Эпоксидно-новолачные пенопласты на основе порошковых термореактивных композиций достаточно широко используются на отечественных предприятиях для получения конструкционных материалов, композитов и изделий из них в авиационной машиностроительной, приборостроительной, электротехнической, радиоэлектронной и других отраслях промышленности.
Наибольшее распространение получили пенопласты типа ПЭН-И (ТУ 6-05-5088-76), порошковые композиции для которых изготавливаются на основе эпоксидно-новолачного блоксополимера марки 6ЭИ60-1 (ТУ 6-05-031-493-76) и содержат в качестве катализатора отверждения 0,5 мас.% триэтаноламина. Блоксополимер 6ЭИ60-1 получают сплавлением эпоксидной смолы марки ЭД-16 и новолачной фенолоформальдегидной смолы марки СФ-0112. Порошковые композиции имеют жизнеспособность до 6 месяцев при хранении в нормальных условиях [ 1-2 ].
За последние годы на кафедре химической технологии пластмасс Санкт-Петербургского технологического института разработаны новые типы порошковых вспенивающихся композиций и пенопластов на их основе, которые позволяют значительно расширить возможности применения данных материалов. Композиции представляют собой одноупаковочные порошковые полуфабрикаты, из которых могут быть получены пенопласты с закрытоячеистой однородной структурой и кажущейся плотностью 50-350 кг/м2 путем термического вспенивания и отверждения в открытых или закрытых формах. В качестве олигомерной основы для разработанных порошковых композиций также использовали эпоксидно-новолачный блоксополимер 6ЭИ60-1. Свойства таких пенопластов представлены в ( табл. 1).
Таблица 1
Свойства эпоксидно-новолачных пенопластов
Наименование
показателя
ПЭН-ИУ
ПЭН-У
ПЭН-УП
ПЭН-УР
Кажущаяся плотность, кг/м3
70-350
70-320
70-320
150-350
Разрушающее напряжение, МПа
при сжатии
при изгибе
1,1-11,2
1,1-9,4
1,2-9,1
0,9-8,7
1,1-8,8
0,7-7,2
2,7-8,7
2,1-6,4
Ударная вязкость, кДж/м2
0,5-1,7
0,2-1,1
0,2-0,8
0,4-0,8
Водопоглощение за 24 ч, кг/м2
0,03-0,06
0,04-0,10
0,04-0,12
0,04-0,06
Теплостойкость при нагрузке, оС
95-105
85-90
95-110
65-70
Коэффициент теплопровод-
ности, Вт/(м·К)
0,04-0,07
0,04-0,07
0,04-0,08
0,05-0,08
Стабильность размеров
за 24 ч, %
при 100оС
0,3-0,5
при 80оС
0,7-2,6
при 100оС
0,2-0,4
при 70оС
1,4-2,2
Диэлектрическая проницае-
мость при 106 Гц
1,10-1,75
1,07-1,75
1,15-1,7
1,25-1,60
Тангенс угла диэлектричес-
ких потерь при 106 Гц ·103
Каждый тип композиции для пенопластов может изготавливаться в виде 2-5 марок с более узким диапазоном кажущейся плотности, которая легко регулируется изменением содержания химического газообразовател, и может отклоняться от заданной не более чем на 20 %.
В качестве вспенивающего агента использовали азобисизобутиронитрил, выпускаемый промышленностью под маркой ЧХЗ-57 ( ТУ 113-03-365-82) и при термическом разложении которого выделяется газообразный азот.
