Рис. 1.12. Зависимость водопоглощения (а) и паропроницаемости (б) пенополистирола ПСБ (1) и ПС-1 (2) от кажущейся плотности [9]
Основным показателем, характеризующим структуру пенопластов, является кажущаяся плотность (объемный вес), косвенно выражающая соотношение твердой и газообразной фаз в материале. Твердая фаза представляет собой полимер, распределенный в виде тяжей (стержней), вершин (узлов) и тонких оболочек (пленок), образующих ячейки, заполненные газом. Кажущаяся плотность пенопластов определяется истинной плотностью полимерной основы и газа, находящегося в ячейках. Она зависит от количества газообразователя и полимера-основы. Увеличение объемной доли последнего приводит к уменьшению числа полостей в пенопласте и росту его плотности [10].
Характерной особенностью вспененных пластмасс является зависимость их физических и механических свойств от объемного веса. Результаты исследования прессового и беспрессового пенополистирола различной плотности показывают, что с ее уменьшением водопоглощение и паропроницаемость пенопластов возрастают из-за нарушения равномерности структуры и увеличения размеров ячеек (рис. 1.12) [8 – 12].
Зависимость теплопроводности пенополистирола от плотности носит экстремальный характер. Существует оптимальное значение объемного веса, выше и ниже которого коэффициент теплопроводности увеличивается. В работах [8 – 12] установлено, что при 20…40 кг/м3 коэффициент практически постоянен, а при плотности менее 20 кг/м3 он увеличивается (рис. 1.13).
Механические показатели пенополистирола также зависят от объемного веса: с повышением плотности прочность и жесткость возрастают (рис. 1.14). В небольших диапазонах колебаний плотности имеется линейная корреляционная связь между прочностью, модулем упругости и объемным весом пенополистирола. В широком диапазоне изменения плотности эта связь имеет параболический характер.
Плотность пенополистирола оказывает определенное влияние на стабильность его механических характеристик при повышенных температурах (рис. 1.15) [8 – 12].
Одним из основных свойств пенополистирола является его теплостойкость, критерием которой служит формоустойчивость, характеризующая поведение материала при повышенных температурах. Экспериментально установлено, что большее снижение формоустойчивости характерно для пенопластов с меньшей плотностью [8 – 12].
Исследование биологической стойкости беспрессового пенополистирола с разным объемным весом показало, что материал с большей плотностью менее подвержен грибковым поражениям. Образцы пенополистирола ПСБ с плотностями 22, 24 и 25 кг/м3 за период испытаний частично обросли мицелием грибка, а образцы с плотностью 98 кг/м3 нет [9].
Таким образом, анализ литературы выявил необходимость исследования влияния кажущейся плотности экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС® на его физические и механические свойства.
В работе [12] отмечается корреляционная связь между объемным весом и размером ячеек пенопластов, что не является исключением для экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС®. Подтверждением служат полученные с помощью оптического микроскопа снимки образцов с плотностью 29,1 и 44,9 кг/м3 (рис. 1.16).
Из рисунка 1.16 видно, что с увеличением плотности экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС® размер ячеек уменьшается, что не может не отразиться на свойствах материала.
При установлении зависимости физических свойств экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС® от объемного веса проводились испытания на водопоглощение, теплопроводность и термическое расширение серий образцов с разной плотностью [14].
Водопоглощение образцов определялось замачиванием их в воде на 24 ч. За окончательный результат принималось среднее арифметическое значение величины объемного водопоглощения для каждой серии (рис. 1.17).
Из рисунка 1.17, а видно, что водопоглощение экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС® практически не зависит от величины его средней плотности в исследуемом диапазоне. С ее увеличением с 30 до 50 кг/м3 величина водопоглощения изменяется всего на 0,25%.
Влияние объемного веса на теплотехнические свойства пенополистирола оценивалось по коэффициенту теплопроводности, определяемому на приборе ИТП МГ-4 100 для образцов с известной плотностью (рис. 17, б).
