ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Виды и свойства газонаполненных пластмасс

Полимерные теплоизоляционные материалы по характеру по­ристости разделяют на ячеистые или пенистые пластмассы (пено - пласты), характеризующиеся преимущественно замкнутыми пора­ми ячеистого строения; пористые пластмассы (поропласты), порис­тая структура которых сложена в виде системы сообщающихся ячеек или полостей; сотовые пластмассы (сотопласты), пористость которых представлена геометрически правильными пустотами (со­тами), получаемыми целенаправленной переработкой исходного пластического материала без его вспенивания.

Деление газонаполненных пластмасс на пено - и поропласты условно, так как во многих случаях ячеистая и сообщающаяся по­ристость образуется одновременно в едином процессе поризации.

В зависимости от значений модуля упругости полимерные теп­лоизоляционные материалы разделяют на жесткие, полужесткие и эластичные. К жестким материалам, наиболее широко использу­емым для строительной теплоизоляции, относят газонаполненные пластмассы, имеющие прочность при сжатии (при 10%-ной дефор­мации) более 0,15 МПа, эластичные - менее 0.01 ЛГ1а Полужест­кие материалы характеризуются промежуточными показателями прочности.

Газонаполненные пластмассы классифицируют также по приро­де и химическому строению полимеров, составляющих основу мате­риала, технологии, функциональному назначению

В зависимости от вида полимера пенопласты подразделяют на термопластичные, получаемые на основе полимеров с линейными и разветвленными молекулами (пенополистирол, пенополивинилхло - рид, пенополипропилен и др.); термореактивные, получаемые на ос­нове полимеров с пространственной структурой молекул (феноло- формальдегидные, мочевнноформальдегидные, ненасыщенные поли­эфиры, эпоксидные, полиуретановые, кремнийорганические, фура - новые).

Из термопластичных полимеров, размягчающихся при нагрева­нии, можно получать газонаполненные материалы самыми различ­ными способами. Выбор того или иного способа н технологические параметры получения вспененных материалов зависят в основном от температуры размягчения исходного полимера.

Более сложно получение газонаполненных пластмасс нз термо­реактивных полимеров или продуктов частичной поликонденсации. Для получения высококачественных пористых материалов в этом случае необходимо проводить процесс вспенивания на той стадии, когда в полимере образовалось еще сравнительно мало поперечных межмолекулярных связен, т. е. когда полимер не потерял еще спо­собности к размягчению и течению при соответствующих темпера­турах и давлениях. Отверждение, т. е. процесс образования трех­мерной структуры, должно проходить уже во вспененном поли­мере.

По способу получения газонаполненные пластмассы подразде­ляют на две большие группы: прессовые, изготовляемые в услови­ях обжатия (давлении) извне, и беспрессовые, получаемые без воздействия внешнего давления. В свою очередь, беспрессовые

".г.* пенопласты по технологическим признакам можно подразделить на следующие группы: а) заливочные пенопласты. получаемые вспениваем жидких исходных композиции газами, выделяющи­мися из массы; б) пенопласты, получаемые вспениванием водных растворов, эмульсий или суспензий полимеров путем механическо­го диспергирования газов и последующего отверждения компози­ции; в) пенопласты, получаемые путем омоноличивания (спека­ния) предварительно вспененного гранулированного полимера (например, пеиополистирола); г) пенопласты, образующиеся при вспенивании твердых смоляных композиций с помощью газообразо - вателей (например, пенопласты на основе твердых новолачных фе - нолоформальдегидных смол).

Газонаполненные пластмассы, получаемые в условиях обжатия (давления), также подразделяют на несколько групп: а) пеноплас­ты, получаемые путем прессования смеси полимера с газообразова - телем при повышенной температуре с последующим вспениванием размягченной композиции в пресс-форме или впе пресса (прессовый способ); б) пенопласты, получаемые выдавливанием через нагретое сопло или щель размягченного полимера, насыщенного под давлени­ем газами, газообразными продуктами разложения порофоров или парами низкокипящих жидкостей (экструзионный способ); в) пено­пласты, получаемые впрыскиванием под давлением в холодную форму размягченной полимерной композиции, насыщенной газами или низкокипящими растворителями (литье под давлением); г) пе­нопласты, получаемые путем насыщения полимерной размягченной композиции газами или низкокипящими растворителями под давле­нием с последующим вспениванием массы при снижении давления среды (автоклавный способ). Эти методы применяют для получения изделий из газонаполненных пластмасс при использовании термо­пластичных полимеров, изменяющих многократно свои реологиче­ские свойства в зависимости от температуры нагрева.