Пенопласты марок ПЭН-ИУ являются аналогами пенопластов ПЭН-И и предназначены, главным образом, для изготовления изделий и композиционных материалов. Они обладают улучшенными механическими и диэлектрическими характеристиками. Вспенивание и отверждение порошковых композиций пенопластов ПЭН-ИУ проводят при 100-110оС в течение 4-6 ч. В составе композиций для пенопластов ПЭН-ИУ в качестве катализатора отверждения использована порошкообразная бисмочевина 4,4’-бис-(N,N-диметилуреидо)-дифенилметан (БДУД), выпускаемая промышленностью под маркой “Отвердитель 9”( ТУ 6-14-22-159-83). Содержание БДУД составляет 0,30-0,34 масс.ч. на 100 масс.ч. блоксополимера 6ЭИ60-1. Поэтому особенностью этих композиций является их длительная жизнеспособность при хранении, а также устойчивость в течение 6-7 ч к продолжительному тепловому воздействию при 80-85оС, после которого они вспениваются и отверждаются, обеспечивая необходимые эксплуатационные свойства. Их переработка может быть организована с более высокой производительностью, чем композиций для пенопластов ПЭН-И, путем предварительного подогрева значительной массы материала с последующей дозировкой его в отдельные формы для изготовления изделий и термообработкой их по заданному режиму.
Пенопласты ПЭН-У предназначены для герметизации изделий радиоэлектронной аппаратуры, обладают высокими механическими и диэлектрическими свойствами. Отличительной особенностью пенопластов ПЭН-У является то, что порошковые композиции для их получения вспениваются и отверждаются при температурах 78-85оС в течение 8-10 ч. При этом образуется преимущественно закрытоячеистая и мелкопористая структура материала, которая обеспечивает высокие защитные свойства изделиям [ 3-4 ].
Композиции для пенопластов ПЭН-У также содержат в качестве катализатора отверждения бисмочевину БДУД в количестве 3-6 мас. %, при этом срок их хранения в обычных условиях может составлять 5-6 месяцев [ 3 ].
Результаты исследований показывают, что изменение кажущейся плотности пенопластов ПЭН-У значительно влияет на содержание открытых пор, диэлектрические свойства и водопоглощение (табл. 2).
Таблица 2
Влияние параметров структуры на диэлектрические свойства и
водопоглощение пенопластов ПЭН-У
Кажущаяся
плотность
Содержание
открытых
Содержание
закрытых
Диэлектри-
ческая про-
Тангенс угла
диэлектричес-
Водопог-
лощение
пенопласта,
кг/м3
пор,
%
пор,
%
ницаемость при 106 Гц
ких потерь
при 106 Гц·103
за 24 ч,
кг/м2
70-90
11,8-12,8
79,4-79,8
1,07-1,15
2-4
0,09-0,10
100-110
130-150
10,4-11,2
6,4-7,2
80,0-80,4
80,6-80,9
1,10-1,25
1,20-1,50
3-5
4-6
0,07-0,08
0,06-0,07
160-180
200-220
3,9-4,5
0,8-1,2
81,2-81,6
82,8-83,2
1,30-1,55
1,55-1,65
5-7
7-9
0,05-0,06
0,04-0,05
Особенностью пенопластов ПЭН-УП является повышенная теплостойкость, поскольку их рабочая температура составляет 95-110°С, а температура вспенивания и отверждения 75-85°С. Это обусловлено введением в порошковые композициии соотвердителя, в качестве которого использовали параформ ( ТУ 6-09-3208-78 ) в количестве 0,5-1,5 масс.ч. на 100 масс.ч. связующего 6ЭИ60-1. Параформ, разлагаясь в процессе отверждения до формальдегида, сшивает молекулы блоксополимера, образуя дополнительные связи между фрагментами фенолоформальдегидного олигомера. Об этом свидетельствует повышенное содержание гель-фракции в отвержденных образцах пенопластов достигающее 93-95 %. При этом снижается разрушающее напряжение при изгибе, что обусловлено повышением жесткости и внутренних напряжений в пенопластах ПЭН-УП. Жизнеспособность при хранении композиций для пенопластов ПЭН-УП значительно ниже, чем композиций не содержащих параформ. Увеличение содержания параформа в композиции приводит к существенному сокращению жизнеспособности при хранении, что проявляется в повышении кажущейся плотности и, соответственно, некотором возрастании физико-механических показателей пенопластов ( табл. 3 ).
Таблица 3
Влияние продолжительности хранения порошковых композиций при 20-25оС
на свойства пенопластов
Компози-
ция для
Содержа-ние пара-
Срок
хране-
Кажущаяся плотность
Изменение кажущейся
Разрушающее напряже-
ние, МПа
пено-
пласта
форма,
масс.ч.
