Вспененные полимеры : классификация, сравнительная характеристика

Одними из первых технологию вспенивания полиэтилена разработали специалисты японской компании Sekisui Chemical Co. Ltd.. В 1968 году появился материал Softlon - вспененный полиэтилен низкой плотности ПВД (LD-PE), молекулярно сшитый высоким излучением (радиационно сшитый) по технологии, разработанной собственными силами тогда еще небольшой компании. Новый материал получился с уникальными теплоизоляционными и пластичными свойствами. В 1971 году Sekisui организовывает первое в Европе производство пенополиэтилена совместно со швейцарской компанией ALVEO, которая 1973 году полностью перешла под ее контроль. Вспененный полиэтилен, (Пенополиэтилен ППЭ - expended polythene EPE) относится к так называемому классу газонаполненных (пенополимеров или поропластов) термопластичных полимеров (термопластов).

Пенолимерами принято называть органические высокопористые материалы, получаемые из синтетических смол. Их часто называют пенопластами или поропластами, а также газонаполненными ячеистыми пластмассами. Пенополимеры представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердых и газообразных фаз.

Газонаполненные пластмассы - это двухфазные системы, состоящие из полимерной матрицы и относительно равномерно диспергированной газовой фазой. Такая структура пластмасс обуславливает некоторую общность их свойств, а именно - чрезвычайно малую массу, высокие тепло- и звукоизоллляционные характеристики.

Пенополимеры различают на основе термопластичных полимеров с линейной структурой - пенополиолефинов (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полипропилен и др.) и термореактивных - на основе полимеров с пространственной структурой (фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные, ненасыщенные полиэфиры, эпоксидные, полиуретановые и др.). Для термопластичных пенополимеров опасны температуры, близкие к температуре текучести, когда значительно снижается прочность материала, и избыточное давление газа может разрушить материал.

В зависимости от физической структуры ячеек пенополимеры можно условно разделить на три группы: пенопласты, порополимеры и сотополимеры.

Пенопласты представляют материалы с ячеистой структурой, в которой газообразные наполнители изолированы друг от друга и окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Замкнутоячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Прочность их невелика и зависит от плотности материала. Примером пенопласта служить вспененный полистирол. Объемная масса таких пенополимеров колеблется от 20 до 300 кг/м3.

Поропласты с открытой пористой структурой, вследствие чего присутствующие в них газообразные включения свободно сообщаются друг с другом и окружающей атмосферой. Их кажущая плотность изменяется от 5-90 до 90-800 кг/м3. Примером поропласта является пенополиэтилен.

Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов, которым придают вначале вид гофра или волокна, а затем соединяют в виде сот. Материалом служат различные ткани, которые пропитываются различными связующими. Для сотопластов характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства и радиопрозрачность. Здесь примером может служить материал с торговой маркой Tyvek компании DuPont.

Для производства вспененных полимерных изделий существует два основных метода создания газообразной среды: физический (прямой впрыск газа в расплав полимера) и/или химический (с помощью добавления при переработке агентов (добавок) разлагающихся с выделением газа), не считая случая производства полиуретановых пен, в которых газ выделяется в результате химической реакции компонентов при формовании.

У обоих методов есть достоинства и недостатки. Использование физических газообразователей экономически более выгодно, но требует специального оборудования и соблюдения очень строгих предупредительных мер взрывопожаро-безопасности. Химические вспениватели можно применять на стандартном оборудовании, при этом не требуются специальные меры пожарной безопасности. В качестве вспенивающего агента может применяться множество соединений в зависимости от требуемых свойств готовой продукции и типа используемого материала.

Вспененные изделия могут принимать любую физическую форму – плиты, пленки, листа, обруча, нити, прутка, профиля, слоеных плит и т.п.. Удельный вес (плотность) вспененных изделий обычно находится в диапазоне от 5 до 800 кг/м3 с размером вспененной ячейки от 0,05 мм до 15 мм. Содержание количества ячеек в структуре материалов можно изменять от 0 до 100 %, в зависимости от выбранных сырья и технологического процесса.

Вспенивание термопластов может осу¬ществляться как при литье под давлением, так и при экструзии.

По виду создания при производстве межмолекулярной связи между ячейками, вспененные полимеры можно так же условно разделить на три группы со сшитой структурой молекул, несшитые и отдельно сформированные из каплеобразных структур наподобие гранул с использованием первых двух методов.

При производстве вспененных изделий могут использоваться добавки (агенты) улучшающие стабильность, например глицерол моностиарат (glycerol monostearate), перфорирующие добавки для ускорения и улучшения газообмена в материале и замещения газов воздухом. Также, по выбору производителя, применяются множество других добавок изменяющих и/или улучшающих свойства изделий. Это могут быть антиоксиданты (для замедления процессов термоокислительного разрушения), нуклеаторы (nucleating - для увеличения жесткости), окрашивающие пигменты, антиперены (для снижения горючести).

Общий класс вспененных пенополимеров можно условно классифицировать по базовому вспениваемому полимеру, структуре вспененного изделия и виду межмолекулярной связи, что представлено виде блок-схемы:

Классификация вспененных полимеров

Сравнительная характеристика вспененных полимеров Специфические особенности газонаполненных пластмасс определяют техническую направленность и экономическую эффективность их применения в различных областях промышленности. Благодаря низкой средней плотности, высоким тепло- и звукоизоляционным свойствам, повышенной удельной прочности, а также ряду ценных технологических и эксплуатационных свойств пенопласты не имеют аналогов среди традиционных строительных материалов.

