СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ ПЕНОПЛАСТОВ К ДЕЙСТВИЮ ВОДЫ И ЕЕ ПАРОВ

Условия эксплуатации жестких пенопластов, наряду с рассмотрен­ными в предыдущем разделе тепловыми нагрузками, не исключают дли­тельного воздействия воды на материал, что имеет место, например, при их применении для теплоизоляции тепловых сетей и нефтегазопрово­дов в грунте, при строительстве оснований дорог, при креплении гор­ных пород туннелей и т. п. Поэтому установление механизма и законо­мерностей кинетики поглощения воды пенопластами и изучение её влия­ния на физико-механические свойства материалов представляется весь­ма важной задачей. Несмотря на то, что процессы диффузии воды в по­лимерные материалы исследованы достаточно подробно /249/, данных о водопоглощении пенопластов сравнительно мало и они касаются в ос­новном кратковременных исследований сорбтдионных свойств материа­лов /24, 25, 41/.

Представленные выше (раздел 3.10) данные позволили установить, что у закрытопористых ППУ сорбция воды лимитируется диффузией через

Тонкие стенки ячеек. Влияние ячеистой структуры сводится в основ­ном к исключительно большому водопоглощению при насыщении М ^ , а также возрастанию водопоглощения на начальных стадиях испытания за счёт разрушенных ячеек с поверхности образцов при их вырезке и неко­торого содержания открытых пор. В случае открытопористых ППУ меха­низм сорбции на уровне ячеистой структуры меняется, что приводит к отмеченному увеличению эффективного коэффициента диффузии Дэфф бо - ■ лее чем на два десятичных порядка.

Представляло интерес оценить изменение механических свойств ППУ различной кажущейся плотности при длительном водопоглощении. Ре­зультаты этих испытаний на примере ГШУ-З и ППУ-ЗС представлены в таблице 5.6 /207/.

Из табл.5.6 видно, что пластификация водой снижает прочность при сжатии (и температуру размягчения (Т ) всех испытанных ППУ уже на начальной стадии испытаний (2000 часов) и в дальнейшем их изменения малы. Снижение Т^ у различных серий ППУ на основе сложных полиэфиров оказалось существенным, но имело близкие значе­ния. Наблюдаемая пластификация полимера-основы ещё раз указывает на проявление активациокной диффузии, в результате которой моле­кулы воды внедряются в полиуретан. В этом заключается влияние свойств полимера-основы на поведение ППУ при длительном водопогло­щении.

Рассмотрим подробнее особенности физического старения вспенен­ных полимеров на уровне ячеистой структуры применительно к услови­ям длительного использования в водонасыщенном грунте и моделирова­ние функций прогноза изменения прочности пенопластов на требуемый для практики срок до 30...60 лет.

На рис. 5.9а, б представлена в качестве примера кинетика измене­ния прочности при сжатии б' и растяжении <31 ППУ-17Н с кажущейся

I о

Плотностью о= 70 кг/м при старении в водонасыщенном глинистом грунте. Из представленных данных видно, что различные механические

Таблица 5.6. Термомеханические характеристики ППУ после дли­тельного старения в воде,

№№ Материал п/п

Г.

О

КгДг

Т. К

Длительность испы - Контр©лируемые параметры

Таний в воде при 293 +5 К.

Ша

Исходный

3

ППУ-3, вепе - нен СОо

0,220 0,160 0,160

413

33

392

2.10 часов 10 лет

Исходный

3

57

363

ППУ-ЗС, вспе. нен СОо

338

2.10 часов 10 лет

ППУ-ЗС, вспе - Исходный нен фреоном-П 2Л03 ча00Б

35

363

342

10 лет

Характеристики при старении меняются не одинаковым образом. Так,

Представленные на рис. 5.9а кинетические кривые изменения (q в и с-

Следованном температурно-временном интервале описываются уравнением:

( о _ Е3

° ^ п

-К^.Т. ехр (------- )

^ r R. Т

Б'с +(^2'ехР

-O^.expl - К^. Т. ехр

О ^ ь4 ■ К4.Г. ехр ( —- )

