CC BY
144
1/2П11 ВЕСТНИК
j/2012_мгсу
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ПРИ ВОДОПОГЛОЩЕНИИ
THE PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS RESEARCH OF POLYSTYRENE BY WATER ABSORPTION
П.П. Гуюмджян, C.B. Коканин, C.B. Цыбакин
P.P. Guyumdzhyan, S.V. Kokanin, S.V. Tsibakin
ИГАСУ, *КГСХ
В статье представлены результаты испытания беспрессового и экструдирс ванного пенополистирола на длительное водопоглощение. На основании эксперимег тальных данных определена зависимость между водопоглощением плит и длительнс стью их выдержки в воде. Исследовано влияние длительного водопоглощения на про' ность на сжатие при 10% линейной деформации, твёрдости по Шору, а также велг чину линейного расширения (набухания). Представлена структура полимера с четк выраженным процессом развития анизотропии текстуры в результате деструкции.
Results of prolonged water absorption test of expandable polystyrene (EPS) and ex trudedpolystyrene (XPS) are set forth in this paper. Dependence between the water absorp tion of polystyrene slabs and the continuance of theirs seasoning in water was determine for the reason of experimental data. It was researched the influence of prolonged water ab sorption on the compression resistance when having 10% of linear strain, on the hardness t Shore's method of testing, on the quantity of linear growth or swelling. In this paper it is st forth the polymer structure with strongly pronounced process of texture anisotropy progres in the issue of destruction.
Пенополистирольный пенопласт относится к гетерогенным полимерным матери, лам, которые характеризуются агрегативной физической неоднородностью из-за нал! чия в полимерной матрице диспергированных газовых включений [1].
Применяют данный материал как для наружной, так и для внутренней отделю Для достижения оптимальных условий эксплуатации наружную изоляцию, выполни ную из пенополистирола, защищают от атмосферных воздействий, армируя штукатур кой или вентилируемой облицовочной оболочкой. Широкое применение полистиро нашел и в качестве теплоизоляции межэтажных перекрытий, крыш и фундаментов, также для организации несъемной опалубки.
Основными показателями, характеризующими энергоэффективные строительны материалы, в частности пеностирольный пластик, являются плотность, прочность пр изгибе и сжатии при 10% линейной деформации, теплопроводность, водопоглощени и время самостоятельного горения, которые зависят от рецептуры исходной композр ции и технологии производства. В настоящий момент востребованы две технологи производства: выпуск изделий беспрессовым способом формования (EPS, ПСБ и ППС из вспененного полистирола и экструзионным (ЭППС и XPS) [2].
ВЕСТНИК 1/2011
Технология утепления зданий пенополистиролом предусматривает устройство механической изоляции материала от эксплуатационных факторов, таких как прямое солнечное излучение, осадки, механические повреждения путем непосредственного контакта и т.п. Но не стоит забывать о таких факторах как естественная влажность воздуха, влага, содержащаяся в смежных материалах (керамика, бетон, древесина). Также следует учитывать то, что при монтаже или анкеровке панелей из пенополисти-рола в них появляется концентрация напряжений, которая снижает прочность и твёрдость материала.
Важной задачей исследования материалов, которые применяются при устройстве многослойных панелей, является определение их степени пригодности к совместной эксплуатации с другими разнородными материалами.
В данной статье представлены результаты исследования длительного водопогло-щения беспрессового (EPS - expanded polystyrene) и экструдированного (XPS - extruded polystyrene) пенополистирола отечественного и зарубежного производства, а также пенопласта, который находился в эксплуатации в течение нескольких лет. В ходе эксперимента определялись величины водопоглощения по объему в течение 28 суток, объемное расширение (набухание), прочность на сжатие при 10% линейной деформации и механическая твёрдость материала. Попутно исследовалась структура и текстура поверхности и внутренних слоев полистирольного пластика.
Для исследования были отобраны образцы беспрессового пенополистирола различной плотности и размера вспененных синтетических гранул производства компании «Мосстрой 31» и ООО «ТРЕС+». Экструдированный пенополистирол был представлен германской фирмой «URSA Deutschland GmbH» и отечественным производителем ООО «Полиспен». Также исследовался пенопласт, находившийся в эксплуатации в течение нескольких лет в качестве наружной теплоизоляции в системе мокрого фасада жилого дома в г. Иваново.
Перед испытанием на длительное водопоглощение определялись первоначальные свойства материала в соответствии с ГОСТ 15588-86 «Плиты пенополистирольные. Технические условия» и ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний». В работе применялись образцы с линейными размерами [(50*50*30)±0,5] мм. Для всех образцов были найдены плотность, влажность, прочность на сжатие при 10% линейной деформации и водопоглощение. Полученные экспериментальные данные представлены в таблице 1. Эти показатели соответствуют требованиям нормативных документов и значениям результатов сертификационных испытаний.
Водопоглощение пенополистирольных образцов осуществлялось по ГОСТ 1558886. Сущность метода заключается в определении массы воды, поглощенной образцами сухого материала после полного погружения их в дистиллированную воду и выдерживания в ней. Опытные данные снимались ежесуточно в течение 28 суток. Масса образцов определялась на лабораторных электронных весах с дискретностью в 0,01 г.
