Применение пенополистирола

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

Теплофизические свойства пенопластов определяются природой полимера-основы и ячеистой структурой [1, 2, 16 - 20, 36, 49, 50].

Теплостойкость. Деформативность пенопластов складывается из деформаций теплового расширения и усадки. В начальный период про­гревания, вплоть до достижения температуры изотермического нагрева­ния, в пенопластах развиваются температурные деформации, характери­зующиеся коэффициентом температурного линейного расширения. При её достижении проявляются усадочные (необратимые) деформации. Интенсивность развития усадочных деформаций определяет формоста - бильность пенопластов. Она зависит от температуры стеклования поли­мерной основы, характера ячеистой структуры и вида вспенивающего агента. Интенсивное нагревание может привести к дополнительному расширению образцов, развивающемуся за счёт расширения вспени­вающего агента или разложения газообразователя [49, 50].

Развитие во времени усадочных деформаций пенополистирола носит затухающий характер. При кратковременном (в течение 30 мин) нагревании пенополистирола до 100 °С почти не происходит объёмной усадки, но при дальнейшем повышении температуры объёмная усадка резко возрастает. На усадку заметно влияет влажность окружающей среды и температура. При повышении температуры испытаний усадка возрастает по параболическому закону. Результаты кратковременного и продолжительного экспонирования образцов пенопластов при отри­цательных температурах свидетельствуют об их высокой стабильно­сти. Периодическое нагревание образцов пенопласта при температуре ниже 60 °С слабо отражается на их формостабильности, развивающие­ся деформации невелики и носят затухающий характер. Периоди­ческое нагревание-охлаждение от +50 до -50 °С после 50 циклов вы­явили высокую стабильность температурной усадки: 0,31 ... 0,35% - ПСБ-С; 0,30 ... 0,33% - ПСБ; 0,06 - ПС-1; 0,28 - ПС-4 [12].

Максимально возможная усадка образцов пенополистирола ПС-4 любой плотности составляет 60 ± 5% и мало зависит от длины образца. Полученные данные исследования усадки "тонких образцов" (в этом случае влияние газового наполнения сводилось к минимуму) пенопо - листирола объясняют конформационным перераспределением макро­молекул. Поскольку при изготовлении пенопластов после вспенивания при повышенных температурах происходит замораживание ячеистой структуры, то распределение конформаций макромолекул не отвечает термодинамическому равновесию. В результате этого перераспределе­ния материал стремится со скоростью, определяемой временем релак­сации, принять форму, отвечающую наименьшей энергии. Время ре­лаксации уменьшается с увеличением температуры. С увеличением толщины образцов описанный механизм сокращения усложняется присутствием газовых включений в замкнутых ячейках. Установлено, что время релаксации с увеличением толщины образца и его кажущей­ся плотности растут. Можно сделать вывод о невозможности длитель­ного использования пенополистирола в теплоизоляции при температу­ре выше температуры стеклования [12, 36, 49].

Температура размягчения зависит от величины механического напряжения, степени замкнутости ячеек, типа вспенивающего агента и порядка величины давления газа внутри и снаружи закрытых ячеек, и может быть сравнима с пределом прочности при сжатии пенопла - стов. Однако по термомеханическим кривым нельзя определить тем­пературу размягчения и температуру стеклования лёгких пенопластов (р < 50 кг/м3) ни дилатометрическим, ни термомеханическим методом [17, 20, 36, 50].

Критерием теплостойкости пенополистирола служит формо - устойчивость, характеризующая поведение материала при повышен­ных температурах. Условно за характеристику теплостойкости пено- полистирола принимают температуру, при которой линейная усадка материала не превышает 1% [35, 41, 49, 54]. Технической характери­стикой теплостойкости является показатель рабочей температуры, при которой материал продолжает ещё сохранять свои эксплуатационные свойства, и усадочные деформации не превышают заданных значений. Диапазон рабочих температур пенопласта несколько ниже, чем у соот­ветствующего полимера [3, 49].

На теплостойкость пенополистирола и его рабочую температуру влияет природа газообразователя. Пенополистирол ПС-1, изготовляе­мый с помощью органических газообразователей, оказывающих пла­стифицирующее действие на полимер, имеет рабочую температуру +65 °С, а рабочая температура пенополистирола ПС-4, изготовляемого с использованием минеральных газообразователей, +70 °С. Примене­ние для получения пенопластов хлорпроизводных стирола позволяет повысить их теплостойкость на 20 ... 30 °С. Введение в рецептуру пе - нопластов фосфорсодержащих соединений с целью придания материа­лу свойства самозатухаемости, наоборот, снижает её [36, 50].