По функциональному назначению пенопласты делят на тепло­изоляционные, используемые в виде плит и скорлуп в холодильной технике, для изоляции химической аппаратуры, изотермических ва­гонов, в кровельных и стеновых конструкциях зданий; конструкци­онно-теплоизоляционные, используемые в виде ограждающих конст­рукций, в том числе в слоистых конструкциях в качестве монтаж­ной теплоизоляции трубопроводов. Особенно эффективны слоистые конструкции: они легки, технологичны, обладают необходимыми прочностью и жесткостью. Применение слоистых конструкций в строительстве помогает разрешить издавна существующее противо­речие между несущей способностью конструкции и ее теплотехни­ческими свойствами.

В последние 10... 15 лет в практике строительства находят все более широкое распространение композиционные пенопласты, в со­став которых входят различные зернистые минеральные пористые заполнители. Эти материалы выделены в отдельную группу —на­полненных пенопластов.

Специфические особенности газонаполненных пластмасс опреде­ляют техническую направленность и экономическую эффективность их применения в различных отраслях промышленности. Благодаря низкой средней плотности, высоким теплоизоляционным свойствам, повышенной удельной прочности, а также ряду ценных технологиче­ских и эксплуатационных свойств пенопласты не имеют аналогов среди традиционных строительных материалов.

Однако большинству газонаполненных пластмасс свойственны определенные недостатки, существенно ограничивающие возмож­ности пх применения. К этим недостаткам прежде всего следует от­нести пониженные огнестойкость, теплостойкость и температуро- стойкость. Кроме того, высокая себестоимость и ограниченность сырьевой базы обусловливают экономическую целесообразность применения пенопластов в основном для высокоэффективной тепло­изоляции: в легких кровельных конструкциях; легких стеновых па­нелях п монтажной теплоизоляции трубопроводов.

Основные свойства газонаполненных пласт­масс определяются главным образом видом полимерных компо­зиций.

Пористость и средняя плотность пенопластов определяются прежде всего относительным содержанием в них полимерной и га­зовой фаз, видом полимера и характером пористой структуры: гео­метрической формой и размерами пор, соотношением замкнутой и сообщающейся пористости. Пенопласты, выпускаемые промышлен­ностью, характеризуются полифракционным распределением пор по размерам. Такие характеристики пористой структуры, как форма и размер пор, толщина полимерных пленок (межпоровых перегоро­док), колеблются в объеме материала в широких пределах. Эти ко­лебания носят как закономерный, обусловленный составом компо­зиции и параметрами технологии, так и случайный характер. В табл. 13.1 приведены характерные параметры ячеистой структуры некоторых наиболее широко распространенных пенопластов.

Наиболее равномерной мелкоячеистой структурой характеризу­ются пенопласты на основе термопластичных полимеров, получае­мые по прессовой технологии. В лом случае регулярность пористой структуры достигается главным образом за счет применения пред­варительного механического диспергирования и гомогенизации ис­ходных компонентов.

Наиболее мелкодисперсная и равномерная структура образуется у полиуретановых и полиэпоксидных пенопластов. Для фенольных же пенопластов характерна вытянутость пор в направлении вспени­вания, что предопределяет анизотропию их свойств, причем вытя­нутость пор увеличивается по мере снижения средней плотности пенопластов.

Структурообразование пенопластов весьма чувствительно к из­менению технологических параметров и рецептур исходных компо­зиций. Характер структуры пенопластов может существенно менять­ся прй незначительных изменениях технологических режимов или составов исходных композиций. Эти особенности эффективно ис­пользуют для направленного регулирования структуры. Особенно эффективно применение поверхностно-активных веществ, введение которых в состав исходной композиции позволяет влиять не только на размеры образующихся пор, но и на степень их замкнутости и получать изделия с преимущественно замкнутой или сообщающейся пористостью.

