Литература

1. Тагер А.А. Физико–химия полимеров. М.: Химия, 1978. 544 с.

2. Козлов С.П., Папков С.П. Физико-химические основы пластификации полимеров. М. 1982.

7 Газонаполненные полимеры (пенопласты)

7.1 Классификация пенополимеров.

В настоящее время трудно найти полимер, на основе которого невозможно было бы получить пенопласт. Самые различные виды пенопластов получают на основе термопластов и реактопластов, жесткоцепных и гибкоцепных полимеров.

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 обуславливается модулем упругости полимера и в некоторой степени кратностью вспенивания.

7.2 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 (рис. 7.1).

Прочность при сжатии и при растяжении, модуль упругости пенопласта снижаются с увеличением степени вспенивания. При этом любой модуль упругости (М) может быть рассчитан по модифицированному уравнению Нильсена:

, (7.1)

где

(7.2)

У величение степени вспенивания повышает долю открытых газовых ячеек, а это ведет к росту поглощающей способности и проницаемости пенопласта (рис. 7.1).

Рис. 7.1 Зависимость относительной прочности при сжатии, водо-поглощения (V_w) и коэффициента теплопроводности от объемного содержания газовой фазы в пенопласте.

Но это свойство можно существенно менять путем регулирования доли открытых газовых ячеек за счет управления технологическими условиями вспенивания.

Пенопласты характеризуются очень низкой теплопроводностью, которая снижается с увеличением кратности вспенивания (рис. 7.1).

Размер ячеек весьма существенно влияет на прочностные свойства пенопластов (рис. 7.2). С увеличением размера пузырьков газовой фазы прочностные свойства пенопластов заметно снижаются и уменьшается величина предельной деформации при разрыве.

бб

а

Рис. 7.2. 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.