Современные полимерные теплоизоляционные материалы. Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство

1.2.2.Получение газонаполненных полимеров

спомощью вспенивания полимерной матрицы

Многотоннажное производство пенополиэтилена, пенополипропилена, пенополвинилхлорида и пенополистирола основано на применении в качестве газообразователей минеральных и органических твердых веществ, которые врезультате термического разложения выделяют газообразные продукты. Указанные газообразователи должны отвечать следующим критериям:

––температура их разложения должна быть близка ктемпературе плавления вспениваемого полимера и находиться в области температур переработки использованного полимера;

––термическое разложение газообразователей должно происходить в узком интервале температур, а скорость образования газа должна быть достаточно высокой ирегулироваться температурой и давлением;

––выделяющийся газ должен быть инертным; ––твердые продукты разложения газообразователей не должны влиять на технологиче-

ские и эксплуатационные свойства получаемых пенопластов, не окрашивать их и не вызывать коррозию технологического оборудования, кроме того, они должны быть нетоксичными и не иметь запаха;

––разложение газообразователей не должно сопровождаться выделением значительного количества тепла во избежание инициирования термической деструкции полимера;

––газообразователь должен хорошо диспергироваться в полимере, а образующийся при этом газ должен обладать низкой растворимостью в полимерной матрице;

––газообразователь должен быть устойчивым при его длительном хранении итранспортировке, иметь низкую стоимость.

Критериямипривыборегазообразователяприполучениигазонаполненныхполимеровявляются:

––газовое число — количество газа (мл/г или см3/г), выделяющегося при разложении газообразователя в единицу времени (1 мин) при температуре максимального газообразования (обычно газовое число равно 100–200 см3/г вещества);

––температура начала интенсивного разложения твердых газообразователей и температура кипения жидких газообразователей;

––температурный интервал интенсивного разложения или испарения газообразователей; ––скорость газообразования и давление, создаваемое образовавшимся газом.

В качестве минеральных газообразователей чаще всего используют карбонаты и гидрокарбонаты аммония или натрия. Термическое разложение карбоната и гидрокарбоната аммония происходит соответственно при температуре 30–40 и 60 и сопровождается выделением аммиака и СО2:

(NH4)2CO3 ↔ 2NH3↑ + CO2↑ + H2O;

(NH4)HCO3 ↔ NH3↑ + CO2↑ + H2O.

Высокая скорость разложения указанных соединений приводит кполучению пенопластов с крупноячеистой структурой. Недостатком карбоната аммония является его низкая стабильность при длительном хранении и транспортировке. Менее активными газообразователями являются карбонаты и гидрокарбонаты натрия, которые разлагаются при температуре выше 100 по следующей схеме:

Na2CO3 ↔ Na2O + CO2↑;

2NaHCO3 ↔ Na2CO3 + CO2↑ + H2O.

С учетом особенностей разложения (NH4)2CO3 и NaHCO3 для вспенивания некоторых марок ПВХ используют практически смесь карбоната аммония (12 мас. частей) и гидрокарбона-

11

та натрия (8 мас. частей) на 100 мас. частей ПВХ. Указанная смесь не слишком быстро разлагается, что позволяет получать пПВХ с равномерной мелкоячеистой структурой.

К достоинствам минеральных газообразователей относятся их доступность и невысокая стоимость, они неоказывают пластифицирующего действия на полимерную матрицу инезначительно повышают теплостойкость полимерных пен. В тоже время указанные газообразователи плохо совмещаются с полимерами и имеют низкую температуру разложения, которая значительно ниже температуры размягчения термопластичных полимеров.

В качестве органических газообразователей широко используют азосоединения: R – N = N – R, N-нитрозосоединения: R – N(NO) – R, сульфогидразиты: R – SO2NHNH2, производные мочевины: R – NH – CO – NH – R, азиды кислот: R – CON3 и другие соединения. В производстве пенопластов чаще всего используют азосоединеия — азодикарбонамид, производимый под торговой маркой «ЧХЗ-21». Температура разложения «ЧХЗ-21» находится в интервале температур от 190 до 240 , а его газовое число равно 230–270 мл/г. В присутствии катализаторов разложения порофора газовое число возрастает до 430 мл/г. Термическое разложение указанного порофора, в зависимости от условий технологического процесса производства пенопластов, может протекать по одному из двух механизмов:

