CC BY
64
Влияние технологических и конструктивных факторов на долговечность пенополистирола
В.П.Ярцев, О.А.Киселева, А.А.Мамонтов, С.А.Мамонтов
В настоящее время одним из самых распространенных теплоизоляционных материалов является беспрессовый пе-нополистирол (ПСБ-С). Это объясняется большими запасами сырья, сравнительно простой технологией производства и легкостью обработки, а также благоприятным сочетанием его физико-механических свойств: малый объемный вес, низкая тепло- и звукопроводность, стойкость к действию воды [1]. К недостаткам данного пенопласта можно отнести низкую прочность и теплостойкость, малую жесткость, а также слабую стойкость к тепло- и фотостарению, что негативно сказывается на его долговечности. В связи с этим была поставлена задача повышения долговечности пенополистирола путем увеличения его прочностных характеристик с учетом факторов старения.
Для устранения перечисленных недостатков выполнялось армирование пенополистирола ПСБ-С35 стеклохолстом и сте-клотканевой сеткой с размером ячеек 2х2 и 5х5 мм. При этом армирующие материалы приклеивали либо снаружи пенопласта, либо внутри, разделяя его толщу на два, три и четыре слоя. Толщина слоев принималась равной 7, 10, 15 и 20 мм. Склеивание выполнялось специальным водостойким и термостойким клеем «TITAN», инертным к перечисленным материалам.
Выбор толщины и количества слоев пенопласта в конструкции осуществляли с учетом результатов кратковременных испытаний поперечным изгибом образцов пенополистирола
с внутренним армированием. Было установлено, что для многослойных конструкций армированного пенополистирола оптимальной является толщина слоя пенопласта, равная 10 мм, а количество слоев определяется материалом армирования. При этом пенополистирол с прослойкой из стеклохолста прочнее, чем с прослойкой из стеклотканевой сетки. Результаты испытания образцов представлены в таблице 1.
Испытания показали, что при устройстве внешнего армирования более прочным является пенополистирол, покрытый стеклосеткой.
Также рассматривалось комбинированное армирование пенополистирола, при котором армирующий материал размещался одновременно внутри и снаружи конструкции. Такое армирование повышает прочность пенополистиола в 1,3 - 2,7 раза в зависимости от вида конструкции (табл. 1).
На основе полученных результатов были выбраны оптимальные конструкции армированного пенополистирола марки ПСБ-С35, представляющие собой плиту с двумя армирующими прослойками и покрытием из стеклохолста или с армирующей прослойкой и покрытием из стеклосетки (рис.1 а).
Физико-механические характеристики, определенные при кратковременных испытаниях, не могут служить критерием оценки длительной работоспособности пенопласта. В связи с этим для оптимальных конструкций были получены зави-
Таблица 1. Результаты испытаний образцов армированного пенополистирола ПСБ-С35
Способ армирования Материал армирования Количество слоев пенопласта Толщина слоя пенопласта, мм Прочность при изгибе, МПа Твердость, МПа
Отсутствует - 1 20 0,39 0,31
Сетка (5х5мм) 1 20 0,96 0,55
Внешний Сетка (2х2мм) 1 20 0,89 0,55
Стеклохолст 1 20 0,72 0,50
Стеклохолст 2 10 0,45 0,33
Внутренний 3 10 0,5 0,27
Сетка (2х2мм) 2 10 0,42 0,34
3 10 0,4 0,27
Стеклохолст 3 10 0,51 0,51
Комбинированный Сетка (2х2мм) 2 10 1,06 0,47
Внутри - стеклохолст, снаружи - сетка (2х2) 3 10 0,79 0,47
симости долговечности от напряжений при изгибе (рис.1 б) [2]. Изучение прочностной долговечности вели с позиций термофлуктуационной концепции разрушения и деформирования твердых тел [3].
Из рисунка 1 видно, что армирование повышает долговечность пенополистирола. Наибольшей прочностной долговечностью характеризуется пенопласт, армированный стеклосеткой.
Экспериментальное определение долговечности сводится к построению семейства прямых в координатах 1д т - с и выявлению аналитических зависимостей, связывающих основные параметры работоспособности материала: время эксплуатации, напряжение и температуру (рис. 2) [3].
