CC BY
2УДК 624:678.067
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-257-259
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВ
Кондратьева Л.Е., Ковалевская Д.С.
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир E-mail: kondratieva_l_e@mail .ru
Аннотация. Дан обзор преимуществ интегральных пенополиуретанов, технологических параметров их изготовления, влияющих на свойства материала; представлены подходы к получению конструкционных (интегральных) пенополиуретанов с заранее заданными свойствами на основе зависимостей между технологическими параметрами, распределением плотности по объему изделия, механическими характеристиками; показана эффективность интегральных пенопластов в изгибаемых конструкциях; оценены состояние и перспективы использования этих материалов, в том числе в экстремальных климатических условиях.
Ключевые слова: интегральные пенопласты, интегральные пенополиуретаны, материалы с заранее заданными свойствами, конструкционные пенопласты, пластины.
Пенополиуретаны (ППУ) давно используются в самых разных сферах - строительстве, промышленности, дизайне и др. Популярность этих пенопластов обуславливается, в частности:
• низкой теплопроводностью,
• нетоксичностью в процессе эксплуатации,
• высокой огнестойкостью,
• возможностью применения в широком диапазоне температур (от -80о до 180о),
• стойкостью к перепадам температуры,
• стойкостью к гниению,
• немалой долговечностью.
Поэтому сейчас трудно представить без ППУ утепление зданий [1], теплоизоляцию трубопроводов, в том числе, магистральных [2], хладоизоляцию холодильных установок и многое другое.
Особое место занимают жесткие ППУ, отличающиеся относительно высокими механическими характеристиками, что позволяет изготавливать из них упаковку для транспортировки хрупких вещей и другие изделия, требующие достаточной прочности.
Меньше других известны так называемые интегральные ППУ (ИППУ). ИППУ характеризуются изменением по объему изготавливаемого из них изделия размеров ячеек: от сердцевины к поверхностям изделия размеры ячеек уменьшаются (иногда у поверхностей ячейки исчезают совсем) (рис. 1). Такое изменение влечет за собой изменение плотности, соответственно, изменение механических характеристик по объему изделия. По сути, в этом случае нельзя говорить отдельно о процессе изготовления материала и процессе изготовления изделия из этого материала: за единый цикл формования получают изделие заданной формы с присущим ему распределением плотности (рис. 2).
В рамках описанного общего характера распределения плотности по объему ИППУ-из-делия изменение плотности определяется технологическими параметрами изготовления и может меняться в широких пределах [3]. Такими технологическими параметрами являются: температура формы, в которой изготавливается изделие; температура и скорость поступающей в форму композиции; материал формы; тип и концентрация вспенивающего агента; скорость смешивания компонентов композиции; давление в форме. Таким образом, если известно, как каждый конкретный технологический параметр влияет на распределение плотности по объему ИППУ-изделия, есть возможность, регулируя технологические параметры, получать материал с заранее заданными свойствами.
Рисунок 1 - Пластина из ИППУ с изменением плотности по толщине
Рисунок 2 - Характер распределения плотности по толщине пластины из ИППУ
Связь технологических параметров с распределением плотности по объему ИППУ-изде-лия, как качественная, так и количественная, изучена достаточно хорошо (см., например, [4-6]). Так, увеличение температуры формы делает распределение плотности по объему ИППУ-изделия более равномерным; количественно эта связь представлена, например, в [7].
ИППУ имеют сравнительно высокие механические характеристики, что позволяет использовать их в качестве конструкционных материалов. В связи с этим появляется интересная задача проектирования (и изготовления) ИППУ с заранее заданными механическими свойствами. Базой для которой является взаимосвязь технологические параметры ^ распределение плотности по объему ^ механические характеристики (предел прочности, модуль упругости, ...).
С учетом характера распределения плотности по объему ИППУ-изделия (увеличение плотности от сердцевины к поверхностям изделия) наибольший эффект от решения этой задачи следует ожидать для изгибаемых конструкций: известно, что при изгибе пластин и балок нормальные напряжения увеличиваются от середины к верхней и нижней поверхностям, а это соответствует изменению плотности (значит, и прочности) в ИППУ (рис. 1, 2). Таким образом, прочностные возможности материала могут использоваться наиболее полно.
