ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Ячеистая структура ППУ и методы ее оценки

Пенопласты - это полимерные материалы, в которых наполнителем служит газовая среда, составляющая не менее 50 % (по объему) и минималь­ным диаметром ячеек не менее 0,02 мм. Исключением являются тяжелые пе- нопласты с кажущейся плотностью 500-800 кг/м [1,2].

Макроструктура пенополиуретана характеризуется многими параметра­ми: линейными размерами ячеек, степенью их вытянутости и распределени­ем ориентации по направлению вспенивания, степенью замкнутости и фор­мой ячеек, кажущейся плотностью (р) пенопласта и давлением внутри пор, толщиной стенок, тяжей, узлов ячеек.

Основной характеристикой макроструктуры пенопластов является строение их ячеек, определяемое параметрами газоструктурных элементов.

Образование ячеистой структуры и ее связь с технологией получения пен рассмотрены довольно подробно многими авторами [2,7,22,25].

Строение ячеек пенопластов зависит от ряда факторов, действующих на стадии получения пенополимера - температурой пересыщения раствора, дав­лением растворенного газа, скоростью газообразования, реологическими и поверхностными свойствами расширяющейся композиции, а также энергети­ческими факторами и законами симметрии пространственных систем [7].

Пеноматериалы различаются также содержанием полимера-основы и кажущейся плотностью. У пенопластов с низкой кажущейся плотностью объемное содержание полимера составляет 1-5 %. Полимер распределяется в виде тяжей (стержней), вершин (узлов) и тонких пленок (стенок) образуя ячейки, заполненные газом. В значительной мере стенки ячеек изогнуты, в то время как тяжи не искривлены и входят своими концами в узлы [7,40,43].

Ячеистая структура большинства легких пенопластов имеет полиэдри­ческую форму с 14-гранными ячейками, однако, встречается и сетчатая (ре - тикулированная) структура, которая может образоваться при полном выжи­гании стенок ячеек взрывным методом, действием растворителя, при термо­механических воздействиях [7,42].

Как и большинство пенопластов ППУ низкой кажущейся плотности имеют полиэдрическую структуру. Ячеистая структура жестких пенополиу­ретанов на основе простых (ППУ-305А) и сложных (ППУ-ЗС) полиэфиров близка к вышеуказанной, а форма ячеек приближается к 14-гранной. Для не­которых видов пенополиуретанов (ППУ-ИП) свойственна структура, при ко­торой наряду с макроячейками в материале существуют микроячейки, что приводит к образованию ячеек овальной формы и исчезновению полиэдриче­ской структуры. В качестве примера представлены макрофотографии (рису­нок 1.1) одного и того же образца при различной степени увеличения. Меха­низм образования подобных взаимопроникающих ячеистых структур объяс­няется перенасыщением газа в системе, что приводит к вторичному вспени­ванию композиции [7].

С увеличением объемной доли полимера-основы в пределах 10 - 30 % структура пенопласта несколько видоизменяется. Хотя форма ячеек сохраня­ется прежней, доля полимера в узлах ячеек увеличивается, а отношение дли­ны тяжей к их ширине уменьшается.

Совершенно иной вид имеет ячеистая структура пеноматериалов повы­шенной кажущейся плотности. При объемном содержании полимера-основы более 30 % ячейки представляют собой сферические полости, более или ме­нее равномерно распределенные по всему объем} пеноматериала. В этим случае оказывается затруднительным выделение стенок, гяжеи, узлов в структуре.

Одной из основных характеристик макроструктуры ППУ является сте­пень замкнутости ячеек. Некоторые исследователи определяли парциальное или общее давление газа в замкнутых ячейках и его изменение во времени. Для этого использовались различные методы - химический анализ, способ перепада давления газа внут ри и снаружи замкну гых ячеек, определение газа в образцах при их разламывании

Другой важный параметр макроструктуры пенополиуретанов - линей­ные размеры ячеек. Измерения их вст ретили затруднения из-за неравномер­ности величины ячеек, а также вследствие того, что форма ячеек у различных марок ППУ может сильно меняться. Использование способов определения

Размеров ячеек с помощью фотоэлектронной установки, с применением мик­рофотографий, поклеточным счетом позволило получить удовлетворитель­ные результаты [54,76,78].

Степень вытянутости ячеек принято характеризовать коэффициентом формы ячеек, который равен отношению их длины к ширине. Вытянутость ячеек сильно влияет на анизотропию физико-механических свойств ППУ.

Методы определения отдельных параметров макроячеек ППУ не позво­ляют получить общую оценку структуры пеноматериалов. Существует мно­жество методов определения обобщенного параметра макроструктуры пено - полимеров. Заслуживает внимания метод Барта [7,37], предназначенный для интерпретации многих фундаментальных физических свойств пенополиуре­танов. Суть метода заключается в определении обобщенного параметра мак­роструктуры по измеренным диффузионным характеристиками пенополиу­ретанов. Авторами установлена связь между эффективным коэффициентом диффузии пенопласта Дэфф и коэффициентом диффузии полимера-основы Д

[7]:

Д. ргеом

Д*фф ~ 7~7 7 л» О**)

-RT - (1 - /г )

Где FreoM - геометрический фактор, определяемый соотношением длины сте­нок ячеек к их толщине; fr - объем пустот в ячейках образца.

Из числа факторов, характеризующих ячеистую структуру пенопластов, наибольшее распространение получил показатель кажущейся плотности (по­казатель объемного веса), косвенно выражающий соотношение твердой и га­зообразной фаз в материале. Кажущаяся плотность пенопласта определяется истинной плотностью полимерной основы и газа, находящегося в ячейках, и зависит от пористости пены [2]:

Р = уи(1-П) + УГП, (1.2)

Где уи - истинная плотность полимерной основы, равная отношению массы материала к разности между объемом материала и объемом ячеек; уг - плот­ность газа в ячейках; П - пористость пены, равная отношению объема ячеек,

16

Имеющихся в материале, к общему объему материала.

Кажущаяся плотность (р) пе­нополиуретана в объеме изделия может колебаться. Причиной это­му физическая неоднородность структуры пенопласта, которая проявляется в неоднородности размеров и форм ячеек, а также разной толщиной их стенок. Наи­более заметны эти колебания по высоте плит и блоков. Согласно [7, 36] на формирование структуры пенополиуретана, су­щественно влияет технология его производства. Так для производства трех­слойных панелей в легких ограждающих конструкциях одним из важных процессов является вспенивание ППУ непосредственно в их полости. Физи­ческая неоднородность ППУ в этих панелях зависит от технологии вспенива­ния (рисунок 1.2).