ПОЛИМЕРНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Обьемнын вес н пористость

Объемный вес полимерных теплоизоляционных ма­териалов является одним из основных показателей, ха­рактеризующих свойства материала. Зная объемный вес пористого материала, можно составить себе приблизи­тельное представление о его теплопроводности и проч­ностных показателях. Полимерные теплоизоляционные материалы, вырабатываемые нашей промышленностью, обладают объемным весом в пределах от 10 до 250 кг/м3. Самым легким материалом является мипора на основе мочевино-формальдегидного полимера, выпускаемая в виде плит и блоков, имеющих объемный вес в пределах 10—15 кг/м3.

Так как большинство полимерных теплоизоляцион­ных материалов вырабатывается в виде плнт и блоков, то вычисление их объемного веса не представляет труд­ности и пе требует каких-либо сложных аппаратов и приспособлений.

Обычно для определения объемного веса пенопласта н поропласта, имеющих жесткую структуру, изготовля­ются образцы правильной кубической формы размером 30X30X30 (+5) мм. Для эластичных ячеистых материа­лов образцы изготовляют в форме параллелепипеда раз­мером 50X50X30 мм или в форме цилиндра диаметром 35,7 мм и высотой до 50 мм. Общий объем одного образ­ца не может быть меньше 25 см3. Поверхности образ­ца не должны иметь поверхностной пленки и каких-либо дефектов. Наличие технологической пленки допускается На поверхностях или г ч. ш бликов

.1.

Для приближения к постоянному весу перед испы­танием образцы кондиционируют в течение 24 ч при 18—22°С и определенной влажности воздуха.

Линейные размеры образца измеряют любым при­бором, обеспечивающим точность измерения в пределах I % измеряемой величины. Обычно применяют штанген­циркуль.

Образцы размером до 50 мм рекомендуется изме­рять индикатором часового типа с круглой опорной пло­щадкой. Давление, оказываемое на образец в момент измерения, не должно превышать установленного техни­ческими условиями для каждого вида материала преде­ла: например, для пенополиэпоксида оно не может пре выгнать 3 гс/см2.

Взвешивать образцы можно на весах любой конст­рукции, обеспечивающих точность результата в преде­лах 1 %' веса взвешиваемого объекта.

Испытание проводят не менее чем на трех образцах - кубиках от каждого вида испытываемого изделия (пли­ты, блоки). Можно также определять объемный вес на целых плитах при геометрически правильной их форме и возможно точном определении их объема.

По результатам определения линейных размеров об­разца рассчитывается его геометрический объем в См3 (V), а взвешиванием определяется его масса в Г (т). Объемный вес пенопласта в воздушно-сухом состоянии в г/см3 вычисляют по формуле

Т

За окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое всех значений 'о, полученных иа Отдельных образцах.

Содержание в материале закрытых пор. Размеры и количество пор в теплоизоляционных полимерных мате­риалах зависят от вида применяемого сырья (полимера и порообразователя) и способа получения. Чем боль­шую часть объема материала занимают закрытые поры и чем они мельче, тем выше его механическая прочность, значительно меньше водопоглощение и лучше теплоизо­ляционные качества. Последнее обстоятельство обус­ловлено тем, что в крупных и сообщающихся порах воз­никает движение воздуха, сопровождающееся перено­сом тепла (конвекцией), что повышает суммарный коэф фншн'пг ген.1юпронпдпогтп. Погтму определение гидер-
жания в материале закрытых нор весьма важно для пра­вильной оценки качества материала.

Пространство, занятое закрытыми порами и поли­мерными стенками пористого материала, определяется объемом воздуха, вытесненного из камеры измерительно­го прибора при помещении в нее исследуемого образца.

Для определения применяют образцы, имеющие пра­вильную геометрическую форму, с объемом не менее 16 см3. Обычно применяют прямоугольные образцы с размером сторон 2X2X4 см. Испытуемые образцы долж­ны иметь ровную поверхность, без трещин, раковин, сле^- дов механической обработки и без технологической поверхностной пленки.

