ПОЛУЧЕНИЕ НАПОЛНЕННОГО ПЕНОПОЛИУРЕТАНА С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Одним из наиболее важных достоинств пенополиуретанов является способность одностадийного получения изделий. Вспенивание и отверждение данного утеплителя не требует подвода тепла в силу экзотермической реакции синтеза, протекающей при смешении двух и более жидких компонентов, с одновременным сцеплением пенополиуретана к различным поверхностям в связи с хорошей адгезией практически к любым материалам. При этом, обладая малой плотностью, данный пенополимер способен выдерживать достаточно большие нагрузки. При тщательном подборе гранулометрического и химического составов, сырьевых компонентов можно получать теплоизоляционный материал с улучшенными эксплуатационными свойствами. В данной работе производится краткий обзор вспенивания и формообразования пенополиуретана, исследуется структура разработанного композитного утеплителя, а также устанавливается зависимость коэффициента вспенивания пенополиуретана от гранулометрического состава наполнителей, в том числе и техногенного (отходы горнорудной промышленности Стойленского ГОКа). Результаты проведенных исследований показывают, что в процессе образования наполненных пенополиуретанов химических реакций между компонентами пенополиуретана и элементами наполнителей не происходит, то есть процесс вспенивания зависит в основном от гранулометрии наполнителя и его процентного содержания в общей массе пенополиуретана.

Ключевые слова:
пенополиуретан, наполнитель, физико-механические свойства, отходы горнорудной промыш-ленности, гранулометрический состав, коэффициент вспенивания
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение. Пенополиуретаны являются одними из лучших теплоизоляционных материалов благодаря своей ячеистой структуре. В связи с низким коэффициентом диффузии, исходная теплопроводность не меняется длительный период времени [1–5].

Образование пенополиуретанов происходит в результате полиприсоединения, основанного на взаимодействии изоцианатов, имеющих более одной реакционных групп (-N=С=О), с полиолами, содержащими не менее двух активных функциональных гидроксильных групп в молекуле [6–11].

Методология. В процессе вспенивания и отверждения полимера происходит образование пузырьков газа в полимеризующейся жидкости, их рост и стабилизация. Поэтому, несмотря на различие пен коллоидных систем газ-жидкость с пенами полиуретана, явления, происходящие в подвижной системе, вполне поддаются законам коллоидной химии [12, 13].

Так, например, образовавшиеся в уретановой пеносистеме пузырьки ведут себя подобно пузырькам в системе «вода-мыло». При этом очевидно, что в связи с быстрым нарастанием вязкости и эластичности полимерной фазы, такую аналогию нельзя провести в отношении длительности существования пузырька в пене [14].

Таким образом, формирование ячеек происходит следующим образом. Только что образовавшийся пузырек газа, окруженный достаточно толстым слоем жидкости, имеет сферическую форму. Но по мере того, как образуются новые пузырьки, газ может диффундировать в соседний пузырек, тем самым увеличив его в размере. Постепенно объем пены растет за счет увеличения количества пузырьков и их размеров, а слой жидкости становится все тоньше. И как следствие меняется форма пузырьков из шаровидной в ограниченную несколькими плоскостями (пленками полимера), т.е. в полиэдрическую [14–17].

На рис. 1. представлена закономерность образования полиуретановой пены, отражающая общую тенденцию образования полимерных пен, ее можно рассматривать как классическую диаграмму, характеризующую соотношение между концентрацией газа в системе, образованием газовых пузырьков и ростом ячеек пены [17].

Согласно рис. 1, на первом этапе (зона I) происходит быстрое выделение газа за счет реакции между полиизоцианатом и водой или за счет повышения упругости пара низкокипящего растворителя при повышении температуры в системе. По достижении критического насыщения реакционной массы газом (зона I) происходит самозарождение пузырьков с одновременным быстрым образованием пены. Интервал времени зоны I примерно соответствует времени активации полиуретановой пены и составляет около 10…15 с.

