Экструзионный пенополистирол

Влияние морфологических параметров на теплопроводность пе­нополистиролов

Данные по морфологии газонаполненных полимеров впервые были систематизированы А. А. Берлином, Ф. А. Шутовым в [13], где авторы ввели основные морфологические понятия.

Существует 2 основных подхода к изучению морфологии газонапол­ненных полимеров:

1) формально-графический (на основе изучения геометрии ячеек);

2) физико-химический (на основе изучения химического строения по­лимерной основы, компонентов композиции и метода вспенивания).

Пенополистирол относится к классу газонаполненных полимеров (пе - нопластов) ячеистой структуры и представляет собой дисперсную систему, состоящую из полимерной и газовой фаз.

Основным морфологическим термином является газоструктурный эле­мент (ГСЭ) - элементарный объем, состоящий из газовой ячейки, полимер­ных стенок и ребер, с помощью которого можно создать статистически ус­редненную структуру пенопласта [13].

По виду ГСЭ газонаполненные материалы можно разделить на сле­дующие основные типы [13]:

• ячеистые;

• пористые;

• сотопласты;

• микробалонные (синтактные);

• капиллярные (волокнистые);

• со смешанным типом.

Исследуемые нами пенополистиролы имеют ГСЭ ячеистого типа, так как эти материалы имеют преимущественно закрытопористую структуру.

По классификации Радушкевича [94, 95] все ячеистые и пористые сис­темы по механизму образования можно разделить на следующие группы:

• системы роста;

• системы сложения;

• смешанные системы.

ЭППС является типичным представителем системы роста. Пенополи­стирол типа ПСБ относится к смешанной системе. В процессе производства ПСБ на первом этапе происходит вспенивание гранул вспенивающегося по­листирола (система роста), а на втором этапе производится формование гото­вых изделий (система сложения).

Основными параметрами макроструктуры полимерных систем являют­ся [13, 103]:

• плотность;

• геометрия поровой структуры (размер ячеек, форма ячеек, толщина стенок ячеек, характер распределения ячеек по размерам и форме в объеме);

• объем открытой и замкнутой пористости в системе (степень замкну­тости ячеек).

Рассмотрим данные параметры с точки зрения их влияния на теплопро­водность исследуемых нами пенополистиролов.

Плотность пенополистирола является важнейшей характеристикой, до­вольно точно определяющей соотношение объемов твердой и газообразной фаз в системе.

Относительный объем пустот системы (при пренебрежении весом газа, заключенного внутри) равен:

Fo=100 (р,-ро) / Р,, (1.12)

Где ро - плотность пенопласта, кг/м3, - плотность невспененного мо­нолитного полимера, кг/м3.

Относительный объем твердой фазы (полимера) составит:

F,= 100-p0/ps, (1.13)

Очевидно, что

V0+VS=V, (1.14)

Где V— общий объем системы.

Общей характеристикой пористой системы по степени заполнения га­зом структурных элементов системы является параметр газонаполненность [13]

G=V0/V. (1.15)

Величина «доля заполнения» U твердой фазой газообразную будет равна:

U=VS/V. (1.16)

Параметры G и U определяют соотношение вклада Xg и Xs в значение ~кед - (формула (1.5)).

Известно, что методика определения плотности р пенополистирола, со­гласно нормативным документам [24, 27, 33], разработана для определения её средней величины по всему объему изделия р0. Плотность пенополистиро­ла у поверхностных слоев может быть в 3...10 раз выше р0. Также наблюда­ется для ЭППС уменьшение р по высоте изделия ввиду известных физиче­ских процессов вспенивания [88].

Последнее утверждение не относится к пенопластам типа ПСБ из-за то­го, что их получают из предварительно вспененных гранул. Газонаполнение полимеров в данном случае осуществляется не за счет процесса вспенивания [82].

На рис. 1.5 представлена гистограмма распределения р для пенопласта ПСБ. По гистограмме видно, что распределение является однородным и под­чиняется нормальному закону распределения. Очевидно, что с изменением р по объему плиты или блока пенополистирольного изделия будет изменяться и Xeff[Ll]. Ввиду того, что Xg значительно ниже Xs, существует общая законо­мерность для большинства теплоизоляционных материалов: чем выше G, тем ниже Хф Данный вывод достаточно хорошо работает для пенополистиролов в интервале плотностей от 40 до 150 кг/м3. При плотности ниже 40 кг/м3 большую роль уже начинает играть геометрия поровой структуры [13].