Образовавшиеся мочевина в первом случае и гидразокорбоксамид в дальнейшем подвергаются дополнительным превращениям. Органические порофоры применяют при производстве теплоизоляционных изделий на основе полиолефинов, ПВУ, полиамидов, полисилоксанов,полиэпоксидовидругихполимеров.Посравнениюсминеральнымигазообразователями, органические порофоры хорошо совмещаются с полимерной композицией и разлагаются необратимо, а температура их пиролиза близка к температуре переработки используемых полимеров. Однако органические порофоры обладают более высокой стоимостью и могут изменять цвет полимерной матрицы, а твердые продукты их термического разложения могут оказывать пластифицирующее действие на полимерную матрицу, снижая ее теплостойкость.

Процесс пенообразования полимеров, содержащих химические или физические газообразователи, протекает через несколько непрерывных стадий: газообразные соединения, образующиеся при термическом разложении газообразователей или при испарении легкокипящих жидкостей, в начале растворяются в вязкой полимерной матрице с образованием насыщенного, а затем перенасыщенного раствора. После этого наблюдается зарождение газовой фазы с последующим ростом газовых пузырьков. Интенсивное возникновение зародышей газовой фазыпривспениванииполимернойкомпозициинаблюдаетсяприналичиинуклезиатов,являющихсяцентрамиадсорбциимолекулрастворногогазаиростагазовыхпузырьков.Нуклезиатамивыступаюттвердыечастицы(техническийуглерод,сульфаткальция,диоксидыкремния или титана, каолин и алюминиевая пудра), мелкие пузырьки газа, вводимые извне при пере - мешивании исходной композиции, капли не растворившейся жидкости, поверхность мешалки и т.п. Так, например, при производстве пенополиэтилена используют тонкодисперсные по- рошкиметаллов,априполучениипенополистирола—СаСО3 сразмером частиц менее 5мкм.

В качестве физических газообразователей, используемых при производстве ППУ, пенополиизоциануратов(ПИР),резольныхпенофенопластов(ПФР)иэпоксидныхпенопластов,пенопластовнаосновеполиолефинов,ПВХиполистиролаприменяютлегкокипящиеорганические соединения — алифатические (бутан, пентан, И-пентан, гексан), циклические (циклопентан, циклопентен, метилциклопентен) иароматические (бензол, толуол, ксилол) углеводороды, галогенсодержащие углеводороды (метиленхлорид, дихлорэтан, трихлорфторметан CCl3F (фре- он-11), дихлордифторметан CCl2F2 (фреон-12) или хлортрифторметан (фреон-13), а также низкокипящие спирты, простые эфиры и кетоны.

12

Указанные газообразователи должны соответствовать следующим требованиям:

––быть химически инертными соединениями по отношению к исходной полимерной композиции и легко совмещаться с ней или с расплавом полимера;

––быть термостойкими соединениями и иметь низкую скорость диффузии из пенопласта по сравнению с воздухом;

––обладать высокой летучестью при повышенных температурах ине коррозировать технологическое оборудование;

––быть экономически доступными, относиться к негорючим и нетоксичным веществам, не иметь запаха.

АлифатическиеуглеводородыиспользуютчащевсегодляпроизводстваППС.Однакосдерживающим фактором указанных газообразователей является их высокая воспламеняемость. Более широкое применение при производстве изделий из пенопластов получили негорючие фреоны (хладоны), обладающие низкой токсичностью и позволяющие получать закрытоячеистые газонаполненные полимеры с высокими теплоизоляционными характеристиками. Следует отметить, что хладоны при УФ-облучении могут образовывать атомарный хлор, вступающий в химическое взаимодействие с молекулами озона воздуха:

hv

CF2Cl2 → CF2 Cl + Cl

Cl + O3 → ClO + O2.

ЭтоприводиткуменьшениюконцентрацииозонавозоновомслоеЗемли(образованиеозоновых дыр), экранирующем ее поверхность от губительного воздействия солнечной радиации. В 1985 г. была подписана Венская конвенция по защите озонового слоя Земли, а в 1987 г.