Самообразование пузырьков пены происходит до тех пор (зона II), пока концентрация газа в системе превышает равновесную концентрацию насыщения. Интервал времени, соответствующий зоне II (рис. 1), может быть меньше требуемого для достижения максимального объема пены, и для большинства систем составляет не более 2 мин. После прекращения выделения газа (зона III) устанавливается равновесная концентрация насыщения системы газом. Начиная с этого момента, пузырьки могут расти только за счет диффузии газа, из меньших в большие, за счет слипания пузырьков и расширения газа при возрастании температуры.

 

Рис. 1. Зависимость концентрации газа от времени в процессе

 

Интервал времени зоны III можно приближенно ограничить окончанием подъема пены, когда пузырьки газа теряют свободу перемещения, превращаясь преимущественно в полиэдрические ячейки, разграниченные тонкими пленками отверждающегося полимера [14, 17].

Элементарная ячейка пенополиуретана представлена на рис. 2. По правилам Плато, наиболее вероятной формой газоструктурных элементов являются двенадцатигранные пентогональные додекаэдры. В каждом ребре такого многогранника сходятся три пленки, углы между которыми равны 120°. Ребра многогранника характеризуются утолщениями (каналы Плато-Гиббса), их форма в поперечном сечении – сферический треугольник [16].

 

а)

б)

Рис. 2. Элементарная ячейка пенополиуретана:
а) схема; б) микрофотография (увеличение ×300)

 

 

Для дальнейшего исследования были выбраны наиболее распространенные в Белгородской области и экономически целесообразные природные материалы – глина, суглинок, супесь, песок и мел, а также техногенный материал из хвостохранилищ Стойленского ГОКа. Химические составы использованных материалов представлены в табл. 1.

Материалы измельчались до размера
0,25 мм. Хвосты, песок и супесь предварительно не измельчались т.к. их исходный гранулометрический состав близок к требуемой фракции
(0,25 мм). Использовались компоненты пенополиуретанов А (полиизоцианат) и В (полиол) марки 40 (соответствует плотности конечного продукта 40 кг/м³). Смешивание компонентов проводилось в равных долях (пропорция 1 : 1 : 1). Вспенивание компонентов в лабораторных условиях производилось воздушно-механическим способом, который предусматривал интенсивное перемешивание составов с помощью электролебедки с насадкой в виде пропеллера при оборотах от 600 до 1000 об/мин

Зависимость кратности вспенивания от вида использованного наполнителя представлена
на рис. 3.

 

Таблица 1

Химический состав использованных в качестве наполнителя природных материалов

Химический состав, %

Вид наполнителя

Хвосты

Песок

Супесь

Суглинок

Глина

SiO2

70,6

93,6

72,6

62,5

56,7

AL2O3

1,7

1,3

14,3

15,3

12,9

Fe2O3

13,3

0,5

3,6

4,7

6,2

MgO

3,2

0,3

2,6

3,2

3,7

CaO

3,5

0,4

2,0

8,3

7,6

Прочие

7,7

3,9

4,9

6,0

12,9

 

 

 

Рис. 3. Зависимость кратности вспенивания от вида использованного наполнителя: 1 – для мела;
2 – для графита; 3 – для цемента; 4 – для супеси; 5 – для суглинка; 6 – для глины; 7 – для песка;
8 – для хвостов; 9 – для чистого пенополиуретана

 

Кратность вспенивания – это отношение суммарного объема всех компонентов перед началом вспенивания к объему материала, полученного после завершения реакции.

 

Рис. 4. Спектрограмма образцов пенополиуретана с различными наполнителями

 

После проведенных опытов полученные образцы были исследованы с помощью спектрографа VertexX-70. Исследование показало, что в процессе образования наполненных пенополиуретанов химических реакций между компонентами пенополиуретана и элементами наполнителей не происходит. То есть процесс вспенивания зависит в основном от гранулометрического состава наполнителя и процента его содержания в общей массе пенополиуретана (рис. 4).

