И. Н. Бакирова
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
= m / V , кг/ м 3 где: m - масса образца, кг; V - объем образца, м 3 . Современные технологии позволяют получать пеноматериалы с широким диапазоном кажущейся плотности – от 3 до 900 кг/м 3 Кажущаяся плотность является величиной усредненной в пределах одного пеноизделия. При вспенивании композиции в закрытой форме получаемое изделие имеет наружные более уплотненные слои, чем в середине. При свободном вспенивании 69 величина ρ к уменьшается по высоте пеноизделия (в направлении снизу вверх). Для интегральных пенопластов этот показатель имеет минимальные значения в центральных слоях изделия, а в поверхностных достигает плотности монолитного материала. На рис . 8 показана кривая распределения плотности интегрального пенопласта ρ ,% 100 Монолит 50 0 Середина Стенка Стенка Рис . 8. Кривая распределения кажущейся плотности ( ρ к ) в интегральном пенопласте. Кажущаяся плотность связана со средним диаметром ячеек гиперболической зависимостью (рис. 9). 70 0 0,08 0,16 0,24 0 80 160 D, мм ρ к , кг / м 3 Рис . 9. Зависимость среднего диаметра ячеек (D) от кажущейся плотности ( ρ к ) полистирольного пенопласта. Кажущуюся плотность можно регулировать содержанием ГО или вспенивающего агента: увеличение их содержания приводит к снижению кажущейся плотности. Вместе с тем кажущаяся плотность каждого вида пеноматериала имеет предельное минимальное значение. И уже увеличение количества ГО в исходной композиции сверх критического значения не приводит к дальнейшему уменьшению плотности. (рис. 10). Кроме того, большие количества ГО экономически не выгодно , т.к. удорожает продукцию, а также загрязняет ее (см. р. 2.1.3). Вопрос взаимосвязи кажущейся плотности и содержания в структуре пеноматериала открытых или закрытых ячеек мало изучен . Известно только, что для любых типов полимерных композиций относительное содержание открытых ГСЭ увеличивается по мере того, как уменьшается кажущаяся 71 Рис . 10. Зависимость кажущейся плотности ( ρ к ) пенопластов от содержания ГО (С ГО ) в исходной полимерной композиции: 1 – пенополистирол марки ПС-1; 2 – пеноэпоксид марки ПЭ-2Т. плотность пенопласта. Причина этого явления достаточно очевидна : возрастание размеров ячеек, сопровождается уменьшением толщины их стенок и ребер, приводит в конечном итоге к разрыву стенок ячеек. 5.2 Основныесвойствагазонаполненныхполимеров 5.2.1 Механическиесвойства Механические свойства представляют собой комплекс показателей , характеризующих поведение полимерных материалов под действием механических усилий. Под действием механических сил материал деформируется, а при достаточно сильных и длительных воздействиях разрушается. В 0 0,2 0,4 0,6 0 5 10 С го , % ρ к *10 -3 , кг /м 3 72 соответствии с этим различают деформационные и прочностные свойства Механические показатели используются для количественной оценки свойств ГП, при разработке рецептур композиций , а также для контроля качества материалов. Механические испытания ГП различаются типом деформации : растяжение, сжатие, изгиб и т.д. и режимом нагружения : ститический и динамический. Основным механическим показателям ГП при статическом нагружении являются: разрушающее напряжение (прочность) при растяжении, сжатии, раздире, изгибе, адгезионная прочность, напряжение при сжатии, твердость, относительное удлинение при разрыве , относительная остаточная деформация при сжатии. Разрушающеенапряжениеприрастяженииσ р (МПа) – величина , равная отношению нагрузки, при которой разрушился образец в условиях растяжения, к начальной площади его поперечного сечения. Относительноеудлинениеприразрыве ε р (%) – величина, соответствующая удлинению образца в момент разрыва. Разрушающеенапряжениеприраздире σ разд (МПа) – показатель , характеризующий прочность эластичного пеноматериала в условиях концентрации напряжения, которое специально создается нанесением надреза на образец. Испытание позволяет судить о стойкости эластичного пенопласта к разрушению при нарушении его целостности. Разрушающеенапряжениеприсжатии σ сж ( МПа ) – величина , соответствующая отношению сжимающей нагрузки, вызывающей разрушение образца или появления трещин, к начальной площади его поперечного сечения. Показатель определяют для жестких пенопластов. 