вг. Монреале принят протокол, в котором приведен перечень озоноактивных фреонов (хладонов) и намечены сроки обязательного сокращения объемов производства следующих фрео-

нов: CFCl3, CF2Cl2, CF2ClBr, CF2ClCFCl2, CF2ClCF2Cl, CF3CF2Cl, CF2BrCF2Br. Поэтому объем применения указанных фреонов для производства ПТМ значительно сократился. До настоящеговременинетниодногофизическогогазообразователя,которыймогбыполноценнозаме-

нить фреоны CFCl3 и CF2Cl2.

Анализ физико-химических характеристик химических и физических газообразователей показал, что указанные газообразователи имеют как свои достоинства, так и недостатки:

––твердые продукты разложения химических газообразователей могут вызывать негативное воздействие на микроструктуру пенопластов (сшивание иди деструкция), а физические газообразователи инертны к полимерной матрице;

––газовое число физических газообразователей ниже, чем у большинства химических газообразователей, что значительно повышает их расход при производстве теплоизоляционных изделий из пенопластов и, соответственно, возрастает стоимость продукции;

––физические газообразователи образуют газовые ячейки бо́льших размеров, чем при использовании химических газообразователей, что усложняет технологию получения пенопластов с мелкоячеистой структурой;

––при получении мелкоячеистых пенопластов на основе физических газообразователей

вполимерную матрицу необходимо дополнительно вводить твердые нуклезиаты.

Выбор химических или физических газообразователей производят в каждом конкретном случае в зависимости от требуемых технологических параметров процесса производства теплоизоляционных изделий из газонаполненных полимеров и экономической целесообразности.Приэтомважнуюрольвполученииоднородноймикроструктурыпенопластовоказывает химическая природа и содержание поверхностно-активных веществ (ПАВ), механизм действия которых основан на их способности адсорбироваться на поверхности раздела фаз с образованием адсорбционного слоя, способствовать пенообразованию и обеспечивать стабильность ячеистой структуры полимерных пен.

13

Технологические свойства (время старта и продолжительность вспенивания) пенопластов на основе реакционноспособных олигомеров регулируют с помощью инициаторов, катализаторов или отвердителей полимерной матрицы, выбор которых зависит от химической природы используемых реакционноспособных олигомеров, требований к технологическим и физико-механическим характеристикам ПТМ. Для улучшения пластичности исходных полимерных композиций, повышения эластичности и морозостойкости пенопластов в их состав вводят различные диэфирные и фосфатные пластификаторы (чаще всего трихлорэтилили трихлорпропилфосфаты). Предотвращение старения ПТМ при повышенных температурах за счет окисления кислородом воздуха достигается при введении в их состав различных стабилизаторов (антиоксидантов и светостабилизаторов). В состав исходной полимерной композиции вводят также наполнители, красители, антистатики, антимикробные агенты, дымоподавители и различные антипирены. Антипирены (фосфор-, бор- и галогенсодержащие аддитивные и реакционноспособные соединения) применяют для снижения горючести газонаполненных полимеров. При этом галогенсодержащие антипирены оказывают флегматизирующее действие на пламя полимеров и ингибируют газофазные реакции горения продуктов пиролиза полимерной матрицы, а фосфор- и борсодержащие антипирены усиливают карбонизацию полимерной матрицы. Образующийся кокс снижает теплоимассообмен между пламенем и полимером, что и приводит к самозатуханию.

Таким образом, целенаправленный выбор исходных термопластичных полимеров или реакционноспособных олигомеров ссистемой их отверждения, физических или химических газообразователей, ПАВ, пластификаторов, модификаторов, наполнителей, антиперенов и других целевых добавок позволяет разрабатывать закрытоячеистые газонаполненные полимеры, обладающие заданным комплексом технологических и эксплуатационных характеристик.

14

Глава2.ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Производство теплоизоляционных материалов и изделий на основе газонаполненных полимеров осуществляют различными методами:

––заливкой (для производства многокомпонентных пен применяются заливочные машины);

––компрессионным прессованием; ––вспениванием полимерной композиции на месте заливкой из двухили многокомпонент-

ной головки; ––напылением полимерных пен;

––экструзией вспененного бисера или гранул; ––литьем под давлением вспененного бисера или гранул;

––ротационным формованием вспенивающейся композиции; ––вспениванием полимерной матрицы, взбивание воздухом или низкокипящим летучим

растворителем (типа хлордифторметана); ––наслаиванием полимерных пен (производство вспененных досок);

––спомощьюпроцессаосажденияполимерныхпен,вкоторомполимернаяфазаобразуется за счет полимеризации олигомеров в жидкости и последующим ее улетучивании.

