CC BY
28УДК 691.175
С.А. МАМОНТОВ, инженер (kardinal61@mail.ru), О.А. КИСЕЛЕВА, канд. техн. наук, Тамбовский государственный технический университет
Тепловое старение пенопластов, применяемых в ограждающих конструкциях
В последнее время пенопласты получили широкое применение в строительстве в качестве теплоизоляции. Одним из существенных недостатков этих материалов является их подверженность старению (тепло- и фото-), приводящая к изменению физико-механических свойств, а зачастую и структуры материала [1, 2]. Защитить материал от действия солнечного света возможно, используя различные покрытия. С теплостаре-нием все сложнее.
В качестве объектов исследования взяты такие пенопласты, как пенополистирол ПСБ-С35 и жесткий пенополиуретан Изолан 210—1.
Проведение испытаний на старение в реальных (естественных) условиях требует больших затрат времени, поэтому для ускорения процессов теплового старения образцы подвергались действию температуры 60 и 80оС в течение заданного времени (1). Такой режим испытаний выбран на основе анализа существующих по данному направлению работ. Использование более высокой температуры нецелесообразно, так как полистирол относится к термопластам и при температуре выше 90—110°С (в зависимости от марки) происходит оплавление образцов пенополистирола со значительным уменьшением объема. Затем образцы термостатировали при комнатной температуре (18—20оС), после чего проводили испытания по определению физических (изменение массы, плотности, водопоглощения по объему Wo) и механических (прочность при поперечном изгибе ст и твердость Н) свойств.
Для пенопластов не предусмотрены стандартные испытания на твердость при пенетрации, однако изменение данной характеристики позволяет судить о старении поверхностных слоев. Для измерения твердости использован метод Бринелля, который часто применяется при определении твердости строительных материалов и отличается простотой и доступностью. Полученные зависимости представлены на рис. 1.
Проследим, как влияет тепловое старение на структуру и физико-механические свойства пенопластов. Под действием тепла в пенополистироле и пенополи-
уретане происходит выгорание отдельных компонентов, приводящее к незначительному снижению их массы и уменьшению размеров. После 150 ч действия фактора наблюдается увеличение плотности, что, в свою очередь, способствует ухудшению теплофизических свойств пенопластов [3].
Пенополистирол состоит из мелкоячеистых сферических частиц (гранул) диаметром 3—10 мм, спекшихся между собой. Между гранулами имеются пустоты объемом 2—4%. Таким образом, структура представляет собой совокупность полых тонкостенных ячеек разнообразной формы, стенки которых образованы полимером-основой [3]. При нормальных условиях стенки ячеек непроницаемы для воды. Она проникает в материал только по каналам между ними, поэтому сам пенопласт обладает низкой величиной водопоглощения и набухания. После воздействия теплового старения в течение 10 ч в пенополистироле происходит разрушение отдельных связей, соединяющих ячейки, что увеличивает его водопоглощение в 2 раза (рис. 1, в). В свою очередь, утеплитель является зоной возможной конденсации паров в ограждающей конструкции и при переменном замораживании-оттаивании может рассыпаться на гранулы.
Разрушение отдельных связей в пенополистироле, а также другие изменения структуры подтверждаются и дилатометрическими испытаниями [2]. Что касается механических свойств пенопласта (прочность и твердость), то наличие дефектов также способствует снижению их величины (рис. 1, а, б).
Дальнейшее действие повышенной температуры (до 50 ч) приводит к образованию на поверхности материала непрерывной пленки за счет оплавления отдельных ячеек. Пленка препятствует проникновению воды в глубь материала и возникновению начальных трещин в растянутой зоне образца при испытаниях на поперечный изгиб. В результате наблюдается увеличение прочности и снижение величины водопоглощения (до первоначального значения). Незначительный рост твердости пенополистирола начинается только после 50 ч те-
а а, МПа
0,8 ■
Н, МПа
0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3
<г ---»V
р ч
/ Ч
ч
N
>1
, - п _
г 2
0
100
200
0,37 0,35 0,33 0,31 0,29 0,27 0,25
W0, %
\ 1
\ \
__ ,-<Г """ 2
300 t, ч
100
200
300 t, ч
Ц,
V У У
у 2
0-
100
200
3001, ч
Рис. 1. Влияние теплового старения на свойства пенополиуретана (1) и пенополистирола (2): а - прочность при поперечном изгибе; б - твердость по Бринеллю; в - водопоглощение по объему
б
в
0
0
научно-технический и производственный журнал
60 август 2011
iA ®
Рис. 2. Микрофотографии пенополиуретана Изолан 210-1: а - до теплового старения; б - после 5 ч теплового старения при температуре 140оС [5]
плового старения, что объясняется утолщением пленки (рис. 1, б).