73 Разрушающеенапряжениеприизгибе σ изг (МПа) – показатель , характеризующий способность жесткого пенопласта сопротивляться действию изгибающей нагрузки до определенного предела, после чего образец разрушается. Адгезионная прочность σ адг (МПа) – показатель, характеризующий прочность связи пенопласта с конструкционным материалом. Показатель определяют для пенопластов , вспениваемых во внутренней полости конструкционных элементов, например, при изготовлении «сэндвич-панелей». Напряжениеприсжатииσ 10 , σ 20 , σ 40 , σ 60 , (МПа) – величина , соответствующая отношению сжимающей нагрузки, вызывающей требуемую деформацию образца, к начальной площади его поперечного сечения. При испытании жестких пенопластов деформация сжатия составляет 10 %, а для эластичных пеноматериалов – 20, 40 и 60%. Твердость (поверхностнаяпрочность) Н (Н) – показатель, характеризующий способность материала сопротивляться внедрению индентора определенной формы и размеров на заданную величину деформации. Показатель определяют для эластичных пеноматериалов. Остаточнаядеформация сжатияε ост сж (%) – показатель, характеризующий изменение толщины образца после выдержки его в условиях постоянной сжимающей нагрузки в течение заданного времени при постоянной температуре и деформации с последующей выдержкой без нагрузки. Показатель определяют для эластичных пеноматериалов. Основными механическими показателями ГП при динамическом нагружении являются: ударная вязкость, эластичность по отскоку, усталость при цикличском сжатии. 74 Ударная вязкость а (кДж/м 2 ) – показатель , характеризующийся энергией, затрачиваемой при ударе на разрушение образца. Эластичностьпоотскоку Э (%) –величина, равная отношению энергии, возвращенной эластичным образцом бойку после удара, к общей энергии, затраченной на удар. Усталостьприциклическомсжатии ε ост (%) – показатель, оцениваемый остаточной деформацией эластичного пеноматериала после его многократного сжатия. 5.2.2 Теплофизическиесвойства В процессе эксплуатации изделия из ГП подвергаются воздействию не только механических сил, но и целого ряда других факторов, например, окружающей среды, тепла, холода и др . Эти воздействия вызывают изменение структуры и свойств материала Влияние температурного поля оценивается теплофизическими свойствами ГП, к которым относятся теплопроводность , теплоемкость, стабильность размеров, тепловое расширение, теплостойкость и морозостойкость. Теплопроводность - способность полимерных тел переносить тепло от более нагретых элементов к менее нагретым Теплопроводность принято оценивать коэффициентомтеплопроводностиλ (Вт/м·К) – количество тепла , переносимое через единицу поверхности за единицу времени , при градиенте температуры, равном единице. Теплоемкость – количество теплоты, затрачиваемое для изменения температуры тела на один градус. Отношение теплоемкости к единице количества вещества называется удельнойтеплоемкостью с(Дж/кг·К). Стабильностьразмеров (%) – показатель, 75 характеризующий изменение длины ∆L, ширины ∆Ви толщины ∆h образца после его выдержки в течение определенного времени при выбранной температуре и влажности окружающей среды Тепловое расширение количественно оценивается температурнымкоэффициентомлинейногорасширения ά Т (град -1 ), характеризующим приращение длины образца, вызванного