CC BY
106
УДК 671.17
И.В. Парахин, А. С. Туманов
ФЕНОЛЬНО-КАУЧУКОВЫЙ ПЕНОПЛАСТ МАРКИ ВПП-4
Рассматривается возможность получения фенольно-каучукового пенопласта марки ВПП-4. Показаны особенности структуры такого материала и его преимущества по сравнению с аналогами. Исследован комплекс физико-механических свойств полученного фенольно-каучукового пенопласта.
Ключевые слова: пенопласт, смола, технология, фенопласт, фенольно-каучуковые комозиции.
The article is devoted to investigation of phenolic-rubber foam the grad of VРP-4. The properties of structure obtained material is shown. The complex of technological and phisico-mechanical properties is investigation.
Key words: foam, phenolic, rubber, phenolic-rubber composition, technology.
В настоящее время фенольные пенопласты широко применяются в различных отраслях промышленности. Пеноматериалы характеризуются легкостью, хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами и применяются в различных отраслях техники для снижения массы конструкций: тепло-, хладо- и звукоизоляции [1]. Причиной этому служит то, что технология производства этих материалов позволяет менять такую морфологическую характеристику пенопластов, как кажущаяся плотность, в самых широких пределах, давая возможность получать как легчайшие (плотность й=20-30 кг/м3), так и сверхтяжелые (а=50-700 кг/м3) пены [2, 3].
Величина кажущейся плотности газонаполненных материалов (пенопластов) и их свойства в значительной степени определяются относительным содержанием в них полимерной и газовых фаз, видом полимера и характером пористой структуры.
При этом определяющее влияние на эксплуатационные характеристики однотипных материалов оказывает их пористость (величина, размер, характер). В первую очередь это касается соотношения числа открытых и закрытых пор в структуре пенопластов. Величина пористости в пенопла-стах, как правило, колеблется в пределах: 92-99% - истинная пористость, 1-55% - открытая пористость, 45-98% - закрытая пористость [4-6].
Изменяя соотношение открытых и закрытых пор в пенопластах возможно существенное изменение эксплуатационных характеристик материалов. С увеличением в пенопластах числа закрытых ячеек и уменьшением их размеров, как правило, резко возрастают прочностные характеристики и улучшаются теплоизоляционные свойства пеноматериалов. Наилучшими физико-механическими и теплоизоляционными свойствами обладают пеноматериалы, характеризующиеся большим содержанием закрытопористых ячеек.
Отличительной особенностью пенопластов с замкнуто-ячеистой структурой является то, что на их основе возможно изготовление деталей и конструкций не только конструкционного и теплоизо-
ляционного назначений, но и «непотопляемых» изделий, где предъявляются повышенные требования по минимальным величинам водо-, влаго- и жидкостного поглощения [7-12].
Среди изделий «непотопляемого» назначения особое место занимают изделия, предназначенные для работы в различных топливных средах - в основном это углеводородные топлива для топливных систем транспортных средств (баков машин, самолетов, вертолетов). Наиболее высоким содержанием закрытых элементарных ячеек в структуре (88-96% - диаметром 0,1-0,2 мм), высокой «плавучестью» и устойчивостью в жидких средах отличаются пенопласты, полученные на основе термопластичных полимеров - полистирола и поливинилхлорида [13].
Легкий, закрытопористый пенопласт на основе поливинилхлорида (ПХВ-1), имеющий при плотности 0,22-0,25 г/см3 величину бензопоглощения не более 1,5-2% (по массе), нашел в настоящее время широкое применение для изготовления поплавков уровнемеров в топливных баках самолетных двигателей. Однако рабочая температура этого пенопласта не превышает 60-80°С [14].
Значительно более теплостойкие закрытопори-стые пеноматериалы разработаны в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте. На основе модифицированных новолачных фенолформальдегидных и эпоксидно -новолачных порошковых композиций получены высокотеплостойкие жесткие пенопласты (марки Тилен и ПЭН), имеющие мелкоячеистую, закры-топористую макроструктуру, высокие физико-механические свойства и повышенную работоспособность в среде бензинов, масел и гидрожидкостей [15-17]. Пенопласты указанных марок - это жесткие газонаполненные материалы с кажущейся плотностью 70-350 кг/м3, вспенивание и отверждение которых проводят при температурах 100-200°С. В табл. 1 приведены механические характеристики пенопласта марки Тилен-А.
