АМИНОПЛАСТЫ

ПЕНОПЛАСТЫ НА ОСНОВЕ АМИНОСМОЛ

Одним из наиболее распространенных синтетических пенопластов является материал на основе карбамидной смолы, известный под названием ипорка еще с 1930 г. Существует несколько методов по­лучения пенопластов:

1) вспенивание вязких полимерных композиций под действием газа, выделяющегося при разложении органических газообразова - телей (обычно порофора) при повышенной температуре в опре­деленной среде;

2) введение в смолу сжатого газа или легкокипящих жидко­стей. После снятия давления или прекращения нагревания выдет ляется газ и образуется ячеистая структура пенопласта;

3) непосредственное введение газа в низковязкий полимер при механическом взбивании быстро вращающейся мешалкой.

Преимуществом последнего метода является исключение»доро- гостоящего эмульгатора, легкость проведения процесса непрерыв­ным способом и высокая производительность аппаратуры. К не­достаткам относится прежде всего тот факт, что пенопласт отличается низкой плотностью из-за наличия межклеточных ка­пилляров, Этот метод применяется для получения пенопласта на основе карбамидной смолы.

ПОЛУЧЕНИЕ ПЕНОПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДНЫХ СМОЛ

Кратность пены — это отношение объема пены к объему жидкости, из которой она образована. Кратность пены увеличивается с ро­стом размеров ячеек и увеличением их числа, а следовательно, с уменьшением толщины стенок. Уменьшение толщины стенок ячеек пены возможно только до определенного предела, опреде­ляемого равновесием между давлением газа внутри ячйки и проч­ностью пленки, образующей стенки ячейки. Если давление газа превышает предел прочности пленки жидкости, образующей стенки ячеек, то происходит разрыв стенок и исчезновение пены. Если скорость исчезновения пены и скорость вспенивания равны, пена достигает максимальной кратности, объем ее не увеличивается и при дальнейшем перемешивании.

Уменьшения кажущейся плотности карбамидной пены можно достигнуть разбавлением смолы. В то время как толщина стенок ячеек перед отверждением остается без изменений, содержание в них сухого вещества, а следовательно, толщина и масса, умень­шаются.

Пена, не содержащая отвердителя, оседает, и структура ее по истечении определенного времени разрушается. Механизм исчез­новения пены (коагуляция) состоит в стекании двух параллельных поверхностных слоев жидкости, находящейся у стенок ячеек, в ре­зультате чего стенки становятся все тоньше и в конце концов ло­паются. Подобный процесс может протекать на наружной по­верхности пены при испарении жидкости. Стабильность пены ха­рактеризуется скоростью ее оседания. С ростом вязкости жидкости скорость стекания ее со стенок ячеек уменьшается, и стабильность пены возрастает. Мерой стабильности пены21 является продолжительность ее полного исчезновения в наполненной вертикальной стеклянной трубке дли­ной 1 м.

Метод образования газа из жидкости с помощью эмульгатора или легкокипя - щих жидкостей и метод введения газа при механическом взбивании пены при­водят к получению пены различной структуры1 (рис. X. 1). При механичес­ком «вбивании» газа в жидкость каждый возникший пузырек имеет собственную оболочку из жидкости. Если ячейки пены разрастаются и соприкасаются, происхо­дит их взаимное сжатие и деформация поверхности, и находя­щийся в местах соприкосновения ячеек воздух образует так на­зываемые треугольники и капилляры Гиббса24 и занимает опреде­ленный объем пены. Объем, занятый этими капиллярами, в большой степени зависит от структуры пены. Карбамидная пена состоит из закрытых ячеек и открытых пространств между ячей­ками. От объема каналов Гиббса зависит водопоглощение пены.