изменением его температуры. Теплостойкость – способность материала не размягчаться при повышении температуры. Количественной характеристикой теплостойкости служит температура, при которой величина линейной усадочной деформации материала не превышает 1 %. Теплостойкость также оценивают по коэффициенту теплостойкости , который равен отношению значений тех или иных свойств при некоторой повышенной температуре к значению этих свойств при комнатной температуре. Морозостойкость – способность материала сохранять свои эксплуатационные свойства при пониженных температурах . Критерием морозостойкости пеноматериалов служит температурахрупкости – это температура, ниже которой образец проявляет хрупкость. Морозостойкость также характеризуют коэффициентомморозостойкости, равным отношению значений тех или иных свойств при некоторой пониженной температуре к значению этих свойств при комнатной температуре. Теплостойкость и морозостойкость позволяют определить верхний и нижний допустимые температурные интервалы эксплуатации газонаполненного полимерного изделия. 76 5.2.3 Акустическиесвойства Акустические свойства характеризуют процессы взаимодействия материала с инфразвуковыми, звуковыми и ультразвуковыми волнами. Акустические свойства ГП принято характеризовать коэффициентомзвукопоглощенияβ , равным отношению поглощенной материалом энергии звука к падающей энергии звука 5.2.4 Электрическиесвойства Под электрическими свойствами понимают совокупность показателей , характеризующих поведение пеноматериалов в электрическом поле К этим показателям относятся диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь , электрическая проводимость и электрическая прочность. Электрические характеристики определяют выбор пенопласта для его применения в качестве конденсаторного диэлектрика или электроизоляционного материала. Диэлектрическаяпроницаемостьε– величина , равная отношению емкости электрического конденсатора, между обкладками которого пенопласт, к емкости того же конденсатора , между обкладками которого вакуум Диэлектрическая проницаемость характеризует степень поляризуемости диэлектрика под действием внешнего электрического поля. Чем меньше значения диэлектрической проницаемости , тем лучше электроизоляционные свойства материала Тангенсугладиэлектрическихпотерь tg δ – безразмерная величина , характеризующая степень рассеивания энергии электрического поля в диэлектрике. Эта энергия затрачивается на поляризацию и электропроводность и переходит в теплоту. 77 Чем меньше значения tg δ, тем лучше электроизоляционные свойства материала. Электрическаяпроводимость – способность материалов пропускать электрический ток при приложении электрического напряжения . В прикладных целях электропроводимость характеризуют удельным объемным электрическим сопротивлением , а также удельным поверхностным электрическим сопротивлением. Удельноеобъемноеэлектрическоесопротивление ρ V (Ом·м) – сопротивление, оказываемое 1 м 3 материала, помещенного в электрическое поле (т.е. между электродами), проходящему через него току. Удельноеповерхностноеэлектрическоесопротивление ρ S (Ом) – сопротивление, создаваемое 1 м 2 поверхности материала , помещенного в электрическое поле, проходящему по поверхности току. Чем больше удельное электрическое сопротивление, тем лучше электроизоляционные свойства материала. Удельное электрическое сопротивление представляет собой однозначное число, умноженное на 10 в соответствующей степени ЭлектрическаяпрочностьЕ пр (В/м) – минимальная напряженность внешнего электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика, т.е. диэлектрик теряет свои электроизляционные свойства и становится проводником. 