Испытывают не менее трех образцов. За окончатель­ный результат испытания принимается сретнес арифме­тическое всех измерений, полученных иа отдельных об­разцах.

Линейные размеры образцов измеряют любым при­бором, обеспечивающим точность измерения до 0,1 мм. Взвешивают образцы на весах, обеспечивающих точ­ность взвешивания до 0,01 г.

Схема прибора для определения приведена па рис. 22. Прибор состоит из двух систем, рабочей и контрольной, соединенных через два параллельных манометра Один из них (с ртутыо) используется для одновременного из­мерения объемов на одинаковую величину, второй (г диэтилфталатом) — для измерения разности давлений в

Системах в процессе опы та Рабочая система при­бора включает в себя ка­меру для образца /, ле­вую половину ртутного манометра 2 и левую по­ловину измерительного манометра 3. Контроль - мая система включает в себя сосуд 4, дополни­тельный калиброванный сосуд 5, правую полови­ну измерительного мано­метра 3 и газовую бюрет­ку в

Камера для образца / представляет собой цп лпи/ф диаметром 30 мне

Г>8

Хорошо пришлифованной пробкой. При помощи крана 7 обе системы могут одновременно сообщаться с атмосфе­рой либо быть изолированы от нее. Сосуды 4 и 5 необхо­димы для измерения объема контрольной системы и приближения его к объему рабочей системы. Точно про - ✓ калиброванный дополнительный сосуд 5 краном 8 может отключаться от контрольной системы, когда образец вытесняет из камеры 1 слишком большой объем воздуха. С помощью колбы 9 точно уравнивают объемы рабочей и контрольной систем, перемещая уровень ртути в бю­ретке.

Испытание начинают с балансирования двух систем, объем воздуха в которых уравнивают следующим обра­зом: рабочую камеру 1 закрывают пробкой, и уровень ртути в манометре 2 устанавливается в верхнем поло­жении. При этом кран 7 открыт на атмосферу, кран 8 Открыт, сосуд 5 включен в контрольную систему. Затем при помощи крана 7 обе системы изолируются от атмос­феры. Для определения баланса системы, перемещая сосуд 6, уровень ртути в манометре 2 устанавливают в нижнее положение. При этом объем обеих систем увеличивается и соответственно уменьшается давление. Если уровень жидкости в обоих коленах манометра 3 остается одинаковым, значит объемы систем равны. Если манометр 3 показывает разность давлений, уровень рту­ти в бюретке 6 должен быть изменен для изменения объема в контрольной системе. Уровень ртути в бюретке 6 регулируют только после того, как ртуть в манометре 2 возвращена к нулевой отметке и кран 7 открыт на ат­мосферу. Эту операцию повторяют до полного уравно­вешивания обеих систем. При этом уровень ртути в бю­ретке 6 является начальной рабочей отметкой R|. При проверке баланса (понижение ртути в манометре 2) Кран на бюретке должен быть закрыт.

Затем приступают к измерению объема образцов пе­нопласта. Образец известного веса и геометрического объема помещают в камеру 1 и закрывают ее пробкой; затем вновь уравнивают объемы систем. При балансе образцов уровень ртути в бюретке 6 принимается за вто­рую рабочую отметку /?2- При измерении образца с за­крытыми порами кран 8 перекрывают и объем сосуда 5, равный V', добавляют к контрольной отметке. Объем воз­духа, вытесненный образцом, равен

A V — /?I V' — (17)

Количество закрытых пор 'л к % от объема образца вычисляют по формуле

Р

Д V-—-

V3= -------------------------------------------- у 100%, (18)

Где AV — объем поздуха, вытесненного образцом, в см3, Р — вес образца и Yn объемный нес in.'/.и3-, V— геометрический об|,ем образца и см*.

2. Прочностные показатели

Прочностные показатели полимерных теплоизоляци­онных материалов в значительной степени зависят от вида полимера, на основе которого изготовлен материал, и его объемного веса.

