СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Известно, что ячеистая структура оказывает сильное влияние на физико-механи - ческие свойства пенопластов /1-4Д Однако, большой объём экспе­риментальных данных и теоретических обобщений в области физико» химии и механики вспененных полимеров, накопленных ко времени постановки настоящей работы, оказался недостаточным для того, чтобы обеспечить надлежащее развитие их технологии и высокую эффективность применения,

В частности, не было достаточных данных о связи комплекса свойств пенополимеров с параметрами макро - и микроструктуры в широком диапазоне их изменения.

Для достижения максимального снижения полимероёмкости объём­ную долю газа в газонаполненных полимерах доводят до 99%» По этой причине изучение воздействия газовой среды внутри ячеек на комплекс свойств пенопластов оказывается одной из узловых проб­лем при разработке и применении этих материалов. Особенно акту­альной эта проблема представляется в связи с необходимостью за­мены традиционных вспенивающих агентов (фреонов) на экологичес­ки более безопасные вспениватели. Однако влияние состава и дав­ления газа в ячейках на поведение материала было изучено мало.

Не были разработаны общие подходы к изучению диффузии и сорб­ции паров и газов полимерами в пенопластах и к изучению физичес­ких взаимодействий полимеров в пенопластах с такими пластифици­рующими средами, а экспериментальных данных по этому вопросу бы­ло крайне мало.

Влияние пластифицирующей способности обсуждаемых газов и па­ров на комплекс свойств полимера проявляется в изменении его ме­ханических свойств и смещении температурных границ физических (релаксационных) состояний вследствие абсорбции среды полимером и названо принципом температурно-концентрационной суперпози­ции /5—7/.

Температурные границы физических состояний полимера, находя­щегося в абсорбционном равновесии со средой газов или паров в ячейках, определяют температурный диапазон эксплуатации пено­пласта при учёте влияния полимера-основы. Величина смещения температурных границ физических состояний полимера-основы в ре­зультате установления абсорбционного равновесия со средой газов или паров в ячейках может служить мерой физического сродства поли­мера и среды. Поэтому изучение величины смещения температуры стеклования пенополимеров в условиях абсорбционного равновесия со средой позволяет анализировать межмолекулярные взаимодействия у полимера-основы.

Нет достаточных данных и о том, в какой мере свойства поли­мера переносятся на поведение пеноматериалов на его основе.

Поэтому решение прикладной проблемы связи ячеистой структуры со свойствами вспененных пластмасс при их разработке и примене­нии является необходимым звеном проблемы вспененных пластмасс и имеет различные формы приложения» такие как:

Разработка пенопластов с требуемыми эксплуатационными свойствами;

Повышение качества пеноматериалов и эффективности их исполь-

Зования в различных условиях эксплуатации;

Прогнозирование работоспособности изделий с использованны­ми вспененными полимерами;

Оптимальный выбор пенопласта для задаваемых условий его применения;

Обеспечение его высокой экономической эффективности при проектировании и изготовлении новых изделий и конструкций с ис­пользованием пенополимеров;

Повышение качества, увеличение ресурса и надёжности машин и конструкций с использованием пеноматериалов;

Улучшение внешнего вида и качества товаров народного по­требления при применении вспененных полимеров.

Проблема связи физико-механических свойств пенопластов с яче истой структурой является основной при разработке пенополимеров заранее заданными свойствами, С другой стороны, без знания этой специфики влияния ячеистой структуры невозможно научно обосно­ванное прогнозирование сроков технической пригодности пеномате­риалов применительно к условиям эксплуатации в различных издели­ях и конструкциях. То-есть необходимость всесторонней оценки свойств пенопластов и удовлетворение возрастающих требований к эксплуатационным характеристикам пеноматериалов, предназначен­ных для применения в различных отраслях современной промышлен­ности - авиационной, ракетной, космической, строительной, ме­бельной, автомобильной, химической и других - делают важным решение в поставленной проблемы.

Состояние сформулированной проблемы таково, что сохраняется необходимость в установлении общих закономерностей связи ячеис­той структуры с прочностными и деформационными характеристиками материалов, показателями теплоизоляционных и электрических свойс горючестью, водопоглощением, стабильностью при длительном старе­нии и т. д. В силу ограниченности информации об этой связи отсутство­вала всесторонняя и достоверная оценка свойств пеноматериалов, в первую очередь механических, физических, диэлектрических. С другой стороны, исследование ячеистой структуры и свойств пенополимеров сдерживалась отсутствием необходимого количества методов испытаний и исследований,

В диссертационной работе обобщены результаты исследований автора в области газонаполненных полимеров и развит© новое научное направ­ление по физике и механике газонаполненных полимеров на уровне яче­истой структуры как общенаучной основы разработки технологии полу­чения пенопластов с требуемыми параметрами их свойств и при приме­нении. Выполнение работы при решении проблемы обусловлено развитием физики и механики полимеров, как научной дисциплины, и необходимос­тью участия в решении задач, выдвигаемых перед НПО "ПОЛИМЕРСИНТЕЗ", как головной организацией по ненопластам, по удовлетворению запро­сов различных отраслей промышленности на современные вспененные пластмассы, обеспечивающие технический прогресс.

