Модификация карбамидных пенопластов пористыми минеральными наполнителями

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Модификация карбамидных пенопластов пористыми минеральными наполнителями

Мубаракшина Л.Ф., аспирант,

Абдрахманова Л.А., д-р техн. наук, профессор,

Хозин В.Г., д-р техн. наук, профессор,

Карбамидные пенопласты, получаемые воздушным вспениванием композиции на основе карбамидоформальдегидной смолы, представляют собой трудногорючий полимерный пористый материал с открытоячеистой структурой, и уже более полувека используются в качестве тепло- и звукоизоляционного материала. Но ряд недостатков, среди которых не последнее место занимает низкая прочность, существенно ограничивают их применение в строительстве.

Проведенные исследования по возрождению карбамидоформальдегидных пенопластов в строительной индустрии позволили усовершенствовать технологию его получения, разработать новые рецептуры и создать малогабаритное оборудование для производства теплоизоляционного материала с улучшенными физико-техническими и эксплутационными характеристиками с торговым названием «Пеноизол».

«Пеноизол» характеризуется высокой технологичностью, доступностью и низкой стоимостью сырья, хорошими теплозащитными свойствами и относится к группе трудносгораемых материалов. Однако, как и все карбамидные пенопласты, «Пеноизол» отличает малая механическая прочность, хрупкость, высокая влаго- и паропроницаемость, значительные усадки при отверждении и сушке. Это обусловлено спецификой воздушно-механического пенообразования и химизмом отверждения карбамидной смолы. карбамидный пенопласт теплоизоляционный смола

Использование воздушно-механического способа пенообразования требует применения сильно разбавленных водой полимерных систем. Помимо этого, процесс отверждения карбамидоформальдегидных смол сопровождается выделением воды и свободного формальдегида, удаление которых при высыхании и отверждении карбамидного пенопласта приводит к появлению внутренних напряжений и усадочных деформаций.

Величина усадочных деформаций и внутренних напряжений находится в непосредственной зависимости от плотности материала и скорости изменения количества влаги в нем, и возрастает по мере удаления влаги. Карбамидные пенопласты обладают открытоячеистой структурой (истинная пористость достигает до 98%), по этой причине процесс испарения влаги идет весьма интенсивно и повлиять на режим сушки достаточно сложно.

Физико-механические свойства карбамидного пенопласта зависят в большей степени от параметров макроструктуры, чем от механических свойств полимер-основы. С увеличением плотности изменяются геометрические параметры газоструктурных элементов пенопласта и возрастает жесткость структурного каркаса. Уменьшение усадочных деформаций возможно путем увеличения плотности пенополимера, но это ведет к повышению полимероемкости, и, следовательно, росту себестоимости пенопласта.

Одним из путей улучшения механических свойств карбамидных пенопластов является применение принципов физической модификации за счет введения наполнителя.

Наполнитель, введенный во вспениваемую композицию, как правило, влияет на процессы, протекающие на всех стадиях формирования полимерной пены, изменяя, тем самым, макроструктуру и, следовательно, свойства пенополимера.

Введение в полимерную или олигомерную композицию твердой фазы, как правило, резко изменяет коллоидно-химические параметры вспениваемой системы. Глубина этих изменений зависит от концентрации, размера и конфигурации твердых частиц, активности наполнителя и его смачиваемости дисперсионной средой, состава и свойств дисперсионной среды, в частности ее молекулярной массы, а также способа и режима смешения компонентов [1].

Низкая стоимость, большие запасы природного сырья, высокая удельная прочность, нетоксичность предопределили особую популярность наполнителей минеральной природы.

Минеральные наполнители обычно имеют сложный химический состав поверхности, и определить влияние каждого из ее компонентов на полимер очень трудно. Данный вид наполнителя влияет на состав межфазоваго слоя, кинетику реакции отверждения и, следовательно, на физико-механические характеристики наполненной пластмассы, и, в частности, пенопласта.

Кроме того, наполнитель оказывает влияние на теплофизические свойства модифицируемого пенопласта. С этой целью целесообразно использовать легкие наполнители низкой плотности, по возможности близкой к плотности наполняемого пенопласта[2].

Для создания карбамидных пенопластов, обладающих более высокими механическими свойствами по сравнению с «Пеноизолом», в качестве наполнителя нами были выбраны алюмосиликатные микросферы и вспученный перлитовый песок.