Эти материалы характеризуются высокой удельной прочностью, значительно выше, чем у конкурентных изделий. Однако большинству газонаполненных пластмасс свойственны определенные недостатки. Существенно ограничивают возможность их применения: пониженные огнестойкость, теплостойкость и температуростойкость при температурах больше 200 0С. Кроме того, процессы деструкции ("старения") этих материалов, биостойкость в процессе длительной эксплуатации до конца не изучены.

Так же в условиях длительно приложенных статических напряжений у поропластов развиваются деформации ползучести, снижающие формостабильность материала. При использовании пенополимеров в элементах конструкций значительные деформации недопустимы, поэтому в качестве критерия сопротивляемости поропластов действию статических напряжений принимается характер и величина деформирования материала во времени. Деформируемость поропластов зависит от величины и длительности действия приложенных напряжений. При больших нагрузках (0,4 - 0,45 от предела прочности при сжатии) ползучесть интенсивно развивается во времени.

Условия эксплуатации в качестве строительных теплоизоляционных материалах определяются типом конструкции и регионом строительства. Периодическое увлажнение (попеременное увлажнение и высушивание) наиболее интенсивно снижает прочностные и упругие характеристики поропластов (до 40 % в зависимости от вида полимерной основы).

Циклическое замораживание - оттаивание также снижает прочность поропластов. Так, после 25 циклов испытаний при сжатии немодифицированных полистирольных и полиэтиленовых пен снижение прочности составляет 13 - 15 %, поливинилхлоридных от 2 - 15 %, фенольных - 22 %.

Номенклатура и свойства вспененных материалов весьма обширна и разнообразна. В России для применения вспененных полимеров в качестве теплоизоляционных материалов установлен ГОСТ 16381-77 ТИМ, в котором они классифицированы по следующим основным признакам:

1. По виду исходного сырья . Теплоизоляционные материалы могут быть органическими и минеральными. Зарубежные марки пенополиэтилена измеряются по стандарту ISO 1923 (1981)

2. По форме и внешнему виду . Материалы подразделяются на штучные изделия (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, полуцилиндры, скорлупы, сегменты), рулонные и шнуровые (маты, шнуры).

3. По средней плотности . В отличие от многих других строительных материалов марка теплоизоляционного материала устанавливается не по показателю прочности, а по величине средней плотности, которая выражается в кг/куб.м.

По этому показателю теплоизоляционные материалы делят на следующие марки: 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500. Марка теплоизоляционного материала представляет собой верхний предел его средней плотности. (например, изделия марки 100 могут иметь среднюю плотность равную 75-100 кг/куб.м).

Метод определения плотности за рубежом описан в стандарте ISO 845 BS4443 Part 1, Method 2, DIN 53420 1978

4. По жесткости . Теплоизоляционные материалы подразделяются на следующие виды: мягкие, полужесткие и жесткие. Кроме того, выпускаются изделия повышенной жесткости и твердости, хорошо сопротивляющиеся внешним нагрузкам.

Так, к жестким материалам, наиболее широко используемым в строительной теплоизоляции относятся изделия, имеющие R(cж) - предел прочности при сжатии при 50%-ной деформации более 0,15 Мпа, эластичные - менее 0,01 Мпа (полужесткие занимают промежуточное положение).

5. По способу порообразования . Теплоизоляционные материалы делят на следующие виды:

материалы с пространственным каркасом.

6. По горючести . Теплоизоляционные материалы подразделяются согласно CниП 21-01-97.

7. По теплопроводности . Материалы и изделия подразделяются на классы:

А - низкой теплопроводности ( Органические теплоизоляционные материалы

сыпучие эковата С волокнистым каркасом мягкие войлок синтетический, войлок натуральный, синтепон, древесно-волокнистые жесткие древесно-волокнистые, древесно-стружечные, фибролит, торфоизоляционные плиты, камышит, соломит, льнокостричные сыпучие гранулированный пенополистирол Вспученные материалы мягкие пенополивинилхлорид, пенополиуретан жесткие фенольноформальдегидный поропласт, кремнийорганический поропласт, пенополивинилхлорид, пенополиуретан С пространственным каркасом сотопласты С пористым заполнителем пенопласт, пробковые Вспененные материалы пенополиэтилен, пенополиуретан, пенорезиновые, пенополипропилен, пенополистиролПроизводство изделий из вспененных термопластов целесообразно из-за возможности получения таких уникальных свойств материалов как:

Отсутствие утяжек и коробления.

Практически все вспененные полимерные материалы отличают такие особенные свойства как:

Химическая стойкость и экологическая безопасность

Среди большого разнообразия газонаполненных материалов быстро растущую популярность завоевывают вспененные полиолефины (полиэтилен, полипропилен), жесткий экструзионный пенополистирол, а также жесткий пенополиуретан. Различаются материалы, предназначенные для комплексной защиты ограждающих конструкций снаружи (плиты из пенополистирола или пенополиуретана) и изнутри (полотна пенополиэтилена).

Ниже в таблице приведены усредненные сравнительные физико-механические свойства наиболее распространенных пенополимеров: