Воробьев - Полимерные теплоизоляционные материалы

В книге рассмотрены основы технологии полимерных теплоизоляционных материалов, свойства и методы их определения, области применения материалов на основе полистирола, поливинилхлорида, полиуретанов, феноло-формальдегидных и мочевино-формальдегидных полимеров, сотопластов. получивших уже широкое распространение. Рассмотрены также материалы на основе полиолефинов, кремнийорганических и эпоксидных  полимеров, которые являются весьма перспективными для строительства. Описаны методы изготовления панелей и плит покрытий с применением пенопластов, а также конструктивные решении применения полимерных  теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях. Приводятся также данные об оборудовании для производства полимерных теплоизоляционных  материалов.

Книга предназначена для работников научно-исследовательских институтов, лабораторий и проектных строительных организаций.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Быстрое развитие за последние годы химии и технологии высокомолекулярных соединений  послужило базисом для создания наиболее эффективных видов материалов, сочетающих в себе высокие теплозащитные свойства с хорошими прочностными и  эксплуатационными характеристиками. Подобных показателей  практически нельзя достигнуть у теплоизоляционных материалов па основе традиционных неорганических вяжущих  веществ. Поэтому дальнейшее совершенствование  индустриального строительства, связанное с применением особо легких ограждающих конструкций, неразрывно связанных с увеличением выпуска и расширением номенклатуры полимерных теплоизоляционных материалов.

Промышленность полимерных теплоизоляционных материалов сравнительно молода, но она развивается бурными темпами. В СССР и за рубежом постоянно появляются новые методы и рецептуры для получения пено-, поро- н сотопластов, а также расширяются области их применения.

Авторы настоящей книги ставили своей задачей  обобщить опыт производства, свойства и области применения в строительстве полимерных теплоизоляционных  материалов, а также показать их экономическую и техническую эффективность.

Введение и главы II, IV, VIII, XI этой книги  написаны заслуженным деятелем науки и техники РСФСР, д-ром техн. наук, проф. В. А, Воробьевым; главы I, III, V—VII, IX, X, XIII— канд. техн. наук, доц. Р. А.  Андриановым и глава XII—канд. техн, наук Ю. Д. Дудиной.

Глава I

ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полимерные теплоизоляционные материалы (ПТМ) применяют в виде газонаполненных пластмасс, которые по физической структуре подразделяют на три подгруппы:

1) ячеистые или пенистые пластмассы (пенопласты);

2) пористые пластмассы (поропласты);

3) сотовые пластмассы (сотопласты).

Пенопластами называют материалы с системой  изолированных несообщающихся между собой ячеек,  содержащих газ или смесь газов и разделенных тонкими  стенками. К поропластам относят материалы с системой  сообщающихся ячеек или полостей, заполненных газом. Указанное разграничение газонаполненных материалов условно, так как в некоторых случаях ячеистая и  пористая структуры образуются одновременно.

Сотопласты имеют регулярно повторяющиеся  полости правильной геометрической формы. Такие полости образуются при формовании или литье исходного пластического материала без его вспенивания. Структура сотопластов близка к структуре ячеистых пластиков,  отличаясь от нее большими размерами и правильной  геометрической формой ячеек.

Производство ПТМ освоено сравнительно недавно. В крупном масштабе эти материалы выпускаются в течение последних 15—20 лет. Сейчас производство их  развивается быстрыми темпами и имеет значительную  сырьевую базу.

Полимерные теплоизоляционные материалы  получают на основе как термопластичных, так и  термореактивных полимеров химическим и физическим способами. Химический способ основан на термическом разложении газообразователей, введенных в состав композиции, или взаимодействии компонентов композиции. Газы,  образующиеся при разложении газообразователя или  взаимодействии компонентов, вспенивают полимер и образуют пенистую структуру материала. Физический способ  основан на том, что при соответствующем давлении и  температуре некоторые газы (и жидкости) обладают  повышенной растворимостью в полимерах, образуя  пересыщенные растворы. В таких растворах после снятия  давления или при повышении температуры происходит интенсивное расширение растворенных газов или образование паров, которые и вспенивают полимер. К  физическому методу также относится механическое  диспергирование газа с одновременным или последующим  отверждением полимера во вспененной композиции.

В зависимости от условий технологического процесса способы производства поро- и пенопластов можно  разделить на методы с применением повышенного  давления и методы без применения повышенного давления.

Сотопласты обычно получают при формовании или литье исходного пластического материала без его  вспенивания. Их обычно получают, склеивая гофрированные листы или блоки, а затем растягивая их. Структуру сотопласта фиксируют, пропитывая листовой материал термореактивными полимерами с последующим  отверждением.

ПОЛИМЕРЫ

Для производства ПТМ можно использовать как термопластичные, так и термореактивные полимеры (твердые, в растворах, эмульсиях или суспензиях; в  виде продуктов частичной поликонденсации или  полимеризации и мономеров).