В строительной индустрии ПТМ и изделий на их основе чаще всего пользуются прессовым и беспрессовым методами, литьем под давлением, экструзией, методами заливки инапыления.

Ниже рассмотрены самые распространенные методы производства теплоизоляционных изделий строительного назначения на основе газонаполненных полимеров.

Методом прессования производят теплоизоляционные изделия простой конфигурации практическиизлюбыхтермопластичныхполимерови,чащевсего,изполистиролаиПВХ.Указанный метод состоит из трех основных технологических операций: приготовление исходной вспенивающейся полимерной композиции, прессование полученной композиции вмонолитные заготовки и свободное вспенивание прессованных заготовок в ограничительных формах.

Приготовление вспенивающейся полимерной композиции состоит в тщательном дозировании и перемешивании порошкообразного термопластичного полимера или полимер-моно- мерной пасты с твердым газообразователем идругими целевыми добавками вшаровых мельницах или лопастных смесителях до получения однородной мелкодисперсной смеси. После этого композицию загружают в обогреваемую пресс-форму закрытого типа. Под воздействием давления итемпературы происходит формование монолитного блока заданной конфигурации. Газ, образующийся при разложении химического газообразователя, равномерно распределяется и растворяется в расплаве полимера. После прессования технологических заготовок их охлаждают под давлением до комнатной температуры и извлекают из пресс-формы. Плоские монолитные заготовки помещают в специальные ограничительные формы для повторного нагревания и вспенивания полимерной композиции. Фиксацию формы теплоизоляционных изделий осуществляют их охлаждением до комнатной температуры.

Основным достоинством прессового метода производства ПТМ являются простота и легкость регулирования кажущейся плотности изделий, отсутствие дорогостоящего технологического оборудования. К недостаткам указанного метода относятся высокая трудоемкость технологического процесса производства ПТМ и отсутствие непрерывности производства теплоизоляционных изделий, наличие громоздких прессов и сложных пресс-форм, а также большая энергоемкость производства изделий.

Беспрессовым методом выпускают теплоизоляционные изделия из ППС и ПВХ. Так, например,технологическийпроцесспроизводстваППСсостоитизследующихтехнологических операций: предварительное вспенивание гранул бисерного полистирола и их выдержка, спекание полученных гранул ППС с одновременным формованием теплоизоляционных изделий.

15

Исходный бисерный полистирол синтезируют суспензионной полимеризацией стирола всреде изопентана, растворимого в стироле и нерастворимого в полистироле. При превращении стирола в полимер изопентан выделяется в виде самостоятельной фазы, что приводит к образованию в бисере полистирола равномерно распределенных капелек изопентана.

Предварительное вспенивание бисерного полистирола осуществляют путем его прогрева горячей водой или паром с температурой, незначительно превышающей температуру стеклования полистирола. При нагревании изопентан, содержащийся в микропорах бисера, испаряется и увеличивает объем гранул полистирола в 10–30 раз в зависимости от количества жидкого газообразователя в полистироле. Предварительно вспененные гранулы полистирола помещают в бункер, где под воздействием теплого воздуха в течение 6–24 часов происходит их перемешивание, сушка и созревание. После этого гранулы ППС засыпают в ограничительные перфорированные формы и подвергают тепловой обработке при 100–120 . В качестве теплоносителя применяют водяной пар, токи высокой частоты или ИК-облучение. В результате тепловой обработки полистирол переходит в высокоэластическое состояние, а в гранулахППСсоздаетсядавлениепаровизопентанаивоздуха.Этоприводиткростуобъемагранул ППС и заполнению ограничительной формы. Под внутренним давлением паров изопентана

ивоздуха стенки ячеек деформируются и свариваются в местах их контакта. Отформованное теплоизоляционноеизделиебыстроохлаждаютвформахдо40–50 ,фиксируяструктурупе- нопласта и форму теплоизоляционного изделия.

Технологическая схема производства плиточного ППВХ состоит в приготовлении пастообразной композиции из ПВХ, перхлорвиниловой смолы, метилметакрилата и химических газообразователей (порофор азодинитрила и карбоната аммония). Полученную массу экструдируют в холодном состоянии в ленту и нарезают ее на пластины. Пластины направляют в реактор для полимеризации метилметакрилата в жидкой среде. Полученные заготовки вспенивают в ограничительных формах при температуре 100–125 , соответствующей высокоэластичной деформации ПВХ. Готовый теплоизоляционный материал представляет собой вспененную полимерную композицию, состоящую из смеси ПВХ и ПММА.

Преимущество беспрессового метода перед прессовым состоит в исключении технологической операции прессования заготовок, что позволяет снизить число обслуживающего персонала, механизировать и автоматизировать процесс производства теплоизоляционных изделий.

Метод литья под давлением позволяет производить теплоизоляционные изделия на основе любых термопластичных полимеров, используя для этих целей специальное литьевое оборудование для переработки полимерных материалов. С помощью литья под давлением производят интегральные теплоизоляционные изделия, имеющие пористую сердцевину и плотную корку. Указанный метод состоит в загрузке в бункер литьевой машины смеси гранул термопластичного полимера с газообразователем и другими целевыми добавками иподачи ее в цилиндр литьевой машины, где происходит пластификация и насыщение расплава полимера газом, образующимся при термическом разложении газообразователей. Насыщение расплава полимера газом может осуществляться и через каналы, расположенные в шнеках литьевой машины. При впрыске расплава полимера в относительно холодную литьевую форму происходит резкое уменьшение давления и, соответственно, снижение растворимости газа в расплаве полимера. Это приводит к его выделению в виде множества мелких пузырьков, размер

ичисло которых быстро растет, а расширяющийся газ вспенивает расплав полимера. После заполненияформывспененнымтермопластичнымполимеромпроводятохлаждениерасплава полимера с последующим извлечением из формы теплоизоляционных изделий с интегральной микроструктурой пенопласта. Основным достоинством данного метода производства пенопластов на основе термопластичных полимеров является высокая производительность технологической линии.

Метод экструзии широко используют для производства теплоизоляционных изделий из ПВХ, полиолефинов, полистирола и АБС-пластика. Указанный метод основан на экструзии

16

расплава термопластичного полимера, насыщенного газом, через формообразующую головку

икалибрующее устройство. Температурный режим экструзии полимерной композиции подбирают таким образом, чтобы выходящий из формообразующей головки экструдат находился в высокоэластическом состоянии. Вспенивание изготовленных профилей может проходить вне экструдера или на выходе из головки экструдера. По первому способу, выходящий из формующей головки экструдера расплав полимера, не встречая ограничений, вспенивается под действием растворенных в нем газов и лишь после этого поступает в калибрующее устройство. Далее профиль теплоизоляционного изделия проходит охлаждающую ванну, в которой за счет интенсивного охлаждения водой образуется твердая корка толщиной 0,1 мм. По второму способу вспенивание происходит в калибрующем устройстве, охлаждаемом водой. Основными преимуществами экструзионного метода производства теплоизоляционных изделий на основе термопластичных полимеров являются: непрерывность процесса, возможность его полной автоматизации, высокая производительность технологических линий и широкий ассортимент теплоизоляционных изделий.

Методом заливки получают теплоизоляционные изделия на основе реакционноспособных олигомеров (ППУ, пенополиизоциануратов, резольных пенофенопластов, заливочных карбамидных пенопластов и эпоксидных пенопластов). Указанным методом производят блочные

иформовочные ППУ и ПИР. Блочные ППУ получают смешением в смесительных головках исходныхкомпонентовполиуретановойкомпозицииспоследующейподачейсмесинаконвейерную ленту, снабженную боковыми передвижными стенками. По мере продвижения ленты композиция вспенивается, и полученная пена попадает в камеру для отверждения. Основными факторами, обеспечивающими получение высококачественного блочного ППУ являются температура композиции и качество перемешивания исходных компонентов.

Формованные жесткие ППУ и ПИР получают путем заливки смеси исходных компонентов (полиолов, полиизоцианатов, катализаторов вспенивания и отверждения, газообразователей, ПАВ, целевых добавок) в форму. Для получения формованных ППУ применяют заливочные машины низкого или высокого давления. Формование изделий проводится путем смешения двух компонентов всмесительной головке. Первый компонент представляет собой смесь полиолов с катализаторами, физическим газообразователем, водой иПАВ, авторой компонент— диили полиизоцианат. Предварительно смазанные антиадгезионной смазкой металлические формы подаются на конвейере кзаливочной машине, вкоторые впрыскивается композиция. Формы с ППУ плотно закрывают крышкой иподвергают отверждению. Процесс отверждения взависимостиотрецептурывспениваемойкомпозицииможетпротекатькакзасчетвнешнегоподогрева форм (горячего формования), так и без подогрева (холодного формования).

