Главная > АМИНОПЛАСТЫ > ПЕНОПЛАСТЫ НА ОСНОВЕ АМИНОСМОЛ

ПЕНОПЛАСТЫ НА ОСНОВЕ АМИНОСМОЛ

Одним из наиболее распространенных синтетических пенопластов является материал на основе карбамидной смолы, известный под названием ипорка еще с 1930 г. Существует несколько методов по­лучения пенопластов:

1) вспенивание вязких полимерных композиций под действием газа, выделяющегося при разложении органических газообразова - телей (обычно порофора) при повышенной температуре в опре­деленной среде;

2) введение в смолу сжатого газа или легкокипящих жидко­стей. После снятия давления или прекращения нагревания выдет ляется газ и образуется ячеистая структура пенопласта;

3) непосредственное введение газа в низковязкий полимер при механическом взбивании быстро вращающейся мешалкой.

Преимуществом последнего метода является исключение»доро- гостоящего эмульгатора, легкость проведения процесса непрерыв­ным способом и высокая производительность аппаратуры. К не­достаткам относится прежде всего тот факт, что пенопласт отличается низкой плотностью из-за наличия межклеточных ка­пилляров, Этот метод применяется для получения пенопласта на основе карбамидной смолы.

ПОЛУЧЕНИЕ ПЕНОПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДНЫХ СМОЛ

Кратность пены — это отношение объема пены к объему жидкости, из которой она образована. Кратность пены увеличивается с ро­стом размеров ячеек и увеличением их числа, а следовательно, с уменьшением толщины стенок. Уменьшение толщины стенок ячеек пены возможно только до определенного предела, опреде­ляемого равновесием между давлением газа внутри ячйки и проч­ностью пленки, образующей стенки ячейки. Если давление газа превышает предел прочности пленки жидкости, образующей стенки ячеек, то происходит разрыв стенок и исчезновение пены. Если скорость исчезновения пены и скорость вспенивания равны, пена достигает максимальной кратности, объем ее не увеличивается и при дальнейшем перемешивании.

Уменьшения кажущейся плотности карбамидной пены можно достигнуть разбавлением смолы. В то время как толщина стенок ячеек перед отверждением остается без изменений, содержание в них сухого вещества, а следовательно, толщина и масса, умень­шаются.

Начальная стадия

подпись: 
начальная стадия
Пена, не содержащая отвердителя, оседает, и структура ее по истечении определенного времени разрушается. Механизм исчез­новения пены (коагуляция) состоит в стекании двух параллельных поверхностных слоев жидкости, находящейся у стенок ячеек, в ре­зультате чего стенки становятся все тоньше и в конце концов ло­паются. Подобный процесс может протекать на наружной по­верхности пены при испарении жидкости. Стабильность пены ха­рактеризуется скоростью ее оседания. С ростом вязкости жидкости скорость стекания ее со стенок ячеек уменьшается, и стабильность пены возрастает. Мерой стабильности пены21 является продолжительность ее полного исчезновения в наполненной вертикальной стеклянной трубке дли­ной 1 м.

Ка

подпись: ка ПЕНОПЛАСТЫ НА ОСНОВЕ АМИНОСМОЛ

Конечная стадия

Рис. X. 1. Схема роста и строения ячеек пенопласта, полученного введением га­зов в смолу (а) и механи­ческим взбиванием (б).

подпись: конечная стадия
рис. x. 1. схема роста и строения ячеек пенопласта, полученного введением газов в смолу (а) и механическим взбиванием (б).
Метод образования газа из жидкости с помощью эмульгатора или легкокипя - щих жидкостей и метод введения газа при механическом взбивании пены при­водят к получению пены различной структуры1 (рис. X. 1). При механичес­ком «вбивании» газа в жидкость каждый возникший пузырек имеет собственную оболочку из жидкости. Если ячейки пены разрастаются и соприкасаются, происхо­дит их взаимное сжатие и деформация поверхности, и находя­щийся в местах соприкосновения ячеек воздух образует так на­зываемые треугольники и капилляры Гиббса24 и занимает опреде­ленный объем пены. Объем, занятый этими капиллярами, в большой степени зависит от структуры пены. Карбамидная пена состоит из закрытых ячеек и открытых пространств между ячей­ками. От объема каналов Гиббса зависит водопоглощение пены.