Для производства пенопластов используют обычно карбамид- ную смолу с понижен ным-ходержа ни ем, свободного формальдегида. Поликонденсация проводится до получения вОзможнО более вязкой смолы, что увеличивает стабильность пены. От степени разбавле­ния смолы зависит кажущаяся плотность пенопласта. Для умень­шения хрупкости готового продукта можно вр._время поликонден­сации вводить пластифицирующие вещества, ^например глицерин, гексанатриол и др. Необходимым условием получения достаточно стабильной пены является наличие в реакционной массе поверх­ностно-активных веществ, снижающих поверхностное натяжение.

Пенообразователи (эмульгаторы) представляют собой соеди­нения, содержащие сильнополярные группы при углеводородных

Радикалах. Эти соединения адсорбируются на границе вода — воз­дух, причем происходит гидратация полярных групп, которые прочно связываются с молекулами воды в результате электроста­тического взаимодействия. Молекулярный слой пенообразователя находится на поверхности жидкости, Образуя стенки ячеек пены. Неполярные углеводородные радикалы направлены в сторону га­зообразной фазы. По мере увеличения концентрации пенообразо­вателя поверхностное натяжение уменьшается, а легкость образо­вания пены и ее стабильность возрастают, достигая максимума при неполном насыщении поверхности низкомолекулярными поляр­ными пенообразователями15. Для каждого пенообразователя су­ществует определенная оптимальная концентрация.

Известнр много пенообразователей разных типов, например мыла, мерсоли, игепоны, сапамины и т. п. Для получения пено­пласта на основе карбамидной смолы пригодны только пенообра-1 зователи, которые активны как в нейтральной, так и в кислой среде (при pH 2—3), Пенообразователи, разлагающиеся в кислой среде и уменьшающие кислотность среды (например, мыла), не пригодны. При использовании веществ, активных в нейтральной среде и неактивных в кислой, можно получать пену, которая осе­дает сразу же при подкислении смолы2б.

В качестве катализаторов при получении пенопластов обычно применяют фосфорную кислоту; она характеризуется быстрым ка­талитическим действием, не вызывает коррозии ни аппаратуры, ни металлических деталей, с 'которыми соприкасается пенопласт, спо­собствует получению стабильной пены. Иногда в - качестве катали­заторов применяют сульфированные углеводороды.

Получение пенопласта на основе карбамидной смолы может осуществляться периодическим и непрерывным методами. Перио­дический метод широко применялся при зарождении производства пенопластов; в настоящее время он представляет только историче­ский интерес. При получении пенопласта этим методом пену взби­вают в цилиндрическом сосуде с помощью быстро вращающейся мешалки. В сосуд вводят смолу, содержащую растворенный пено­образователь, а в конце взбивания добавляют разбавленный рас­твор кислого катализатора. По другому способу вспенивают рас­твор пенообразователя с катализатором, а потом вводят раствор карбамидной смолы в готовую пену. Преимущество второго спо­соба состоит в том, что используют сильно разбавленную кислоту, и поэтому не происходит подкисления смолы, что способствует увеличению однородности и стабильности пены. Жизнеспособность пены (период от момента смешения смолы с кислотой до начала желатинизации) зависит от ее температуры и количества добав­ленного катализатора и равняется 1—3 мин. Это дает возмож­ность выгружать неотвержденную пену в формы и обусловливает быстрое последующее отверждение.

Непрерывным способом пенопласт получают в цилиндрическом вертикальном бункере, снабженном быстро вращающейся мешал­

Кой (рис. X. 2). Сырье поступает в цилиндр через четыре трубо­провода. Сначала вводят раствор кислоты и пенообразователя (трубопровод 1). По трубопроводу 2 под давлением подается такое количество воздуха, которое необходимо для получения задан­ного объема пены. Пена проталкивается воздухом и лопастями ме­шалки вниз, в направлении выпуска. По трубопроводу 3 в пену вводят 40%-ный раствор карбамидной смолы. Происходит быстрое перемешивание, причем смола равномерно растекается по пленке пены-носителя. Раствор карбамидной смолы в случае необходимо­сти можно разбавить водой, которая подается по трубопроводу 4.

Смола находится в аппарате в течение 3—4 мин; pH подкислен­ной смолы равен 1,8—2,0. Пена при повышенном давлении выво­дится из сосуда через узкую щель внизу (или вверху) и потом в выходном сопле формуется в куски прямоугольной формы. Из сопла пенопласт может выгружаться непосредственно в формы или на транспортер. Потом пенопласт режется на блоки требуемой дли­ны, которые остаются на 2—3 ч для окончательного отверждения. В это время из смолы удаляется излишек воды. Кажущаяся плот­ность отвержденного влажного пенопласта после удаления излишка воды составляет 40—50 кг/м3 и почти не зависит от количества использованной при его получении воды. Количество воды, которое осталось в пенопласте и которое следует удалить во время сушки, равно 3 объемн% (т. е. около 30 кг/м3), что соответствует объему каналов Гиббса 24.

После отверждения блоки помещают в сушилку: периодиче­скую — камерную или непрерывного действия — туннельную. По­скольку во время сушки происходит объемная усадка пенопласта на 20%, для предотвращения растрескивания блоков их следует

Сушить при температуре, не превышающей 40—45 °С, и при высо­кой относительной влажности воздуха. Пенопласт сушится в тече­ние 3—5 суток в зависимости от толщины блоков.

Для устранения неприятного запаха формальдегида перед вы­грузкой блоков пенопласта из 'сушилки проводится их аммониза - ция, например путем введения в сушилку газообразного аммиака. После выгрузки блоков из сушилки запах аммиака быстро улету­чивается. Готовый пенопласт поставляют в виде блоков и плит требуемых размеров, упакованных в картон. Отходы можно упаковывать в пакеты из пленки.

Однако гораздо выгоднее получать пенопласт непосредственно иа месте его потребления2'9. Для этой цели сконструировано

Специальное переносное приспособление. Схема переносного устройства приводится на рис. X. 3. Воздух из баллона 1 под дав­лением 4,5 кгс/см2 через трубопроводы 2 и 4 подается в напорные баки 3 с раствором смолы и 5—с кислым пенообразователем. Пе­нообразователь через трубопровод 6 поступает в пистолет 7, где вспенивается, и под давлением - воздуха, вводимого по трубопро­воду 8, поступает в камеру 10, куда через сопло 12 по трубопро­воду 11 вводится карбамидная смола. Оба компонента тщательно перемешиваются, выводятся наружу через сопло 9, соединенное с аппаратом эластичным каучуковым шлангом, и наносятся на из­делия, после чего в течение нескольких десятков секунд смола отверждается.

Степень вспенивания зависит от соотношения компонентов во вспениваемой жидкости, от давления и размеров вспенивающей трубы. Установлено, что наибольшая степень вспенивания (90- кратная) 21 получается при давлении 4,5 кгс/см2. Производитель­ность агрегата равна 1 л пены/с. В аппарате достигается 70-крат - ное вспенивание, которое, однако, после введения смолы умень­шается до 25—30-кратного в результате частичного уничтожения ячеек давлением воздуха. Продолжительность высыхания пены равна 48 ч. Кажущуюся плотность пенопласта на основе карбамид - ной смолы можно регулировать в пределах 4—25 кг/м3. Во время сушки на воздухе на поверхности пенопласта образуется тонкая гладкая пленка отвержденной смолы.