После пребывания в среде топлива ТС-1 и масла АМГ-10 в течение 7 мес образцы пенопласта Тилен-А незначительно увеличивают свою массу:
Таблица 1
Механические свойства пенопласта Тилен-А
Показатель Значение показателя для пенопласта с кажущейся плотностью, кг/м3
40-70 70-130 130-170 170-220 220-350
Разрушающее напряжение, МПа: при сжатии при изгибе 0,2-0,6 0,15-0,7 0,5-2,0 0,6-1,4 1,2-2,6 0,8-2,5 2,4-6,0 2,3-5,0 3,0-9,0 2,8-7,8
Ударная вязкость, кДж/м2 0,10-0,15 0,15-0,3 0,25-0,4 0,35-0,7 0,6-1,2
Величины топливо- и маслопоглощения пенопласта марки ВПП-4
Таблица 2
Продолжительность испытания, сут
Привес, % (по массе)
в топливе в масле
1,54 1,74
2,3 2,32
2,8 2,9
3,1 3,5
3,28 3,62
1 3 10 20 30
Таблица 3
Величины топливопоглощения «необработанных» образцов пенопласта марки ВПП-4
Продолжительность испытания, сут Привес, % (по массе)
1 0,8
3 1,3
5 1,49
10 1,59
15 1,65
20 1,69
30 1,7
Таблица 4
Предел прочности* при средней плотности пенопласта 70 кг/м3
Вид испытания Предел прочности, МПа, при температуре испытания, °С
-60 +20 +100 +150
Растяжение 0,99/(0,85-1,07) 0,69/(0,62-0,77) 0,15/(0,1-0,19) 0,15/(0,12-0,17)
Изгиб 1,76/(1,55-2,15) 0,82/(0,78-0,87) 0,66/(0,5-0,76) 0,58/(0,46-0,64)
* В числителе - средние значения, в знаменателе - минимальные и максимальные.
Таблица 5
Относительная прочность при сжатии* пенопласта ВПП-4_
Плотность, кг/м3 Деформация при сжатии, % Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре испытания, °С
-60 +20 +100 +150
70 20 1,3 0,196 0,11 0, 09
0,9 -1,48 0,18 - 0,2 0,1 - 0,14 0,07 - 0,1
65 1,7 0,626 0,22 0, 17
1,58 -1,79 0,5 - 0,78 0,19 - 0,25 0,16 - 0,19
120 20 2,4 0,487 0,2 0,26
2,18 - 2,59 0,43 - 0,58 0,15 - 0,24 0,13- 0,39
65 2,9 1,2 0,37 0, 54
2,61 - 3,08 0,97 -1,45 0,3 - 0,41 0,3 - 0,72
* В числителе - средние значения, в знаменателе - минимальные и максимальные.
Таблица 6
Прочностные характеристики* пенопласта ВПП-4
Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при растяжении Модуль упругости при растяжении Предел прочности при сжатии, МПа, при деформации, %
М Па 20 65
70 0, 42 12 ,7 0, 196 0,626
0,27 - 0,5 9,7 -16 0,18 - 0,2 0,5 - 0,78
120 0,69 34 ,1 0,487 1 ,2
0,62 - 0,77 27 - 46 0,43 - 0,58 0,97 -1,45
* В числителе - средние значения, в знаменателе - минимальные и максимальные.
Таблица 7
Изменение прочности* пенопласта (плотность 120 кг/м3) после воздействия жидких сред
Среда Напряжение сжатия, МПа, при деформации, %
20 65
В исходном состоянии 0,487 1,2
0,43 - 0,58 0,97 -1,45
Масло 0,6 1 0 ,97
0,51- 0,75 0,79 -1,18
Топливо ТС-1 0,62 1,08
0,47 - 0,66 0,86 -1,15
* В числителе - средние значения, в знаменателе - минимальные и максимальные.