5.2.5 Огнестойкость Огнестойкость – способность материала противостоять действию огня. Основными показателями, используемыми для оценки огнестойкости ГП, являются кислородный индекс воспламеняемости и скорость распространения пламени. 78 Кислородный индекс воспламеняемости (%) – минимальное содержание кислорода в азотно-кислородной смеси , при котором материал еще может загореться. Чем выше содержание кислорода в азотно-кислородной смеси, тем лучше огнестойкость материала. СкоростираспространенияпламениV (мм/мин) – величина , равная отношению длины сгоревшего участка образца к времени горения образца на этом участке. 5.2.6 Химическаястойкость Химическая стойкость ГП характеризуется их отношением к различным агрессивным средам (воде, кислотам, щелочам , маслу, топливу и т.д.). Химическая стойкость материалов в агрессивных средах наиболее часто оценивают по изменению массы образца В результате испытаний устанавливают зависимость изменения массы образца от времени его пребывания в агрессивной среде. Важнейшими показателями материала, определяющим его пригодность для эксплуатации, являются стойкость к действию воды и водяных паров. Водостойкость – способностьматериала сохранять свои свойства при длительном воздействии воды. Водостойкость характеризуют водопоглощением W (%) – количеством воды, которое поглощает материал за определенный промежуток времени пребывания в воде при комнатной температуре. Влагостойкость – способность материала сохранять свои свойства при длительном воздействии влажного воздуха. Влагостойкость характеризуют влагопоглощением φ (%) – количеством воды, которое материал поглощает после пребывания в течение заданного времени в воздухе с 79 относительной влажностью 95-98 % при 20 ס С . Показатель определяют для жестких пенопластов. Стойкость пеноматералов к агрессивным средам может также оцениваться по коэффициенту изменения того или иного показателя (объема, механических, электрических и других свойств ), который равен отношению значению этого показателя после воздействия агрессивной среды к его значению до испытания 5.3 Влияниемакроструктурныхпараметров насвойствагазонаполненныхполимеров 5.3.1. Механическиесвойства На механические свойства пенополимеров влияет их кажущаяся плотность, размер и форма ячеек, а также природа полимерной основы. Прочностные характеристики различных пенопластов в зависимости от кажущейся плотности приведены в таблице 6. Из данных таблиц следует, что с увеличением плотности прочностные показатели материала возрастают. Пенополимеры обладают анизотропией механических показателей , которая наиболее отчетливо проявляется для материалов , изготовленных на основе реактопластов Анизотропия свойств обусловлена вытянутой формой ячеек и их ориентацией в направлении вспенивания композиции. Степень вытянутости ячеек, оцениваемая количественно коэффициентом формы (р. 5.1), зависит от технологии изготовления пеноматериала Свободное вспенивание композиции способствует образованию ячеистых направленных структур. 80 Таблица 6 Механические свойства пенопластов Пенопласт ρ к , кг /м 3 σ р , МПа σ сж , МПа σ изг , МПа Пенополи - уретан 32 64 95 127 159 190 320 0,6 0,9 1,4 2,1 2,7 3,1 5,1 0,3 0,7 1,1 1,6 2,3 3,4 8,9 0,5 1,1 1,8 2,6 3,6 - - Пенополи - винил - хлорид 70 130 220 1,5 2,0 4,5 0,4 0,7 1,5 - - - Пенополи - пропилен 35 74 7,9 11,8 - 0,5 - 1,6 Пенополи - стирол 20 40 100 0,1 0,8 2,2 0,2 0,4 1,5 0,4 - 3,0 Пенополи - эпоксид 100 210 320 1,4 - - 1,0 3,5 7,7 1,1 - 7,0 81 Напротив , при вспенивании в замкнутых формах (стесненное вспенивание ) получаются более изотропные материалы. Для жестких пенополиуретанов прочность при сжатии в направлении вспенивания примерно вдвое больше прочности при сжатии в направлении перпендикулярном подъему пены. (табл. 7). Таблица 7 Свойства жестких пенополиуретанов Свойства ρ к = 24 кг/м 3 ρ к = 32 кг/м 3 Разрушающее напряжение при