Линейные размеры оценивались штангенциркулем с точностью до 0,1 мм.
Прочность на сжатие при 10% линейной деформации определялась по ГОСТ 17177-94. Для определения прочности мягких пенопластов (ПСБ-С-15(25)) использовался механический пресс, обеспечивающий шаг нагрузки, равный 0,1 кгс. Образцы жестких плит (URSA N-III, Полиспен и ПСБ-С-35) испытывались на разрывной машине Р-10, которая работает как на статическое растяжение, так и на сжатие. Линейные перемещения (продольные деформации) фиксировались с помощью индикатора часового типа.
Таблица 1
Первоначальные характеристики исследуемых образцов пенополистирольных плит в соответствии с ГОСТ 15588-86 и ГОСТ 17177-94
Марка и завод-производитель материала Плотность, кг/м3 Влажность, % Прочность на сжатие при 10% ЛИН. деформ., МПА Водопогло-щение (по объему), %
XPS URSA N-III («URSA GmbH») 33,75 0,11 0,58 0,75
Полиспен - Стандарт («Полиспен») 34,4 0,1 0,35 0,98
EPS ПСБ-С-25 («ТРЕС+») 18,6 7,3 0,081 4,1
ПСБ-СМ15У («Мосстрой-31») 7,5 2,2 0,040 3,19
ПСБ-С-35 (после 2 лет эксплуат.) 23,2 8,0 0,12 4,08
Твёрдость пенополистирольных образцов исследовалась по методу Шора согласно ISO 868 (DIN 53505, ASTM D2240). Сущность метода заключается в способности материала сопротивляться постоянному углублению (рис. 1).
] JCß'iußpoedHUiVt нру.шпш
Рис. 1. Твердомер по Шору со склероскопом типа ОО согласно ISO 868 (DIN 53505, ASTM D2240)
Значениями твердости по Шору являются показания шкалы, полученные в результате проникновения в пенополистирольный образец индентора из стали в форме усеченного конусу с диаметром рабочей части 0,79 мм. Образец помещают под склероскоп, нажимную опору прижимают к образцу и через 15 с считывают показания шкалы индикатора. Показания шкалы представлены в виде единиц от 0 для полного проникновения на 2,5 мм до 100 для нулевого проникновения. Приведенная масса склероскопа на стальной индентор по Шору ОО составляет 0,113 кг, а результирующая сила 111,1 Н [3-4].
Исследование структуры и текстуры пенополистирола осуществлялось с помощью цифрового бинокулярного микроскопа ЛОМО АУ-26 с увеличением объектива х8; х40 и х90 раз, бинокуляром с увеличением х1,1; х1,6 и х2,5. Иа окуляре, обладающим приближением в 7 раз, смонтирована цифровая камера Ьиш1х БМС-ГХ9, передающая изображение на персональный компьютер с разрешением в 6 млн пикселов.
Полученные результаты длительного водопоглощения пенополистирола представлены на рисунке 2, на котором приведены графики зависимости водопоглощения материала от времени выдержки в сутках.
s
ra t= 1С
с с с
Щ S
к
U
я
с
Е
с с о ч о 02
5,5 5
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
К Ж Ж Ж Ж-ГС Ж ж ж ж ж
7
21
URSA N-III
9 11 13 15 17 19 Количество суток испытания Полиспен —♦— ПСБ-С-25 —X— ПСБ-СМ15У
23
25
27
ПСБ-С-35
Рис. 2. Графики зависимости водопоглощения пенополистирольных материалов от времени выдержки в сутках
С уменьшением плотности пенополистирола водопоглощение может возрастать в основном из-за нарушения равномерности структуры и увеличения размеров ячеек. Также с уменьшением размера гранул полистирола снижается количество закрытых пор в пенополистироле, что обуславливает увеличение водопоглощения. Имеет значение и соблюдение параметров процесса производства пенополистирольных плит [5].
Электронные фотографии структуры различных марок пенополистирола с оптическим увеличением в 90 и 140 раз представлены на рис. 3-7.
Рис. 3. Структура экструдированного пенополистирола URSA N-III до (фотография слева) и после (фотография справа) испытания на длительное водопоглощение
Рис. 4. Структура экструдированного пенополистирола Полиспен до (фотография слева) и после (фотография справа) испытания на длительное водопоглощение
Рис. 5. Структура беспрессового пенополистирола ПСБ-С-25 до (фотография слева) и после (фотография справа) испытания на длительное водопоглощение
Рис. 6. Структура беспрессового пенополистирола ПСБ-С М15У до (фотография слева) и после (фотография справа) испытания на длительное водопоглощение
Рис. 7. Структура беспрессового пенополистирола ПСБ-С-35 до (фотография слева) и после (фотография справа) испытания на длительное водопоглощение
ВЕСТНИК 1/2011
Результаты исследования физико-механических свойств пенополистирола после длительного водопоглощения представлены в таблице 2.