СВОЙСТВА ПЕНОПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДНЫХ СМОЛ

Пенопласты на основе карбамидных смол относятся к жестким пенам. Они характеризуются наименьшей кажущейся плотностью среди всех пенопластов. Кажущаяся плотность такого пенопласта может достигать 4 кг/м3. Такое большое содержание воздуха обус­ловливает отличные изоляционные свойства материала как тер­мические, так и акустические. Ниже приведены коэффициенты теп­лопроводности пенопласта на основе карбамидной смолы при раз­ных температурах27:

Кажущаяся плот­ность пенопла­ста, кг/м3 ... 10 10 10 15 15 15 15 15 15 15

Температура, °С 25 35 45 0 10 20 40 60 80 100

Коэффициент теплопровод­ности,

Ккал/(м2-чтрад) 0,023 0,027 0,031 0,0270,0285 0,030 0,035 0,0405.0,047 0,05

Как видно, особенно при низкой температуре они очень близки к коэффициенту теплопроводности воздуха, который равен

0, -02 ккал/(м2-ч-град), что, собственно, является предельной тео­ретической величиной для коэффициентов теплопроводности. Теп­лопроводность пенопласта изменяется очень незначительно в ши­роком интервале температур; она в 15 раз меньше, чем теплопро­водность твердой невспененной смолы, из которой получают пену. Теплопроводность влажного пенопласта на 60% выше, чем сухого. Ниже приводится для сравнения теплопроводность различ­ных изоляционных материалов22:

Коэффициент теплопроводности, ккал/(м2.ч*град)

TOC o "1-5" h z Шлаковата...................................................................... 0,073

Стеклянное волокно....................................................... 0,064

Пробковые плнты........................................................... 0,038

Пенопласт на основе карбамндной смолы 0,025

Теплоемкость пены очень низкая — 3,3 ккал/кг.

Капиллярные каналы, имеющиеся в пенопласте, обусловли­вают хорошие звукопоглощающие свойства, Значения коэффициента

Поглощения звука пенопластом плотностью 0,015 г/см3 при разных частотах приведены ниже24:

Частота колеба­ний, Гц.... 128 181 256 362 512 725 1024 1450 2048 5900 4096

Коэффициент

Поглощения .'..0,2 0*12 0,29 0,48 0,55 0,63 0,67 0,60 0,62 0,73 0,85

Максимум поглощения звука. наблюдается при частоте ~ 1000 Гц, что можно объяснить резонансом, возникающим между колеблющимся слоем воздуха и поверхностным слоем пены.

Данные о поглощении звука (в %) перфорированным пенопла­стом (степень перфорации 3%) приведены ниже4:

Сухой пенопласт поглощает звук лучше, чем влажный.

Механическая прочность пенопласта невелика, поскольку су­ществует система капилляров, образующая как бы сетку внутрен­них трещин. Прочность зависит от плотности пенопласта. Напри­мер, прочность при сжатии пенопласта с плотностью 0,015 г/см® равна 0,1—0,2 кгс/см2; при плотности 0,15 г/см3 прочность возра­стает до 4,2—4,8 кгс/см2. Поскольку обычно используются пены с наименьшей плотностью, а следовательно, с небольшой механи­ческой прочностью, они никогда не применяются как конструк­ционные материалы. Поэтому механическая прочность пенопластов играет роль только при транспортировке и мон1,аже. Сжатие. пено­пластов можно повторять многократно без существенных измене­ний материала 17.

Пенопласты эксплуатируют обычно при температурах, не пре­вышающих 50 °С. Низкая температура (до — 70 °С и. даже до — 190°С) не влияет на свойства пенопласта2. Пенопласты на осно­ве карбамидных смол могут эксплуатироваться при температурах1 до 110°С и выдерживают без явного разложения температуру ]150°С в течение 4—8 ч2. Термическое разложение пенопласта про­исходит при температуре выше 200 °С. Однако при повышенной температуре наблюдается значительная усадка пенопласта, обус­ловленная протекающими в смоле реакциями дальнейшей кон-

Денсации, что может отрицательно влиять на его изоляционные свойства.

Ниже приводятся данные о потере массы и линейной усадке пенопласта на основе карбамидной смолы, нагретого в течение 3 ч до разных температур:

Пенопласты, подвергающиеся в течение года переменному воз­действию температур -(-20 °С и —30 °С, не проявляют видимых из­менений 4.