Все экспериментальные зависимости, выраженные в координатах 1д т - с, имеют линейный характер, но их вид определяется способом армирования. Так, для конструкции, состоящей из двух слоев пенополистирола с прослойкой и покрытием из стеклотканевой сетки, а также конструкции из трех слоев с прослойкой из стеклохолста и покрытием из стеклосетки зависимость представлена параллельными прямыми (рис. 2 б, в).
Для пенополистирола с прослойкой и покрытием из стеклохолста зависимость выражена прямыми, сходящимися в одной точке (прямой пучок) (рис. 2 г). Аналогичная зависимость в виде прямого пучка наблюдается и для неармированного пенополистирола ПСБ-С35 (рис. 2 а).
а)
б) 1д х, с
7
■ \ \
\
\ \
1 \
\ \ (3)
(1)* (2)1 1
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 и, МПа
Рис. 1: а) образцы пенополистирола, армированного стеклохолстом (1), стеклосеткой (2), без армирования (3); б) зависимость долговечности (1д т, с) от напряжений при изгибе (с, МПа) при температуре 293 К для пенополистирола ПСБ-С35: (1) - неармированного; (2) - армированного стеклохолстом; (3) - армированного стеклосеткой
а) 1д х, с
4
2
О -2 -4
-V * 291 К . 2ЭЗК о 303 К
с
о •З^-ЗГЧ 333 К
ч
б) 1д х, с
о
4
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 сг, МПа
о Т=293К
N "=313К
Ч \
ч ЛТ=ЗЗЗК
N
N
V V
ч
0,6 0,8
1,0
1,2 и, МПа
в) 1д х, с
7
« т= 2ЭЗК 313К
V □ I =
N Д | = зззк
N
г) 1д х, с
' 6 4
2 О -2 -4
-6
15
^Т=293К ■Т=ЗЗЗК
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 сг, МПа 0,2
0,4
0,6
0,8 и, МПа
Рис. 2. Зависимость долговечности от напряжения при поперечном изгибе для пенополистирола ПСБ-С35: а) неармированного [4] ; б) с прослойкой и покрытием из стеклосетки; в) с двумя прослойками из стеклохолста и покрытием из стеклосетки; г) с двумя прослойками и покрытием из стеклохолста
2 2013 113
Механизм разрушения в первом и во втором случае сходен, оно начинается с развития трещин в растянутой зоне. Холст частично впитывает клей, снижая толщину клеевого шва, и уменьшает его пластифицирующее действие.
Представленные на рисунке 2 зависимости описываются следующими уравнениями [3]:
■ для прямого пучка :
т = тт ехр
■ для обратного пучка :
т = т'т ехр
Щ-Г-о ЯТ
ят
1--Г
V
1ОТ
-1
-для параллельных прямых :
т = т* ехр
и
ИТ
ехр ¡За)
(1)
(2)
(3)
где Тт - минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц: атомов, молекул, сегментов), с; и 0 -
максимальная энергия активации процесса разрушения или размягчения, кДж/моль; у, р - структурно-механические константы, кДж/(моль*МПа); Тт - предельная температура существования твердого тела (разложения или размягчения), К; К - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль*К); Т - время до разрушения (прочностная долговечность), с; а -напряжение при изгибе, МПа; Т - температура, К; Тт , Т*, Т 'т, и '0, и, у' - эмпирические константы.
Значения термофлуктуационных констант, входящих в уравнения (1) - (3), определены графоаналитическим способом [3] и приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что при армировании пенополистирола наблюдается изменение величин всех констант. При использовании в качестве армирующего материала стеклохолста энергия активации Ц увеличивается, а предельная температура Т уменьшается. Уменьшение константы Т связано с наличием
т * т
Таблица 2. Значения физических констант для армированного пенополистирола ПСБ-С35 при поперечном
Вид конструкции Константы
Т с т, Т , к т' и0 (Ц), кДж/ моль у, кДж/ (моль • МПа) в, 1/МПа
Неармированный пенополистирол [4] 10-2,9 526,3 200 515,3 -
3 слоя пенополистирола с прослойками и покрытием из стеклохолста 10"3-7 434,8 300 400 -
3 слоя пенополистирола с прослойками из стеклохолста и покрытием из стеклосетки 10-2-6 - (70,7) - 9
2 слоя пенополистирола с прослойкой и покрытием из стеклосетки 10-12-6 - (129,6) - 7,5
Таблица 3. Влияние тепло- и фотостарения на величины физических и эмпирических констант при разрушении поперечным изгибом ПСБ-С35
Т т (Тm*,Т.), с Т (Т *) К т 4 т ', и0 (и;, и), кДж/моль у (у*), кДж/(моль • МПа) в, 1/МПа
Без старения [4] 10-2-9 526,3 200 515,3 -
УФ -облучение
293...313К 10177 - 62,28 - 39,9
0 «ч 313...333К 100-98 345 716,4 2577,5 -
ч 293...313К 100-4 342 512 1679 -
0 0 <м 313...333К 103-02 265 -153,33 -791,11 -
Тепловое старение
50 ч 102-32 - 61,6 - 41,4
200 ч 101'08 400 346,11 1221,7 -
клеевой прослойки, химическии состав которой отличается от химического состава пенополистирола. Изменение энергии активации свидетельствует о ведущей роли в процессе работы армирующего элемента, который сдерживает разрушение пенопласта. При введении стеклосетки энергия активации падает, но кроме этого, сильно уменьшается и величина предэкспоненты тт. Изменение величины последней говорит о том, что в материале изменяется размер кинетических единиц.
При прогнозировании долговечности пенополистирола необходимо учитывать его низкую стойкость к старению, 1д х, с
,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34 0,3В а, МПа
Рис. 3. Прямые долговечности для пенополистирола ПСБ-С35:
1 - после 250 часов теплового старения;
2 - после 250 часов фотостарения;
3 - не подверженного старению
а)
1д х, с
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5
0 0,2
в) 1д х, с
5
оТ=293К п Т=313К дТ=ЗЗЗК
\ V
\ N
к Ч
к4
\
т!
0,24
0,28
СГ, [V
приводящему к необратимому изменению структуры и свойств материала с течением времени в результате совокупности физических и химических превращений. Подобные превращения под влиянием длительного действия различных факторов могут привести как к ухудшению эксплуатационных характеристик изделия, так и к полной потере работоспособности [5]. Существенное влияние на старение материалов оказывают такие внешние факторы, как температура и солнечная радиация, особенно ее УФ-часть. При этом оперируют понятиями теплового старения и фотостарения соответственно [5]. В работе [6] исследована долговечность пенопласта ПСБ-С35 с учетом указанных факторов.
При действии УФ-облучения на поверхности пенопласта протекают реакции фотодеструкции полимера, которые вызывают изменение цвета материала и нарушение его сплошности - появляется шероховатость. В результате прочность и долговечность материала уменьшаются, поскольку в поверхностных наиболее нагруженных слоях создаются благоприятные условия для развития трещин. При термическом старении материал ведет себя иначе. Длительное действие температуры 800С приводит к образованию пленки, которая препятствует развитию трещин в растянутой зоне и способствует увеличению прочности и долговечности материала (рис. 3).
Тепловое старение и УФ-облучение приводят к изменению структуры пенопласта, что отражается на изменении вида зависимостей долговечности от напряжения (рис. 4) [6].
б) 1д х, с
4-
Па
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
О >293 К □ Т=313К йТ=ЗЗЗК
ч
к:- \
4 Хг^^п \
0,18 0, 23 о,: 28 а, М
Па
о Т=293 К □ Т=313 К
К
N 4 ч й I-
N ^ ч N
1 гк \ 1
0
г) 1д х, с 6'
оТ=293К □ Т=313К дТ=ЗЗЗК
-^^ к
к 1
1 и
К ч.
0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 а, МПа 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 сг. МПа
Рис. 4. Зависимость долговечности от напряжения при поперечном изгибе ПСБ-С35 после: а) 50 часов УФ-облучения; б) 200 часов УФ-облучения; в) 50 часов теплостарения при 800С; г) 200 часов теплостарения при 800С
2 2013
115
Процессы фотохимической деструкции, протекающие под действием ультрафиолетового облучения в течение 50 часов, нарушают только поверхностные слои. Увеличение продолжительности облучения до 200 часов способствует дальнейшему распространению дефектов в глубь пенопласта, что отражается на зависимости lg т - ст. Она принимает сложный характер, а материал становится более чувствительным к температуре (рис. 4 а, б).
Длительное прогревание пенопласта также приводит к изменению его структуры. Реакции термодеструкции, протекающие по всей толщине материала, делают его нестабильным и способствуют ослаблению связей. Данный факт подтверждается зависимостью, принимающей вид параллельных прямых (рис. 4 в). Вместе с тем на поверхности образцов появляется пленка, препятствующая образованию трещин в растянутой зоне.
