Разработка термостойкого теплоизоляционного пеноматериала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых

Разработка термостойкого теплоизоляционного пеноматериала

Development of heat-resistant heat-insulating foam material

Ilyina M.E., Kurochkin I.N.

Аннотация

В работе представлены результаты исследований по разработке термостойкого теплоизоляционного материала на основе связующего 10 % раствора поликарбосилана в ксилоле, наполненного различными полыми микросферами и волокнистым наполнителем, в качестве которого использовались кварцевые волокна. По результатам проведенных экспериментов, лучшие результаты были получены у образцов теплоизоляционного материала, содержащего полые углеродные микросферы. При содержании связующего 15-70 % мас., полых углеродных микросфер 12-65 % мас. и кварцевых волокон 8-43 % мас., полученный пеноматериал обладал пониженной плотностью, низкой теплопроводностью и хорошими прочностными характеристиками, что позволяет его рекомендовать для использования в качестве высокотемпературной теплоизоляции в различных отраслях промышленности, в том числе таких как энергетика и авиастроение.

Ключевые слова: композиционные материалы, теплоизоляционные пеноматериалы, полимерное кремнийорганическое связующее, керамические и стеклянные микросферы, термостойкость, коэффициент теплопроводности.

Abstract

The paper presents the results of studies on the development of heat-resistant heat-insulating material based on a binder of a 10% solution of polycarbosilane in xylene filled with various hollow microspheres and fibrous filler, which was used as a silica fiber. According to the results of the experiments, the best results were obtained with samples of the heat-insulating material containing hollow carbon microspheres. With a binder content of 15-70% wt., hollow carbon microspheres of 12-65% wt. and quartz fibers of 8-43% wt., the foam obtained had a low density, low thermal conductivity and good strength characteristics, which makes it viable for use as high-temperature thermal insulation in various industries including energy and aircraft manufacturing.

Keywords: composite materials, heat-insulating foams, polymer silicone binder, ceramic and glass microspheres, heat resistance, thermal conductivity.

Введение

В настоящее время широкое распространение в различных отраслях промышленности получили композиционные материалы на основе полимерных связующих. Одной из разновидностей полимерных композиционных материалов являются пеноматериалы, в которых полимерное связующее наполнено полыми микросферами. В зависимости от того, какие технические и эксплуатационные характеристики хотят придать конкретному пеноматериалу и для каких целей он будет использоваться, в качестве связующего применяют различные полимеры и реакционноспособные олигомеры. Благодаря наличию полых микросфер, пеноматериалы характеризуются низким коэффициентом теплопроводности и низкой плотностью, что позволяет их использовать в качестве теплоизоляционных материалов [10], [11], [12]. Кроме того, в состав полимерных композиционных материалов, в том числе и пеноматериалов, для усиления прочностных и адгезионных свойств могут вводить порошкообразные и волокнистые наполнители, а также пигменты, термостабилизаторы, различные целевые добавки [8]. В ряде случаев, например, в условиях работы с повышенными температурами, пеноматериалы должны обладать значительной термостойкостью. Для получения термостойких пеноматериалов обычно используют полиорганосилоксановые связующие. Применение таких связующих связано с высокой энергией связи кислород-кремний в главной цепи макромолекулы полимера [6]. Однако верхний температурный предел, при котором пеноматериалы на основе полиорганосилоксанового связующего сохраняют свои рабочие характеристики, не превышает 250⁰С. Так, например, пеноматериал на основе силоксанового сополимера, волокон титана калия, кварцевых микросфер, борной кислоты начинает терять механическую прочность при температуре 300⁰С [13]. Аналогично, при температуре выше 300⁰С, теряет свои рабочие характеристики и пеноматериал на основе полиметилфенилсилоксановой смолы, полых кварцевых микросфер и аминного отвердителя [14]. Это объясняется тем, что при более высоких температурах, кроме термоокислительной деструкции, начинают протекать процессы термической деструкции [15], [16], что приводит к необратимым деформационным изменениям пеноматериалов и потери ими эксплуатационных свойств. Целью данного исследования является разработка теплоизоляционного пеноматериала на основе кремнийорганического связующего, с использованием полых микросфер и волокнистого наполнителя, обладающего низкой теплопроводностью и низкой плотностью, по сравнению с известными пеноматериалами, и имеющего верхний предел термостойкости 700⁰, что позволит значительно расширить сферу применения полиорганосилоксановых пеноматериалов.

