Усиление карбамидных пенопластов активными наполнителями

Исследование основных технических свойств химически наполненных карбамидных пенопластов [141,143,144]

При исследовании технологических параметров было установлено, что при введении химически активного наполнителя более 6 % процесс гелеобразования начинает ускоряться (рис.3.156). Скорость отверждения смолы при этом становится больше скорости газообразования, что приводит к возникновению внутренних напряжений, приводящих к трещинообразованию пенопласта. Поэтому, химически активные наполнители вводились в систему в пределах до 10 масс. ч.

Для оптимизации рецептуры химически наполненных пенопластов в композиции варьировалось содержание наполнителей (АНО, ОВТЭЦ и доломита разной удельной поверхности) и ортофосфорной кислоты. В качестве критериев оптимальности составов выбраны следующие основные эксплуатационные свойства: плотность, прочность на сжатие при 10%-ной деформации, сорбционное увлажнение и линейная усадка.

На рис. 4.1 - 4.4 представлены зависимости указанных свойств от содержания наполнителя. Причем, для каждого из наполнителей были найдены оптимальные соотношения с кислотой, а именно для АНО : кислота = 1:1,8; ОВТЭЦ : кислота = 1 : 2,26; доломит : кислота = 1: 2,26. Количество кислоты рассчитывалось таким образом, чтобы время реакции взаимодействия химически активного наполнителя с кислотой (при теоретически 100% выходе) соответствовало оптимальному, с точки зрения технологичности, времени гелеобразования (от 2 до 4 минут).

Из анализа кривых зависимостей плотности и прочности на сжатие при 10%-ной деформации от содержания наполнителя (рис.4.1) видно, что рост прочности пенопластов, наполненных малым количеством доломита и ОВТЭЦ (до 4 масс. ч.), происходит при незначительном увеличении плотности.

И S

I-

*

J

X! ^

■О D

О Ч -

Т

О T 1= с

О 2 4 6 8 10 Концентрация наполнителя, Масс. ч

Рис.4.1. Зависимость плотности (а) и прочности на сжатие при 10%-ной деформации (б) карбамидного пенопласта от концентрации наполнителя (на 100 масс. ч. смолы): 1-АНО, 2- ОВТЭЦ, 3- доломит (исходный порошок), 4,5,6 - доломит (соответственно 1, 2 и 3 мин помола)

Низкие значения плотностей коррелируют с высокой кратностью вспенивания. Наибольшая плотность карбамидных пенопластов, модифицированных АНО, объясняется отсутствием газообразования при взаимодействии Al(OHh с ортофосфорной кислотой.

Повышение плотности с увеличением содержания наполнителя более 6 масс. ч., обусловлено необходимостью введения большего количества кислоты, при этом происходит резкое ускорение процесса отверждения смолы, сопровождающееся фиксацией высокоплотной ячеистой структурой.

С целью определения оптимальной концентрации наполнителей, с точки зрения улучшения прочностных характеристик, были рассчитаны коэффициенты конструктивного качества (К К. К.), равные отношению предела прочности при сжатии пенопласта к его плотности. Пенопласты с более высоким К. К.К являются более эффективными. Анализ швисимосгей, представленных на рчс.4.2, позволяет сделать заключение, что наибольшую прочность на сжатие при минимальной плотности имеют карбамидные пенопласты, наполненные 3 масс. ч. АНО, 5 масс. ч. ОВТЭЦ и 5 масс. ч. доломита, подверженного 3 мин. помола, характеризующегося наибольшей удельной поверхностью. Наименьший К. К.К. наблюдается при наполнении исходным порошком доломита.

2,7

О 2 4 6 8 1С

Концентрация наполнителя, масс. ч.

Рис.4.2. Зависимость К. К.К. карбамидного пенопласта от концентрации наполнителя (на 100 масс. ч. смолы): 1-АНО, 2- ОВТЭЦ 3-доломит (исходный порошок), 4,5,6 - доломит (соответственно I, 2 и 3 мин помола)

Однако, при оценке эффективности химического наполнения необходимо учитывать и изменение теплофизических характеристик материала. При исследовании изменения теплопроводности пенопласта в зависимости от количества наполнителя, было отмечено, что наименьшее увеличение коэффициента теплопроводности характерно для карбамидных пенопластов, модифицированных газообразующими наполнителями доломитом и ОВТЭЦ (всего на 3-5% больше, чем у ненаполненного пенопласта). Вероятно, это обусловлено положительными изменениями ячеистой структуры в результате сочетания воздушно-механического способа с газообразованием, позволяющими компенсировать увеличение теплопроводности в присутствии минеральных наполнителей. Максимальное увеличение коэффициента теплопроводности (на 8% больше, чем у ненаполненного пенопласта) свойственно пенопласту, модифицированному АНО.

Одним из основных показателей является сорбционное увлажнение пенопласта, оказывающее сильное негативное влияние на теплозащитные характеристики материала, и, в первую очередь, на теплопроводность.