Как сказано выше, влияние технологических параметров изготовления ИППУ-изделий на распределение плотности изучено достаточно хорошо. Зависимость механических характеристик от плотности для ИППУ также изучена и описывается формулой [8]
р
М = Мр(—)п, Рр
где М — механическая характеристика материала с плотностью р; Мр — соответствующая механическая характеристика полимера-основы пенопласта; рр — плотность полимера-основы пенопласта; п — экспериментальная постоянная, зависящая от вида механической характеристики и вида пенопласта.
Для расчета напряженно-деформированного состояния изгибаемых ИППУ-элементов предложены формулы, основанные на данных по распределению плотности по сечению [9]. На основе этих зависимостей и формул могут проектироваться изгибаемые ИППУ-изделия конкретных форм и размеров с требуемыми прочностью и жесткостью; условиями обеспечения требуемых прочности и жесткости будут определенные технологические параметры изготовления ИППУ-изделия.
Есть опыт применения интегральных пенопластов в промышленности и строительстве в качестве легких конструкционных материалов. В сочетании с высокими теплоизоляционными показателями, возможностью применения в широком диапазоне температур, стойкостью к перепадам температур и отработанной технологией производства, представленные преимущества интегральных пенопластов приобретают особое значение в условиях недостатка местных, в том числе, строительных материалов, на Крайнем Севере [10-13].
Список литературы
1. ГОСТ Р 59561-2021. Изделия теплоизоляционные из пенополиуретана (ППУ) и пенопо-лиизоцианурата (ПИР) для строительства, напыляемые на месте производства работ. Жесткие пенополиуретановые и пенополиизоциануратные системы перед применением. Технические условия.
2. ГОСТ Р 57385-2017. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Строительство магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Тепловая изоляция труб и соединительных деталей трубопроводов.
3. Берлин А. А., Шутов Ф. А. Упрочненные газонаполненные пластмассы. М.: Химия, 1980. 224 с.
4. Есипов Ю.Л., Васильев А.С., Турецкий Л.В. и др. Основные принципы формования изделий из жестких пенополиуретанов // Химия и технология производства, переработки и применения полиуретанов и исходного сырья из них: Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания. Часть 2. Владимир, 1976. С. 194-195.
5. Клабукова Л.Ф., Островерхова В.В., Подорожко Е.А. Регулирование свойств жестких интегральных пенополиуретанов // Прогрессивные полимерные материалы, технология их переработки и применение: Тезисы докладов научно-технической конференции. Ростов-на-Дону, 1988. С. 145.
6. Крагис И.Ж., Стирна У.К., Алкснис А.Ф. Физико-механические свойства жесткого интегрального пенополиуретана // Механика полимеров. 1977. Том 13, № 2. С. 310-312.
7. Абрамов С.А., Заломаев Ю.Л., Храмова З.Н. Формование изделий из жесткого интегрального пенополиуретана // Пластические массы. 1975. № 11. С. 29-30.
8. Хильярд Н.К., Янг Дж., Менгес Д., Книпшилд Ф., Вульф Г.В., Мендельсон М.А., Строун Дж.Л., Месвен Дж.М., Доусон Дж.Р., Лаксмур А.Р., Оуен Д.Р.Дж. Прикладная механика ячеистых пластмасс. М.: Мир, 1985. 360 с.
9. Кондратьева Л.Е., Телегин В.А. Расчет конструкций из интегральных пенопластов // Механика композитных материалов. 1989. № 2. С. 312-317.
10. Чистяков А.М., Расс Ф.В., Панферов К.В., Тюзнева О.Б., Годило П.В., Ермолов С.Б. Применение конструкционных пенопластов в легких ограждающих конструкциях // Пластические массы. 1974. № 10. С. 71-73.
11. Шмыгля Т.А. Использование ячеистых пластмасс в ограждающих конструкциях зданий Крайнего Севера // Полимерные материалы в гражданском строительстве на Крайнем Севере: Сборник научных трудов. Л.: ЛенЗНИЭП, 1983. С. 10.
12. Тимошенко А.Т. Исследование полимерных ограждающих конструкций повышенной теплозащиты и теплоустойчивости: 01.04.19 // Дис. ... канд. техн. наук. Якутск: ИФТПС СО АН СССР, 1982. 148 с.
13. В России создан новый теплоизоляционный материал для Арктики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://sudostroenie.info/novosti/39485.html. - 20.07.2024.