Видно, что с увеличением плотности до 38 кг/м3 коэффициент теплопроводности уменьшается. При 38…45 кг/м3 он постоянен. Такое поведение материала объясняется особенностями передачи тепла в пенопластах, которая происходит за счет теплопроводности полимерных пленок, теплопроводности и конвекции газообразной фазы, излучения между стенками ячеек. Уменьшение размеров ячеек, происходящее с ростом плотности, сокращает долю конвективного теплообмена, вследствие чего теплопроводность снижается. Однако, согласно работе [9], у пенопластов существует такое значение объемного веса, выше и ниже которого коэффициент теплопроводности увеличивается. Можно предположить, что увеличение плотности экструзионного пенополистирола сверх 45 кг/м3 приведет к ухудшению его теплоизоляционных свойств.
Исследование зависимости термического расширения ПЕНОПЛЭКС® от кажущейся плотности проводилось с помощью оптического дилатометра. На рисунке 1.18, а представлены дилатометрические кривые образцов с различным объемным весом.
Видно, что величина термического расширения изменяется в зависимости от объемного веса экструзионного пенополистирола. С увеличением плотности материала от 25,9 до 36,2 кг/м3 расширение исследуемого пенопласта уменьшается. Однако дальнейший рост плотности до 43,8 кг/м3 увеличивает тепловые деформации.
По полученным кривым были рассчитаны значения КЛТР (α, 1/°С) и построена графическая зависимость данной величины от кажущейся плотности исследуемого пенопласта (рис. 1.18, б).
Рисунок 1.18, б показывает, что существует оптимальная кажущаяся плотность экструзионного пенополистирола, при которой данный материал имеет минимальное термическое расширение. Вероятно, это связано с особенностями передачи и распространения тепла в газонаполненных пластмассах.
С целью исследования влияния объемного веса экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС®на его механические свойства проводились кратковременные испытания поперечным изгибом, сжатием и пенетрацией [14].
Влияние плотности на прочность при поперечном изгибе оценивалось по изменению предела прочности(Rизг), определяемого испытанием серий образцов с известным объемным весом (рис. 1.19).
Из рисунка 1.19, а видно, что с увеличением плотности ПЕНОПЛЭКС® происходит рост его прочности при поперечном изгибе. Связано это с увеличением доли полимера-основы в общем объеме пенопласта. Тяжи и пленки полимера, образующие структуру пенополистирола, становятся толще, и для их разрушения требуется приложить больше усилий. Максимальное значение предела прочности наблюдается у образцов с объемным весом, близким к 40 кг/м3. При дальнейшем росте плотности материала прочность его незначительно понижается.
Влияние объемного веса экструзионного пенополистирола на его деформационные свойства изучалось посредством сжатия образцов различной плотности. Прочность образцов оценивалась по величине относительных деформаций (ε, %) при постоянном напряжении, действующем в течение заданного времени. Результаты исследования представлены на рис. 1.19, б.
Видно, что увеличение плотности пенополистирола сопровождается уменьшением его сжимаемости. Относительная деформация сжатия образцов с объемным весом около 40 кг/м3 составила примерно 2%, что в 20 раз меньше, чем у образцов с плотностью 30 кг/м3. Объясняется это увеличением объемной доли полимера, что в свою очередь снижает количество полостей в пенопласте, а тяжи и стенки ячеек делает более устойчивыми. Дальнейший рост плотности практически не изменяет деформационных свойств материала.
Прочность при пенетрации образцов ПЕНОПЛЭКС® с разным объемным весом определялась по величине локальных напряжений, возникающих при вдавливании стального шарика диаметром 10 мм постоянной нагрузкой в течение заданного времени. Зависимость твердости (НВ) экструзионного пенополистирола от кажущейся плотности (ρ) представлена на рис. 19, в.
Очевидно, что с увеличением плотности ПЕНОПЛЭКС® растет величина локальных напряжений, а значит и твердость его поверхности. Наибольшей твердостью характеризуются образцы с объемным весом около 45 кг/м3, что связано с увеличением содержания полимера-основы.
Таким образом, полученные в ходе исследований результаты соотносятся с приведенными в литературе положениями о влиянии объемного веса пенопластов на их физические и механические характеристики. С повышением плотности экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС® его прочность и жесткость возрастают, а теплопроводность и термическое расширение изменяются по параболическому закону. На основе этого можно сделать вывод о целесообразности изготовления плит ПЕНОПЛЭКС® плотностью около 40 кг/м3, отличающихся лучшими физико-механические характеристики, что будет способствовать рациональному использованию сырьевой базы производства.