СТРУКТУРА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА
Пенопласты представляют собой дисперсные полимерные системы. Это означает, что в структуре пенопласта взаимно распределены в пространстве полимер и газовая среда. Газообразная фаза при этом составляет не менее 50% (по объёму), а минимальный диаметр ячеек не превышает 0,02 мм. Типичная структура экструзионного пенополи - стирола приведена на рис. 4 [79, 86, 95].
Из рисунка видно, что ячейки воздуха разделены тонкими плёнками полимерного материала. Сочетание твёрдой и газообразной фаз определяют специфичность свойств пенопластов. Свойства полимерных пен сильно зависят от строения и формы ячеек.
Рис. 4. Структура пенополистирола |
Содержание полимера-основы характеризуется кажущейся плотностью. В пеноматериале с низкой кажущейся плотностью объёмное содержание полимера составляет менее 5%. Полимер распределяется в виде тяжей (стержней), вершин (узлов) и тонких оболочек (плёнок), образуя ячейки, заполненные газом. Отдельные стенки ячеек изогнуты, тяжи же обычно не искривлены и имеют переменное сечение (утолщение вблизи узлов). Ячеистая структура большинства лёгких пенопластов имеет полиэдрическую форму преимущественно с 12 - 14-гранными ячейками. С увеличением объёмной доли полимера-основы структура лёгкого пенопласта несколько видоизменяется. Хотя форма ячеек и сохраняется полиэдрической, однако доля полимера в узлах ячеек и увеличивается, а отношение длины тяжей к их ширине уменьшается. Иной вид имеет структура пенопластов повышенной кажущейся плотности, а именно, при увеличении содержания полимера более 30% ячейки представляют собой сферические полости, более или менее равномерно распределённые по всему объёму пеноматериала. Увеличение объёмной доли полимера приводит к уменьшению числа полостей в пенопласте. Пеноматериалы, содержащие 10 ... 30% полимера - основы, состоят в основном из ячеек полиэдрической формы, хотя поперечные и продольные размеры тяжей близки. Значительная часть полимера сосредоточена в узлах ячеек [2 - 4, 16, 17].
Пенополистирол представляет собой особый вид материала, отличающийся явно выраженной физической неоднородностью, своеобразием микроструктуры, напоминающей структуру
застывшей пены. Он состоит из более или менее правильно чередующихся слоёв полимерной основы, образующей стенки ячеек, заполненных газом. Образующиеся в полимерной основе газовые ячейки вначале представляют собой сферы. Когда их объём приближается к 74% объёма всей массы, сферы, сдавливая одну другую, деформируются в многогранники, в идеальном случае каждая ячейка представляет собой додекаэдр - правильный двенадцатигранник, гранями которого являются пятиугольники (рис. 5) [2, 42].
Однако реальные пенистые пластмассы редко имеют однотипную макроструктуру. В процессе вспенивания сферические ячейки деформируются раньше, чем пузырьки газа займут оптимальный объём. В результате структура пенополистирола получается псевдополиэдри- ческой. Форма, размеры ячеек, толщина полимерных плёнок, образующих стенки ячеек, неодинаковы по объёму материала. Эти колебания обусловлены составом композиции и технологией изготовления.
Пенопласты, изготовленные по прессовой технологии, имеют равномерную, мелкоячеистую структуру [12, 16, 18, 39]. Содержание закрытых ячеек составляет 88 ... 96%. Например, для пенопласта ПС-1 диаметр элементарных ячеек в среднем составляет 0,1 ... 0,2 мм, а толщина полимерных плёнок, образующих стенки ячеек, колеблется в
Рис. 5. Модель ячеистой структуры пенопласта |
Пределах 5 ... 10 мкм. Пенопласт ПС-4 (рис. 6) имеет значительно более неоднородную структуру вследствие использования смеси органических и неорганических газообразователей, обладающих различной температурой разложения.
Основными элементами структуры беспрессовых пенопластов являются деформированные гранульные образования. Совокупность этих образований представляет собой надъячеистую структуру материала, которая играет важную роль в сопротивляемости и характере разрушения этих пенопластов [2, 12, 16, 20]. Каждое гранульное образование является пористым телом, содержащим замкнутые ячейки. Форма этих образований зависит от принятого технологического режима формования плит и блоков пенопласта. Между гранульными образованиями в структуре материала встречаются газовые полости, раковины
и другие структурные дефекты. Таким образом, структура беспрессо - вых полистирольных пенопластов состоит из надъячеистой и ячеистой структур. У пенопласта ПСБ-С в отличии от ПСБ (рис. 7) структура более мелкодисперсная, масса распределена неравномерно по объёму гранульных образований, периферийные области уплотнены. Между гранульными образованиями больше дефектов. Она состоит из мелкоячеистых сферических частиц (гранул) диаметром 3 ... 10 мм, спёкшихся между собой. Внутри каждой гранулы имеются микроячейки диаметром 10 ... 200 мкм, а между гранулами - пустоты объёмом 2 ... 4%. Толщина полимерных стенок микроячеек колеблется в пределах 1 ... 2 мкм. Введение антипи - реновой добавки ухудшает спекаемость гранул в процессе формирования материала, обусловливая тем самым повышенное содержание меж - гранульных пустот и полостей.
Кажущаяся плотность пенополистирола зависит от количества газообразователя или вспенивающего агента. После того, как она достигнет предельного минимального значения, увеличение количества газообразователя в исходной композиции сверх оптимального не приводит к дальнейшему её понижению. Маркировка пенопластов при этом производится в зависимости от плотности согласно [65]. Значение кажущейся плотности может колебаться, особенно эти колебания заметны по высоте плит и блоков. Это объясняется главным образом технологическими причинами. Например, пенополистирол ПСБ-С М35:
- тип - ПСБ-С (пеноплистирол, изготовленный по беспрессовой технологии;
- С - самозатухающий, имеет в своём составе антипиреновые добавки (см. гл. 2);
- марки М35(имеет кажущуюся плотность - 35,0 кг/м3).
Рис. 7. Структура пенопласта ПСБ кажущейся плотности 35 кг/м3 (а); макроструктура пенопласта ПСБ-С (б) |