Для производства пенопластов используют обычно карбамид- ную смолу с понижен ным-ходержа ни ем, свободного формальдегида. Поликонденсация проводится до получения вОзможнО более вязкой смолы, что увеличивает стабильность пены. От степени разбавле­ния смолы зависит кажущаяся плотность пенопласта. Для умень­шения хрупкости готового продукта можно вр._время поликонден­сации вводить пластифицирующие вещества, ^например глицерин, гексанатриол и др. Необходимым условием получения достаточно стабильной пены является наличие в реакционной массе поверх­ностно-активных веществ, снижающих поверхностное натяжение.

Пенообразователи (эмульгаторы) представляют собой соеди­нения, содержащие сильнополярные группы при углеводородных

Радикалах. Эти соединения адсорбируются на границе вода — воз­дух, причем происходит гидратация полярных групп, которые прочно связываются с молекулами воды в результате электроста­тического взаимодействия. Молекулярный слой пенообразователя находится на поверхности жидкости, Образуя стенки ячеек пены. Неполярные углеводородные радикалы направлены в сторону га­зообразной фазы. По мере увеличения концентрации пенообразо­вателя поверхностное натяжение уменьшается, а легкость образо­вания пены и ее стабильность возрастают, достигая максимума при неполном насыщении поверхности низкомолекулярными поляр­ными пенообразователями15. Для каждого пенообразователя су­ществует определенная оптимальная концентрация.

Известнр много пенообразователей разных типов, например мыла, мерсоли, игепоны, сапамины и т. п. Для получения пено­пласта на основе карбамидной смолы пригодны только пенообра-1 зователи, которые активны как в нейтральной, так и в кислой среде (при pH 2—3), Пенообразователи, разлагающиеся в кислой среде и уменьшающие кислотность среды (например, мыла), не пригодны. При использовании веществ, активных в нейтральной среде и неактивных в кислой, можно получать пену, которая осе­дает сразу же при подкислении смолы2б.

В качестве катализаторов при получении пенопластов обычно применяют фосфорную кислоту; она характеризуется быстрым ка­талитическим действием, не вызывает коррозии ни аппаратуры, ни металлических деталей, с 'которыми соприкасается пенопласт, спо­собствует получению стабильной пены. Иногда в - качестве катали­заторов применяют сульфированные углеводороды.

Получение пенопласта на основе карбамидной смолы может осуществляться периодическим и непрерывным методами. Перио­дический метод широко применялся при зарождении производства пенопластов; в настоящее время он представляет только историче­ский интерес. При получении пенопласта этим методом пену взби­вают в цилиндрическом сосуде с помощью быстро вращающейся мешалки. В сосуд вводят смолу, содержащую растворенный пено­образователь, а в конце взбивания добавляют разбавленный рас­твор кислого катализатора. По другому способу вспенивают рас­твор пенообразователя с катализатором, а потом вводят раствор карбамидной смолы в готовую пену. Преимущество второго спо­соба состоит в том, что используют сильно разбавленную кислоту, и поэтому не происходит подкисления смолы, что способствует увеличению однородности и стабильности пены. Жизнеспособность пены (период от момента смешения смолы с кислотой до начала желатинизации) зависит от ее температуры и количества добав­ленного катализатора и равняется 1—3 мин. Это дает возмож­ность выгружать неотвержденную пену в формы и обусловливает быстрое последующее отверждение.

Непрерывным способом пенопласт получают в цилиндрическом вертикальном бункере, снабженном быстро вращающейся мешал­

Кой (рис. X. 2). Сырье поступает в цилиндр через четыре трубо­провода. Сначала вводят раствор кислоты и пенообразователя (трубопровод 1). По трубопроводу 2 под давлением подается такое количество воздуха, которое необходимо для получения задан­ного объема пены. Пена проталкивается воздухом и лопастями ме­шалки вниз, в направлении выпуска. По трубопроводу 3 в пену вводят 40%-ный раствор карбамидной смолы. Происходит быстрое перемешивание, причем смола равномерно растекается по пленке пены-носителя. Раствор карбамидной смолы в случае необходимо­сти можно разбавить водой, которая подается по трубопроводу 4.

ПЕНОПЛАСТЫ НА ОСНОВЕ АМИНОСМОЛ

Рис. X. 2. Схема устройства для непрерывного производства пено­пласта на основе карбамидной смолы:

/ — трубопровод для подвода смеси воды, кислоты и пенообразователя; 2 воз­духопровод; 5 —трубопровод раствора карбамидной смолы; 4 —трубопровод воды-разбавителя; 5-бункер-мешалка; б —ленточный транспортер.