Из представленных на рис.4.3 зависимостей сорбционного увлажнения от содержания АНО, ОВТЭЦ и доломита видно, что с повышением концентрации наполнителей гигроскопичность материала уменьшается. Оценивая влияние дисперсности наполнителя (на примере доломита) на гигроскопичность видно, что с ростом удельной поверхности сорбционное увлажнение пенопласта снижается. Однако, карбамидные пенопласты, наполненные АНО, удельная поверхность которого в 2 раза больше, чем у ОВТЭЦ, характеризуются большей сорбционной влажностью, чем карбамидные пенопласты, модифицированные ОВТЭЦ. Это еще раз подтверждает положительное влияние газообразования при использовании ОВТЭЦ.

Значительная линейная усадка, возникающая в процессе сушки, свойственна всем карбамидным пенопластам, предусматривает обязательное исследование влияния химического наполнения на величину данной характеристики.

10

Концентрация наполнителя, масс ч.

Рис.4.3. Зависимость сорбционного увлажнения карбамидного пенопласта от концентрации наполнителя (на 100 масс. ч. смолы): 1-АНО, 2- ОВГЭЦ. 3- доломит (исходный порошок), 4.5,6 - доломит (соответственно 1,

2 и 3 мин помола)

Показанные на рис.4 4 зависимости линейной усадки от содержания наполнителя, имеют экстремальный характер. Минимальная линейная усадка наблюдается при следующем содержании наполнителей.: АНО - 3 масс. ч., ОВТЭЦ - 6 масс. ч., доломит (независимо от дисперсности) - 3 масс ч Дальнейшее увеличение линейной у садки при увеличении концентрации наполнителя, вероятно, связано с возникновением внутренних напряжений в высокоплотном пенопласте, в результате несоответствия скоростей химическою взаимодействия наполнителя с кислотой со скоростью отверждения смолы.

Усадка карбамидных пенопластов может быть разделена на технологическую и временную [33,35]. Усадка технологическая, в основном зависит, от количества технологической воды (вода в составе пенообразующего раствора и часть воды, входящей в состав смолы), дренирующей в период отверждения карбамидной пены (первые 8-10 часов после заливки формы).

1.2

О 2 4 6 8 10 Концентрация наполнителя, масс. ч

Рис.4.4. Зависимость линейной усадки карбамидного пенопласта от концентрации наполнителя (на 100 масс. ч. смолы): 1-АНО, 2- ОВТЭЦ. 3- доломит (исходный порошок), 4,5,6 - доломит (соответственно 1, 2 и 3 мин помола)

Временная усадка наблюдается при переходе из начальной 100%-ной влажности к равновесному состоянию.

Усадка сопровождается потерей массы в результате удаления воды в процессе отверждения и сушки пенопласта. Из представленных на рис. 4.5 зависимостей изменения массы образцов наполпечных пенопластов в процессе сушки видно, что основное удаление технологической воды (50-80%) происходит в период отверждения, когда материал еще проявляет упругие свойства и мала вероятность возникновения внутренних напряжений.

Низкие значения линейной усадки наполненных пенопластов и отсутствие трещинообразования можно объяснить, во-первых, меньшей динамикой удаления оставшейся влаги (20-40%) в процессе сушки >же отвержденного материала (после первых 10 часов), и, во-вторых, образованием в присутствии наполнителя более однородной ячеистой структуры.

Продолжительность отверждения и сушки, часы — X— /доломит (ИСХОДНЫМ пирошок) —V— АНО

О доломит 1 мин помола —D— ОВТЭЦ

Доломит 2 мин помола - - без наполнителя

Доломит 3 мин помола

Рис.4.5. Зависимость потери массы карбамидного пенопласта в процессе отверждения и сушки

Кроме того, уменьшение внутренних напряжений возможно, благодаря более быстрому протеканию релаксационных процессов на межфазной поверхности частицы наполнителя и смолы из-за перехода отверждаюшейся полимерной системы на поверхности частиц в студнеобразное состояние вследствие образования локальных физических или химических связей между структурными элементами.

Высокие значения усадки, характерные для ненаполненного пенопласта, определяются, вероятно, тем, что основное количество воды (более 80%) удаляется после 10 часов (рис. 4.5) из уже отвержденного пенопласта. При этом в материале возникает градиент в л агосо держания и происходит развитие внутренних напряжений, приводящих к трещинообразованию пенопласта.

Удержание влаги в объеме ненаполненного пенопласта (особенно в процессе отверждения) обусловлено капиллярным подсосом (всасыванием) дренажной воды из-за характерных для ячеистой структуры ненаполненного пенопласта капилляров Плато-Гиббса.

Анализ полученных концентрационных зависимостей эксплуатационных свойств пенопласта от содержания АНО и ОВТЭЦ позволил определить оптимальные концентрации АНО и ОВТЭЦ, равные, соответственно, 3% и 5%. При выбранных концентрациях наблюдается наилучшие показатели прочности. Увеличение коэффициента конструктивного качества при этом составило 55 % (АНО) и 50 % (ОВТЭЦ). Наблюдается снижение сорбционного увлажнения на 27 % (АНО) и 38% (ОВТЭЦ), а линейная усадка уменьшается на 75 % (АНО) и 67 % (ОВТЭЦ).

В случае доломита выбор оптимальных концентраций усложняется. Из полученных зависимостей видно, что с ростом удельной поверхности доломита сорбционное увлажнение снижается, а установить зависимость влияния дисперсности доломита на прочностные характеристики и усадку достаточно сложно. Необходима оптимизация состава с учетом всех определяющих факторов.