Усиление карбамидных пенопластов активными наполнителями

Разработка карбамидных пенопластов с ультратонкодисперсными наполнителями [ 142,144]

Улучшение механических свойств пенопластов достигается за счет равномерного распределения частиц твердой фазы в элементах ячеистой структуры. Показателем оптимального диснергирования является наименьшая вязкость, которая зависит от адсорбционной активности поверхности наполнителя, т. е. смачиваемости его поверхности полимером, а также концентрации и размера частиц.

Наиболее интересно распределение частиц по размерам для металлургического шлака ЖОШ, основными минералами, которого являются гематит Ре2Оз и маггемит с примесью кварца (около 10%) (рис. 5.10).

Преобладающий размер частиц в нем 0,7 мкм (рис. 5.11). Частицы размером более 3 мкм в этом продукте не присутствуют. Фракционный состав ЖОШ: < 0,5 мкм - 45%, от 0,5 до 1 мкм - 35%, от 1 до 3 мкм-20%. Почти 30 % частиц имеют размер менее 0,1 мкм. Методика определения лазерным методом оценки размером частиц не позволяет установить распределение частиц размерами менее 0.1 мкм. В данном случае можно говорить о наличии наноразмерных частиц, что, непременно, должно отразиться на свойствах карбамидных пенопластов.

На микрофотографиях, показанных на рис.5.12. видно, что, несмотря на высокую дисперсность, ЖОШ не агрегирует, что обуславливает хорошее диспергирование частиц в низковязких системах, и как следствие, должно улучшить механические характеристики пенопласта, за счет равномерного распределения частиц в элементах ячеистой структуры.

Вероятно, это обусловлено хорошей смачиваемостью части а ЖОШ смолой, что подтверждают данные по энтальпии смачивания смолой, которая равна ( - 1,02 Дж/г).

Обычно, присутствие дисперсного наполнителя приводит к структ>рообразованию системы, и как следствие, увеличению вязкости.

Однако проведенные исследования вязкости смолы при разных содержаниях ЖОШ показали, что значительный рост вязкости начинается только при высокой концентрации наполнителя более 40% (рис.5.13).

Известно [72,73.83] что, в растворе карбамидоформальдегидной смолы, существуют ассоциаты макромолекул, которые при адсорбции переходят на поверхность наполнителя. Это обуславливает образование довольно значительных адсорбционных слоев и высокую степень структурирования

Однако высокая удельная поверхность ЖОШ позволяет при малом содержании наполнитепя ввести большее число частиц наполнителя, под действие которых попадают ассоциаты молекул олигомера. При этом происходит частичное разрушение ассоциатов. В итоге, на поверхности частиц

ЖОШ образуется гонкий адсорбционный слой, толщина которого недостаточна для взаимодействия частиц через адсорбированные на поверхности слои олигомера, приводящего к сгруктурообразованию системы (в результате агрегации молекул олигомера и частиц ЖОШ) и, как следствие, увеличению вя зкости.

На рис.5.14 показаны электронно-микроскопические снимки структуры карбамидного пенопласта, наполненного ЖОШ. Для карбамидного пенопласта Ъ присутствии ЖОШ характерна мелкоячеистая структура (средний размер ячеек 16 мкм) с равномерно распределенным дезагрегированным высокодисперсным наполнителем.

Из анализа гистограммы распределения ячеек по размерам (рис. 5.14) карбамидных пенопластов, наполненных ЖОШ. очевидно бимодальное распределение ячеек, обусловленное наличием микроячеек (.4-20 мкм) в стенках более крупных ячеек (23-44 мкм). При этом наблюдается эффект закрывания пор под влиянием наполнителя, обуславливающий улучшение тсплофишческих свойств и низкие показатели сорбционного увлажнения Вероятно, это связано с образованием пространственного коагуляционого каркаса и повышением структурно-механических свойств жидких прослоек
пены в результате «бронирования» частицами ЖОШ, что препятствует разрыву пленок пены.

При сравнении микрофотографии и диаграммы деформирования наполненного карбамидного пенопласта, представленной па рис.5.15. очевидно, что увеличение отношения толщины к длине армированных ЖОШ тяжей приводит к резкому повышению модуля упругости с 0,07 до I, 7 МПа, т. е. жесткости пенопласта.