Результаты циклических испытаний пенополистирола ПСБ (ох­лаждение до -30 °С и нагревание до +50 °С) показали, что в этом слу­чае происходит линейная усадка пенополистирола. Изменение линей­ных размеров образцов характеризуется коэффициентом линейного термического расширения (а). Отмечается, что значения а носят при­ближённый характер, так как снижение формоустойчивости пенополи - стирола при повышенных температурах в ряде случаев затрудняет его определение. Согласно [54] с увеличением температуры коэффи­циент (а) уменьшается (табл. 9). С увеличением числа циклов испыта­ний (нагревание - охлаждение) в интервале температур 0 ... 50 °С ли­нейная усадка увеличивается, а уменьшается [после 1 цикла -68,7х106;

2 - 65,2х106; 24 - 55,7х106, °С-1].

Беспрессовый пенополистирол имеет маленький коэффициент теплового расширения. В диапазоне температур от 20 до 80 °С он составляет 0,6х10-4, °С-1. Удлинение не является остаточным, и при охлаждении до первоначальной температуры длина плиты восстанав­ливается. Пенополистирол выдерживает кратковременное воздействие температуры 110 °С и несколько минут температуру 95 °С. При 70 . 90 °С применение пенополистирола ограничено его высокой

Линейной усадкой.

Значения коэффициента линейного термического расширения пе - нопластов близки к исходным значениям монолитного полимера.

Коэффициент термического расширения вычисляется по формуле

[12]:

От = ап + аг, (2)

Где Ол, аг - коэффициент термического расширения полимера-основы и поправка на влияние давления газа в ячейках соответственно.

Теплостойкость и удельная теплоёмкость пенопластов не зависят от кажущейся плотности.

9. Значения коэффициента линейного термического расширения пенополистирола при различных температурах

Теплопроводность. Ячеистая структура определяющим образом влияет на теплопроводность пенопластов. В связи с наличием ячеи­стой структуры передача тепла в пенопласте обуславливается тепло­проводностью полимерных плёнок, конвекцией газообразной фазы и излучением между стенками ячеек, т. е. теплопроводность пенопластов характеризуется эффективным коэффициентом теплопроводности. Основной вклад в коэффициент теплопроводности (1) вносит газовая фаза, так как объёмное содержание её, например, у лёгких пенопластов достигает 97%. Теплопроводность пенопластов в направлении вспени­вания плиты несколько больше, чем в перпендикулярном направлении [18, 19].

Определение коэффициента теплопроводности пенопластов мо­жет быть сделано теоретически в предположении аддитивности раз­личных механизмов переноса тепла [1, 18, 19]:

1 = 1; + 12 + 13 + ^4, (3)

Где 1ь 12, 13, 14 - вклад теплопроводности полимера-основы; газа, за­полняющего ячейки; конвективной составляющей и излучения соот­ветственно.

Значения составляющих можно вычислить с помощью моделей пористых систем [1, 18].

Теплопроводность пенополистирола снижается с уменьшением кажущейся плотности (рис. 13, а). Однако существует оптимальное значение плотности (р = 20 ... 40 кг/м3), выше и ниже которого коэф­фициент теплопроводности увеличивается.

Увеличение влажности пенополистирола приводит к возрастанию теплопроводности (рис. 13, б). Увлажнение на 1% повышает коэффи­циент теплопроводности на 4%. При увлажнении до 4% пенопласта ПСБ коэффициент теплопроводности резко возрастает, а затем изме­няется незначительно. В строительных расчётах рекомендуется на ко­эффициент теплопроводности, полученный для сухого пенополисти - рола, вводить поправку (обычно 10%) на его увлажнённость.

Коэффициент теплопроводности возрастает с повышением тем­пературы (рис. 13, в). У пенопласта ПСБ до 30 °С он практически не изменяется, при 30 ... 40 °С плавно увеличивается на 8%, а после 40 °С резко возрастает. Уплотнённая корка, имеющаяся на поверхности пли­ты пенопласта, увеличивает стабильность коэффициента 1 [36, 48].

Теплофизические характеристики пенополистирола различных марок приведены в табл. 10.