Материалы и методы исследования

Для разработки термостойкого теплоизоляционного пеноматериала в качестве связующего был использован 10 % раствор поликарбосилана в ксилоле. Для приготовления кремнийорганического связующего в виде раствора в ксилоле использовался порошкообразный поликарбосилан молекулярной массой 2500-3500 следующей структурной формулы (рис.1):

Рис. 1 - Структурная формула кремнийорганического связующего поликарбосилана

Примечание: где n - количество групп

Необходимо отметить, что в зависимости от способа получения поликарбосилана, его структура характеризуется сравнительно небольшими, но сильно разветвленными линейно-циклическими молекулами с большим количеством перекрестных связей и активных боковых звеньев. В любом случае, молекулы поликарбосилана, в основном, содержат связи Si-C, обеспечивающие соединение атомов кремния с органической группой и обладающие достаточной прочностью (энергия связи 313 кДж/моль) и, как следствие, придающие полимерному композиту на основе поликарбосилана прочность и термостойкость. При частичном термическом отрыве углеводородных групп возникают поперечные сшивки между молекулами, но сама полимерная цепь термически устойчива и не разрушается.

В качестве полых микросфер для разработки теплоизоляционного пеноматериала использовались полые керамические (ПКМ) и полые углеродные микросферы (ПУМ). ПКМ получают флотационной обработкой дымовых выбросов теплоэлектростанций, работающих на твердом топливе. В работе были использованы ПКМ от теплоэлектростанций, работающих на каменном угле. Керамические микросферы представляют собой полые, почти идеальной формы силикатные микросферы с гладкой поверхностью, диаметром от 10 до 600 микрометров, в среднем около 100 мкм. Стенки сплошные непористые с толщиной от 2 до 10 мкм. Внутренняя полость частиц заполнена азотом и диоксидом углерода CO₂ [17], [18]. Использованные ПКМ имели следующий элементный состав: 57% SiO₂, 28% Al₂O₃, остальное оксиды СаО, МgO, Na₂O, Fe₂O₃.

Полые углеродные микросферы, были получены путем пиролиза фенолформальдегидных полых микросфер в среде аргона при температуре 1200⁰С в течение 4 часов. Полученные микросферы имели размер от 20 до 100 мкм.

В качестве волокнистого наполнителя использовались кварцевые волокна (содержание SiO₂ - 99,9 %) длиной 50-500 мкм и диаметром 0,7 - 2,5 мкм.

Коэффициент теплопроводности определяли по ГОСТ 23630-79 на приборе ИТ- л-400. Определение предела прочности на сжатие проводили по ГОСТ 8462-85. Кажущуюся плотность образцов пеноматериалов определяли по ГОСТ 409-2017.

Композицию для получения пеноматериала готовили путем смешения компонентов в смесителе. В смеситель заливали 10 мас.% раствор поликарбосилана в ксилоле, потом вводили кварцевые волокна и после перемешивания добавляли полые керамические или полые углеродные микросферы. Смесь перемешивали при 100-130?С для удаления растворителя, затем формовали образцы, которые помещали в печь и нагревали со скоростью 100?С/ч в атмосфере азота до 1000?С. Таким образом, были получены образцы пеноматериала двух видов: с полыми керамическими микросферами и полыми углеродными микросферами.

Результаты и их обсуждение

На первом этапе работы были разработаны составы композиций для получения образцов пеноматериалов по выше приведенной технологии. Всего было изготовлено 10 образцов: 5 образцов пеноматериала с полыми углеродными микросферами и 5 образцов пеноматериала с полыми керамическими микросферами. Составы композиций для получения образцов пеноматериалов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Составы композиций для получения образцов пеноматериалов

Во всех случаях, при получении образцов пеноматериалов, использовались кварцевые волокна, как армирующая добавка. Известно, что кварцевые волокна обычно применяют тогда, когда требуется значительная термическая стойкость и прочность получаемых изделий [19], поэтому их введение в состав образцов пеноматериала должно, как нами предполагается, обеспечить повышение этих важных показателей.

На втором этапе были исследованы свойства полученных образцов пеноматериалов. Основные свойства разработанных теплоизоляционных пеноматериалов представлены в таблице 2.

термостойкий теплоизоляционный пеноматериал

Таблица 2 - Свойства образцов теплоизоляционных пеноматериалов

Выбор ПКМ и ПУМ в разработке рецептуры теплоизоляционного пеноматериала обусловлен нами прежде всего их высокой прочностью, низкой насыпной плотностью и низкой теплопроводностью. Необходимо отметить, что ПУМ уже нашли применение при создании композитных материалов, на основе полимерных связующих, при разработке сферопластиков, синтактных пенопластов низкой плотности и теплопроводности [20], [21].

