Испытание материалов. Свойства и характеристики пенополиуретана
Свойства пенополиуретана в технических характеристиках и лабораторных исследованиях
Пенополиуретан ППУ отличается высокими теплоизоляционными свойствами, широким интервалом рабочих температур, высокой удельной прочностью, малой водо- и паропроницаемостью, широкими технологическими возможностями получения, стойкостью к коррозии, воздействию атмосферных факторов, химических сред, радиации. Теплоизоляционные характеристики пенополиуретана, пенопластов, зависят от геометрических размеров ячеек и свойств заполняющего их газа. Теплоизоляционные характеристики у мелкоячеистых пенопластов высокие. Коэффициент теплопроводности ППУ, вспененного фреоном низкий, но в течение 30 лет эксплуатации он увеличивается (вследствие постепенной диффузии фреона) с 0,018 до 0,025 Вт/(м К), теплоизоляционные характеристики его становятся сравнимыми с характеристиками ППУ, вспененного СО2. Параметры ячеистой структуры оказывают существенное влияние и на механические свойства пенопластов. Способность ППУ, как и других материалов, выдерживать, без существенного ухудшения эксплуатационных свойств, повышенную температуру, называется теплостойкостью, а пониженную — морозостойкостью. Интервал между этими характеристиками называют диапазоном рабочих температур. В зависимости от необходимости можно изменять диапазон рабочих температур пенополиуретана ППУ в ту или иную сторону. Например, введением модифицированного полиизоцианата (полиметилен-полифенилизоцианата).
Теплостойкость как жестких, так и эластичных ППУ можно повысить до 32О°С при сохранении от 45 до 65% первоначальной прочности. Ячеистая структура сохраняется до еще более высокой температуры. Обугливание начинается при температурах 480—540°С, после чего начинается сублимация материала. Теплостойкие ППУ плотностью от 30 до 650 кг/м3 используют для тепловой изоляции. При нагреве пенополиуретан ППУ начинает деформироваться при определенной для данной марки температуре и теряют теплоизоляционные свойства при отсутствии воздуха или горят в его присутствии. В конструкциях, работающих при низких температурах, прочность пенопластов зависит от размера и ориентации ячеек. По мере уменьшения температуры ниже —1600С прочность жестких ППУ несколько уменьшается,а пластичных — возрастает.Например, прочность одной из марок эластичного ППУ при температуре —30°С в несколько раз выше, чем при 25С, и достигает максимального значения при температуре —53С. При этой температуре увеличивается жесткость эластичного пенопласта и он ведет себя как жесткий. Некоторые марки ППУ могут работать при температурах от +160 до -2000С. ППУ (жесткие и эластичные) имеют более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем металлы (алюминий, сталь и др.) Для компенсации этой разницы и предотвращения возникновения температурных напряжений в конструкции, изготовляемые с применением жестких ППУ, вводят швы из эластичных ППУ. Если при нормальной температуре эластичный ППУ в шве будет находиться в сжатом состоянии, то при пониженной температуре он будет постепенно расширяться, все время заполняя зазор. С этой целью применяют также различные вкладыши и прокладки. В качестве амортизационного материала некоторые ППУ используют в радиоэлектронной и авиационной промышленности. Звукопоглощение пенополиуретана ППУ зависит от их демпфирующих свойств, степени эластичности, толщины изоляционного слоя, воздухопроницаемости и т.д. Звукопоглощательная способность пенопластов, в том числе и ППУ, определяется степенью поглощения звуковой энергии частицами воздуха внутри ячеек и работой трения при движении частиц между сообщающимися , ячейками, а также жесткостью ячеистого каркаса или частотой возбужденных колебании. У поропластов шумопоглощающие свойства выше, чем у пенопластов, в связи с тем, что ячейки у них сообщаются и работа внутреннего трения находящегося в них воздуха больше. Для устранения отражения звука от слоя пенопласта нужно его импеданс (сопротивление среде) сделать равным импедансу воздуха. В этом отношении лучшими свойствами обладают поропласты малой плотности. Для увеличения звукопоглощения используют также собственные колебания конструкции при правильном расположении составляющих ее элементов. Экспериментально установлено, что наибольшее шумопоглощение обеспечивают полуэластичные ППУ. Подобрать рецептуру с требуемой степенью эластичности легче всего среди ППУ, которые выпускают с различной степенью эластичности.