Средняя плотность пенопластов зависит как от вида исходного полимера, так и от количества введенного в него газообразователя или вспенивающего агента. Однако для каждого вида полимера существует свой предел увеличения газообразующих (вспениваю­щих) добавок, превышение которого не приводит к возрастанию общей пористости. Обычно средняя плотность пенопластов колеб­лется по высоте и объему изделия. Степень разноплотности изделий главным образом зависит от способа получения пенопласта и усло­вий порообразования. Наиболее заметно она проявляется в пено - пластах заливочного типа, так как условия структурообразования и перераспределения теплоты по объему вспенивающейся компози­ции в таких материалах существенно влияют на пористость. Напри­мер, при вспенивании фенолоформальдегидной композиции в замк­нутом объеме готовый пенопласт имеет поверхностную уплотненную пленку («пристенный слой»), тогда как при свободном вспенивании той же композиции средняя плотность по высоте изделия уменьша­ется. Причиной образования уплотненного поверхностного слоя яв­ляется нарушение теплового равновесия в процессе структурообра­зования пенопласта вследствие высокой теплопроводности материа­ла формы. Предварительный нагрев формы возволяет существенно уменьшить толщину уплотненного слоя.

Физико-механические свойства, т. е. поведение пенопластов при воздействии на них механических нагрузок, обусловлены характе­ристиками их пористой структуры и свойствами исходного полиме­ра, его природой. Мелкопористые пенопласты с преобладанием замкнутых пор отличаются большей механической прочностью, чем крупнопористые материалы и материалы с преимущественно сооб­щающимися порами, полученные из одного и того же исходного полимера (композиции). В условиях напряженного состояния у пе - нопластов наблюдаются резко выраженные отклонения как от свойств идеально упругих тел, для которых в соответствии с зако­ном Гука напряжение прямо пропорционально деформации и не за­висит от ее скорости, так и от свойств идеально вязких жидкостей, для которых напряжение прямо пропорционально скорости дефор­мации и не зависит от самой деформации. Для пенопластов харак­терны вязкая упругость и замедленное деформирование во времени. Поэтому рассмотрение вопросов разрушения пенопластов сводится к анализу н деформа гпвпостп. При сжатии в пенопласта* в боль­шинстве случаев отсутствует хрупкое разрушение и, следовательно, четко выраженная характеристика прочности. Поэтому показатель прочности определяют условно при заданной деформации материа­ла (при 2 или 10%-ной относительной деформации).

Наиболее высокими прочностными показателями обладают прес­совые полистирольные пенопласты и винильные пенопласты. Варьи­рование рецептур полиуретановых композиций в весьма широких пределах позволяет получать пенопласты этого вии с различными прочностными и упругими свойствами, соответствующими назначе­нию тех или иных изделий. Фенольные пенопласты характеризуются повышенной хрупкостью, что объясняется особенностями химиче­ского строения фенолоформальдегндных смол. Их макромолекулы, состоящие из фенольных ядер, связанных короткими малоподвиж­ными мостичными связями, имеют малую подвижность элементар­ных звеньев. Вязкость этих смол повышают путем совмещения их с нитрильными каучуками нлн пластифицирующими агентами. К хрупким пенопластам, характеризующимся невысокой прочно­стью, относятся мочевиноформальдегидные пенопласты.

Теплопроводность газонаполненных пластмасс — наиболее эф­фективных теплоизоляционных материалов — значительно ниже, чем других теплоизоляционных материалов и составляет 0,023... 0,045 Вт/(м-°С). Теплопроводность пенопластов зависит отряда факторов: средней плотностн, природы исходного полимера и в очень сильной степени от природы газа, заполняющего поры мате­риала. Для каждого вида пенопласта существуют оптимальные значения средней плотностн, отклонения от которых в ту или иную сторону приводят к повышению теплопроводности При чрезмерном снижении средней плотности неизбежно возрастает количество со­общающихся пор и, следовательно, увеличивается перенос теплоты конвекцией. Отклонение от оптимума в сторону увеличения средней плотностн приводит к снижению общей пористости н также к увели­чению теплопроводности материала. Природа исходного полимера (композиции) оказывает незначительное влияние на теплопровод­ность пенопласта при прочих равных условиях. Зато природа газа, заполняющего поры материала, оказывает очень существенное вли­яние на этот показатель. Например, теплопроводность пенополиуре­тана со средней плотностью 50 кг/м3, изготовленного путем вспени­вания трнфгортрнхлорэтапом (фреоном-113), составляет при 20°С 0,02 Вт/(м-°С), а для вспененного парами воды — 0,035 Вт/(м-°С),