Гснлон. шллцноипые строительные полимерные мате­риалы могут подвергаться различным нагрузкам в конст­рукциях, испытывать различные напряжения — сжатие, растяжение, изгиб, срез, удар. Эти напряжения по-раз­ному действуют на материалы, обладающие различны­ми прочностными характеристиками. Для правильности расчетов при использовании этих материалов необходи­мо точно знать эти характеристики.

Предел прочности при сжатии. Пенопласты всех ви­дов дают значительную деформацию при сжатии. Поэтому различают предел прочности при сжатии у жестких пенопластов (пенополистирола марок ПС-1 и ПС-4 и др.) и прочность при 10%-ном сжатии у мягких, сильнодеформирующихся пенопластов (например, у пе­нополистирола марки ПСБ). Метод определения услов­ного предела прочности при сжатии заключается в опре­делении предельного напряжения, соответствующего хрупкому разрушению образца или резкому изменению характера диаграммы сжатия, если образец не разру­шается.

Для определения предела прочности при сжатии из­готовляют образцы-кубики со сторонами 30±1 мм. Об­разцы вырезают из плит материала, с которых снята по­верхностная пленка не менее чем па 2 мм, пе ближе 5 см От края плиты. Параллельность граней куба должна быть выдержана в пределах 1 мм. Объемный вес изго­товленных образцов должен соответствовать норме, в протпвпом случае образец бракуется и заменяется дру - IiiM. ()Np;I Hi Ы нсны I Li Им к It N.I любой машине, обепн-чн иающей гочпоеть измерения до 1% при 18—22°С. Испы­тание ведут с равномерной скоростью движения нижне­го зажима, равной 40—50 мм/мин.

Момент, когда временно прекращается рост нагрузки с начала деформации образца, считается пределом проч­ности материала при сжатии. Его вычисляют по фор­муле

Где стг, к — предел прочности при сжатии п кгс/см2; Р — нагрузка ;s Кгс S—первоначальная площадь поперечного сечения обр. una См1.

Подсчет ведут с точностью до 0,1 кгс/см2, причем от каждой плиты должно быть взят не менее пяти образ­цов. Среднее арифметическое из всех определений и является конечным результатом.

Прочность при 10%-ной линейной деформации опре­деляют на образцах размером 50X50X50 мм при ско­рости нагружения не более 50 мм/мин. При достижении 10%-ной линейной деформации образца определяют нагрузку. Показатель прочности вычисляют по формуле (17). Прочность на сжатие при 10%-ной линейной де­формации вычисляют как среднее арифметическое зна­чение результатов испытаний девяти образцов.

Некоторые виды пенопластов имеют незначительную прочность (например, мипора). Поэтому вместо проч­ности на сжатие определяют пластичность материала, для чего берут пять кубиков материала размером 50X50X50 мм, помещают между двумя пластинками и сжимают до толщины 40 мм (20%). При этом образец не должен разрушиться.

Предел прочности при статическом изгибе. Для про­ведения испытания на прочность при статическом изгибе жестких пенопластов изготовляют образцы прямоуголь­ного сечения с размером сторон 125X10Х15 мм, с допу­сками по длине ±1 мм и по ширине и высоте ±0.2 мм. Отклонения от параллельности противоположных гранен допускаются в пределах 0,5 мм, а от перпендикулярности граней не более 2°. Если испытуемый материал является анизотропным, то испытание проводят на образцах, вы­резанных в разных направлениях. Образцы должны иметь ровную поверхность без трещин, вздутий, раковин п поверхностной пленки.

Перед испытанием образцы для приближения к по­стоянному весу выдерживают в течение 24 ч при 18— 22°С и относительной влажности окружающего воздуха 65±5%; непосредственно перед испытанием образцы измеряют с точностью до 0,1 мм. Измерительные прибо­ры не должны вызывать деформации образцов, коли­чество которых должно быть не менее пяти от каждой партии испытуемого материала.

Для проведения испытания используют машины, при­меняемые для испытаний на сжатие, снабженные при­способлениями для испытаний на изгиб. .Точность опре­деления нагрузки должна бы п. не менее 1%.