Таблица 2
Физико-механические свойства образцов пенополистирола после испытания на длительное водопоглощение
& а й и Показатель Количество суток испытания на водопоглощение
1 3 5 7 14 21 28
URSA N-III Прочность на сжатие при 10% лин. деформ., МПа 0,573 0,569 0,573 0,565 0,553 0,545 0,542
Твёрдость по Шору ОО, ед. 93 93 92 92 84 81 80
Объем, см3 75,34 75,19 75,26 75,54 75,86 75,92 75,95
Полиспен Прочность на сжатие при 10% лин. деформ., МПа 0,390 0,384 0,381 0,380 0,371 0,369 0,368
Твёрдость по Шору ОО, ед. 79 78 78 74 70 65 59
Объем, см3 75,12 75,38 75,52 75,54 75,94 76,06 76,14
ПСБ-С-25 Прочность на сжатие при 10% лин. деформ., МПа 0,031 0,031 0,031 0,029 0,029 0,028 0,028
Твёрдость по Шору ОО, ед. 27 27 26 23 21 21 20
Объем, см3 74,92 75,23 75,73 75,96 76,12 76,27 76,31
ПСБ-СМ15У Прочность на сжатие при 10% лин. деформ., МПа 0,040 0,040 0,040 0,039 0,037 0,036 0,036
Твёрдость по Шору ОО, ед. 22 21 21 19 17 17 15
Объем, см3 74,96 75,11 75,29 75,38 75,85 76,02 76,10
ПСБ-С-35 Прочность на сжатие при 10% лин. деформ., МПа 0,074 0,075 0,074 0,074 0,073 0,071 0,070
Твёрдость по Шору ОО, ед. 31 32 31 30 28 25 26
Объем, см3 75,15 75,24 75,48 75,63 75,88 75,98 76,12
Таким образом, в результате испытания экструдированного пенополистирола на длительное водопоглощение прочность образцов на сжатие при 10% линейной деформации в среднем уменьшается на 5,5%, твёрдость для образцов URSA N-III уменьшается на 15%, а для образцов, вырезанных из плит отечественного производства По-лиспен, - на 25%. Экструдированный пенополистирол обладает небольшим линейным расширением (набуханием), которое не превышает 1%.
Прочность на сжатие при 10% линейной деформации в результате испытания для беспрессового пенополисти-
1/2011 ВЕСТНИК _1/2011_МГСУ
рола снизилась на 10-12%, твёрдость - на 20-30%. Величина линейного расширения варьируется в пределах 1-3% и зависит от степени неоднородности структуры и размера гранул полимера. Наибольшее ухудшение физико-механических характеристик наблюдается у пенопласта, который находился в экс
плуатации. Это подтверждает развитие деструктивных процессов, вызванных действием различных эксплуатационных факторов. При натурном обследовании здания, где для теплоизоляции применялся данный материал, был выявлен износ конструкции фасада стены (рис. 8). Исследование структуры этих материалов после выдерживания в воде показало нарушение целостности ребер ячеек и развивающуюся при этом деформацию синтетических стенок ячеек, что подтверждается появлением анизотропии текстуры (рис. 3-7).
Литература
1. Коршак В.В. Технология пластических масс. - М.: Химия, 1985. - 560 е.: ил.
2. Коканин C.B. Анализ современного состояния и применения пенополистирола как теплоизоляционного материала. / Воскресенский Владимир Александрович (к 95-летию со дня рождения): материалы научных трудов Третьих Воскресенских чтений «Полимеры в строительстве». - Казань: КазГАСУ, 2009. - С. 41-42.
3. Володин В.П. Экструзия профильных изделий из термопластов. - М.: Профессия, 2005. -480 е.: ил.
4. Метод Шора [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org.
5. Гнип И.Я., Кершулис В.И. Определение водопоглощения пенополистирола по методике европейских норм/ Строительные материалы. - 2004. - №5. - С. 6-7.
References
1. Korshak V. V. Technology of plastic materials. Moscow, 1985. Pp. 560.
2. Kokanin S.V. Composition, structure and properties of foam polystyrene. Voskresensky Vladimir Aleksandrovich (to the 95 anniversary from the date of a birth): materials of proceedings of the Third Voskresensky readings «Polymers in building». Kazan, 2009. P. 43-44.
3. Volodin V. P. Extrusion of thermoplastic profile products. St. Petersburg, 2005. Pp. 480.
4. Shore method. http://ru.wikipedia.org.
5. Gnip I.J., Kershulis V.I. Determination of foamed polystyrene water absorption by methodology of European standards. Building materials. 2004. №5. P. 6-7.
Ключевые слова: пенополистирол, длительное водопоглощение, твёрдость, линейное расширение, деструкция.
Keywords: foam polystyrene, prolonged water absorption, hardness, linear growth, destruction.
Почтовый адрес: 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20 Телефон: +7(4932) 41-39-06 E-mail: s.kokanin@yandex.ru
Рецензент: Соколов Герман Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология, организация и экономика строительства» ФГОУ ВПО Костромской государственной сельскохозяйственной академии (ФГОУ ВПО Костромская ГСХА).
