышении температуры испытаний усадка возрастает по параболическому закону.

Теплостойкость пенополистирола может быть опреде­ лена по методике, предусматривающей кратковременные температурные воздействия на материал в интервале температур 60—200 °С и длительные воздействия в ин­

143

тервале температур 70—90 °С. Критерием теплостойко­ сти в этом случае служит объемная усадка пенополисти­ рола, определяемая по формуле:

ѵ„ — V

'

где і>о — первоначальный объем пенополистирола, см3; ѵ — объем пенополистирола после тепловой обработки, см3.

При кратковременном (в течение 30 мин) нагревании пенополистирола до 100°С почти не происходит объем­ ной усадки; при дальнейшем повышении температуры объемная усадка резко возрастает, а при 180—200 °С образцы плавятся.

При применении пенополистирола в строительных конструкциях важно знать стойкость пенополистирола при длительных температурных воздействиях в различ­ ных условиях 13. Ниже приведены данные об объемной усадке пенополистирола, подвергнутого длительной термообработке сухим горячим воздухом и паром и 90 °С:

Результаты циклических испытаний пенополистирола ПСБ (попеременное охлаждение до —30 °С и нагрева­ ние до -50°С) показали, что в этом случае происходит линейная усадка материала.

Изменение линейных размеров образцов пенополи­ стирола при температурах 0—50 °С характеризуется ко­ эффициентом термического линейного расширения а. Снижение формоустойчивости пенополистирола при по­ вышенных температурах (рис. ІѴ.44) в ряде случаев за­ трудняет определение коэффициента температурного ли­ нейного расширения. Поэтому для пенополистирола зна­ чения коэффициента с* носят приближенный характер3.

144

Рис. IV.44. Температурные деформации пенополистирола ПСБ кажущейся плотности 50 кг/м3.

Значения а в интервале температур 0—50 °С для пено­ полистирола ПСБ в зависимости от числа циклов испы­ таний (нагревание — охлаждение) представлены ниже:

Приближенные значения а рассчитывают исходя из допущения, что деформация прямо пропорциональна из­ менению температуры. В этом случае а определяют по формуле:

(в мм) при разности температур, равной А Т .

Ниже приведены значения коэффициента термическо­ го линейного расширения пенополистирола и различных конструкционных материалов:

20—40

(поперек

слоев)

145

В табл. IV. 19 приведены значения коэффициентов ли­ нейного термического расширения пенополистирола раз­ личных марок при 30—60 °С.

Т а б л и ц а IV. 19. Значения коэффициента линейного термического расширения пенополистирола

при различных температурах

Важным свойством пенополистирола является его ог­ нестойкость. Критерием огнестойкости служит потеря массы образцами после действия огня. Определение ог­ нестойкости пенополистирола проводят по стандартному для всех теплоизоляционных материалов методу «огне­ вой трубы», а также калориметрическим методом. Ме­ тод «огневой трубы» основан на определении продолжи­ тельности самостоятельного горения и потери массы образца. По калориметрическому методу горючесть пе­ нополистирола определяется из отношения количества тепла, выделенного в процессе горения образца, к мини­ мальному количеству тепла, необходимому для возгора­ ния материала. Результаты испытания огнестойкости пенополистирола представлены в табл. IV.20.

Пенополистирол загорается быстро и сгорает полно­ стью. Продолжительность горения возрастает с увеличе-

Т а б л и ц а IV .20. Огнестойкость пенополистирола

146

нием кажущейся плотности. При горении наблюдается каплеобразование и значительное выделение дыма. Самозатухающий пенополистирол ПСБ-с не загорается от пламени спички и электрических искр.

К числу теплофизических свойств пенополистирола относится также морозостойкость, определяемая спо­ собностью материала, насыщенного водой, сохранять свои свойства после многократного замораживания и от­ таивания. Заполняющая поры пенопластов вода при за­ мерзании увеличивается в объеме и оказывает давление на стенки пор. Способность последних не,разрушаясь противостоять давлению и характеризует морозостой­ кость.

Морозостойкость пенопластов определяют при цикли­ ческих испытаниях (25 циклов): образцы замораживают­ ся при минус 17—20 °С и оттаивают при 15—18 °С. По­ казателем морозостойкости пенопластов является отно­ шение прочности при 10%-ном сжатии после испытания к исходной — коэффициент морозостойкости. Одновре­ менно определяют водопоглощение пенопластов после оттаивания. Результаты определения морозостойкости пенополистирола различных марок представлены в табл. IV.21.

Данные, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что прочность пенополистирола ПСБ после испыта­ ния почти не уменьшается, а прочность пенополистирола марок ПС-4 и ПС-1 после испытания снижается пример-* но на 13—15%. С увеличением числа циклов заморажи­ вания и оттаивания водопоглощение всех пенопластов увеличивается.

Все пенопласты, в том числе и пенополистирол, бла­ годаря их малой кажущейся плотности и высокой порис­ тости можно отнести к теплоизоляционным материалам. Показатели теплофизических свойств пенополистирола в несколько раз превышают показатели других широко применяемых теплоизоляционных материалов.

Теплопроводность пенопластов зависит от химическо­ го состава, а также от количества, размера и располо­ жения пор. Коэффициент теплопроводности пенопластов определяется при стационарном тепловом режиме при разности температур 10 °С (табл. ІѴ.22).

Теплопроводность пенополистирола снижается с уменьшением кажущейся плотности. Вследствие этого в

147

148

Т а б л и ц а IV .22. Значения коэффициента теплопроводности

* Температура испытания 20° С.

стационарном тепловом процессе, где теплоизоляцион­ ные свойства определяются в основном коэффициентом теплопроводности X, выгоднее использовать материалы с низкой кажущейся плотностью 3. Однако следует учи­ тывать, что существует оптимальное значение кажущей­ ся плотности, выше и ниже которого коэффициент тепло­ проводности увеличивается3' 71. При р= 20—40 кг/м3 X примерно постоянен, а при кажущейся плотности менее 20 кг/м3 наблюдается увеличение коэффициента тепло­ проводности (рис. ІѴ.45). Это объясняется возрастаю-

149