При формовании жестких ППУ часто заливку исходной композиции осуществляют на месте применения. Композицию готовят в емкости путем смешения гидроксилсодержащего компонента полиола с изоцианатным, а затем ее загружают в полость изделия, где происходят процессы вспенивания и отверждения пенопласта. Таким способом осуществляют заполнение пустотелых кирпичных стен, теплоизоляцию трубопроводов и т.д.

Метод напыления. Нанесение вспениваемой массы методом напыления (распыление) позволяет получать более тонкие слои тепловой изоляции, чем при заливке. Широко используемыми композициями для напыления являются составы жестких ППУ. Вспениваемую композицию наносят на горизонтальные, вертикальные и изогнутые поверхности с помощью распылительных пистолетов. Пистолет при распылении находится на расстоянии 50–80 см от поверхности строительной конструкции. Обычно производительность пистолета составляет при напылении ППУ 2–3 кг/мин. Метод напыления ППУ нашел широкое применение в строительстве для герметизации стыков и теплоизоляции конструкций.

Таким образом, для производства теплоизоляционных конструкций, изделий и материалов на основе реакционноспособных олигомеров широко применяют методы заливки инапыления, ана основе термопластичных полимеров— методами прессования, литья под давлени-

ем и экструзии, а также беспрессовным методом.

17

Глава3.МАКРОСТРУКТУРА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Эксплуатационные свойства ПТМ определяются макроструктурой пенопластов — формой газовых ячеек, размером и степенью их вытянутости, относительным содержанием открытых и закрытых ячеек, кажущейся плотностью полимерных пен.

3.1.Макроструктурныехарактеристикипенопластов

Для ячеек реального пенопласта понятие «форма газовых ячеек» является довольно условным. Характеризуя форму газовых ячеек газонаполненных полимеров, подразумевают некий усредненный показатель, определяющий конфигурацию большого числа ячеек пенопласта. Ячеистая структура большинства легких пенопластов (объемное содержание полимера равно 5 % и менее) имеет полиэдрическую форму с преимущественно 14-гранными ячейками. С ростом объемной доли полимера форма ячеек сохраняется полиэдрической, однако доля полимера в узлах граней возрастает, а поперечные и продольные размеры ребер (тяжей) становятся близкими. При содержании полимера впенопласте более 30% ячейки представляют собой сферические полости. Повышение объемной доли полимера в пенопласте приводит также к снижению числа газовых включений.

Размер и степень вытянутости газовых ячеек пенопластов характеризуют также условными значениями. Размер ячеек оценивают так называемым средним диаметром ячеек, подразумевая при этом, что они имеют сферическую или овальную форму. Вытянутость ячеек пенопластов, влияющая на анизотропию свойств ПТМ, проявляется в направлении вспенивания. Вытянутость ячеек по направлению вспенивания проявляется резче в пенопластах, получаемыхметодомсвободноговспенивания,ионатембольше,чемменьшеобъемнаямассаматериала. При свободном вспенивании пенопластов степень вытянутости ячеек снижается от нижней части пеноблока к верхней, а верхние слои содержат обычно симметричные ячейки. При вспенивании в закрытой форме анизотропность макроструктуры пенопластов ниже, чем при свободном вспенивании, и удлиненные ячейки наблюдаются только вблизи стенок форм. Степень вытянутости ячеек характеризуют коэффициентом формы ячеек, который равен отношению их длины к ширине. Этот коэффициент, также как форма и размеры ячеек, является величиной усредненной.

Содержаниеоткрытых(сообщающихся)изакрытых(изолированных)ячеекоказываетзначительное влияние на эксплуатационные характеристики ПТМ. Взависимости от состава исходной композиции и условий вспенивания можно получать ПТМ спреимущественно закрытоячеистой (пенопласты) и открытоячеистой (поропласты) структурой. При этом пенопласты обладают лучшими теполоизоляционными характеристиками: более низкими водо- и влаго- поглощением,газо-ипаропроницаемостью,апоропластыимеютболеевысокийкоэффициент звукопоглощения и высокие фильтрующие свойства.