Образец устанавливают на опоры с радиусом закруг­ления 2±0,1 мм (расстояние между осями опор 100 мм) Так. чтобы плоскость образца касалась опор по всей его ширине. Середина пролета меж iy опорами должна со­впадать с осью пуансона, передающего нагрузку. Радиус пуансона должен быть равен 5±0,1 мм. Скорость на - гружения — 30 мм/мин.

Мягкие, сильно деформирующиеся пепопласты (на­пример, пенополистирол ПСБ) испытывают па образ­цах размером 160X30X30 мм. Количество образцов — не менее шести. Расстояние между опорами— 120 лш; радиус закругления — 6 мм. Такой же радиус закруг­ления должен иметь и пуансон. Образец нагружают со скоростью не более 50 мм/мин.

Предел прочности при статическом изгибе сгИЗг опре­деляют в кгс/см2 и рассчитывают с точностью до 0,1 кгс/см2 по формуле

Где Я —величина максимальной разрушающей или изгибающей си­лы в кгс; Ь — расстояние между опорами в см; I — ширина образца в см; H — толщина образца в см.

Предел прочности при статическом изгибе определя­ют как среднее арифметическое результатов испытания всех образцов, причем в расчет не принимаются образ­цы, разрушившиеся вне средней трети расстояния между опорами, а также образцы, в которых в момент испыта­ния обнаружены внутренние дефекты, и образцы, да­ющие результаты с отклонением более чем на 25% сред­него значения. Если после отбраковки число оставшихся образцов окажется менее трех, то опыт повторяют на но­йон партии образцов.

Если образец при испытании не разрушается, то рас­считывают временное сопротивление изгибу при стреле прогиба 10 мм по формуле расчета предела прочности при изгибе.

Удельная ударная вязкость определяется как коли­чество работы, необходимой для разрушения образца при испытании его на изгиб ударной нагрузкой, отнесен­ное к площади поперечного сечения образца. Образцы для проведения испытаний аналогичны образцам жест­ких пенопластов при испытании их на статический изгиб.

Удельную ударную вязкость определяют на маятни­ковом копре, развивающем энергию удара до 15 кгс-см. Скорость удара маятника должна быть близка к 2— 3 м/сек. Расстояние между опорами копра должно быть равно 70±0,2 мм, радиус закругления краев опор 3 мм. 1 Цитр удара маятника должен приходиться на середи­ну образца. Клинообразный боек маятника должен впи­сываться в угол 45° и оканчиваться закруглением радиу­сом 3 мм.

При испытании образец устанавливают па опоры так, чтобы удар пришелся по его широкой стороне. При этом образец должен плотно прилегать к вертикальным стенкам опор.

После излома образца отсчитывают работу, затра­ченную на излом образца с точностью до 1 кгс-см.

Удельную ударную вязкость (с) с точностью до

0,1 кгс-см! см2 определяют по формуле

Д

А — — кгс-см/см2, (21)

Где А — работа, затраченная на излом образца, и кгс-см; S — пло­щадь поперечного сечения образца в смг.

3. Тепловые свойства

Изменение линейных размеров поропластов и пено­пластов при различных температурах характеризуется Коэффициентом линейного расширения, который рассчи­тывают исходя из допущения прямой зависимости изме­нения деформаций от температуры. В этом случае коэф­фициент линейного расширения а определяют по форму­ле

1 ДI

А=Т--^Г. (22)

Гдо / — 1ЫЧ.1ЛЫ1.1Я длина испытуемого образца в мм; А/—дефор­мация пб|1.тщ,| и им при рхикнтн температур, р.-пикш /'

Коэффициент линейного расширения для фенол о - формальдегндных и полиуретановых пенопластов не пропорционален температуре, поэтому его рассчитыва­ют по другой формуле.

Критерием степени деформируемости материалов под давлением является отношение остаточной высоты ис­пытуемых образцов к их первоначальной высоте.

Образцы, приготовленные так же, как и при испыта­нии на сжатие, подвергают сжимающей нагрузке под прессом до тех пор, пока высота образца не уменьшится вдвое. В таком состоянии образцы выдерживают в тече­ние 72 ч, затем давление снимают, образцы выдержива­ют в свободном состоянии 30 мин, после чего измеряют их остаточную высоту.