Пенополиуретан ППУ на основе сложных полиэфиров имеет лучшие шумопоглощающие свойства по сравнению с ППУ на основе простых полиэфиров, так как вибродемпфирующая способность и коэффициент внутреннего трения у первых выше. Практически звукопоглощающие свойства ППУ повышают различными способами: в зоне низких частот – подбором величины воздушного промежутка между слоем пенопласта и вибрирующей конструкцией; в зоне средних частот – подбором рецептур с таким расчетом, чтобы резонансные частоты полимерных перегородок находились за пределами рабочего диапазона частот звуковых колебаний; в зоне высоких частот – перфорированием пленочных покрытий. Химическая стойкость ППУ выше стойкости других пенопластов. Пары химических веществ до предела допустимой концентрации не разрушают их. ППУ стойки к следующим агрессивным средам: бензину, бензолу, галогеноуглеводородам, разбавленным кислотам, маслам, пластификаторам, спиртам; ограниченно стойки к кетонам, эфирам, концентрированным кислотам. Это расширяет возможности их использования в химической и нефтехимической промышленности. Возможность комплексного использования ППУ для теплоизоляции и защиты от коррозии рассмотрена далее. Предварительно можно отметить следующее: ППУ, нанесенные на металлическую поверхность, защищают ее от коррозии как слоем собственно пенопласта, так и пленками, образующимися в процессе вспенивания на поверхностях пенопласта со стороны металла и со стороны внешней среды. Эффективность защиты определяется используемой маркой ППУ и степенью поврежденности слоя покрытия. Водопоглощение ППУ не превышает 1–3% по объему за 24 ч и зависит от особенности используемой рецептуры и плотности ППУ. С увеличением плотности снижается водопоглощение. Водополощение некоторых пенопластов удалось снизить введением в рецептуру касторового масла. Таким способом водопоглощение можно уменьшить в 4 раза (некоторые виды ППУ). С этой целью можно использовать гидрофобизирующие добавки. Стойкость пенополиуретана ППУ к длительному воздействию воды особенно актуальна для судостроения. Проведены исследования влияния длительного воздействия воды на свойства пенопластов ППУ-3 и ППУ-ЗС с учетом гидролитического воздействия влаги Поропласты интенсивно поглощают воду за счет заполнения макроячеек во всем объеме образца и сорбции воды стенками ячеек. Водопоглощение пенопластов значительно меньше, так как влага через стенки ячеек диффундирует медленно. За 3 года испытания водопоглощение пенополиуретана ППУ, вспененного фреоном-11 не превысило 0,95 кг/м2, а ППУ, вспененного углекислым газом, – 1,1 кг/м2. Зависимость водопоглощення от длительности воздействия воды можно выразить аналитической формулой: W=”W0rb где W – водопоглощение за время r ; W0 – водопоглощение за 1ч испытания; b – коэффициент (для пенопластов b = 0.22). По этой формуле можно определить водопоглощение ППУ при длительной выдержке по результатам кратковременных испытаний. Во время испытаний установлено, что ППУ отличаются хорошей формоустойчивостью при длительном воздействии воды. После месячной выдержки объем образцов ППУ увеличился всего на 2,5%, затем началась усадка, которая через 3 года составила 1% по объему или 0,3% по линейным размерам. Объем образцов ППУ после месячного испытания увеличился до 4%, а после трехлетней выдержки приблизился к исходному, при некотором снижении жесткости.
Огнестойкость пенополиуретана ППУ можно обеспечить нанесением на их поверхность специальных покрытий. Старение свойственно ППУ так же, как и всем органическим веществам, которые с течением времени изменяют свои свойства под воздействием окружающей среды. Эксплуатационный срок различных материалов определяется стойкостью их к старению, т. е. способностью сохранять свои свойства при эксплуатации на уровне требований технических условий. В связи с этим в течение 5 лет были проведены климатические испытания ряда пенопластов, в том числе и ППУ, в различных климатических районах : умеренно холодном (г. Владимир), сухом жарком (г. Ташкент), теплом влажном (г. Батуми), очень холодном (Антарктида — станция «Восток»), жарком влажном (в районе экватора). Эти испытания вели в целях изучения более рационального использования пенопластов в различных условиях эксплуатации,определения их гарантийных сроков службы, улучшения эксплуатационных свойств. В результате испытания выявлено влияние на эксплуатационные характеристики пенопластов, химической природы полимеров, ячеистой структуры, видов вспенивающего агента. Установлено, что за указанный срок изменение контролируемых характеристик ППУ было практически невелико и сохранялось на допустимом уровне. Испытания проводили как на открытых стендах, где образцы подвергались воздействию дождя, ветра, пыли, солнечной радиации, различных температур, так и в складских условиях. Отмечено некоторое деформирование образцов вследствие расширения ППУ, вспененных фреоном, или усадки ППУ, вспененных СО2. Образцы с естественной коркой более формоустойчивы, чем образцы без корки. Поскольку в реальных условиях эксплуатации пенополиуретана ППУ, получаемые заливкой, чаще всего защищены от непосредственного воздействия окружающей среды, то эксплуатационные условия лучше имитировать при складском хранении. Все исследованные рецептуры ППУ в этих условиях обладали удовлетворительной устойчивостью, стабильностью формы и размеров, а основные физико-механические показатели их практически не изменялись. В отношении стойкости к старению ППУ следует отметить, что на протяжении почти 15-летнего срока эксплуатации его основные свойства остаются в допустимых пределах. Не обнаружено появление плесени, эрозии, вспучивания покрытия. Окраска внутри пенопласта практически не изменилась. Цвет наружной поверхности от светло-желтого перешел в темно-коричневый. По данным зарубежных исследовании («Еuгорiег Ро1уmег» 1974, 10, № 9, р. 871; 1975, 11, № 2, р. 138), содержание окислов азота в продуктах деструкции ППУ при температурах от 600 до 1000°С находится в пределах 0,2–2,0% массы исходного продукта и мало зависит от температуры. При сгорании эластичных ППУ выделяется от 0,7 до 1,6% изоцианата, имеющегося в полимочевине и золе, а концентрация его мало зависит от температуры. В общем случае токсичность продуктов сгорания ППУ зависит от степени насыщенности данного объема изделия или конструкции пенополиуретанами (в кг/м3) и особенностей использованной марки ППУ. Наличие одновременно и других полимерных материалов, подверженных горению, усиливает степень токсичности, наличие вентиляции снижает ее. Для устранения опасности токсикации при разработке конструкций из ППУ желательно получать консультацию в Институте охраны труда и профзаболеваний АМН России. Исследования токсикологических свойств ППУ, наряду с разработкой новых нетоксичных марок, продолжаются. Эти исследования включают качественную и количественную оценку загрязнения воздуха в процессе вспенивания, наличия запаха, степени воздействия на организм. На основе полученных результатов уже рекомендовано использовать ппу Н-10 при строительстве жилых и общественных зданий, в промышленном строительстве и машиностроении, включая судостроение и авиастроение.
Все видеоматериалы >>>