При дальнейшем действии повышенных температур в течение 200 часов происходит образование новых связей, структура становится более стабильной, а семейство веерообразных прямых сходится в точку, образуя так называемый прямой пучок (рис. 4 г).
Представленные на рисунке 4 зависимости описываются уравнениями (1) - (3). Значения термофлуктуационных констант представлены в таблице 3.
Из таблицы видно, что тепло- и фотостарение приводят к изменению всех констант.
Проведенные исследования показали, что армирование является эффективным способом повышения эксплуатационных характеристик пенополистирола, поскольку в 1,3 - 2,7 раза увеличивает его прочность, в 2 раза уменьшает термическое расширение, повышает на 40% стойкость к теплоста-рению и фотостарению. При этом пенопласт становится в 2 раза долговечнее. Установлено, что при прогнозировании долговечности пенополистирола необходимо учитывать действие факторов старения.
Литература
1. Годило П.В., Патуроев В.В., Романенков И. Г. Беспрессовые пенопласты в строительных конструкциях. М.: Стройиздат, 1969.
2. Мамонтов А.А., Киселева О.А. Влияние армирования на долговечность пенополистирола // Материалы международных академических чтений «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения». Курск: Издательство КГУ, 2010. С. 80-85.
3. ЯрцевВ.П. Прогнозирование работоспособности полимерных материалов в деталях зданий и сооружений. Тамбов: Издательство ТГТУ, 2001.
4. Андрианов К.А., Ярцев В.П. Определение долговечности пенополистирола под нагрузкой // Материалы пятых академических чтений РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения». Воронеж, 1999. С. 22-24.
5. Павлов Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях. М.: Химия, 1982.
6. Киселева О.А., Мамонтов С.А. Влияние старения на долговечность пенополистирола // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И.Вернадского. 2012. №2. С. 39-44.
Literatura
1. Godilo P.V., Paturoyev V.V., RomanenkovI.G. Bespresso-vyye penoplasty v stroitelnykh konstruktsiyakh. M.: Stroyizdat, 1969.
2. Mamontov A.A., Kiseleva O.A. Vliyaniye armirovaniya na dolgovechnost penopolistirola // Materialy mezhdunarodnykh akademicheskikh chteniy «Bezopasnost stroitelnogo fonda Rossii. Problemy i resheniya». Kursk: Izdatelstvo KGU, 2010. S. 80-85.
3. Yartsev V.P. Prognozirovaniye rabotosposobnosti poli-mernykh materialov v detalyakh zdaniy i sooruzheniy. Tambov: Izdatelstvo TGTU, 2001.
4. AndrianovK.A., Yartsev V.P. Opredeleniye dolgovechnosti penopolistirola pod nagruzkoy // Materialy pyatykh akademicheskikh chteniy RAASN «Sovremennyye problemy stroitelnogo materialovedeniya». Voronezh, 1999. S. 22-24.
5. Pavlov N.N. Stareniye plastmass v yestestvennykh i iskusstvennykh usloviyakh. M.: Khimiya, 1982.
6. Kiseleva O.A., Mamontov 5.A. Vliyaniye stareniya na dolgovechnost penopolistirola // Voprosy sovremennoy nauki i praktiki. Universitet im. V.I.Vernadskogo. 2012. №2. S. 39-44.
The Impact of Technological and Structural Factors on the
Durability of the Expanded Polystyrene. By V.P.Yartsev,
O.A.Kiseleva, A.A.Mamontov, S.A. Mamontov
The expanded polystyrene is an effective heat insulation material. However, low strength, low hardness and weak resistance to aging makes it short-lived. The paper presents the increase of durability of foam plastic by its reinforcement by fiberglass mesh and fiberglass. The designs of reinforced expanded polystyrene with the improved mechanical properties are proposed. In this article the influence of thermal ageing and photoaging on the durability of expanded polystyrene are studied. It is shown that the prediction of durability of foam plastic must be carried out taking these factors into account, because their long influence leads to degradation of operational characteristics of the material.
Ключевые слова: пенополистирол, армирование, сте-клотканевая сетка, стеклохолст, долговечность, тепловое старение, фотостарение.
Key words: expanded polystyrene, reinforcement, fiberglass mesh, fiberglass, durability, thermal ageing, photoaging.