Т. е. в 1,5 раза выше. Однако со временем в результате диффузии га­зов происходит замещение фреона воздухом и соответственно повы­шается теплопроводность материала. В частности, через два года эксплуатации теплопроводность пенополиуретана с замкнутыми по­рами возрастает на 20%. Это необходимо учитывать при расчете теплофизических характеристик конструкций при использовании такой изоляции.

Значительное влияние на теплопроводность пенопластов ока­зывает влажность. При этом в материалах с открытой сообщаю­щейся пористостью это влияние значительно выше, т. е. водопо­глощение и гигроскопичность пе­нопластов, являясь критерием их увлажняемости, влияют на изме­нение теплопроводности пено­пластов, служащих в условиях повышенной влажности. Харак­терно, что в материале с откры­той сообщающейся пористостью (рис. 13.1, кривая /) влияние влажности на теплопроводность выше, чем в материалах с замкну­той пористостью (кривые 2 и 3). Объясняется это тем, что вода за­полняет прежде всего мелкие по­ры, образуя тем самым мостики с повышенной теплопередачей.

Водопоглощение и гигроско­пичность пенопластов зависят от ряда факторов: химической приро­ды полимера, характера пористой структуры, средней плотности, особенностей технологии и продолжительности увлажнения. Повы­шенным водопоглощением обладают пенопласты с открытой сооб­щающейся пористостью (мочевиноформальдетидные, фенольные). После 24 ч пребывания в воде водопоглощение мочевиноформальде - гидных пенопластов достигает 1200% по массе. Водопоглощение заливочных пенопластов благодаря образованию на их поверхности тонкого плотного слоя несколько ниже. Полное водонасыщение на­ступает через 120 сут и составляет 80...90% по объему. У заливоч­ных полиуретановых и полнвинилхлоридных пенопластов, характе­ризующихся преобладанием замкнутой ячеистой пористости, водо­поглощение невысокое.

Сорбционная влажность пенопластов возрастает с уменьшением средней плотности и увеличением относительной влажности возду­ха. Процесс сорбции водяного пара происходит в такой последова­тельности: при малых значениях относительной влажности водяно­го пара (№ити<20%) на поверхности твердой фазы образуется мономолекуляриый слой адсорбционной воды; с повышением lF0Tn до 80% образуется полимолекулярнын слой сконденсировавшегося
пара, при IFoth>80% наблюдается резкое увеличение влажности материала вследствие интенсивного проникновения влаги в поры материала из-за капиллярной конденсации. В условиях повышен­ной влажности воздуха и при контакте с водой имеет место измене­ние механических свойств пенопластов. Прочность при сжатии термопластичных пенопластов снижается в результате увлажнения в течение 20 сут на 8... 18%, а фенольпых до 1,5...2 раз.

Теплостойкость и температура применения пенопластов при экс­плуатации в условиях повышенных температур определяет их фор - мостабильность. Условно за характеристику теплостойкости пено­пластов принимают температуру, при которой линейная усадочная деформация материала за 24 ч не превышает 1%. Технической ха - рактеристикой'теплостойкости является показатель рабочей темпе­ратуры, при которой материал продолжает еще сохранять свои эксплуатационные свойства, а усадочные деформации не превыша­ют заданных значений. Как правило, деформатнвность пенопластов при повышенных температурах изменяется в большей степени, чем прочность. При повышенных температурах под действием механи­ческих нагрузок возрастают эластические и пластические деформа­ции пенопластов. При этом характер влияния повышенных темпера­тур иа деформируемость и механические свойства пенопластов главным образом зависит от природы полимерной основы. Пено­пласты на основе термореактивных смол обладают более стабиль­ными механическими свойствами; при кратковременных воздейст­виях нагрузки они формостабильны до температур, близких к их термической деструкции (180...200°С). Наиболее теплостойки мо - чевиноформальдегидные пенопласты (температура эксплуатации до 200°С); у фенольных пенопластов — до 150°С; у пенополиурета­нов— 90...120°С. Высокой стабильностью механических характери­стик при продолжительном воздействии повышенных температур (250°С) характеризуются кремнийорганические пенопласты.