Как показали исследование, проведенные с применением микроскопа TESCANMIRAS, частицы наполнителя распределяются в полимерной матрице, располагаясь в узлах и каналах Плато-Гиббса (см. рис. 5).

 

а)

а)

 

Контрольный-0-6000mkm

б)

Глина 0.03-100-0-6000mkm

в)

Глина 0.03-35-0-6000mkm

г)

Цемент 30-0-6000mkm

д)

Графит-0-6000mkm

е)

Глина 0.03-100-0-6000mkm

Рис. 5. Пенополтуретан: а) без наполнителя; с наполнителями:

б) глина; в) суглинок; г) цемент; д) графит; е) хвосты

 

 

Выводы. В данной статье впервые исследована структура вновь полученного композитного утеплителя. Отходы горнорудной промышленности (хвосты) встраиваются в полиуретановую матрицу и являются внутриструктурными. А также впервые экспериментально установлена зависимость коэффициента вспенивания пенополиуретана от гранулометрического состава наполнителя из отходов горнорудной промышленности Стойленского ГОКа.

Список литературы

1. Лазутин М., Оттенс А., Келлер П. Тепловая изоляция из жесткого пенополиуретана: основные свойства и применение в строительстве // Строительные материалы. 2004. № 1(10). С. 16-19.

2. Баженов Ю.М., Шубенкин П.Ф Строительные материалы. М., 1971. 436 с.

3. Воробьев В.А. Основы технологии строительных материалов из пластических масс. М.: Высшая школа, 1975. 280 с.

4. Воробьев В.А. Производство и применение пластмасс в строительстве. М.: Стройиздат, 1965. 236 с.

5. Шейкин А.Е. Строительные материалы Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1978. 432 с.

6. Берлин A.A. Основы производства газонаполненных пластмасс и эластомеров. М.: Госхимиздат, 1954. 189 с.

7. Берлин A.A., Шутов Ф.А. Пенополимеры на основе реакционноспособных олигомеров. М.: Химия, 1978. 296 с.

8. Домброу Б.А. Полиуретаны. Пер. с англ. М.: Гос. научн.-техн. изд-во хим. лит., 1961. 137 с.

9. Кафенгауз А.П. Синтетические пенопласты и поропласты. Владимир: Владимирское книжное издательство, 1959. 528 с.

10. Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Пластические массы. М.: Химия, 1968. 444 с.

11. Sparrow, D.J., Thorpe D. Polyols for Polyurethane Production. Boca Roton, Florida. 1989. pp 203.

12. Тараканов О.Г., Шамов И.В., Альперн В.Д. Наполненные пенопласты. М.: Химия, 1989. 216 с.

13. Тараканов О.Г., Мурашов Ю.С. Пенопласты. М.: Знание, 1975. 64 с.

14. Saunders J.H., Frisch K.C., Polyurethanes - Chemistry and Technology, Interscience Publishers, New York-London, 1962. 470 с.

15. Сулейманова Л.А., Кочерженко А.В., Марушко М.В. Теплоизоляционный композит на основе местных неорганических наполнителей // В сборнике докладов Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии и инновации». Белгород, 2016. С. 185-189.

16. Сулейманова Л.А., Кочерженко А.В. Исследование влияния природных наполнителей на кратность вспенивания утеплителей на основе пенополиуретана // В сборнике докладов Международной научно-практической конференции «Наука и инновации в строительстве» (к 45-летию кафедры строительства и городского хозяйства). Белгород, 2017. С. 185-190.

17. Чухланов В.Ю., Панов Ю.Т., Синявин А.В., Ермолаева Е.В. Газонаполненные пластмассы. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2008. 152 с.

18. Волков В.А. Коллоидная химия. М. МГТУ им. Косыгина, 2001, 640 с.


Войти или Создать
* Забыли пароль?