Из таблицы видно, что использование полых углеродных микросфер в композиции не снижает прочностные свойства разрабатываемого теплоизоляционного пеноматериала, вследствие того, что углеродные микросферы имеют шероховатую поверхность, по сравнению с поверхностью керамических микросфер, которая увеличивает силы межмолекулярного сцепления между поверхностью углеродных микросфер и связующим. После выдержки 10 ч при 700⁰С на воздухе предел прочности при сжатии полученного пеноматериала с использованием ПУМ составляет 4,2-7,3 МПа, что практически сопоставимо с показателями образцов пеноматериала с наполнителем ПКМ. В то же время, ПУМ обладают меньшим весом и более низким коэффициентом теплопроводности, чем ПКМ, поэтому использование их в композиции способствует улучшению теплоизоляционных свойств получаемого пеноматериала и снижению его удельного веса. У образцов теплоизоляционного материала с наполнителем ПУМ значительно ниже кажущаяся плотность и теплопроводность, по сравнению с образцами пеноматериала с ПКМ.

Из таблицы 2 видно также видно, что при введении кремнийорганического связующего в композицию в количестве до 5 % мас. и в количестве больше 87 % мас. наблюдается деформация полученных образцов пеноматериала, поэтому оптимальным количеством 10 % раствора поликарбосилана в ксилоле является 15-70 % мас.

Сравнительная характеристика известного пеноматериала [13] и разработанного кремнийорганического пеноматериала, полученного на основе композиции, содержащей 15-70 % мас. раствора поликарбосилана в ксилоле, 12-65 % мас. полых углеродных микросфер и 8-43 % мас. кварцевых волокон приведена в таблице 3.

Таблица 3 - Технические характеристики известного и разработанного пеноматериала

Заключение

Таким образом, в результате проведенных исследований, разработан пеноматериал на основе поликарбосилана, полых углеродных микросфер и кварцевых волокон, который превосходит ранее известные полиорганосилоксановые пеноматериалы по термостойкости, прочности, обладает низкой теплопроводностью и плотностью, что позволяет его рекомендовать к использованию в качестве высокотемпературного теплоизоляционного материала и расширить сферу его применения, включая такие высокотехнологичные отрасли промышленности, как энергетика и авиастроение.

Список литературы / References

1. Берлин А. А. Принципы создания композиционных полимерных материалов / Берлин А. А. Вольфсон С.А., Ошмян В.Г. и др. М.: Химия.1990. 240 с.

2. Виткалова И.А. Разработка способа получения облицовочного композиционного материала на основе полимерных и стекольных отходов / Виткалова И.А., Торлова А.С., Пикалов Е.С. и др.// Экология промышленного производства. 2018. № 3. С. 2-6.

3. Сокольская М.К. Связующие для получения современных полимерных композиционных материалов / Сокольская М.К., Колосова А.С., Виткалова И.А. и др. // Фундаментальные исследования. 2017. №10-2. С. 290-295.

4. Чухланов В.Ю. Модификация полиорганосилоксаном связующего на основе полиуретана / Чухланов В.Ю., Селиванов О.Г. // Пластические массы. 2013. № 9. С. 8-10.

5. Торлова А.С. Утилизация керамических и полимерных отходов в производстве облицовочных композиционных материалов / Торлова А.С., Виткалова И.А., Пикалов Е.С. и др. // Экология и промышленность России. 2019. №7. С. 36-41.

6. Киреев В.В. Высокомолекулярные соединения / Киреев В.В. М.: Юрайт, 2013. 602 с.

7. Чухланов В.Ю. Тонкослойные покрытия на основе полых неорганических микросфер и полиакрилового связующего / Чухланов В.Ю., Селиванов О.Г., Трифонова Т.А. и др. // Химическая технология. 2018. Т.19. № 4. С. 155-160.

8. Колосова А.С. Современные полимерные композиционные материалы и их применение / Колосова А.С., Сокольская М.К., Виткалова И.А. и др. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 5. С. 245-256.

9. Чухланов В.Ю. Диэлектрические свойства герметизирующей композиции на основе эпоксидиановой смолы, модифицированной полиметилфенилсилоксаном, в сантиметровом свч-радиодиапазоне / Чухланов В.Ю., Селиванов О.Г. // Клеи. Герметики. Технологии. 2015 № 3. С. 6-1.

10. Колосова А.С. Современные методы получения полимерных композиционных материалов и изделий из них / Колосова А.С., Сокольская М.К., Виткалова И.А. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 8. С. 123-129.