растяжении, МПа Разрушающее напряжение при сжатии, МПа: в направлении подъема пены перпендикулярно направлению подъема пены 0,21 0,14 0,07 0,28 0,32 0,17 Для пенопласта торговой марки ФРП-1, полученного на основе фенолформальдегидной смолы, разрушающее напряжение при сжатии в направлении вспенивания и в перпендикулярном отличается на 20–30%. Адгезионная прочность определяется главным образом природой полимерной основы. Полистирольные пенопласты в процессе формования имеют слабую адгезию к стали и дюралюминию. Хорошую адгезию к большинству материалов имеют ГП на основе полиуретанов , эпоксидных, карбамидных и др. полярных олигомеров Фенольные пенопласты проявляют удовлетворительную адгезию .(табл. 8). 82 Таблица 8 Адгезионная прочность пенопластов к различным материалам σ адг , МПа Пеноплст ρ к , кг/м 3 со сталью с дюр- алюминием с фанерой Пенополистирол Фенольный пенопласт Пенополиуретан Пенополиэпоксид 90 200 200 30 0,21 0,75 1,04 2,00 0,21 0,48 0,61 2,1 - 0,36 0,56 - 5.3.2 Теплопроводность Одним из наиболее ценных свойств пенопластов, обеспечивающих их широкое применение в различных областях промышленности , является их низкая теплопроводность, характеризуемая коэффициентом теплопроводности λ. На его значение оказывает влияние кажущаяся плотность, размер ячеек , степени их вытянутости, природа газа, находящегося в ячейках , доля открытых и закрытых ячеек. Зависимость λ от кажущейся плотности носит экстремальный характер (рис. 11). Минимальные значения λ наблюдается в интервале ρ к от 20 до 50 кг/м 3 . При более низких значениях ρ к теплопроводность возрастает, что связано с увеличением содержания в структуре материала открытых ячеек и возникновением в результате этого конвективных потоков. При ρ к > 50 кг/м 3 увеличение λ обусловлено вкладом теплопроводности полимера. 83 30 35 40 45 0 40 80 120 Рис . 11. Зависимость коэффициента теплопроводности (λ) от кажущейся плотности ( ρ к ) пенопласта: 1 – пенополистирол; 2 – карбамидный пенопласт; 3 – фенольный пенопласт. Наличие в структуре мелких ячеек благоприятно влияет на теплоизоляционные свойства, в то время как крупные ячейки наоборот , ухудшают их (рис. 12). Влияние анизотропии пеноматериала на его теплопроводность показано на рис 13. Увеличение коэффициента формы ячеек приводит к росту λ, если поток тепла распространяется параллельно направлению вытянутости ячеек Увеличение доли закрытых ячеек способствует снижению λ (рис. 14), т.е. пеноматериал, содержащий изолированные ГСЭ, будет характеризоваться лучшими теплоизоляционными свойствами , в сравнении с таковым , содержащим сообщающиеся ГСЭ. λ , мВт /м·К ρ к , кг/м 3 1 2 3 84 14 16 18 20 0 0,8 1,6 Рис . 12. Зависимость коэффициента теплопроводности (λ) пенополиуретана от диаметра ячеек (D). 16 19 22 0,5 0,75 1 1,25 1,5 Рис . 13. Зависимость коэффициента теплопроводности (λ) пенополиуретана от коэффициента формы ячеек (H/D). D, мм λ , мВт /м·К H/D λ , мВт /м·К 85 11 23 35 0 50 100 Рис . 14. Зависимость коэффициента теплопроводности (λ) пенополиуретана от доли замкнутых ячеек (N). Существенное влияние на λ оказывает природа газовой фазы . Низкое значение λ имеют газы с более высокой молекулярной массой. Так, λ воздуха – 241·10 -4 , диоксида углерода – 147·10 -4 , трихлорфторметана (фреон-11) – 98·10 -4 Вт /м·К при 0 о С . По этой причине у пеноматериалов, вспененных фреоном , λ оказывается существенно ниже, чем при заполнении ячеек диоксидом углерода, либо воздухом. Кроме того, у фреонов проницаемость через полимерную пленку значительно ниже в сравнении с диоксидом углерода и воздухом. Например, при нахождении воздуха в ячейках пенополиуретана λ=21, диоксида углерода – 13, а трихлорфторметана – 7 мВт/м·К. Повышение температуры эксплуатации пеноматериала приводит к возрастанию λ. N, % λ , мВт /м·К |