Усиление карбамидных пенопластов активными наполнителями

Исследование структуры и свойств химически наполненных карбамидных пенопластов [136,142,143,144]

Механические свойства любых газонаполненных пластмасс, как и монолитных, определяются свойствами полимерной матрицы. Однако степень проявления свойств полимера в сильной степени зависит от характера ячеистой структуры, т. е. её морфологии.

Исследование влияния химического наполнения на структурно - механические, теплофизические свойства и другие технические характеристики проводились для выбранных оптимальных составов карбамидных пенопластов (табл. 4.4), изготовленных в промышленных условиях на установке «ПЕНА - 2000».

Наиболее распространенным методом изучения морфологии пенопластов является формально-графический. Суть его состоит в том, что на основе данных о геометрии и стереометрии (размерах, форме, степени замкнутости ячеек и т. д.) делаются попытки объяснить или предсказать технические свойства пенопластов.

На рис.4.11 показаны электронно-микроскопические снимки ненаполненного карбамидного пенопласта (а) и карбамидного пенопласта, наполненного АНО (б), ОВТЭЦ (в) и доломитом (г).

Для ненаполненного карбамидного пенопласта характерна деформированная крупноячеистая поровая структура, свойственная всем карбамидным пенопластам, изготовленным воздушно-механическим способом. Структура ячеек близка к структуре «вытекшего» додекаэдра, который деформирован в результате дренажа низковязкой карбамидной смолы. Присутствие капилляров Плато - Гиббса треугольного сечения, образующих сеть трещин, определяет низкую механическую прочность и высокое сорбционное водопоглощение.

Наполненные карбамидные пенопласты имеют однородную мелкоячеистую структуру с более сферической формой ячеек [143].

Очевидное равномерное распределение наполнителя, вероятно, связано с выбранным способом получения карбамидных пенопластов, сочетающим механическое вспенивание (сжатым воздухом) и «конденсационное» наполнение.

Поэлементный анализ показал, что ребра (тяжи) и узлы структуры имеют отличный от матричного полимера без наполнителя элементный состав. Для примера, на рис.4.12. показан энегродисперсионный спектр и микрофотография карбамидного пенопласта, наполненного АНО, с указанной на ней точкой снятия спектра.

В табл. 4.5 приведены поэлементные составы в точке снятия энергодисперсионного спектра карбамидного пенопласта, модифицированного АНО в сравнении с ненаполненным аналогом.

В точке снятия энергодисперсионного спектра обнаружены сигналы А1 и Na. Кроме того, большее по весовому % содержание фосфора, вероятно, обусловлено присутствием фосфатов алюминия, образующихся при взаимодействии А1(ОН)з с ортофосфорной кислотой по реакции:

А1(ОН)3 +Н3РО4 = AI3PO41 + 3H20.

При исследовании карбамидных пенопластов, модифицированных доломитом, были обнаружены сигналы Са, Mg, а в случае ОВТЭЦ - Са, А1 и Fe. Для всех наполнителей характерно увеличение процентного содержания фосфора в точке снятия спектра. Таким образом, очевидно, что образующиеся соли - фосфаты кальция, магния и алюминия, включены в силовые элементы ячеистой структуры и могут играть роль усиливающих (армирующих) наполнителей.

Из гистограмм распределения пор по размерам ненаполненного и наполненных карбамидных пенопластов, приведеных на рис. 4.11, следует, что средний размер ячеек наполненного карбамидного пенопласта почти в два раза меньше среднего размера ячеек карбамидного пенопласта без наполнителя.

Распределение ячеек ненаполненного карбамидного пенопласта по размерам мономодальное. Основным отличием структуры ненаполненного пенопласта, являются более вытянутые элементы ячеистой структуры (тяжи и ребра).

При анализе микрофотографии и гистограммы с бимодальным распределением пор по размерам карбамидного пенопласта, наполненного алюмонатриевым отходом, можно заметить наличие в нём микроячеек (15 мкм), локализованных в стенках макроячеек (42 мкм).

Для всех наполненных карбамидных пенопластов свойственен эффект закрывания ячеек под влиянием наполнителя, что связано с повышением структурно-механических свойств жидких прослоек пены в результате «бронирования» частицами твердой фазы, что препятствует диффузии газа через стенки воздушных пузырьков.

Гистограммы распределения ячеек по размерам для карбамидного пенопласта, наполненного отходом водоочистки ТЭЦ и доломитом, монотонно убывающие. Преобладающий размер пор (80%) - до 26 мкм.

При сравнении микрофотографий отчетливо видно, что для наполненных карбамидных пенопластов отношение толщины тяжа t (основного силового
элемента ячеистой структуры пенопласта) к его длине / - так называемый параметр Р увеличивается.

По-видимому, это связано с более равномерной мелкоячеистой структурой с меньшим разбросом ячеек по размерам в присутствии наполнителя. При этом эффект разнотолщинности элементов ячеистой структуры проявляется в меньшей степени из-за более равномерного распределния полимера в элементах ячеистой структуры. Тогда как, для ненаполненного пенопласта характерны крупные недеформируемые узлы, в которых сконцентрировано основное количество полимера, и тонкие вытянутые тяжи, что объясняет низкие физико-механические параметры.