Пена, так же как и карбамидная смола, не горюча. При повы­шенной температуре она обугливается. Газы, образующиеся при разложении пенопласта, содержат

0, 5% Со, 2,0% С02 и 18—19% 02 (кислород воздуха, содержащийся в ячейках материала). Возникающий при обугливании пены тонкий изо­ляционный слой тормозит распро­странение пламени.

Благодаря наличию в пеноплас­те системы капилляров между за­крытыми - ячейками он может во влажной среде при комнатной тем­пературе поглощать до 15—30 вес.% воды (рПс^Х. 4). Вода при комнатной температуре не ухудшает свойств пенопласта. Первоначаль­ное водопоглощение пены при по­гружении ее в воду определяется объемом капилляров и в 5— 10 раз больше, чем у пробки. После выдержки в воде в течение

2 ч пенопласт сохраняет еще 40% первоначального водоизмеще­ния. Дйже после 8 лет пребывания под водой не происходит изме­нения структуры ячеек.4.

При комнатной температуре в течение 21 суток пенопласт стоек к действию следующих реагентов: 25%-ный раствор хлористого аммония, водные растворы углекислого и хлористого натрия, эта­нол, метанол, бензин, уксусная кислота, формалин и т. д. Концен­трированные и разбавленные щелочи и неорганические кислоты быстро портят пенопласт.

Пенопласты на основе карбамидных смол не подвергаются дей­ствию бактерий, грибков и плесени. Они обладают скорее фунги­цидными свойствами, что объясняется выделением незначительных количеств формальдегида.

Влажная (2,7 объемн.% влаги) пена, полученная в присутствии фосфорной кислоты, вызывает коррозию металла, однако после вы­сыхания коррозионная активность пены не проявляется. Под дей­ствием содержащейся в пене фосфорной кислоты возникает защит­ная пленка нерастворимых фосфатов. Поверхностное электриче - ское'сопротивлениепенопласта с слоем засохшей пленки 2250. Ом, а без этого слоя 380 Ом; удельное объемное сопротивление 550 Ом-см.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕНОПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДНЫХ СМОЛ

Пенопласты применяются для изоляции вагонов-холодильников, автомашин-холодильников, пассажирских вагонов с кондициониро­ванным воздухом, самолетов и судов, а также для изоляции про­мышленной аппаратуры. Блоки или крошку пенопласта помещают между защитными поверхностями конструкции, которые предохра­няют его от действия механических напряжений. Для защиты ма­териала от водяных паров применяют игелитовую, полиамидную или полиэтиленовую пленку. Кроме того, пенопласты на основе карбамидных смол применяются для изготовления посуды, в кото­рой транспортируют пищу26, как декоративный материал, для упаковки хрупких изделий.

После прессования при повышенной температуре пена образует гибкий и эластичный материал с открытыми порами, пригодный для фильтрования.

С момента внедрения переносных аппаратов для производства пенопластов на месте использования возможности применения этого материала значительно возросли. Так, в работе2 сообщается

О применении пенопласта в горной промышленности, в строитель­стве, в качестве изоляции для газопроводов, водопроводов и кана­лизационных труб. Изоляционные свойства пенопласта в 17 раз больше, чем кирпича той же толщины. Рекомендуется применять Пенопласт в качестве изоляции при строительстве домов в кемпин­гах и т. д.

Из пенопласта после промывки горячей водой (удаление кис­лоты), высушивания и измельчения в шаровой мельнице полу­чается пудра, не уступающая по своим свойствам пудре из талька и крахмала 7: насыпная плотность ее в 12 раз меньше, а активная поверхность в 20 раз больше. Эта пудра стерильна, не раздражает ран и способствует их быстрому заживлению.

Пенопласты нашли применение и в сельском хозяйстве6. При поверхностном нанесении на почву пена препятствует ее высыха­нию, эрро^ии и тормозит развитие сорняков. Пенопласты на основе карбамидных смол, закопанные в землю, могут задерживать воду и дают возможность растениям почти полностью (до 98%) исполь­зовать ее.