Вспученный перлитовый песок состоит, в основном, из пористого бесцветного прозрачного алюмосиликатного стекла и характеризуется открытопористой структурой. Внутризерновые поры имеют сферическую или щелевидную форму, их размер колеблется от 0,5 до 10 мкм. Объем открытый пор составляет около 75%, что объясняет высокое водопоглощение и гигроскопичность вспученного перлитового песка.

Микросферы алюмосиликатные - это полые сферические частицы, диаметром от 50 до 250 мкм, толщиной стенки от 2 до 10 мкм. Частицы представляют собой сферы со сплошными непористыми стенками.

Было исследовано влияние гранулометрического состава наполнителя на технологические параметры образования пенопласта, а именно кратность вспенивания и время гелеобразования.

Перед использованием вспученный перлитовый песок был рассеян на 4 фракции, мм: более 0,25, 0,25-0,16, 0,16-0,063, менее 0,063. Данные по насыпной плотности показали, что наибольшей насыпной плотностью обладает вспученный перлитовый песок с наименьшим размером зерен (менее 0,063мм) из-за более плотной упаковки частиц, и размером частиц более 0,25 мм, т.к. частицы данной фракции содержат плотные непоризованные участки алюмосиликатного стекла.

Нефракционированный вспученный перлитовый песок, напротив, характеризуется наименьшей плотностью. Причиной этого, вероятно, являются действующие электромагнитные силы отталкивания между частицами нефракционированного вспученного перлитового песка, препятствующие плотной упаковке частиц.

В таблице 1 представлены данные кратности вспенивания и времени гелеобразования пенопласта в зависимости от концентрации и фракционного состава вспученного перлитового песка.

Кратность вспенивания снижается с увеличением концентрации и насыпной плотности наполнителя. При использовании вспученного перлитового песка фракций более 0,25 мм и менее 0,063 мм пенокомпозиция характеризуется наименьшей кратностью вспенивания. В случае использования нефракционированного вспученного перлитового песка происходит незначительное снижение кратности вспенивания.

Таблица 1 Технологические свойства наполненных карбамидных пенопластов

Из данных представленных таблицы 1 видно, что с укрупнением фракции происходит увеличение времени гелеобразования. При введении вспученного перлитового песка в карбамидную смолу происходит сорбция молекул смолы поверхностью наполнителя с образованием адсорбционно-сольватных слоев. Известно [3], что поверхностные слои гранул вспученного перлитового песка характеризуются наличием гидроксильных групп. Поэтому, очевидно, между гидроксильными группами на поверхности вспученного перлитового песка и метилольными группами карбамидной смолы возможно образование водородных связей. В результате чего количество свободных метилольных групп сокращается, что приводит к снижению скорости отверждения карбамидной смолы, и, соответственно, увеличению времени гелеобразования. Причем, более крупные гранулы вспученного перлитового песка характеризуются большей удельной поверхностью из-за открытопористой структуры и, следовательно, больше адсорбируют карбамидную смолу.

В случае использования нефракционированного вспученного перлитового песка время гелеобразования снижается. Это, вероятно, обусловлено различной степенью межмолекулярного взаимодействия молекул карбамидной смолы с поверхностью частиц разных фракций, что, в целом, может привести к снижению эффекта экранирования активных групп смолы.

Выявленные особенности технологических параметров пенополимера в присутствии вспученного перлитового песка не присущи для пенокомпозиций, наполненных микросферами. Зависимости изменения свойств пенопласта от концентрации и фракционного состава микросфер вполне закономерны: с увеличением количества вводимого наполнителя кратность вспенивания снижается, а плотность пенопласта увеличивается

Установлены оптимальные концентрации и фракции рассматриваемых минеральных наполнителей, обеспечивающих низкие усадочные деформации, сорбционное водопоглощение и высокие прочностные свойства пенопласта. Целесообразно использовать в количестве от 1 до 3 мас.% фракционированный вспученный перлитовый песок, преимущественно, фракций, мм: менее 0,063, 0,036-0,16, 0,16-0,25.

Использование микросфер возможно в нефракционированном и фракционированном виде в количестве от 2 до 5 мас.%.

Список литературы

1. Тараканов О.Г., Шамов И.В., Альперн В.Д. Наполненные пластмассы // М: Химия, 1988.-216 с.

2. Берлин А.А., Шутов Ф.А. Упрочненные газонаполненные пластмассы. - М.: Химия, 1980.-224 с.

3. Крупа А.А. Поверхностные свойства вспученного перлита.- В кн.: Перлиты. М.: Наука, 1981.- с. 207-216.

Размещено на Allbest.ru