ния, месяцы
пенопласта,
кг/м3
плотности,
%
при
сжатии
при
изгибе
ПЭН-У
-
2,4-2,6
2,3-2,5
2,6-2,8
2,4-2,6
2,7-2,9
2,5-2,7
2,8-3,0
2,6-2,9
3,0-3,3
2,7-3,0
3,4-3,6
3,8-4,0
3,0-3,2
3,4-3,6
ПЭН-УП
0,5
-
1,5-1,7
1,3-1,5
1,7-1,9
1,4-1,7
1,8-2,1
1,4-1,6
1,9-2,2
1,5-1,7
5,0-5,2
3,6-4,0
1,0
-
1,5-1,7
1,4-1,6
1,7-1,9
1,6-1,7
1,8-2,0
1,7-1,8
1,9-2,1
1,6-1,8
4,8-5,2
3,6-4,0
1,5
-
1,5-1,7
1,3-1,5
2,2-2,6
1,7-1,9
2,4-2,7
1,8-2,1
2,7-3,1
2,0-2,2
4 н е в с п е н и в а е т с я
Продолжительность хранения порошковой композиции, после которой кажущаяся плотность пенопластов возрастает более чем на 15-20 %, следует считать предельной, поскольку дальнейшее увеличение сроков хранения приводит к резкому возрастанию числа дефектов (раковины, пузыри, трещины) при изготовлении изделий.
Пенопласты ПЭН-УР предназначены для радиоэлектронных устройств, герметизацию которых необходимо проводить при температурах не превышающих 65-70°С. Они отличаются низкой диэлектрической проницаемостью, малой величиной тангенса угла диэлектрических потерь, повышенной водостойкостью, однако имеют невысокие физико-механические показатели и теплостойкость.
Порошковые композиции для пенопластов ПЭН-УР дополнительно содержат малые добавки компонентов, которые в сочетании с ускорителем БДУД обеспечивают вспенивание и отверждение композиций [ 5 ]. Некоторые свойства пенопластов ПЭН-УР в зависимости от кажущейся плотности приведены в табл. 4.
Таблица 4
Свойства пенопластов ПЭН-УР
Кажущаяся
плотность,
кг/м3
Разрушающее
напряжение
при сжатии,
МПа
Диэлектри-
ческая прони-
цаемость при
106 Гц
Тангенс угла
диэлектричес-
ких потерь
при 106 Гц
Удельное объемное
электрическое
сопротивление,
Ом · м
150-180
180-200
2,7-3,8
3,6-4,4
1,25-1,35
1,30-1,40
(4-6) ·10-3
(4,5-6) · 10-3
(4-6) ·1012
(5-7) ·1012
200-250
4,0-5,6
1,35-1,45
(5-7) · 10-3
(6-8) ·1012
250-300
5,4-6,8
1,40-1,50
(5,5-7) · 10-3
(6-9) ·1012
300-350
6,5-8,8
1,45-1,60
(6-8) · 10-3
(8-12) ·1012
Представленные данные свидетельствуют о широких возможностях применения эпоксидно-новолачных пенопластов в различных отраслях промышленности.
Л и т е р а т у р а
1. Николаев А.Ф. и др. Пласт. массы, 1971, ? 10, с. 7-9.
2. Тризно М.С., Барсова В.В. Пенопласты ПЭН - новый тип пенопластов.
Л.: ЛДНТП, 1974, 24 с.
3. А.с. 1502585 СССР, МКИ С 08 L 63/04. Порошковая композиция для пенопласта/
А.Ф.Николаев, И.М.Дворко, И.В.Коцелайнен и др. 1989, Бюл. ? 31.
4. Николаев А.Ф., Дворко И.М., Коцелайнен И.В. и др. Порошковый пенопласт с
длительной жизнеспособностью. Обмен производственно-техническим опытом.
1989, вып. 5, с. 17-18.
5. Патент 2043374 РФ, МКИ С 08 L 61/04. Порошковая композиция для пенопласта/
А.Ф.Николаев, И.М.Дворко, А.Б.Авхуков и др. 1995, Бюл. ? 25.