Эластичные пенопласты чаще имеют открытые ячейки, ажесткие полимерные пены— закрытую структуру. Из этого правила есть и исключения, определяемые разнообразием методов газонаполнения и применяемого технологического оборудования для вспенивания ПТМ. Закрытоячеистую структуру имеют восновном пенопласты на основе полиуретанов, эпоксидных смол, кремнийорганических полимеров, поливинилхлорида и полистирола. Пенопласты на основе фенолформальдегидных и мочевиноформальдегидных смол обладают открытоячеистой структурой.

Различные методы обработки газонаполненных полимеров позволяют превращать закрытоячеистую структуру пен воткрытоячеистую путем разрушения стенок ячеек спомощью гидролиза,окисления,использованиемповышенныхипониженныхдавленийилимеханической обработкой. С помощью такой обработки получают ретикулярные пены, в которых отсутствуют стенки ячеек и вся полимерная фаза сосредоточена в ребрах ячеек. Такие материалы иногда являются «абсолютными поропластами». Методом щелочного гидролиза синтезиру-

18

ют эластичные и жесткие ретикулярные ППУ на основе сложных полиэфиров (в результате щелочного гидролиза стенки ячеек разрушаются быстрее, чем ребра, имеющие большую толщину). При обжиме на валках теплоизоляционных изделий из формованного эластичногоППУдостигаетсяразрушениезамкнутыхячеек,присутствующихвнебольшомколичестве в структуре полиуретанового поропласта.

Важной характеристикой ПТМ является их кажущаяся плотность ρк — величина, характеризующая соотношение твердой и газовой фаз в газонаполненных полимерах. Кажущаяся плотность ПТМ является величиной усредненной в пределах одного теплоизоляционного изделия. При вспенивании пенопластов в закрытой форме получаемые изделия имеют более уплотненные наружные слои, чем в середине. При свободном вспенивании величина ρк снижается по высоте изделия (в направлении снизу вверх). Для интегральных пенопластов этот показатель имеет минимальные значения в центральных слоях теплоизоляционного изделия, а в поверхностных слоях достигает плотности монолитного материала.

Кажущуюся плотность ПТМ регулируют содержанием газообразователей или вспенивающего агента: с ростом их содержания снижается кажущаяся плотность изделий. Вместе с тем кажущаяся плотность для каждого вида ПТМ имеет предельное минимальное значение, т.е. дальнейшее повышение содержания газообразователей в исходной композиции не приводит к дальнейшему снижению плотности пен. Кроме того, большее содержание газообразователей экономически невыгодно, так как ведет к удорожанию продукции.

Следует отметить, что взаимосвязь кажущейся плотности ссодержанием открытых или закрытых ячеек в структуре ПТМ практически не установлена. Известно лишь, что для любых типов ПТМ относительное содержание открытых ячеек возрастает по мере снижения кажущейся плотности пенопластов. Это обусловлено ростом размеров ячеек, что приводит к снижению их толщины и тяжей и, соответственно, к разрыву стенок ячеек пено- и поропластов.

3.2.Методыопределенияэксплуатационныххарактеристик полимерныхтеплоизоляционныхматериалов

Эксплуатационные свойства ПТМ — это комплекс показателей, характеризующих поведение теплоизоляционных материалов при воздействии различных эксплуатационных факторов. В состав эксплуатационных характеристик ПТМ входят механические, теплофизические, акустические и электрические свойства, а также химическая стойкость и пожарная опасность пено- и поропластов.

Механические свойства ПТМ представляют собой комплекс показателей, характеризующихповедениетеплоизоляционныхматериаловподдействиеммеханическихусилий.Подвоздействием механических сил ПТМ деформируется, а при достаточно сильных и длительных нагрузкахразрушается.МеханическиехарактеристикиПТМиспользуютдляколичественной оценки свойств пено- и поропластов, при разработке составов исходных композиций, а также для контроля качества теплоизоляционных материалов. Механические испытания материалов различаются как типом деформации (растяжение, сжатие, изгиб), так и режимом нагружения (статический и динамический). Основными механическими характеристиками ПТМ при статическом нагружении являются: разрушающее напряжение (прочность) при растяже-

нии (σр), сжатии (σсж), изгибе (σизг), адгезионная прочность (σадг), напряжение при сжатии, твердость (Н), относительное удлинение при разрыве.