J - I 725- 0 0 где* К ~ постоянная, равная 3,68 час [ КЗ и К

4

Постоян-

4 .2 I - '

Ные, равные 6.10 и 1,35.10 час" ; <3j -(Эц - постоянные, равные

0,01, 0,29, 0,23 и 0,31 Mia; П - показатель степени, равный 1,72$;

+ 6V

( 5.9 )

Т ~ температура старения в К; длительность старения в часах;

МПа

30 - 60

! С, лет

Ы. э. V. Зависимость прочности при сжатии и растяжении 1111У-17Н

; длительности; старения б водонасыщенном грунте, полученная

J

Штнш.1 Ui»o.) и! расчётным (в) путём при различных температурах

Трепни: а, о) 70 кг/мV 313(1), 323(2), 343К (3); в)

: , а, Л

ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ ПЕНОПЛАСТОВ К ДЕЙСТВИЮ ВОДЫ И ЕЕ ПАРОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ ПЕНОПЛАСТОВ К ДЕЙСТВИЮ ВОДЫ И ЕЕ ПАРОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ ПЕНОПЛАСТОВ К ДЕЙСТВИЮ ВОДЫ И ЕЕ ПАРОВ

WOOU Хчиеы

20000 moo Т, чаеы

7и U.,И.), ч^и; кг/мЧЗ); умеренно-холодный климатический район.

£ - универсальная газовая постоянная; Е^ = 55,4, Е^ = 53,2,

Е^ = 32 - значения эффективной энергии активации в кДж/моль.

При этом общий коэффициент корреляции математической модели (5.9) и опытных данных равен 0,95, а среднее квадратичное отклоне­ние составило 0,023, что свидетельствует о хорошем их соответствии.

Снижение (о на начальном участке кривых старения вызвано прежде всего снижением кажущейся плотности пенопласта на этой стадии, поскольку известно /I/, что прочность лёгких пенопластов связана с У" примерно квадратичной зависимостью. Действительно, увеличение объёма стандартных образцов толщиной 30мм достигло 30$ и было вызвано релаксацией деформации пенопласта под действием пе­репада давления газа внутри и снаружи замкнутых ячеек. На этой стадии старения на снижении 6" сказывается также пластифицирую - щее влияние сорбируемой ППУ воды /250-251/, однако оно невелико в сравнении с влиянием изменения

Увеличение 3 на втором участке кривых обусловлено увеличешш пенопласта вследствие некоторого уменьшения размеров образцов из-за релаксации деформациипри снятии внутренних напряжений в по­лиуретане, а также выравнивания перепада давления газа внутри и снаружи замкнутых ячеек /138/. Причинами выравнивания перепада давления газа является диффузия фреона из ППУ через стенки замк­нутых ячеек, частичное разрушение стенок замкнутых ячеек на глубо­ких стадиях процесса, растворение фреона в полимере-основе. Сниже­ние <э на третьем участке кривых старения связано с термогидроли - тической деструкцией полиуретана.

Из рис. 5.96 видно, что зависимость прочности при растяжении ППУ-17Н от длительности старения в водонасыщенном глинистом грун­те не экстремальна и в исследованном температурно-временном режи­ме испытаний описывается формулой:

■п lift

TOC o "1-3" h z р ^ гг ^2

-IL. X, ехр ( - ---- )

^ . R-Т,

■2

Где:(5т и б? ~ постоянные, равные 0,10 и 0,48 Ша; /2 = 0,558-

О...... ^ C^g

Показатель степени; К2 - постоянная, равная 1,683.10 ч" ' ; Е^ = 40 кДж/моль - эффективная энергия активации. При этом общий коэффициент корреляции математической модели

(5.10) и опытных данных оказался равным 0,96, а среднее квадратич­ное отклонение составило 0,042.

Наблюдаемое монотонное снижение (q при старении Г1ПУ-17Н в rpyi-

JT

Те объясняется упомянутой выше деструкцией полиуретана при гидроли­зе. Почти полное отсутствие экстремальной зависимости на кинетичес­ких кривых (в сравнении с рис. 5.9а) связано с влиянием масштабного фактора образцов. Так образцы, испытываемые на растяжение, имели толщину 15 мм, а фактическая толщина по замкнутым ячейкам была ещё меньше из-за разрушенных с поверхности ячеек при вырезке образцов. В результате быстрого выравнивания перепада давления газа в замк­нутых ячейках таких образцов относительное изменение их поперечных размеров было в 3-5 раз меньше в сравнении с образцами, испытывав - шимися на сжатие.

