Структура и свойства газонаполненных полимеров

ПЕНОПЛАСТЫ

Классификация пенопластов

Пенопласты – вспененные или ячеистые пластмассы, газонаполненные полимеры, представляющие собой композиционные материалы с каркасом (матрицей) из полимерных пленок, образующих стенки и ребра ячеек (пор), заполненных газом. Объемное соотношение газовой и полимерной фаз в пенопластах составляет обычно от 30:1 до 1:10.

В соответствии с видом полимерного материала, используемого для получения пенопластов, различают пенопласты на основе поливинилхлорида, пенополистиролы, пенополиуретаны, пенопласты на основе фенолоформальдегидных смол, поропласты на основе мочевиноформальдегидных смол, вспененные синтетические каучуки, пенополиэтилен.

По реакции на тепловое воздействие пенопласты разделяются на термопластичные: обладают свойством размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, например, пенополистиролы, пенопласты на основе поливинилхлорида; и термореактивные: однажды затвердев (заполимеризовавшись), не способны снова размягчаться при повышении температуры, например, пенополиуретаны, пенопласты на основе фенолоформальдегидных смол.

Поскольку основной объём пенопласта занимает газ, плотность пенопласта существенно ниже, чем плотность его исходного сырья (полимера). Это обусловливает сравнительно высокие теплоизоляционные и звукоизоляционные свойства материалов данного класса.

Все газонаполненные полимеры разделяют на материалы с закрытыми порами (пены или пенопласты) и с открытыми порами (губки или поропласты). Однако это деление несколько условно. В подавляющем большинстве реальных пенопластов имеется определенная доля как закрытых, так и открытых газовых ячеек, и свойства композита определяются их соотношением. Отнесение газонаполненного полимера к одному из названных классов осуществляется, как правило, по его проницаемости и поглощающей способности, по которым губки и пены принципиально отличаются. Вследствие непрерывности газовой фазы губки характеризуются значительно большей проницаемостью и поглощающей способностью (газо-, водо- паропоглощение и проницаемость) по сравнению с пенами.

Кроме того, все газонаполненные полимеры подразделяют по степени вспенивания или по кажущемуся удельному весу. Различают 5 категорий: 1) легчайшие 3÷50 кг/м³, 2) легкие 50÷150 кг/м³, 3) средние 150÷400 кг/м³, 4) тяжелые 400÷700 кг/м³, 5) сверхтяжелые 700 и более кг/м³. Степень вспенивания определяет основные механические свойства пенопластов и их отличительные свойства, такие как теплоизоляционные, звукоизоляционные и некоторые другие.

Помимо этого пенопласты делят по их модулю упругости на жесткие, полужесткие и мягкие, что в основном обусловливается модулем упругости полимера и в некоторой степени кратностью вспенивания.

Структура и свойства газонаполненных полимеров

Основными структурными параметрами любой пены, определяющими свойства пенопласта, являются следующие характеристики:

- объемная доля газовой фазы в композите или степень вспенивания;

- количество газовых ячеек (пузырьков) в единице объема;

- размер (диаметр) газовых ячеек;

- доля открытых ячеек или непрерывность газовой фазы (пена или губка).

Эти характеристики определяются структурой пены и свойствами полимера. Рассмотрим связь структуры со свойствами пенопластов.

Механические, теплоизолирующие и звукоизолирующие свойства пенопластов определяются в основном степенью вспенивания.

Пенопласты всех видов дают значительную деформацию при сжатии. Различают предел прочности при сжатии у жестких пенопластов (пенополистирола марок ПС-1 и ПС-4, фенолоформальдегидных марок ФРП-1, ФФ) и предел прочности при 10 %-ном сжатии у эластичных пенопластов (пенополистирол марки ПСБ, эластичные пенополиуретаны). Предел прочности при сжатии зависит от вида пенопласта, структуры, средней плотности и находится в пределах от 0,02 (мипора марки 10) до 3 МПа (пенопласты на основе фенолоформальдегидных смол средней плотности 200 кг/м³). Предел прочности при изгибе находится примерно в тех же пределах.

Прочность при сжатии и при растяжении, модуль упругости пенопласта снижаются с увеличением степени вспенивания (рис. 11.1, а). Увеличение степени вспенивания повышает долю открытых газовых ячеек, а это ведет к росту поглощающей способности и проницаемости пенопласта. Но это свойство можно существенно менять путем регулирования доли открытых газовых ячеек за счет управления технологическими условиями вспенивания.

Рис. 11.1 - Зависимость относительной прочности при сжатии, водо-поглощения (V_w) и коэффициента теплопроводности от объемного содержания газовой фазы в пенопласте.

Пенопласты характеризуются очень низкой теплопроводностью, которая снижается с увеличением степени вспенивания (рис. 11.1, б).

Размер ячеек весьма существенно влияет на прочностные свойства пенопластов. С увеличением размера пузырьков газовой фазы прочностные свойства пенопластов заметно снижаются и уменьшается величина предельной деформации при разрыве (рис. 11.2).

Рис. 11.2 - Зависимость прочности при растяжении (а) и относительного удлинения при разрыве (б) пенополиуретана с плотностью 32 кг/м³ от числа пор (N) в единице объема.

На поглощающую способность пенопластов и их проницаемость наиболее сильное влияние оказывает доля открытых ячеек в пенопласте. Чем больше эта доля, тем выше проницаемость пенопластов и поглощение ими различных жидкостей и газов.

Поиск по сайту: