Санкт-Петербургский государственный технологический институт
Газонаполненные пластмассы на основе фенолоформальдегидных полимеров находят применение как конструкционные тепло- и электроизоляционные материалы в строительстве [1-2], машиностроении [3-4], электротехнике и приборостроении [5-6]. Они могут быть получены на основе резольных или новолачных фенолоформальдегидных олигомеров [1,4,7]. Пенофенопласты на основе резольных олигомеров получают из двух или трех компонентов, хранящихся раздельно. Получение и свойства пеноматериалов на основе резольных фенолоформальдегидных олигомеров рассмотрены в монографии [4] и обзорах [8-9].
Большой практический интерес представляет применение одноупаковочных композиций с длительной жизнеспособностью при хранении на основе новолачных фенолоформальдегидных олигомеров для получения пенофенопластов (ПФПН). Такие композиции в виде полуфабрикатов - порошков, гранул, таблеток или заготовок могут изготавливаться централизованным методом и поставляться потребителям [3,6]. Это обеспечивает возможность механизации и автоматизации процессов изготовления изделий, их более высокое качество и стабильность эксплуатационных свойств. В данной работе рассмотрены методы получения, свойства и применение таких пенопластов.
В качестве олигомерной основы для получения одноупаковочных фенолоформальдегидных вспенивающихся композиций, как правило, используют новолачные фенолоформальдегидные смолы (НФФС) – твердые, плавкие продукты с молекулярной массой 250-800, содержанием свободного фенола 1-10% и темпертурой каплепадения по Уббелоде 90-150ºС [7,10], а также феноформалит - продукт сополиконденсации нефтяного остатка, фенола и формальдегида [11-13] или продукт двухстадийной конденсации фенола, формальдегида и кубового остатка производства фенола кумольным методом [14]. Для улучшения технологических показателей композиций или повышения эксплуатационных свойств пенопластов применяют смеси или продукты реакции НФФС с модифицирующими агентами, в качестве которых могут быть использованы различные соединения, мономеры, олигомеры и полимеры. В качестве таких модификаторов предложены соединения: фурфурол [15,16,17], дифурфурилиденацетон [18], тетразол или его производные [19,20]; олигомеры: фурфуролацетоновый ФА-15 [1-2,17,], эпоксидно-новолачный 6ЭИ60-1 [17], эпоксидный ЭД-16 [15,16,21], феноформалит [22], остаток дистилляции сланцевых фенолов с молекулярной массой 250-290 [23], термопластификатор обогащенного сланца [24], каменноугольный пек [25], полиоксибензиламины [26-27], или смеси трех олигомеров [17]. Смеси могут быть приготовлены механическим смешением [17,18,22,26,27], сплавлением или предварительным взаимодействием компонентов при нагревании до 120-150ºС [15,16,17,22]. Содержание модифицирующих компонетов может составлять от 3 до100 мас.ч. на 100 мас.ч. новолачного олигомера.
В состав композиций могут быть введены различные полимеры-модификаторы: поливинилхлорид и его сополимеры, полихлортрифторэтилен, полиакрилонитрил [3], полисторол [28], полиметилметакрилат [3,28], нитрильные каучуки [3,4,29], полиизофталат [30], полиамид, поливиниловый спирт [31], частично нейтрализованный полимер, содержащий карбокильные группы [32] и другие полимеры [3,31]. Содержание полимерного компонента может составлять от 0,1 до 50 мас.ч. на 100 мас.ч. олигомерной основы.
Для отверждения таких композиций обычно используется гексаметилентетрамин (ГМТА) в количестве 3-21 мас.ч. [17,18,25,28] на 100 мас.ч. фенолоформальдегидного олигомера, однако, в некоторых случаях предлагается использовать совместно с ГМТА дополнительные сшивающий агенты, например, полиоксибензиламины (ПОБА) [26], тетразол или его произ- водные [19]. Полиоксибензиламины получают сплавлением фенола, отходов производства фенола и ацетона с гексаметилентетрамином при 125-130ºС [27]. Опубликованные данные позволяют сделать вывод, что ПОБА или тетразол и его производные в процессе отверждения реагируют с продуктами разложения ГМТА и входят в состав образующихся сетчатых полимеров, в результате чего формируются модифицированные полимерные матрицы со специфическими свойствами [19-20, 26-27].
При отверждении новолачных фенолоформальдегидных композиций, содержащих значительное количество фурановой смолы, в качестве отвердителя может быть использован дихлорид олова в количестве 1-1,5 мас.ч. на 100 мас.ч. олигомерной основы [33]. Однако такие композиции не могут применяться как одноупаковочные.
Для вспенивания композиций на основе НФФС применяют различные порошкообразные органические и неорганические химические газообразователи, выделяющие газы в результате термического разложения [4,17]. Наибольшее распространение получили 2,2¢- азо-бис-(изобутиронитрил) [4,11-14,17,19,27], азодикарбонамид [4,17,34], N,N¢-динитрозопента-метилентетрамин [4,31,35-37], карбонаты аммония или натрия [4,17,28]. В работе Берлина А.А. с сотрудниками показано, что наиболее эффективными газообразователями для композиций НФФС являются динитроизоэтилмочевина и 4-азо-бис- (4-цианпентакарбоновая кислота). Введение динитроизоэтилмочевины в количестве 0,5 мас.ч. на 100 мас.ч. НФФС позволяет получить пенопласт с более низкой кажущейся плотностью, и в три раза более низким водопоглощением, чем при использовании других газообразователей [38].
Для ускорения отверждения и получения высокой степени вспенивания в состав композиций могут быть введены добавки мочевины, муравьиной, щавелевой, малеиновой, пара-оксибензойной, салициловой или фталевых кислот в количестве 0,1-7 мас.ч. на 100 мас.ч. олигомерной основы [34-35].
В составе рецептур для пенофенопластов используются самые разнообразные неорганические и органические наполнители. Из неорганических наполнителей применение нашли диоксид титана [3,18,19,26], диоксид кремния, оксид цинка, сажа, графит, алюминиевые порошки [3], вспененный перлит [1,14,23,35,39,40], природный кварц [29], измельченное стекловолокно [30], карбонат кальция [12,30], полые гранулы стекла [34-35], кварца [41], диаметром 0,2-7 мм и кажущейся плотностью 50-500 кг/м3, цемент [42], или его смесь с золой [25], листовой нетканный материал из стекловолокна [31]. В качестве органических наполнителей используют модифицированную древесную муку [2], лигнин [13], измельченные отходы производства древесно-слоистого пластика и целлюлозный волокнистый материал [39], огнезащищенные парафинированные древесные волокна [43].
Для снижения горючести пенопластов в качестве антипиренов вводят соединения из группы полифосфат, диаммонийфосфат, аммофос [40,42], гидроортофосфат аммония, [44], гидроксид алюминия [16,30,35], метасиликат натрия [16], хризотиловый асбест [29], соединения из группы фторид алюминия, гидродифторид аммония и другие [45], бис-(2,4,6-трибромфенил)-фосфорную кислоту [46]. По данным авторов бис-(2,4,6-трибромфенил)-фосфорная кислота является эффективной добавкой, введение которой в количестве 5,9-8,2 мас.% приводит к существенному снижению горючести пенопласта при сохранении его высокой прочности [46].
Для получения равномерной закрытоячеистой структуры пеноматериалов, повышения физико-механических свойств, снижения водопоглощения в состав рецептур вспенивающихся композиций вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ) – пенорегуляторы в количестве 0,5-7 мас.ч. на 100 мас.ч. олигомерной основы [4,15,17-19,26,33], которые обычно представляют собой блок-сополимеры олигосилоксанов с олигоалкиленполиолами [4,17]. В качестве гидрофобизирующего вещества для снижения водопоглощения используют также полиэтилгидросилоксан в количестве 0,1-0,6 мас.% [44].
Получение изделий из новолачных фенолоформальдегидных композиций проводят их формованием в закрытых или открытых формах нагреванием до 120-250ºС в течение от 2-30 секунд [30,41] до нескольких часов [16-18,25,42], в некоторых случаях с применением внешнего давления [30]. В ряде случаев вспенивание и отверждение композиций осуществляют по ступенчатому режиму нагрева в 2-3 этапа, с выдержкой на каждой ступени [15,17,18,28], а также проводят получение пенопластов нагреванием до определеной температуры с последующей выдержкой [16,42-44], или формуют изделия в горячей форме [30,31,45]. Иногда применяют дополнительную термообработку изделий [16,18].
Разработаны методы непрерывного формования пенофенопластов для получения теплоизоляционных плит [1,39,40,47-50].
Для интенсификации процессов получения ПФПН предложено совместно с электрообо- гревом проводить вспенивание и отверждение композиций токами высокой частоты (ТВЧ) [36], ускорять процесс отверждения введением специальных антипиренов [45], использовать дополнительное тепловыделение за счет экзотермической реакции негашеной извести и кристаллогидрата сульфата алюминия, смесь которых предварительно вводится в композицию в количестве 15-30 мас.ч. на 100 мас.ч. НФФС [51].
Большой интерес представляют процессы вспенивания и отверждения композиций для ПФПН под действием микроволнового излучения (МВИ), поскольку теплопроводность вспениваемых материалов сравнительно низкая и применение внешнего обогрева недостаточно эффективно. При использовании микроволновой обработки возможно регулирование плотности пенопластов, получение сложных и крупногабаритных изделий, а процессы формования могут быть непрерывными [52-54]. Экспериментальные данные по вспениванию и отверждению под действием МВИ одноупаковочных композиций на основе НФФС показывают, что продолжительность процессов формования пенофенопластов сокращается в 5-8 раз по сравнению с традиционной технологией [55-57]. Особенностью пенопластов, полученных под непрерывным воздействием МВИ является пониженная прочность, обусловленная высокой скоростью вспенивания и отверждения их композиций и появлением дефектов в макростуктуре [55]. Подбор режима периодического воздействия МВИ на вспенивающиеся термореактивные композиции позволяет получать высокие показатели прочности при незначительном увеличении времени формования [56].
Наибольшее практическое значение находят ПФПН с высокими конструкционными свойствами, поскольку, как теплоизоляционные материалы они в настоящее время менее конкуретно способны по сравнению с пенополиуретанами.
Данные о пенопластах имеющих высокие прочностные показатели при сжатии, содержащих и несодержащих наполнители представлены в табл.1 и табл.2. Необходимо отметить, что пенопласты содержащие значительное количество наполнителей имеют более низкие прочностные свойства.
Таблица 1 Свойства ненаполненных модифицированных пенофенопластов
Марка пенопласта
модифицирующие компоненты (на 100 мас.ч. олигомерной основы)
Кажу-щаяся плотность,
Разрушающее напряжение при сжатии,
Коэффициент конструктивного качества,
Лите-ратура
наименование
мас.ч.
кг/м3
МПа
Кк · 103
ФК-20
Каучук СКН-40
150-170
1,8-2,0
11,8-12,0
[3]
Тилен
Фурфурол
Эпоксидная смола ЭД-16
3-15 3,0-6,5
125-140
1,8-2,8
13,0-20,0
[15]
Тилен-А-150
Фурановая смола ФА-15, Блок-сополимер 6ЭИ60-1
10 4
130-170
1,2-2,6
9,2-15,3
[17]
Фурановая смола ПФ-203
300-400
125-140
2,8-3,6
22,4-25,7
[33]
Указанные пенопласты имеют разную кажущуюся плотность, поэтому для этих материалов проведены расчеты коэффициентов конструктивного качества (Кк), которые используются в технической литературе и определяются соотношением прочности и кажущейся плотности [46]. Использование коэффициента Кк позволяет проводить сравнение прочностных свойств пенопластов с различной кажущейся плотностью.
Приведенные данные свидетельстуют, что среди ненаполненных пенофенопластов наиболее высокими показателями конструктивного качества обладают пенопласты, содержащие фурановые модификаторы [15,17,33]. Например, в композициях отверждаемых гексаметилентетрамином модифицирующий фурфуролацетоновый олигомер ФА-15 участвует в образовании полимерной сетки, но значительное повышение его содержания приводит к снижению прочности пенопласта [58]. Такие пенопласты имеют и повышенную термостойкость при содержании ФА-15 15-20 мас.ч. на 100 мас.ч. олигомерной основы [17,58].
Среди наполненных пеноматериалов высокий показатель Кк имеет пенопласт, содержащий неорганические вспененные частицы с кажущейся плотностью 70 кг/м3, например, перлит в количестве 43-230 мас.ч. на 100 мас.ч. НФФС [35].
Таблица 2 Свойства наполненных пенофенопластов
Марка пенопласта модифицирующие компоненты, наполнители (на 100 мас.ч. олигомерной основы)
Высокие показатели прочности пенопласта при сжатии 3,14 МПа (Кк = 20,9 ·103) и при изгибе 6,13 МПа (Кк = 40,9 ·103) могут быть достигнуты при использовании в качестве наполнителя листового стекловолокнистого нетканого материала, предварительно пропитанного раствором вспенивающейся модифицированной композиции. Такой материал, высушенный при 40-70°С и содержащий 50 % связующего, можно сохранять как полуфабрикат продолжительное время, а после его вспенивания при 120-180°С, получать пеноматериал толщиной 6 мм и кажущейся плотностью 150 кг/м3 [31].
Анализ опубликованных данных о свойствах ПФПН показывает, что по комплексу физико-механических и других эксплуатационных показателей наиболее широкое применение в отечественной промышленности нашли пенопласты марок Тилен-А, которые сочетают высокие прочностные характеристики со способностью длительно работать в маслах, топливах и гидрожидкостях при повышенных температурах. На основе композиций для пенопластов Тилен-А изготавливают поплавковые изделия для различной топливной аппаратуры, многослойные конструкционные материалы [17,59-61].
Следует отметить, что высокую ударную вязкость до 2,5 кДж/м2 имеет пенопласт марки ФК-40. При температурах до 200ºС наиболее высокое разрушающее напряжение при сжатии до 2,6 МПа имеет пенопласт, модифицированный полиакрилонитрилом, а при изгибе до 1,7 МПа и ударную вязкость до 0,36 кДж/м2 имеет пенопласт ФК-20 модифицированный акрилонитрильным каучуком [3]. Высокую теплостойкость имеют пенопласты ФК-20-А-20 до 250°С, Тилен до 240°С [3,15], Тилен-А до 200°С [17,60].
На основе новолачных фенолоформальдегидных смол изготавливают открытоячеистые высококачественные материалы – поропласты, получившие название аэрогелей. Эти материалы отличаются однородной структурой и используются для теплоизоляции, фильтрации воды с целью удаления загрязнений, производства электродов электрических батарей и аккумуляторов, в качестве носителей для катализаторов. Особенностью технологии получения таких материалов является то, что при их получении не используются вспениватели и газообразователи. Отверждение олигомерных композиций происходит в среде растворителя в закрытой форме, после чего растворитель удаляют экстрагированием жидким диоксидом углерода под давлением. При этом получают микроячеистые материалы с кажущейся плотностью 100-500 кг/м3, размерами пор 20-100 нм и удельной поверхностью до 400-1000 м2/г. Плотность такого материала регулируется содержанием растворителя в композиции [62-66].
Один из вариантов технологии получения поропластов заключается в следующем: раствор НФФС в фурфуроле разбавляют пропанолом до 10 % концентрации, вводят катализатор и отверждают смесь в закрытом сосуде при 85°С в течение 7 суток. Фурфурол за счет своих альдегидных групп выполняет роль сшивающего компонента для молекул НФФС. Затем полученное изделие помещают в герметичный сосуд и полностью удаляют пропанол, экстрагируя его из материала жидким диоксидом углерода под далением, после чего давление снижают до атмосферного. Такая технология применяется для того, чтобы максимально сохранить бездефектную структуру материала и не разрушить образовавшиеся ячейки при выпаривании растворителя. Получаемый материал имеет поры размером 100 нм и плотность 130 кг/м3 [62]. Эти материалы могут быть подвергнуты пиролизу в инертной атмосфере для получения углеродных аэрогелей [64] и мезопористых углеродных пенопластов [66].
Американской фирмой General Ideas Inc. запатентован оригинальный метод получения аэрогеля путем нагрева раствора компонентов композиции до 250°С под давлением в форме до 12,4 МПа и образования отвержденного материала. Затем давление снижают до 0,14 МПа и выдерживают материал до охлаждения. В качестве растворителей используют метанол, этанол и другие низшие спирты. Этим методом получают монолитные панели, не содержащие трещин с кажущейся плотностью 100 кг/м3 [65].
Представленные данные показывают, что применение композиций на основе новолачных фенолоформальдегидных олигомеров для получения пенопластов и поропластов, используемых в различных областях техники, является перспективным направлением развития технологии полимерных материалов.
Л и т е р а т у р а
1. Андрианов Р.А., Пономарев Ю.Е. Пенопласты на основе фенолоформальдегидных полимеров.– Ростов на Дону.– 1987.– 80 с.
4. Берлин А.А., Шутов Ф.А. Пенополимеры на основе реакционноспособных олигомеров. - М.: Химия, 1978. - 296 с.
5. Барсова В.В. // Химическая технология, свойства и применение пластмасс: Межвуз. сб. науч. тр./ ЛТИ им. Ленсовета.- Л., 1978.- С. 102-108.
6. Николаев А.Ф., Барсова В.В., Иванова Т.К., Анисимова Т.Г. // Пенопласты, их свойства и применение в промышленности: Мат-лы краткоср. семинара 18-19 нояб. 1980.– Л., ЛДНТП, 1980.– С. 23-26.
7. Справочник по пластическим массам: В 2 т.– Т.2 / Под ред.В.М.Катаева, В.А.Попова, Б.И.Сажина.– 2-е изд., перераб.М.: Химия, 1975. – 568 с.
8. Shutov F.A. Phenolic Foams in the USSR.- Cellular Polymers.– 1984.– № 3.– С. 95-104.
10. ГОСТ 18694-80. Смолы фенолоформальдегидные твердые.– М.: Издательство стандартов.– 1982.– 30 с.
11. А. с. 439504 СССР, МКИ С 08 G 53/10. / С.Р. Рафиков, А.А. Берлин, А.Н. Лепилкин и др.– Опубл.15.08.74, Бюл. № 30.
12. А. с. 523120 СССР, МКИ С 08 J 9/10. / А.Н. Лепилкин, С.И. Ноздрин, А.М. Тертычный и др.– Опубл. 30.06.76, Бюл. № 28.
13. А. с. 539912 СССР, МКИ С 08 J 9/10. / А.Н. Лепилкин, С.И. Ноздрин, А.М. Тертычный и др.– Опубл. 25.12.76, Бюл. № 47.
14. А. с. 697530 СССР, С 08 J 9/10. / Н.С. Чертков, Т.В. Ветошкина, Э.П. Косарева и др.– Опубл. 15.11.79, Бюл. № 42.
15. А. с. 797231 СССР, С 08 J 9/10. / А.Ф. Николаев, В.В. Барсова, Т.Г. Анисимова и др.–1978.
16. А. с. 1811193 СССР, C 08 L 61/14. / В.Г.Каркозов, А.Н. Афанасьева, В.М. Мохов и др. – 1990.
17. Дворко И.М. Пенопласты на основе новолачных фенолоформальдегидных и эпоксидных одноупаковочных композиций. Часть 1. Получение, свойства и применение пенопластов на основе новолачных фенолоформальдегиных олигомеров/ Ред. Журн. прикл. химии РАН.– С-Пб.– 2000.– 37 с. Деп. в ВИНИТИ 17.04.00, № 1014-В00.
55. Дворко И.М., Морозова Т.Ю., Крыжановский В.К. // В сб. мат-лов Всероссийск. науч.-техн. конф.: Новые химические технологии.– Пенза, Приволжский дом знаний.– 1998.– С. 6-10.
56. Дворко И.М., Щемелева Л.В. // В сб. мат-лов 3-й Всероссийск. науч.-техн. конф.: Новые химические технологии: производство и применение.– Пенза, Приволжский дом знаний.– 2001.– С. 25-28.
57. Дворко И.М., Щемелева Л.В. // В сб. мат-лов Всероссийск. науч.-техн. конф.: Новые химические технологии: производство и применение.– Пенза, Приволжский дом знаний.– 2000.– С. 13-15.
Дворко И.М., Щемелева Л.В. / Новые материалы и технологии НМТ-2000: Тез. докл. Всерос. науч. –техн. конф., Москва, 24-25 окт., 2000. М.: ЛАТМЭС, 2000.- С. 88-89.
62. Пат. 5476878 США, МПК С 08 J 9/28. / Pecala Richard W.– Опубл. 19.12.95.
63. Пат. 5556892 США, МПК С 08 J 9/28. / Pecala Richard W.– Опубл. 09.12.96.
64. Пат. 5744510 США, МПК С 01 B 31/00. / Pecala Richard W.– Опубл. 28.04.98.
65. Пат. 6090861 США, МПК С 08 J 9/28. / Mendenhall Robert S., Andrews Greg R.– Опубл. 18.07.2000.
66. Lee J., Sohn K., Hyeon T. Fabrication of novel mesocellular carbon foams with uniform ultralarge mesopores// J. Amer. Chem. Soc.– 2001.– 123, № 21.– P. 5146-5