Одним из видов деформации материалов является линейная усадка. Она свойственна почти всем видам вы­рабатываемых теплоизоляционных материалов и в некото­рых случаях может достигать величины, которую необ­ходимо учитывать при создании теплоизоляционных кон­струкций. Поэтому для многих видов пенопластов (IIC-1, ПС-4, ПХВ-1, ПХВ-2 и пр.) предусматривается обяза­тельное определение величины линейной усадки.

Линейную усадку определяют на образцах пено­пласта размером 120X15X10 мм с допуском по всем сторонам ±1 мм. Предварительно определяют объем­ный вес образцов, и те образцы, объемный вес которых не соответствует норме, бракуют и заменяют другими. Образцы не должны иметь видимых дефектов и поверх­ностной пленки. Измеренные с точностью до 0,1 мм об­разцы помещают в термостат с температурой 60°С на слой асбеста пли на прокладку из пенопласта. Расстоя­ние между образцами и стенками термостата должно быть не менее 50 мм, причем шарик термометра должен находиться па одном уровне с испытуемыми образцами.

В период испытаний на образцах не должно появ­ляться вздутий, трещин и короблений. После выдержки в термостате в течение 24 ч образцы вынимают, охлаж­дают при комнатной температуре на воздухе в течение 1 ч и измеряют.

Усадку определяют но длине образца и вычисляют с точностью до 0,1 % чо формуле

.V l~il 100, (2.1)

(Il

Где У — линейная усадка в %; I—первоначальная длина образца в Мм 1{—длина образца после выдержки в термостате в мм.

Количество образцов для испытания должно быть не менее трех от каждой плиты. За результат принимают среднее арифметическое значение всех определений.

Теплопроводностью называется способность материа­ла передавать через, свою толщину тепловой поток, воз­никающий вследствие разности температур на поверх­ностях, ограничивающих материал.

Степень теплопроводности всех строительных матери­алов для ограждающих конструкций является весьма важным их показателем и важнейшим показателем для группы теплоизоляционных материалов, в том числе и для полимерных, основное назначение которых — способ­ствовать сохранению тепла.

Степень теплопроводности различных материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности — величиной, равной количеству тепла, проходящего через образец материала толщиной 1 м и площадью I м2 в течение 1 ч при разности температур на противополож­ных, плоскопараллельных сторонах образца в 1° (Ккал/м-ч-град).

Образцы для испытаний должны иметь в плане фор­му круга диаметром 250 мм или квадрата со сторонами 250 мм. Толщина образца (в пределах 10—50 мм) долж­на быть измерена с точностью до 0,1 мм. Поверхности образцов должны быть плоскими и параллельными. Об­разцы высушивают до постоянного веса при температуре, не вызывающей деформации полимерного материала, из которого изготовлен образец.

При испытании мягких и полужестких материалов отобранные образцы помещают в обоймы диаметром 250 мм, высотой 30—40 мм и толщиной 3—5 мм, изготов­ленные из асбестового картона, склеенного жидким стеклом. Плотность отобранной пробы, находящейся под нагрузкой, должна быть равномерной по всему объему и соответствовать среднему объемному весу ис­пытуемого материала.

Прибор, применяемый для определения теплопро­водности строительных материалов (рис. 23), состоит из плоского электронагревателя 1 и малоннерцнонного тепломера 2, установленного на расстоянии 2 мм от по­верхности холодильника 3, через который непрерывно протекает вода с постоянной температурой.

Па поверхностях нагревателя и тепломера заложены термопары 4—7. Прибор помещен в металлический кожух 8, заполненный теплоизоляцией. Плотное приле­гание образца 9 к тепло­меру и нагревателю обес­печивается приспособле­нием 10. Нагреватель, гепломер и холодильник имеют форму круга диа­метром 250 мм.

Тепловой поток от нагревателя через обра­зец и малоинерционный тепломер передается хо­лодильнику. Величину теплового потока, прохо­дящего через централь­ную часть образца, изме­ряют тепломером (термобатареей па паронитовом дис­ке) или тепломером с воспроизводящим элементом, в который вмонтирован плоский электрический нагрева­тель.

Образец, подготовленный к испытанию, укладывают на тепломер и прижимают нагревателем. Затем уста­навливают терморегулятор нагревателя прибора на за­данную температуру опыта и включают нагреватель в сеть. После установления стационарного режима (в те­чение 30 мин показания тепломера постоянны) отмеча­ют показания термопар по шкале потенциометра.

При использовании малоинерционного тепломера с воспроизводящим элементом переводят показания тепло­мера на нуль-гальванометр и включают ток через реостат и миллиамперметр на компенсацию, добиваясь при этом положения стрелки нуль-гальванометра на «0», после чего регистрируют показания но шкале прибора в микроамперах.

Коэффициент теплопроводности материалов вычисля­ют по формуле

Qb

% =

H — h

Где Ь — толщина образца. в ж; U — температура горячей поверхно­сти образца в °С; h—температура холодной поверхности образца и "С; Q—кол ичестио тепли, проходящего через обрплец ш плпрлиле чип. перпендикулярном м о нонерхчкнчн, п кк/и/■«"■ч.

Количество тепла рассчитывают по следующим фор­мулам:

При измерении малоинерционным тепломером с вос­производящим элементом

Г

Где R — постоянное сопротивление нагревателя тепломера в ом / — ток в a; F — площадь тепломера в ж2;

При измерении градуированным малоинерционным тепломером

Q = AE,

Где Е — электродвижущая сила (э. д. с.) в мв; А — коэффициент, указанный. в градуировочном свидетельстве на тепломер.

Температуру поверхностей образца измеряют при условии стационарного состояния с точностью до 0,1°, тепловой поток — с точностью до 1 ккал/м2-ч, а коэф­фициент теплопроводности с точностью до 0,001 ккал/м-ч-град.

Для определения коэффициента теплопроводности мочевино-формальдегидного поропласта (мипоры). при­меняют другой метод: при минус 91,5°С на специ­альном шаровом приборе (рис.24).

Прибор состоит из концентрических медных шаров 1 и 2 с шейками из латунных трубок 3 и 4. На шейку 4 надето тек­столитовое кольцо 5 для сохранения концентрич­ности шаров. Кольцо плотно входит в шейку наружного шара. Предва­рительно измельченную мипору (150 г) загружа­ют через загрузочные от­верстия 6, 7 и 8, так чтобы она была равномерно распределена между ша­рами. После загрузки отверстия герметически закрыва­ют латунными пробками с наронитовымн или свинцовы­ми прокладками. Шаровой прибор А устанавливают в термостат Б, и котором ноддержпвают постоянную те. м-

Пературу 0°С, для чего термостат заполняют льдом. Внут­ренний шар 2 заливают жидким кислородом и соединя­ют резиновой трубкой через змеевик В с реометром Г и замеряют количество кислорода, испаряющегося в тече­ние 1 ч. Змеевик В изготовлен из медной трубки диа­метром 6/5 и состоит из 10 витков с диаметром 120 мм. В змеевике пары кислорода нагреваются перед реомет­ром до температуры окружающего воздуха. Реометр имеет шкалу с делениями, показывающими объем испа­рившегося кислорода в пределах 1—4 л/мин. По мере охлаждения изоляционного слоя объем испарившегося кислорода уменьшается и становится постоянным. Коли­чество паров кислорода, образующихся при постоянной испаряемости, принимают в основу расчета коэффици­ента теплопроводности мипоры. Коэффициент теплопро­водности % вычисляют в ккал/м-ч-град по формуле

С Г (/?! R2) 4nRtRz (/i —/2) * V '

Где С—•количество испарившегося кислорода в кг/ч-, г — скрытая теплота парообразования Ib ккал/кг-, Ri — внутренний радиус на­ружного шара в м-, R2 — наружный радиус внутреннего шара в л; /1 — температура наружного шара в °С; T2 — температура внутрен­него шара в °С.