Таблица 8
Величины теплопроводности и температуропроводности пенопласта марки ВПП-4
Температура, °С X, Вт/(м К) а10-6, м2/с
-60 0,08 0,67
-50 0,08 0,63
-25 0,06 0,40
0 0,05 0,26
+25 0,05 0,22
+50 0,06 0,23
+75 0,06 0,23
+100 0,08 0,30
+125 0,09 0,31
+150 0,11 0,34
а) 6)
Характер структуры образцов пенопласта ВПП-4 в зависимости от вида агрегатного состояния исходного полуфабриката:
а - вспенивание из гранул; б - вспенивание листовой заготовки
на 2,7-4,0 и 2,4-2,9% соответственно. Такая сравнительно небольшая величина топливопоглоще-ния характерна только для образцов пенопласта «повышенной» плотности. С уменьшением объемной массы пенопласта происходит нарушение его структуры, увеличиваются размеры ячеек, появляются дефекты в стенках пор и т. п., что неизбежно приводит к возрастанию величины водо- и топливопоглощения пенопласта [18-20].
В ВИАМ разработан новый легкий закрытопо-ристый пенопласт марки ВПП-4, отличающийся не только низкой плотностью (до 100 кг/м3), но и повышенной эластичностью и теплостойкостью при сохранении небольшой величины топливопо-глощения. Пенопласт марки ВПП-4 получен на основе блок-привитого сополимера фенолфор-мальдегидных смол новолачного и резольного типов с нитрильным каучуком в смеси с вулканизующими, каталитическими и вспенивающими добавками [5].
В отличие от «традиционных» способов вспенивания исходных компонентов пенопластов в виде порошков или гранул, вспенивание пенопласта ВПП-4 осуществляется из листовых заготовок вальцованного полуфабриката, что способствует получению более равномерной замкнуто -пористой структуры пенопласта. На рисунке приведены макроструктуры пенопласта ВПП-4, полученного при вспенивании полуфабриката из гранул и из листовой пленки.
Замкнуто-пористая структура пенопласта марки ВПП-4 определяет сравнительно низкие (до 4% по массе) величины топливо- и маслопоглощения (табл. 2)
Для всех полимерных материалов, получаемых при вспенивании фенолформальдегидных композиций в замкнутом объеме, характерно образование в той или иной степени поверхностного слоя пленки из-за разной теплопроводности образующегося пенопласта и материала формы. Наличие ука-
занной пленки в образцах пенопласта ВПП-4 еще больше снижает его величину топливопоглощения.
В случае «необработанного» образца пенопласта уже после 15 сут выдержки в топливе происходит полное «насыщение», при этом абсолютная величина привеса массы пенопласта не превышает 2% (по массе).
В табл. 3 приведены величины топливопогло-щения «необработанных» образцов пенопласта ВПП-4 в зависимости от времени выдержки.
Прочностные характеристики пенопласта ВПП-4 приведены в табл. 4.
Полученный пенопласт относится к материалам с повышенной эластичностью, в связи с чем для него не характерно хрупкое разрушение при испытании на сжатие, а более корректно определение величины условной прочности при определенной величине относительной деформации.
В табл. 5 приведены данные по величинам относительной прочности пенопласта в зависимости от его плотности.
Незначительное увеличение плотности пенопласта ВПП-4 увеличивает прочностные характеристики в 2-3 раза (табл. 6).
Закрытая пористость пенопласта ВПП-4 определяет не только низкие величины его топливо- и маслопоглощения, но и обеспечивает сохранение свойств пенопласта после выдержки в этих жидких средах (табл. 7).
По значениям коэффициентов переноса тепла (теплопроводность и температуропроводность) пенопласт относится к эффективным теплоизоляционным материалам (табл. 8).
Таким образом, новый разработанный пенопласт марки ВПП-4 можно отнести к легким теплоизоляционным пеноматериалам, характеризующимся высокими значениями теплостойкости, эластичности и имеющими замкнуто-ячеистую структуру, что обеспечивает возможность их работы в среде углеводородных топлив.