Смола находится в аппарате в течение 3—4 мин; pH подкислен­ной смолы равен 1,8—2,0. Пена при повышенном давлении выво­дится из сосуда через узкую щель внизу (или вверху) и потом в выходном сопле формуется в куски прямоугольной формы. Из сопла пенопласт может выгружаться непосредственно в формы или на транспортер. Потом пенопласт режется на блоки требуемой дли­ны, которые остаются на 2—3 ч для окончательного отверждения. В это время из смолы удаляется излишек воды. Кажущаяся плот­ность отвержденного влажного пенопласта после удаления излишка воды составляет 40—50 кг/м3 и почти не зависит от количества использованной при его получении воды. Количество воды, которое осталось в пенопласте и которое следует удалить во время сушки, равно 3 объемн% (т. е. около 30 кг/м3), что соответствует объему каналов Гиббса 24.

После отверждения блоки помещают в сушилку: периодиче­скую — камерную или непрерывного действия — туннельную. По­скольку во время сушки происходит объемная усадка пенопласта на 20%, для предотвращения растрескивания блоков их следует

Сушить при температуре, не превышающей 40—45 °С, и при высо­кой относительной влажности воздуха. Пенопласт сушится в тече­ние 3—5 суток в зависимости от толщины блоков.

Для устранения неприятного запаха формальдегида перед вы­грузкой блоков пенопласта из 'сушилки проводится их аммониза - ция, например путем введения в сушилку газообразного аммиака. После выгрузки блоков из сушилки запах аммиака быстро улету­чивается. Готовый пенопласт поставляют в виде блоков и плит требуемых размеров, упакованных в картон. Отходы можно упаковывать в пакеты из пленки.

Однако гораздо выгоднее получать пенопласт непосредственно иа месте его потребления2'9. Для этой цели сконструировано

ПЕНОПЛАСТЫ НА ОСНОВЕ АМИНОСМОЛ

Рис. X. 3. Схема переносного аппарата для получения пенопласта:

/ — баллон со сжатым воздухом (или компрессор); 2, 4, 6, 8, 11 — трубопроводы;

3 —бункер с раствором смолы; 5 —буикер с раствором пенообразователя;

7 —пистолет; 5 —сопло; 10— смесительная камера; 12 — смесительное сопло.

Специальное переносное приспособление. Схема переносного устройства приводится на рис. X. 3. Воздух из баллона 1 под дав­лением 4,5 кгс/см2 через трубопроводы 2 и 4 подается в напорные баки 3 с раствором смолы и 5—с кислым пенообразователем. Пе­нообразователь через трубопровод 6 поступает в пистолет 7, где вспенивается, и под давлением - воздуха, вводимого по трубопро­воду 8, поступает в камеру 10, куда через сопло 12 по трубопро­воду 11 вводится карбамидная смола. Оба компонента тщательно перемешиваются, выводятся наружу через сопло 9, соединенное с аппаратом эластичным каучуковым шлангом, и наносятся на из­делия, после чего в течение нескольких десятков секунд смола отверждается.

Степень вспенивания зависит от соотношения компонентов во вспениваемой жидкости, от давления и размеров вспенивающей трубы. Установлено, что наибольшая степень вспенивания (90- кратная) 21 получается при давлении 4,5 кгс/см2. Производитель­ность агрегата равна 1 л пены/с. В аппарате достигается 70-крат - ное вспенивание, которое, однако, после введения смолы умень­шается до 25—30-кратного в результате частичного уничтожения ячеек давлением воздуха. Продолжительность высыхания пены равна 48 ч. Кажущуюся плотность пенопласта на основе карбамид - ной смолы можно регулировать в пределах 4—25 кг/м3. Во время сушки на воздухе на поверхности пенопласта образуется тонкая гладкая пленка отвержденной смолы.

СВОЙСТВА ПЕНОПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДНЫХ СМОЛ

Пенопласты на основе карбамидных смол относятся к жестким пенам. Они характеризуются наименьшей кажущейся плотностью среди всех пенопластов. Кажущаяся плотность такого пенопласта может достигать 4 кг/м3. Такое большое содержание воздуха обус­ловливает отличные изоляционные свойства материала как тер­мические, так и акустические. Ниже приведены коэффициенты теп­лопроводности пенопласта на основе карбамидной смолы при раз­ных температурах27:

Кажущаяся плот­ность пенопла­ста, кг/м3 ... 10 10 10 15 15 15 15 15 15 15

Температура, °С 25 35 45 0 10 20 40 60 80 100

Коэффициент теплопровод­ности,

Ккал/(м2-чтрад) 0,023 0,027 0,031 0,0270,0285 0,030 0,035 0,0405.0,047 0,05

Как видно, особенно при низкой температуре они очень близки к коэффициенту теплопроводности воздуха, который равен

0, -02 ккал/(м2-ч-град), что, собственно, является предельной тео­ретической величиной для коэффициентов теплопроводности. Теп­лопроводность пенопласта изменяется очень незначительно в ши­роком интервале температур; она в 15 раз меньше, чем теплопро­водность твердой невспененной смолы, из которой получают пену. Теплопроводность влажного пенопласта на 60% выше, чем сухого. Ниже приводится для сравнения теплопроводность различ­ных изоляционных материалов22:

Коэффициент теплопроводности, ккал/(м2.ч*град)

TOC o "1-5" h z Шлаковата...................................................................... 0,073

Стеклянное волокно....................................................... 0,064

Пробковые плнты........................................................... 0,038

Пенопласт на основе карбамндной смолы 0,025

Теплоемкость пены очень низкая — 3,3 ккал/кг.

Капиллярные каналы, имеющиеся в пенопласте, обусловли­вают хорошие звукопоглощающие свойства, Значения коэффициента

Поглощения звука пенопластом плотностью 0,015 г/см3 при разных частотах приведены ниже24:

Частота колеба­ний, Гц.... 128 181 256 362 512 725 1024 1450 2048 5900 4096

Коэффициент

Поглощения .'..0,2 0*12 0,29 0,48 0,55 0,63 0,67 0,60 0,62 0,73 0,85

Максимум поглощения звука. наблюдается при частоте ~ 1000 Гц, что можно объяснить резонансом, возникающим между колеблющимся слоем воздуха и поверхностным слоем пены.

Данные о поглощении звука (в %) перфорированным пенопла­стом (степень перфорации 3%) приведены ниже4:

Частота звука, Гц. . . Пенопласт без воздуш­ной подушки толщи­ной

100

200'

400

800

1600

3200

6400

3 см.............................

9

23

58

70

89

78

77

4 см. .........................

10

34

78

85

93

86

79

5 см. . . . . . . .

Пенопласт толщиной 3 см с воздушной подушкой

12

44

83

92

95

92

83

5 см.............................

18

28

68

60

70

80

60

10 см..........................

27

38

72

57

78

79

72

15 см..........................

38

52

63

53

80

77

60

20 см..........................

53

50

57

57

69

78

62

25 см..........................

57

62

58

59

83

78

50

30 см..........................

68

65

54

69

80

80

82

Сухой пенопласт поглощает звук лучше, чем влажный.

Механическая прочность пенопласта невелика, поскольку су­ществует система капилляров, образующая как бы сетку внутрен­них трещин. Прочность зависит от плотности пенопласта. Напри­мер, прочность при сжатии пенопласта с плотностью 0,015 г/см® равна 0,1—0,2 кгс/см2; при плотности 0,15 г/см3 прочность возра­стает до 4,2—4,8 кгс/см2. Поскольку обычно используются пены с наименьшей плотностью, а следовательно, с небольшой механи­ческой прочностью, они никогда не применяются как конструк­ционные материалы. Поэтому механическая прочность пенопластов играет роль только при транспортировке и мон1,аже. Сжатие. пено­пластов можно повторять многократно без существенных измене­ний материала 17.

Пенопласты эксплуатируют обычно при температурах, не пре­вышающих 50 °С. Низкая температура (до — 70 °С и. даже до — 190°С) не влияет на свойства пенопласта2. Пенопласты на осно­ве карбамидных смол могут эксплуатироваться при температурах1 до 110°С и выдерживают без явного разложения температуру ]150°С в течение 4—8 ч2. Термическое разложение пенопласта про­исходит при температуре выше 200 °С. Однако при повышенной температуре наблюдается значительная усадка пенопласта, обус­ловленная протекающими в смоле реакциями дальнейшей кон-

Денсации, что может отрицательно влиять на его изоляционные свойства.

Ниже приводятся данные о потере массы и линейной усадке пенопласта на основе карбамидной смолы, нагретого в течение 3 ч до разных температур:

Температура, °С Потеря массы. % Линейная усадка, %

40

7,7

1,8

60

9,8

3,8

80

10,5

3,8

100

13,2

4,9

120

14,4

5,2

140

16,9

5,2

160

19,1

5,1

180

19,4

5,0

200

19,8

5,8

220

22,0

7.3

Пенопласты, подвергающиеся в течение года переменному воз­действию температур -(-20 °С и —30 °С, не проявляют видимых из­менений 4.

Рис. X. 4. Поглощение воды сух^м пенопластом в атмосфере с раз­личной относительной влажность» воздуха при комнатной темпера­туре:

95%; 2-70И; 3-50«; 4 — 30%.

подпись: 
рис. x. 4. поглощение воды сух^м пенопластом в атмосфере с различной относительной влажность» воздуха при комнатной температуре:
95%; 2-70и; 3-50«; 4 — 30%.
Пена, так же как и карбамидная смола, не горюча. При повы­шенной температуре она обугливается. Газы, образующиеся при разложении пенопласта, содержат

0, 5% Со, 2,0% С02 и 18—19% 02 (кислород воздуха, содержащийся в ячейках материала). Возникающий при обугливании пены тонкий изо­ляционный слой тормозит распро­странение пламени.

Благодаря наличию в пеноплас­те системы капилляров между за­крытыми - ячейками он может во влажной среде при комнатной тем­пературе поглощать до 15—30 вес.% воды (рПс^Х. 4). Вода при комнатной температуре не ухудшает свойств пенопласта. Первоначаль­ное водопоглощение пены при по­гружении ее в воду определяется объемом капилляров и в 5— 10 раз больше, чем у пробки. После выдержки в воде в течение

2 ч пенопласт сохраняет еще 40% первоначального водоизмеще­ния. Дйже после 8 лет пребывания под водой не происходит изме­нения структуры ячеек.4.

При комнатной температуре в течение 21 суток пенопласт стоек к действию следующих реагентов: 25%-ный раствор хлористого аммония, водные растворы углекислого и хлористого натрия, эта­нол, метанол, бензин, уксусная кислота, формалин и т. д. Концен­трированные и разбавленные щелочи и неорганические кислоты быстро портят пенопласт.

Пенопласты на основе карбамидных смол не подвергаются дей­ствию бактерий, грибков и плесени. Они обладают скорее фунги­цидными свойствами, что объясняется выделением незначительных количеств формальдегида.

Влажная (2,7 объемн.% влаги) пена, полученная в присутствии фосфорной кислоты, вызывает коррозию металла, однако после вы­сыхания коррозионная активность пены не проявляется. Под дей­ствием содержащейся в пене фосфорной кислоты возникает защит­ная пленка нерастворимых фосфатов. Поверхностное электриче - ское'сопротивлениепенопласта с слоем засохшей пленки 2250. Ом, а без этого слоя 380 Ом; удельное объемное сопротивление 550 Ом-см.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕНОПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДНЫХ СМОЛ

Пенопласты применяются для изоляции вагонов-холодильников, автомашин-холодильников, пассажирских вагонов с кондициониро­ванным воздухом, самолетов и судов, а также для изоляции про­мышленной аппаратуры. Блоки или крошку пенопласта помещают между защитными поверхностями конструкции, которые предохра­няют его от действия механических напряжений. Для защиты ма­териала от водяных паров применяют игелитовую, полиамидную или полиэтиленовую пленку. Кроме того, пенопласты на основе карбамидных смол применяются для изготовления посуды, в кото­рой транспортируют пищу26, как декоративный материал, для упаковки хрупких изделий.

После прессования при повышенной температуре пена образует гибкий и эластичный материал с открытыми порами, пригодный для фильтрования.

С момента внедрения переносных аппаратов для производства пенопластов на месте использования возможности применения этого материала значительно возросли. Так, в работе2 сообщается

О применении пенопласта в горной промышленности, в строитель­стве, в качестве изоляции для газопроводов, водопроводов и кана­лизационных труб. Изоляционные свойства пенопласта в 17 раз больше, чем кирпича той же толщины. Рекомендуется применять Пенопласт в качестве изоляции при строительстве домов в кемпин­гах и т. д.

Из пенопласта после промывки горячей водой (удаление кис­лоты), высушивания и измельчения в шаровой мельнице полу­чается пудра, не уступающая по своим свойствам пудре из талька и крахмала 7: насыпная плотность ее в 12 раз меньше, а активная поверхность в 20 раз больше. Эта пудра стерильна, не раздражает ран и способствует их быстрому заживлению.

Пенопласты нашли применение и в сельском хозяйстве6. При поверхностном нанесении на почву пена препятствует ее высыха­нию, эрро^ии и тормозит развитие сорняков. Пенопласты на основе карбамидных смол, закопанные в землю, могут задерживать воду и дают возможность растениям почти полностью (до 98%) исполь­зовать ее.

АМИНОПЛАСТЫ

  1. Пока что нет комментариев.