Близкие результаты были получены при контроле прочности при растяжении аналогичного защитного ППУ с t = 420 кг/м"^ при старении в водонасыщенном глинистом грунте:

Г о Л Е2 } (?р = 6j + 62* ехР /- ехР ^ ^Г" )/* (5.II)

Где: и-постоянные, равные 1,0 и 7,3 Ша; П = 0,542 - по­казатель степени; К2 - постоянная, равная 1,545.1С? час"0'542; Е2= 33,438 кДж/моль -эффективная энергия активации.

При этом общий коэффициент корреляции математической модели

(5.10)

(5р = + (э2* ехР

(5.11) и опытных данных оказался равным 0,98, а среднее квадратич­ное отклонение составило 0,34.

- 261 -

Раочитанные по формулам 5«9-5ЛI функции прогноза изменения свойств ППУ при старении в грунте на срок до 60 лет представлены на рис. 5.9в. Видно, что прочность ППУ в течение 30 лет сохраняется на довольно высоком уровне, в то время как на более глубоких ста­диях старения (до 60 лет) <5? резко падает. Отмеченное более резкое падение <oQ в сравнении с (5^ на глубоких стадиях старения можно объяснить в значительной мере снижением вклада упругого действия га» за в замкнутых ячейках при сжатии образцов из-за частичного разру­шения тонких стенок ячеек ППУ. Действительно, коэффициент Пуассона лёгких ППУ при больших деформациях сжатия (соответствующих дефор­мациям при (5С) имеет значение, близкое к нулевому, в то время как при деформациях растяжения он близок к 0,5 /I/, что подтверждает слабое влияние изменения давления газа в ячейках на величину (cf пенопласта.

Результаты испытаний в естественных условиях при 10-летнем

Старении на глубине 1,2м привели к следующим значениям & / 250 /:

У

При старении в торфяно-болотистом грунте 0,24, песчаном 0,25, гли­нистом С,27М1а (исходная прочность (51 = 0,22 Mia ). После 10 лет старения в грунте на всех полигонах <о У ППУ-17Н в пределах пог - решности испытаний сохранилась на исходном уровне. При этом изменение объёма образцов через 10 лет не превысило 1%, что также находилось в пределах погрешности измерений этого параметра.

На первый взгляд эти результаты противоречат данным по прогно­зированию изменения прочности при сжатии, представленным на рис.5.9, Однако, при учёте упомянутой выше поправки на изменение до 30% каг жущейся плотности ППУ-17Н через 10 лет старения в свободном виде для прогнозной функции приведенная прочность также оказывается близкой к исходному значению. Следовательно, моделирование прог­нозных функций позволяет прогнозировать изменение прочности ППУ при старении в грунте до 30-60 лет как в свободном виде, так и при сохранении у ППУ поверхностной технологической плёнки.

5.3, АТМОСФЕРОСТОЖОСТЬ ПЕНОПЛАСТОВ.

При атмосферном старении пенопластов одним из основных парамет­ров эксплуатационной устойчивости является эрозионная стойкость npi непосредственном воздействии климатических факторов /194, 252-253/. Поэтому нами был предложен метод количественной оценки эрозионной стойкости пенопластов в зависимости от их ячеистой или химической структуры (наличие или отсутствие поверхностной технологической плёнки, кажущаяся плотность, выбор полимера-основы) и климатическо­го района.

Испытания показали /252/, что при длительном воздействии кли­матических факторов у пенопластов наблюдается существенная эрозия поверхности (рис.5.10). Из рис.5.10 видно, что скорость эрозии в тёплом влажном климатическом районе (Батуми) оказалась в 2,5 раза больше, чем в умеренно-холодном. В сухом жаркам климате (Ташкент) скорость эрозии была в 1,7 раза больше, чем в умеренно-холодном (г. Владимир). Аналогичные результаты были получены и для других марок пенопластов. То-есть повышение уровня солнечной радиации, температуры и влажности значительно ускоряет процесс старения.