ЛИТЕРАТУРА
1. Власов С.В., Кандырин Л.Б., Кулезнев В.Н. и др. Основы технологии переработки пластмасс. М.: Химия. 2004. 602 с.
2. Берлин А.А., Шутов Ф.А. Пенополимеры на основе
реакционноспособных олигомеров. М.: Химия. 1978. 296 с.
3. Александров А.Я., Бородин М.Я., Павлов В.В. Кон-
струкции с заполнителем из пенопластов. М.: Машиностроение. 1972. 396 с.
4. Дворко И.М., Щемелева Л.В. Свойства и применение
пенопластов Тилен-А на основе порошковых новолачных фенолоформальдегидных композиций //Пластические массы. 1999. №4. С. 20-21.
5. Композиция для получения пенопласта: пат. 2477734.
Рос. Федерация; опубл. 20.03.2013.
6. Горлов Ю.П., Меркин А.П., Устенко А.А. Техноло-
гия теплоизоляционных материалов: Учебник для вузов. М.: Стройиздат. 1980. 399 с.
7. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
8. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития
композиционных и функциональных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231-242.
9. Застрогина О.Б., Швец Н.И., Постнов В.И., Серкова
Е.А. Фенолформальдегидное связующее для нового поколения материалов интерьера //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 265-272.
10. Сытый Ю.В., Кислякова В.И., Сагомонова В.А., Николаева М.Ф. Новый многослойный уплотни-тельный материал ВТП-2П //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 32-34.
11. Саматадзе А.И., Парахин И.В., Поросова Н.Ф., Туманов А.С. Получение фенольно-каучуковых
пенопластов методом «бессерной» вулканизации //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 49-52.
12. Саматадзе А.И., Парахин И.В., Трошкин И.В., По-росова Н.Ф., Туманов А.С. Фенольно-каучуковый пенопласт пониженной горючести //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2013. №2. С. 14-17.
13. Sunil Jose T., Anoop Anand K. Joseph Rani. On the Mechanical Properties of EPDM/CIIR Blends Cured with Reactive Phenolic Resin //International Journal of Polymeric Materials. 2010. V. 59. №7. Р. 488-497.
14. Xie Chan, Jia Zhixin, Jia Demin, Luo Yuanfang, You Changjiang. The Effect of Dy (III) Complex with 2-Mercaptobenzimidazole on the Thermo-Oxidation Aging Behavior of Natural Rubber Vulcani-zates //International Journal of Polymeric Materials. 2010. V. 59. №9. Р. 663-679.
15. Patel Hasmukh S., Patel Bhavdeep K., Morekar Manish M., Dixit Bharat C. Synthesis. Characterization and Glass Reinforcement of Urea-Formaldehyde-Phenol Resins //International Journal of Polymeric Materials. 2009. V. 58. №11. Р. 604-611.
16. Yoganathan R.B., Mammucari R., Foster N.R. Dense Gas Processing of Polymers //Polymer Reviews. 2011. V. 50. №2. P. 144-177.
17. Bing Li, Qingfeng Wu, Nanqiao Zhou, Baoshan Shi Batch. Foam Processing of Polypropylene/ Polydimethylsiloxane Blends //International Journal of Polymeric Materials. 2010. V. 60. №1. P. 51-61.
18. Jorge R.M., Lopes L., Benzi M.R., Ferreira M.T., Gomes A.S., Nunes R.C.R. Thiol Addition to Epox-idized Natural Rubber: Effect on the Tensile and Thermal Properties //International Journal of Polymeric Materials. 2010. V. 59. №5. P. 330-341.
19. Seo J.H., Cha S.W., Kim H.B. Diffused Reflection of Microcellular Foamed Polycarbonate //Polym. Plastics Technol. Eng. 2009. V. 48. P. 351-358.
20. Neoh S.B., Azura A.R., Hashim A.S. Comparison of the Different Vulcanization Techniques of Styrene Modified Natural Rubber (SNR) as an Impact Modifier of Natural Rubber-Based High Impact Polystyrene (NRHIPS) //Polym. Plastics Technol. Eng. 2011. V. 49. P. 121-126.