Установленный факт образования ячеистой структуры с более крупными тяжами, ребрами и уздами можно объяснить тем, что высокая дисперсность частиц ЖОШ позволяет накапливаться большего количество частиц твердой фазы в каналах Плато-Гиббса, образующихся при вспенивании. Это приводит к увеличению размера последних и образованию пробок, препятствующих стечению жидкости и обуславливающих лучшую стабильность пены.

Ввиду того, что введение ЖОШ не оказывает значительного влияния на технологические параметры переработки пенопласта (время гелеобразования остается неизменным (рис. 5.16), а кратность вспенивания меняется лишь при введении ЖОШ более 40 масс. ч. (рис. 5.13)), в качестве основных критериев
оптимальных составов были выбраны плотность и прочность на сжатие при 10%-ной деформации карбамидных пенопластов (рис.5.17). Оптимальное количество ЖОШ равное 20 масс. ч. было выявлено по максимальному К. К.К., соответствующему максимальной прочности при минимальной плотности пенопласта.

Установленная оптимальная концентрация ЖОШ в пеносистеме обеспечивает наилучшие физико-механические показатели и наименьшее значение сорбционного увлажнения и линейной усадки, при сохранении высоких теплозащитных свойств пенопласта.

Из данных, приведенных в табл. 5.7 видно снижение значения сорбционного увлажнения, которое, вероятно, связано со стремлением наполненной пеносистемы к образованию закрытоячеистой структуры.

Сохранение высоких теплофизических показателей (к = 0,038 Вт/м'К), несмотря на присутствие в качестве наполнителя Ре2Оз, имеющий высокий коэффициент теплопроводности, объясняется отсутствием вклада конвективного теплопереноса из-за образования более мелкоячеистой структурой пенопласта, наполненного ЖОШ. Высокие физико-механические показатели и низкие значения линейной усадки карбамидного пенопласта в присутствии ЖОШ обусловлены более однородной мелкоячеистой структурой и армированием частицами ЖОШ элементов ячеистой структуры.

Изучен минеральный и фракционный составы ЖОШ и ВПП. Установлено, что ультратонкодисперсный ЖОШ, размер частиц которого не превышает 2

Мкм, на 90% состоит из гематита (Ре2Оз), который способен взаимодействовать с ортофосфорной кислотой только при температуре > 120°С.

ВПП состоит в основном из аморфной фазы алюмосиликатного стекла и характеризуется наличием крупных частиц (более 250 мкм), оказывающих негативное влияние на свойства карбамидных пенопластов, т. к. в их присутствии формируется дефектная ячеистая структура.

Исследование зависимостей основных технологических и эксплуатационных свойств карбамидных пенопластов от содержания и размера частиц ВПП позволило установить эффективную, с точки зрения улучшения технических показателей, фракцию ВПП - менее 160 мкм. Пористая структура ВПП способствует получению карбамидных пенопластов с улучшенными физико-механическими характеристиками и наименьшей линейной усадкой при сохранении высоких теплозащитных свойств. При этом улучшение физико - механических свойств карбамидного пенопласта происходит, во-первых, за счет армирования полимерного каркаса ВПП мелкой фракцией (менее 60 мкм), во-вторых, за счет механического зацепления полимера с внутризерновой поверхностью ВПП фракцией от 160 до 60 мкм ввиду открытопористой структуры последнего.

Ультратонкая дисперсность ЖОШ позволяет ввести в композицию до 20- 40 масс. ч. наполнителя без значительного изменения технологических параметров (кратность вспенивания и время гелеобразования остаются практически неизменными). При этом можно получить высоконаполненный карбамидный пенопласт с низким значением линейной усадкой (1%), прочность которого (0,07 МПа) на порядок выше прочности ненаполненного карбамидного пенопласта (0,007 МПа). Присутствие металла в элементах ячеистой структуры не приводит к значительному увеличению коэффициента теплопроводности, т. к. в присутствии ЖОШ формируется более мелкоячеистая структура, способствующая снижению конвективной составляющей теплообмена.