У пенопластов на основе термопластичных смол интенсивно снижаются механические свойства вблизи температуры стеклова­ния. Поэтому их можно применять в качестве конструкционных материалов при температуре не выше 75°С. При более высоких температурах существенно увеличиваются их эластические свойст­ва. Например, механические характеристики полпстнрольпых пе­нопластов при температуре 60°С снижаются до 30...40%. При отри­цательных же температурах механические характеристики термо­пластичных пенопластов повышаются иа 20...30% из-за повышения хрупкости полимеров.

Горючесть пенопластов зависит от вида каркасообразующего полимера. В связи с этим пенопласты различно реагируют на воз­действие огня: одни поддерживают горение, другие после удаления пламени тлеют и затухают, третьи не горят, но плавятся. Напри­мер, нолпстпрольпие пенопласты легко іагорлміси п полностью сгорают со 1Н.1Ч и і сл мі ы м чымопы челением В настоящее время промышленность выпускает самозатухающне полпетпрольпые нс - нопласты, в состав которых введены антипирены. Для возгорания их требуется более длительное воздействие огня. Поливинилхлорид - ные пенопласты при вынесении из пламени тлеют, а затем затуха­ют. Пенополиуретаны, наоборот, горят с выделением токсичных продуктов горения. В настоящее время разработано большое коли­чество антипиренов (органические галоид и фосфорсодержащие сое­динения, аммонийные соли различных кислот и т. д.), включение которых в рецептуры полимерных композиций снижает опасность возгорания пенопластов и способствует их самозатуханию.

Эксплуатационная стойкость теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях определяется типом конструкций и кли­матическими условиями района строительства. Основными агрес­сивными факторами для утеплителей ограждающих конструкций являются длительное воздействие повышенных температур, влаж­ность окружающей среды, число переходов через 0°С (циклы замо­раживания и оттаивания). При длительном воздействии повышен­ных температур, кислорода воздуха, света и т. д. в полимерах про­текают различные физические (термическая, механическая, фотохимическая деструкция) и химические процессы, которые мо­гут привести к существенному ухудшению свойств пеноматериалов в связи с уменьшением молекулярной массы полимеров, образова­нием свободных радикалов и уменьшением длины цепей макромо­лекул.

Наиболее важным фактором, определяющим длительную тер­мостойкость полимеров, является величина энергии связи между атомами в главной цепи. Одна из наиболее устойчивых к термиче­ским воздействиям углерод — углеродная связь (С—С), на проч­ность которой влияют степень разветвленности полимеров и нали­чие заместителей в макромолекуле. Разветвленные полимеры всегда менее термостойки, чем неразветвленные. Этим объясняется, например, более низкая термостойкость поливинилхлоридных пено­пластов Термостойкость пенопластов можно повысить, варьируя рецептуры композиций, регулируя плотность сшивки полимера из­менением числа поперечных связей.

Перспективным направлением переработки полимеров являет­ся их стабилизация — сохранение исходных свойств полимеров при различных воздействиях. Это может быть достигнуто введением в композицию стабилизаторов, предотвращающих старение полиме­ров в условиях эксплуатации. Вследствие многообразия процессов, протекающих при разрушении полимеров, стабилизация различных полимеров не может быть реализована единым приемом. Для каж­дого полимера должны применяться свои стабилизаторы. Но так как все реакции распада являются цепными, то для их замедления могут быть использованы три общих метода: подавление цепных реакций, развивающихся в процессе термоокнслнтельного распада; со oiaimeслпппі"і, при которых образующиеся вещества препятству­ют более глубокому разложению полимера; создание условий, прн которых распад протекает обратимо.

Попеременное увлажнение и высушивание наиболее интенсивно снижает прочностные и упругие свойства пенопластов — до 40% в зависимости от вида полимерной основы. Циклическое заморажнва - ние и оттаивание также негативно влияет на механические показа­тели пенопластов. В зависимости от вида полимера после 25 циклов испытаний прочность при сжатии снижается на 10...25 %.