Из термопластичных полимеров, имеющих линейные и разветвленные молекулы и размягчающихся при  нагревании, можно получать ПТМ самыми различными  способами. Выбор того или иного способа и технологические параметры получения всиеие1шых материалов зависят в основном от температуры размягчения полимера. В  качестве термопластичных полимеров для получения ПТМ применяют полистирол, поливинилхлорид, полиэтилен и др.

Значительно более сложно получение ПТМ на основе термореактивных полимеров или продуктов частичной поликонденсации для получения качественных материалов необходимо вспенивать их на тон стадии процесса, когда в полимере образовалось еще сравнительно мало поперечных межмолекулярных связен, т. с. когда полимер не потерял еще способности к размягчению и течению при соответствующих температурах и давлениях. 

Отверждение, т. е. процесс образования трехмерной структуры, должно проходить уже во вспененном полимере.  Термореактивные полимеры применяются также для  изготовления сотопластов и газонаполненных волокнистых  материалов.

Из термореактивных полимеров в производстве ПТМ наиболее широко применяются феноло-формальдегидные, мочевино-формальдегидные, эпоксидные,  полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические и другие полимеры.

ГАЗО- И ПЕНООБРАЗУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Ячеистая или пористая структура при производстве ПТМ создается при помощи газо- или пенообразующих веществ. От правильного их выбора во многом зависит качество получаемого материала: тот или иной вид этих веществ определяет не только технологические  параметры, но и способ получения ПТМ.

1. Газообразователи

Газообразователи или, как их еще называют, вспенивающие вещества по агрегатному состоянию разделяют на твердые, жидкие и газообразные. По механизму  процесса газовыделения твердые и жидкие  газообразователи можно классифицировать -следующим образом [4, 6].

1. Газообразователи, выделяющие газообразные  вещества вследствие необратимого термического  разложения (порофоры).

2. Газообразователи, выделяющие газообразные  вещества вследствие обратимого термического разложения.

3. Газообразователи, выделяющие газообразные  вещества вследствие химического взаимодействия  компонентов.

4. Газообразователи, выделяющие ранее  поглощенные газы вследствие термической десорбции  (адсорбенты).

5. Газообразователи — легкокипящие жидкости, вспенивающие полимер при нагревании их до  температуры кипения или при снижении давления.

По химической природе газообразователи можно разделить на органические и неорганические.

Газообразователи должны удовлетворять следующим требованиям [4, 6, 42]:

1) температурный интервал максимального  газообразования должен находиться вблизи температуры полного размягчения полимерной композиции;

2) газообразователь должен хорошо распределяться в полимерной композиции;

3) газообразователь и продукты его разложения не должны влиять на скорость отверждения полимера;

4) термическое разложение газообразователя должно протекать не скачкообразно, а постепенно, с выделением газа в количестве, близком к теоретическому;

5) разложение газообразователя не должно сопровождаться выделением такого количества тепла, которое вызовет деструкцию полимера;

6) при температурах, применяемых при производстве пенопластов, газообразователь и газы, образовавшиеся при его разложении, не должны вступать в реакцию с полимером или вызывать коррозию технологического оборудования;

7) газообразователи должны быть доступными,  дешевыми и устойчивыми в условиях транспортирования и хранения;

8) газообразователи и продукты и термического разложения не должны быть токсичными.

Методы определения свойств газообразователей. 

Судя по требованиям, предъявляемым к газообразователям, их важнейшими показателями являются температурный интервал максимального газообразования  (температура разложения), количество выделяемого газа (газовое число) и теплота разложения.

Кроме того, для ряда газообразователей, особенно органических, предъявляются также требования к их влажности и температуре плавления.

Температура разложения и газовое число  газообразователей определяются при помощи прибора, схема  которого показана на рис. 1. Прибор состоит из  стеклянной реакционной пробирки или колбы  емкостью 25— 30 мл, помещенной и термостат 2. В пробку пробирки вставляются термометр 3 и газоотводная трубка, соединенная через трехходовой кран 4 с газовой бюреткой 5 емкостью 100 мл (с ценой деления не более 0,1 мм).  Газовая бюретка имеет водяную рубашку 6 и  устанавливается на штативе 7. Нижний конец бюретки соединен  каучуковой трубкой с уравнительным сосудом 8, заполненным ртутью. Навеску газообразователя сбрасывают  через устройство 9,

Перед испытанием газообразователь высушивают в эксикаторе под хлористым кальцием в течение суток.  Навеску исследуемого газообразователя взвешивают на аналитических весах в реакционной пробирке. Для  предупреждения возгонки газообразователя в пробирку  помещают 1,5—2 г волокнистого асбеста, предварительно прокаленного в течение 2 ч при 500—600°С. Реакционную пробирку закрывают пробкой и соединяют с трехходовым краном бюретки.

Перед началом определения, поднимая  уравнительный сосуд, заполняют газовую бюретку ртутью. 

Поворотом крана 4 в реакционной пробирке устанавливают  атмосферное давление и затем соединяют ее с газовой бюреткой. При исследовании газообразователей обычно проводят две серии опытов.