После 150 ч действия фактора наблюдается значительное замедление процессов (рис. 1). Однако при длительном теплостарении (более 300 ч) происходит разрушение радикалов самого полистирола (пленка на поверхности пенопласта начинает разрушаться) [1].
Пенополиуретан имеет мелкоячеистую структуру. За счет состава полимера его старение протекает с другой скоростью. В первые 50 ч действия фактора наблюдается незначительное поверхностное разрушение материала (отдельные связи лопаются), что подтверждается дилатометрическими испытаниями и микрофотографиями (рис. 2) [4, 5]. В результате твердость материала падает (рис. 1, б). Однако с первых же часов процесс старения сопровождается образованием новых связей в пенопласте в результате доотверждения полимера. Данное явление характерно для большинства материалов на основе термореактивных полимеров и приводит к росту механических свойств в первые часы старения [6]. В результате гидрофизические свойства пенополиуретана не изменяются, а прочность увеличивается.
После 150 ч действия фактора разрушение связей происходит интенсивнее и на большей глубине, что приводит к снижению прочности и увеличению водопо-глощения пенополиуретана (рис. 1, а, в).
Большое влияние на свойства пенопластов оказывает не только длительность теплового старения, но и температура. При 60оС процесс протекает медленнее. Разрушение отдельных связей между ячейками происходит в течение первых 100 ч, а при 80оС — 10 ч. При этом дефектов образуется меньше и свойства меняются незначительно. В следующие 100 ч старения свойства пенополистирола восстанавливаются за счет образования пленки на ее поверхности [7].
Старение пенополистирола осуществлялось также и в естественных условиях под прямыми солнечными лучами при средней температуре воздуха 35оС в течение 630 ч (1 год для средних широт). В данном случае процессы протекали очень медленно. После 630 ч показатели плотности и водопоглощения пенопласта соответствуют показателям, полученным после 150 ч теплового старения при 80оС. В то же время прочность снизилась на 11%, а твердость на 12,5%, что соответственно равно 5 и 50 ч теплового старения при 80оС. Разная скорость изменения физических и механических свойств объясняется отсутствием пленки на поверхности пенополи-стирола, состаренного в натурных условиях.
Из полученных данных можно сделать следующие выводы.
Для пенополистирола в отличие от ППУ характерно значительное изменение свойств на начальном этапе теплового старения. Однако большее влияние данный фактор оказывает на ППУ.
Для увеличения срока службы пенопластов, применяемых при теплоизоляции, необходимо снижать тем-
пературу на их поверхности в летнее время и повышать в зимнее. Добиться этого можно использованием дополнительных покрытий из другого теплоизоляционного материала, например древесных плит.
Полученные данные позволяют приблизить результаты ускоренных лабораторных испытаний к результатам старения в естественных условиях: 300 ч теплового старения пенопластов при 80оС соответствуют 2 годам их эксплуатации (южные районы) по физическим свойствам и 12 годам — по механическим.
Таким образом, становится возможным разработать методику прогнозирования долговечности пенопластов, работающих в условиях теплового старения.
Список литературы
1. Дементьев А.Г. Старение и долговечность пенопластов строительного назначения // Пластические массы. 1991. № 12. С. 45-49.
2. Мамонтов С.А., Киселева О.А. Влияние старения на структуру и свойства пенополистирола // Пластические массы. 2011. № 5. С.3-5.
3. Дементьев А.Г., Тараканов О.Г. Структура и свойства пенопластов. М.: Химия, 1983. 176 с.
4. Мамонтов С.А., Киселева О.А. Влияние старения на свойства пенополиуретана // Материалы международных академических чтений РААСН «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения». Курск, 2010. С. 85-87.
5. Ярцев В.П., Лысенко Н.В. Влияние температуры и нагрузки на долговечность пенополиуретана // Пластические массы. Синтез. Свойства. Переработка. Применение. 2006. № 2. С. 223-226.
6. Павлов Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях М.: Химия, 1982. 220 с.
7. Мамонтов С.А., Киселева О.А. Влияние температуры на стойкость пенополистирола к тепловому старению // Сборник научных статей магистрантов. Направление «Строительство». Вып. 21. Тамбов, 2011. С. 23-25.
fj научно-технический и производственный журнал
® август 2011 6?