В результате обработки данных по атмосферостойкости ряда пено­пластов, экспонированных в течение 7 лет в различных климатических районах, была получена обобщенная формула для определения потери массы образцов во времени /252/:

M А . К, Г

Л/71=------------- • (5.12)

Где: А /Я-потеря массы образцов; А - постоянная, зависящая от природы полимера-основы, а также от геометрического и мас­штабного фактора образца; К -постоянная, зависящая от кли­матического района; Т*-длительность старения; ^-кажущая­ся плотность.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ ПЕНОПЛАСТОВ К ДЕЙСТВИЮ ВОДЫ И ЕЕ ПАРОВ

Рис. 5.10. Изменение массы образцов ППУ-304Н 42 кг/м^)

При старении на открытых стендах во Владимире (I), Ташкенте (2) и Батуми (3). I

ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ ПЕНОПЛАСТОВ К ДЕЙСТВИЮ ВОДЫ И ЕЕ ПАРОВ

Таблица 5.7. Значения постоянной А, характеризующей скорость эро­зии пенопластов при атмосферном старении.

Пенопласт

Марка пенопласта Величина А

ППУ на основе простых полиэфиров

ППУ-304Н 993 ППУ-308Н 1290 ППУ-305А 1070

ППУ на основе сложных полиэфиров

ППУ-ЗН 150 ППУ-3 200

Пенополистирол

ПСБ 715

Таблица 5.8. Значения постоянной К, характеризующей влияние кли­матического района на скорость эрозии пенопластов при атмосферном старении.

Климатический район

Значение постоянной К

Очень холодный (г. Якутск) Умеренно-холодный (г. Владимир) Сухой жаркий (г. Ташкент) Тёплый влажный (г. Батуми)

0,6 1,0 1,7 2,5

Основным параметром ячеистой структуры, влияющим на эрозионную стойкость пенопластов, является кажущаяся плотность. Кроме того, гри переходе от одного полимера-основы к другому скорость эрозии, учи­тываемая постоянной А, также может измениться в несколько раз

(табл.5.7). Наконец, эрозионная стойкость сильно зависит от клима­тического района и это учитывается постоянной К (табл. 5.8).

Хотя характер структурных изменений, происходящих б матричном материале при атмосферном старении пенопласта, близок к таковому для монолитных полимеров, влияние ячеистой структуры сказывается значительно. Это связано прежде всего с увеличением интенсивности "обновления" поверхности образцов под действием дождя, ветра, сол­нечной радиации, циклических воздействий температуры и влажности. С другой стороны, ячеистая структура оказывает двойственное влияние на эрозионную стойкость, поскольку макроячейки являются тупиковым барьером роста трещин при старении.

Таким образом, выполненные кинетические исследования, получен­ная обобщенная формула эрозионной стойкости пенопластов при кли­матических испытаниях и представленные результаты позволяют полу­чить и прогнозировать количественную оценку стабильности этих ма­териалов в зависимости от свойств пеноматериала. и климатических воздействий.

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ

Технологии полимеров

1. Разработано новое научное направление по физике и механике пено­пластов» которое служит общенаучной основой разработки технологий по­лучения пенополимеров с различными комплексами параметров ячеистой структуры и физико-механических свойств. Разработаны научные основы …

Разработка технологии получения пенополиэпоксидов с эколо­гически чистым вспенивающим агентом

Задачей настоящего этапа работы явилась разработка технологии по­лучения рецептуры и определение технических характеристик пенополи­эпоксидов с экологически чистым вспенивающим агентом, предназначен­ных для заливки и герметизации радиоэлектроаппаратуры. Работа поставлена во исполнение обязательств …

Модификация свойств пенопластов при изменении параметров газоструктурных элементов

При разработке технологии изготовления пеноматериалов на основе полиуретанов мы руководствовались положением оставлять неизменной тех­нологию получения пенополиуретана. Последующую модификацию ячеистой структуры, упрочнение и снижение горючести пенопласта мы проводили за счёт подпрессовки, …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.