Таким образом, основываясь на данные, приведенные в табл.4.6, можно сделать вывод, что, укрупнение тяжей и увеличение плотности наполненных пенопластов происходит за счет образования более равномерной ячеистой структуры и за счет присутствия в структурных элементах высокоплотных частиц наполнителя.

Размеры тяжей и узлов ячеек оказывают сильное влияние на механизм деформирования пенопласта. На рис.4.13 приведены диаграммы сжатия карбамидных пенопластов.

Качественно диаграммы практически не различаются, и каждую из них можно разделить на три участка: начальный крутой участок; плато на втором участке; третий участок возрастания напряжения.

Начальный участок отражает сжатие тяжей и стенок ячеек пенопласта до достижения ими потери устойчивости; на втором участке разрушаются тяжи, что приводит к возникновению плато; на третьем участке происходит окончательное смятие разрушенных ячеек и постепенный переход к сжатию самого полимера. Очевидно, что более равномерная ячеистая структура с крупными узлами и тяжами увеличивает сопротивление наполненных пенопластов сжимающим нагрузкам, особенно в области малых деформаций.

Наполненные карбамидные пенопласты имеют большие модули упрут ости, о чем свидетельствует большие углы наклона кривых. Причем карбонатсодержащие наполнители (ОВ1ЭЦ и доломит) имеют наибольшие модули упругости (соответственно 1,5 МПа и 1,2 МПа), что, наряду с положительными изменениями ячеистой структуры, связано, вероятно, с увеличением жесткости полимерной основы за счет дополнительной сшивки молекул смолы гидроксидами Са и Mg.

При наполнении карбамидных пенопластов наблюдается понижение сорбционного увлажнения, которое обуславливается более мелкопористой структурой и увеличением степени замкнутости ячеек, а также отсутствием в структуре, так называемых капилляров Плато-Гиббса, имеющих треугольное сечение и образованных при росте, соприкосновении и последующей деформации пузырьков воздушно-механической пены.

При исследовании пористости по предельному водонасыщению (рис.4.14- 4.15) было установлено, что количество адсорбированной усиленными карбамидными пенопластами воды на 60-70% за равный промежуток времени меньше (табл. 4.7), чем у ненаполненного пенопласта, что свидетельствует о преобладании в них закрытых ячеек. Причем скорость поднятия влаги по высоте для ненаполненного пенопласта выше, чем у наполненных пенопластов. Закрытопористая структура положительным образом сказывается на стабильности теплофизических характеристик усиленных карбамидных пенопластов в процессе их эксплуатации в качестве теплоизолирующего слоя строительных конструкций.

Вклад проводимости полимера на коэффициент теплопроводности, зависящий от полимероёмкости, меньше вклада газовой фазы, содержание которой достигает более 90%. Хотя присутствие в ячеистой структуре пенопласта минерального наполнителя обычно приводит к увеличению коэффициента теплопроводности, общий рост теплопроводности не велик ввиду уменьшения вклада конвективного переноса тепла в закрытых ячейках меньших размеров наполненных пенопластов.

Таким образом, проведенные исследования влияния морфологии химически наполненных карбамидных пенопластов на их основные эксплуатационные свойства свидетельствует об эффективности использования химического наполнения для улучшения физико-механических характеристик при сохранении их высоких теплозащитных свойств.

Выводы по главе

Исследование зависимостей основных эксплуатационных свойств карбамидных пенопластов от содержания выбранных химически активных наполнителей, позволило установить оптимальные концентрации последних (АНО - 3 масс. ч. и ОВТЭЦ-5 масс. ч.). Оптимизация состава карбамидного пенопласта, модифицированного доломитом с разной удельной поверхностью, была проведена с помощью методов анализа многомерных данных. Установлено, что наилучшие технические характеристики карбамидных

Пенопластов будут получены при введении доломита с удельной поверхностью

Л

33500 гр/см в количестве 7 масс. ч.

Изучение ячеистой структуры карбамидных пенопластов позволило установить, что в присутствии наполнителя формируется мелкоячеистая структура, характеризующаяся меньшим распределением ячеек по размерам с более крупными тяжами и узлами ячеистой структуры, положительным образом отражается на физико-механических свойствах карбамидных пенопластов.

Энергодисперсионный анализ макроструктуры пенопласта позволил подтвердить образование солей - фосфатов кальция, магния и алюминия, встраивающихся и равномерно распределенных в полимерной матрице ячеистой структуры пенопласта, являющихся, в виду этого, усиливающими наполнителями, армирующими тяжи, ребра и узлы ячеистой структуры.

Установлено, что химическое наполнение приводит к повышению прочности на сжатие на 88-90 % (при наполнении доломитом и ОВТЭЦ) и на 80% (АНО). При этом наблюдается снижение сорбционного увлажнения и линейной усадки соответственно на 50 % и 91% (при наполнении доломитом), 60% и 93% (ОВТЭЦ), 35% и 87% (АНО), при сохранении высоких теплозащитных свойств. Низкие значения коэффициента теплопроводности карбамидного пенопласта, модифицированного ОВТЭЦ и доломитом (0,035 и 0,036 Вт/(мК) соответственно), обусловлены низкой плотностью пенопласта, образующегося путем сочетания газообразования и воздушно-механического вспенивания.