11. Чухланов В.Ю. Теплофизические свойства синтактных пенопластов на основе полидиметилсилоксанового связующего / Чухланов В.Ю., Селиванов О.Г. // Пластические массы. 2015. № 1-2. С.45-46.

12. Селиванов О.Г. Разработка теплоизоляционного огнестойкого покрытия, содержащего отходы электрохимических производств / Селиванов О.Г., Чухланов В.Ю., Трифонова Т.А. и др. // Экология промышленного производства. 2018. №4(104). С. 2-6.

13. Патент США № 3317455, кл. 260-37. Опубл.1967.

14. Kenlg S. Cell. Plast / Kenlg S., Raiter J., Narkis M-J. and others.1984. № 21 Р. 423-427.

15. Тагер А.А. Физико-химия полимеров / Тагер А.А. // Под редакцией Аскадского А.А. М.: Научный мир, 2007. 573 с.

16. Брык М.Т. Деструкция наполненных полимеров / Брык М.Т. - М.: Химия, 1989. 192 с.

17. Кизильштейн Л.Я.Следы угольной энергетики / Кизильштейн Л.Я. // Наука и жизнь. 2008. № 5. С. 35-38.

18. Сапелин А.Н. Эффективный керамический материал для решения специальных задач в малоэтажном строительстве / Сапелин А.Н., М.Ю. Елистратов // Известия вузов. Строительство. - 2014. - № 7. - с. 39-43.

19. Гутников С.И. Стеклянные волокна / Гутников С.И., Лазоряк Б.И., Селезнев А.Н. / Учебное пособие. - М,: МГУ имени М. В. Ломоносова, 2010. 53 с.

20. Чухланов В.Ю. Электропроводящие герметизирующие композиции низкой плотности на основе полых углеродных микросфер и эпоксидиановой смолы / Чухланов В.Ю., Селиванов О.Г., Чухланова Н.В. // Клеи. Герметики.Технологии. 2017. № 3. С.2-6.

21. Чухланов В.Ю. Электрические свойства сферопластиков на основе полых углеродных микросфер и полидиметилсилоксана / Чухланов В.Ю., Селиванов О.Г. // Известия высших учебных заведений. Физика. 2016. Т. 59. № С. 29-33.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Berlin A. A. Principy sozdanija kompozicionnyh polimernyh materialov [Principles of creation of composite polymeric materials] / Berlin A. A., Vol'fson S.A., Oshmjan V.G. and others M.: Chemistry, 1990 - 240 p. [in Russian]

2. Vitkalova I.A. Razrabotka sposoba poluchenija oblicovochnogo kompozicionnogo materiala na osnove polimernyh i stekol'nyh othodov [Development of a method for obtaining a facing composite material based on polymer and glass waste] / Vitkalova I.A., Torlova A.S., Pikalov E.S. and others// Ekologiya promyshlennogo proizvodstva [Ecology of industrial production] 2018, №3, p. 2-6. [in Russian]

3. Sokol'skaja M.K. Svjazujushhie dlja poluchenija sovremennyh polimernyh kompozicionnyh materialov [Binders for production of modern polymeric composite materials] / Sokol'skaja M.K., Kolosova A.S., Vitkalova I.A. and others // Fundamental'nye issledovanija [Fundamental study] 2017, №10-2, p. 290-295. [in Russian]

4. Chukhlanov V.Y. Modifikacija poliorganosiloksanom svjazujushhego na osnove poliuretana [Modification of polyorganosiloxanes binder based on polyurethane] / Chukhlanov V.Y., Selivanov O.G. // Plasticheskie massy [Plastic Mass] 2013, №9, p. 8-10. [in Russian]

5. Torlova A.S. Utilizacija keramicheskih i polimernyh othodov v proizvodstve oblicovochnyh kompozicionnyh materialov [Utilization of ceramic and polymer wastes in production of facing composite materials] / Torlova A.S., Vitkalova I.A., Pikalov E.S.and others // Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and industry of Russia] 2019, №7, p. 36-41.

6. Kireev V.V. Vysokomolekulyarny`e soedineniya [High molecular weight compounds] / Kireev V.V. M.:Yurait, 2013. - p. 602. [in Russian]

7. Chukhlanov V.Y. Tonkoslojnye pokrytiya na osnove polyx neorganicheskix mikrosfer i poliakrilovogo svyazuyushhego [Thin-layer coatings based on hollow inorganic microspheres and polyacrylic binder] / Chukhlanov V.Y., Selivanov O.G., Trifonova T.A. and others // Himicheskaya tekhnologiya [Chemical technology] 2019, Vol. 19, №4., p. 155-160. [in Russian]

8. Kolosova A.S. Sovremennye polimernye kompozicionnye materialy i ikh primenenie [Modern polymer composite materials and their application] / Kolosova A.S., Sokol'skaya M.K., Vitkalova I.A. and others // Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamentalnykh issledovanii [International journal of applied and fundamental research] 2018, №5, p. 245-256. [in Russian]

9. Chukhlanov V.Y. Dielektricheskie svoistva germetiziruiushchei kompozitsii na osnove epoksidianovoi smoly, modifitsirovannoi polimetilfenilsiloksanom, v santimetrovom svch-radiodiapazone [Dielectric properties of sealing composition based on epoxy resin modified with polymethylphenylsiloxane in centimeter microwave radio band] / Chukhlanov V.Y., Selivanov O.G. and others // Klei. Germetiki. Tekhnologii [Glues. Sealants. Technologies] 2015, №3, p. 6-11. [in Russian]

10. Kolosova A.S. Sovremennye metody polucheniia polimernykh kompozitsionnykh materialov i izdelii iz nikh [Modern methods of obtaining polymer composite materials and products from them] / Kolosova A.S., Sokol'skaya M.K., Vitkalova I.A. and others // Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamentalnykh issledovanii [International journal of applied and fundamental research] 2018, №8, p. 123-129. [in Russian]

11. Chukhlanov V.Y. Teplofizicheskie svoistva sintaktnykh penoplastov na osnove polidimetilsiloksanovogo sviazuiushchego [Thermophysical properties of syntactic foams based on polydimethylsiloxane binder] / Chukhlanov V.Y., Selivanov O.G. // Plasticheskie massy [Plastic Mass] 2015, №1-2, p. 45-46. [in Russian]

12. Selivanov O.G. Razrabotka teploizoliatsionnogo ognestoikogo pokrytiia, soderzhashchego otkhody elektrokhimicheskikh proizvodstv / Selivanov O.G., Chukhlanov V.Y., Trifonova T.A. and others // Ekologiia promyshlennogo proizvodstva [Ecology of industrial production] 2018, №4 (104), p. 2-6. [in Russian]

13. S. patent No. 3317455, CL. 260-37. Publ.1967. [in Russian]

14. Kenlg S. Cell. Plast / Kenlg S., Raiter J., Narkis M-J. 1984. № 21 Р. 423-427.

15. Tager A.A. Fiziko-Khimiya polimerov [Physico-chemistry of polymers] / Tager A.A. M.: Nauchniy Mir, 2007. - 573p. [in Russian]

16. Bryk M.T. Destruktsiia napolnennykh polimerov [Destruction of filled polymers] / Bryk M.T. M.: Khimiya, 1989. - 192p. [in Russian]

17. Kizilshtein L. Ya. Sledy ugolnoi energetiki [Traces of coal power] / Kizilshtein L. Ya. // Nauka I Zhizn' [Science and life] 2008, №5, p. 35-38. [in Russian]

18. Sapelin A.N. Effektivnyi keramicheskii material dlia resheniia spetsialnykh zadach v maloetazhnom stroitelstve [Effective ceramic material for special tasks in low-rise construction] / Sapelin A.N., Elistratov M. Y. // Izvestiia vuzov. Stroitelstvo [Proceedings of the universities. Construction] 2014, №7, p. 39-43. [in Russian]

19. Gutnikov S.I. Steklyannie volokna [Glass fiber] / Gutnikov S.I., Lazoryak B.I., Seleznev A.N. M.: MGU im. M.V. Lomonosova, 2010. - 53p. [in Russian]

20. Chukhlanov V.Y. Elektroprovodiashchie germetiziruiushchie kompozitsii nizkoi plotnosti na osnove polykh uglerodnykh mikrosfer i epoksidianovoi smoly [Electrically conductive low-density sealing compositions based on hollow carbon microspheres and epoxy resin] / Chukhlanov V.Y., Selivanov O.G., Chukhlanova N.V. and others // Klei. Germetiki. Tekhnologii [Glues. Sealants. Technologies] 2017, №3, p. 2-6. [in Russian]

21. Chukhlanov V.Y. Elektricheskie svoistva sferoplastikov na osnove polykh uglerodnykh mikrosfer i polidimetilsiloksana [Electrical properties of spheroplastics based on hollow carbon microspheres and polydimethylsiloxane] / Chukhlanov V.Y., Selivanov O.G. // Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedeniia. Fizika [Proceedings of higher educational institutions. Physics] 2016, Vol. 59, №7, p. 29-33. [in Russian]

Размещено на Allbest.ru