N, %

20

С

I

1

20 р, XrAt*

Рис. 1.5. Гистограмма распределения плотности пенопласта типа ПСБ [101]

Весомый вклад на значение Xg оказывает размер пор. С увеличением толщины пор 5 увеличивается и перепад температур между стенками АТ, что В совокупности неизбежно приводит К увеличению Xg0Nv И Xg'Ad , как это вид­но из формул (1.8) и (1.10). Размер ячеек принято оценивать средним диамет­ром Do, который определяют с помощью прямых методов наблюдения и по­следующей статистической обработкой [9].

Форма пор и толщина стенок между ними оказывает влияние на рас­пределение тепловых потоков внутри порового пространства из-за того, что Хд, как правило, выше Xg в несколько раз. У пенополистиролов твердой фазой является полистирол, основные свойства которого представлены в табл. 1.8 [82].

Для характеристики формы пор необходимо пользоваться, как было указано выше, геометрией ГСЭ.

В [151, 153] проведен математический анализ морфологии пенопла - стов, где в качестве идеализированных моделей реальных пористых систем рассматривались монодисперсные сферы, сфероиды, кубы, шестиугольники, ромбические додекаэдры, сложные многогранники и др.

Реальная форма ячеек закрытопористых пенополистиролов согласно Хардингу [144, 145] больше соответствует форме правильных 12-гранников и «вытекших» 12-гранников (табл. 1.9).

Для поровой структуры пенополистиролов наиболее, предпочтительна схеїма, в основу которой положена структура правильного додекаэдра [13]. Плиты ЭППС обладают анизотропностью структуры относительно направ­ления вспенивания. Ориентирование ячеек происходит в результате того, что при вспенивании газовые пузырьки расширяются по направлениям мини­мальных локальных напряжений [141].

Для количественной характеристики вытянутости ячеек пользуются усредненными коэффициентами формы. Используя объемный av и поверхно­стный av коэффициенты формы ячеек, можно выразить объем V и площадь поверхности S ячейки по следующим формулам [9]:

V = av-Dmax3 • 7г / 6 , (1.17)

S=as-DmJ-n, (1.18)

Где Дпах - максимальный линейный размер ячейки вдоль или поперек на­правления вспенивания, мм.

Экструзионный метод получения пенополистирольных плит [88] пред­полагает их формование при высоком давлении, поэтому поверхностные слои таких изделий имеют плотный монолитный слой. Вблизи данного слоя также будет наблюдаться более мелкий размер пор и более ярко выраженная их анизотропность, ориентированная относительно направления вспенива­ния.

Вспененные зерна ПСВ (основной сырьевой компонент для получения ПСБ и ПСБ-С [24]) имеют в основной массе изотропную структуру ввиду того, что вспенивание каждого зерна происходит независимо от других, а их средний размер после вспенивания составляет порядка 5... 10 мм. Данное ут­верждение подтверждается анализом анизотропности, проведенным с помо­щью ультразвукового метода (табл. 1.10) в [56].

Объем открытой пористости оказывает резкое влияние на увеличение

Л Л COYIV

в основном из-за увеличения конвективной составляющей g

Параметр G характеризует общее наличие пор в системе (открытых и закрытых). Для характеристики наличия открытых («активных») пор, кото­рые при определенных условиях принимают участие в «сквозном» движении жидкости или газа, существует понятие «активная газонаполненность» [13]:

Ga=(V, o-Vp)/V, (1.19)

Где Vp - объем ГСЭ, не участвующих в фильтрационном процессе.

Изделия из ЭППС имеют закрытопористую структуру [164], и только на поверхности плит возможно наличие открытых пор до 1 % от общей мас­сы пор, присутствие которых можно объяснить применением механической обработки при производстве (разрезка, распил и т. д.) или повреждениями при транспортировке.

Пенополистирол типа ПСБ может иметь открытые поры по всему объ­ему, которые образуются между вспененными зернами в процессе формова­ния плит [82]. Наличие открытых пор сильно зависит от р0 материала и коли­чества сырья в виде зерен ПСВ, затраченного на единицу объема при полу­чении пенопласта. Среднее значение открытой пористости для полистирола

ПСБ должно составлять не более 4 %, которую можно условно определить по значениям максимального водопоглощения образцов согласно методике [24].