Основными механическими показателями ПТМ при динамическом нагружении являются: ударная вязкость(а), эластичность поотскоку(э), усталость при циклическом сжатии(εотн).

В процессе эксплуатации ПТМ подвергаются не только механическому воздействию, но и целому ряду других факторов, например, окружающей среды, тепла и холода. Эти воздействия вызывают изменение структуры и свойств материала. Влияние температурного поля оценивается теплофизическими свойствами ПТМ, к которым относятся теплопроводность, теплоемкость, стабильность размеров, тепловое расширение, теплостойкость и морозостойкость.

19

В результате испытаний устанавливают зависимость изменения массы образца от времениегопребываниявагрессивнойсреде.ВажнейшимипоказателямиПТМ,определяющимего пригодность для эксплуатации в строительной индустрии, являются стойкость к действию воды и водяных паров.

Основные физико-механические показатели ПТМ определяют в соответствии с требованиями соответствующих ГОСТов:

––кажущуюся плотность — по ГОСТ 409-2017 (ISO 845:2006) Пластмассы ячеистые и резины губчатые. Метод определения кажущейся плотности или ГОСТ EN 1602-20 Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения кажущейся плотности; ––прочность при сжатии при 10%-й деформации и изгибе — по ГОСТ 23206-2017 (ISO 844:2014)Пластмассыячеистыежесткие.Методыиспытаниянасжатие,ГОСТ18564-2017(ISO

1209-1:2007) Пластмассы ячеистые, жесткие. Методы испытания на статический изгиб; ––водопоглощение — по ГОСТ 20869-2017 (ISO 2896:2001) Пластмассы ячеистые жесткие.

Метод определения водопоглощения; ––сорбционная влажность — по ГОСТ 24816-2014 Материалы строительные. Метод опреде-

ления равновесной сорбционной влажности с приготовлением образцов по ГОСТ 20869-2017; ––теплопроводность — по ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Метод определениятеплопроводностиитермическогосопротивленияпристационарномтепловомрежиме. Основные показатели пожарной опасности разрабатываемых ПСМ определяют в соответствии с требованиями Федерального закона № 123-ФЗ от 22.06.2008 г. «Технический регла-

мент о требованиях пожарной безопасности»:

––воспламеняемость — по ГОСТ 30402-96 Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость;

––горючесть — по ГОСТ 30244-94 Материалы строительные. Метод испытания на горючесть;

––группу горючести методами керамической трубы (КТ) и калориметрии — по ГОСТ 12.1.044-84. ССБТ Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения;

––кислородный индекс (КИ), температуры воспламенения (Тв), самовоспламенения (Тсв) и тления (Ттл), коэффициент дымообразования (Dm) в режимах пиролиза и пламенного горения — по ГОСТ 12.1. 044-89.

3.3.ОсновныеэксплуатационныесвойстваПТМ

Пенопласты посравнению споропластами обладают меньшими значениями водопоглощения и паропроницаемости, более высокими электроитеплоизоляционными характеристиками. Для поропластов характерны более высокие звуко- и виброизоляционные характеристики, открытоячеистая структура которых позволяет использовать их в качестве сорбентов для нефтепродуктов.

В реальных условиях эксплуатации теплоизоляционные изделия на основе газонаполненных полимеров всегда содержат влагу, которая заметно ухудшает физико-механические свойства пенопластов, особенно их теплоизолирующие характеристики. Кинетические параметры сорбции воды определяются химической природой полимерной матрицы. И для одного типа пенопластов влагопоглощение (гигроскопичность) и водопоглощение (гидроскопичность) зависят прежде всего от плотности полимерных пен. При этом высокая скорость влагопоглощения пенопластов наблюдается в первые 10–15 суток. В последующие 10–15 суток влагопоглощение полимерных пен значительно замедляется, а равновесное водонасыщение пенопластов реализуется через 30–50 суток. В полимерной изоляции кровли при контролируемом градиенте температур обнаружено, что водопоглощение жестких ППУ выше, чем убисерного ППС изначительно больше, чем уэкструдированного ППС. При применении эффективных защитных мембран уровень сопротивления пенопластов поглощению влаги снижается в следующей последовательности: экструзионный ППС > ППУ > фор-

20