Автор защищает следующие положения, отличающиеся научной новизной

Формирование структуры пеноматериалов с заданными параметрами при разработке технологии получения газонаполненных полимеров с тре­буемым уровнем свойств; комплексный анализ ячеистой структуры пено­полимеров;

Разработку методов модификации макроструктуры пенополиме­ров, включающих вытяжку или сжатие газоструктурных элементов, поверхностное армирование тяжей, изменение соотношения полимера

В элементах макроструктуры. Методы позволяют улучшить механичес­кие и пожароопасные свойства пенопластов;

Обнаружение образования у открытопористых пенополиуретанов взаимопроникающих ячеистых структур четырёх уровней; установле­ние их влияния на прочность и сорбционные свойства пеноматериала;

Физические основы термического деформирования пенополимеров. Обнаружение и анализ явления самопроизвольного удлинения или усадки пенополимера повышенной кажущейся плотности при термообра­ботке вблизи температуры стеклования; установление механизма яв­ления, обусловленного переходом конформационного набора макромо­лекул или их фрагментов, равновесного для условий вспенивания и отверждения, к равновесному для условий термообработки; анализ влияния состава и давления газа в ячейках на термическое дефор­мирование пенопластов низкой кажущейся плотности;

Теоретический анализ диаграмм сжатия эластичных пеноплас­тов на основе предложенной автором модели макроструктуры, в ре­зультате которого получены и объяснены все основные типы диаг­рамм сжатия, характерные для пенополимеров. Диаграммы получены из учёта продольно-поперечного изгиба тяжей в докритической и закритической областях деформирования, влияния спектра распреде*» ления элементов макроструктуры по жесткости, релаксационных свойств полимера-основы;

Теоретический анализ диаграмм сжатия эластичных пеноплас­тов на основе расчёта предложенной модели с искривлёнными тяжами, в результате которого объяснены особенности деформативности пе­нополимеров при возникновении остаточной деформации в материале;

Теоретический анализ диаграмм растяжения эластичных пено - рластов на основе расчёта предложенной модели макроструктуры, в результате которого объяснены особенности деформативности пено­полимеров вследствие продольно-поперечного изгиба тяжей;

Теоретический анализ разрушения пенопластов при сжатии и растяжении на основе предложенных статистических моделей макро­структуры, в результате которого выявлены законы распределения прочности пенополимеров, определена степень их повреждённости перед разрушением, определён эффективный коэффициент использо­вания материала;

Установление и теоретическое обоснование эффекта обратного влияния масштабного фактора на прочность пенопластов по сравнению с законом Вейбулла для монолитных материалов. Эффект обусловлен влиянием разрушенных макроячеек с поверхности образца при его вы­резке;

Анализ физических особенностей кинетики деформации пено­пластов, обусловленных влиянием кинетических параметров деформа­ции полимера-основы и свойств макроструктуры, в результате кото­рого по результатам испытаний пенополимеров оценены кинетические параметры деформации полимера-основы: фактический уровень напря­женного состояния, истинный объём кинетической единицы деформа­ции, эффективная энергия активации;

Физико-химические основы наследственной аналогии при кли­матическом старении пеноматериалов, полученных с использованием одного и того же полимера-основы;

Экспериментальные данные по аналитической зависимости проч­ностных, деформационных, теплофизических свойств различных пено­полимеров от параметров газоструктурных элементов и объяснение этой зависимости на уровне ячеистой структуры;

Аналитическую зависимость изменения физико-механических свойств пенополимеров от длительности теплового, термовлажност - ного, атмосферного старения и связь её с механизмом процесса на глубоких стадиях; прогнозирование изменения свойств пеноматериа­лов при старении;

- кинетические исследования и анализ восстановления размеров эластичных пенопластов после длительного нагружения и установле­ние механизма процесса; прогнозирование долговременных механичес­ких характеристик пенополимеров.

Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследова­тельских работ Всесоюзного научно-исследовательского института синтетических смол НПО "ПОММЕРСИНТЕЗ"» определёнными Госкомитетом Совета министров СССР по науке и технике, Минхимпромом СССР, в частности, по следующим темам: