1.6. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ПЕНОПЛЭКС^®

При производстве экструзионного пенополистирола на верхней и нижней гранях плит образуется поверхностный слой в виде пленки (рис. 1.8). Как видно из рисунка, структура и форма ячеек значительно отличается в поверхностном слое и в теле образца из экструзионного пенополистирола. Представляется интересным исследование влияния наличия поверхностного экструзионного слоя на механические свойства пенопласта.

Рис. 1.8. Фотографии при четырехкратном увеличении среза образца  ПЕНОПЛЭКС^®(а) и поверхностного слоя образца (б)

В связи с этим проводились кратковременные испытания поперечным изгибом и пенетрацией образцов ПЕНОПЛЭКС^®, отличающихся наличием и расположением поверхностного слоя (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Образцы из экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® для испытаний поперечным изгибом (а)
и пенетрацией (б)

Изгибу подвергались серии из образцов-балочек (рис. 1.9, а) с поверхностным слоем, расположенным сверху (образец № 1), снизу (образец № 4), с обеих сторон образца (образец № 7) и без поверхностного слоя (образец № 10). При изготовлении образцов с односторонним расположением поверхностного слоя и без него срезался слой пенопласта толщиной около 4 мм. За окончательный результат принималось среднее арифметическое значение предела прочности при изгибе по шести образцам из каждой серии (табл. 1.5).

Из таблицы 1.5 видно, что наличие и положение пленки практически не сказывается на изгибной прочности материала.

Испытания пенетрацией проводили путем вдавливания индентора (стального шарика диаметром 10 мм) в поверхность образцов-призм (рис. 1.7, б) с поверхностным слоем и без него. Учитывая анизотропию исследуемого материала, внедрение шарика в образцы без пленки осуществляли в том же направлении, что и в образцы с пленкой, т.е. перпендикулярно поверхности плит, из которых были изготовлены образцы. При этом у одной серии образцов срезали верхний слой толщиной 5 мм, у другой – 15 мм. К образцам прикладывали одинаковое усилие, действующее в течение заданного времени (5 мин), после чего фиксировали с помощью индикатора часового типа глубину погружения шарика. По полученной величине рассчитывали твердость материала по формуле (1.3), где Р = 1,65 кг – усилие вдавливания индентора с учетом его веса; d = 10 мм – диаметр шарика; h – глубина погружения индентора, мм.

Средние значения локальных напряжений для каждой серии образцов представлены в табл. 1.6.

Из таблицы 1.6 видно, что твердость пенопласта снижается по высоте образца и принимает минимальное значение в его средней части. По-видимому, это связано с различием плотности по толщине плиты, что является характерным для вспененных пластмасс. Образцы с поверхностной пленкой отличаются повышенной твердостью. Образованный из оплавленных стенок наружных ячеек поверхностный слой более плотный и однородный, чем основной массив материала, что позволяет ему равномерно распределять локальные напряжения, увеличивая сопротивление плиты внедрению твердого тела.

С целью исследования влияния поверхностного слоя на термическое расширение плит экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® проводились дилатометрические испытания образцов с поверхностным слоем и без него. При этом один образец вырезался у поверхности плиты, а другой из средней части.

Испытания проводили на оптическом дилатометре, схема и конструкция которого показаны на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Схема (а) и общий вид (б) оптического дилатометра:
1 – образец; 2 – термокамера; 3 – прижимная планка; 4 – основание; 5 – микроскоп с окуляр-микрометром; 6 – нагреватель; 7 – термометр; 8 – смотровая щель; 9 – источник света

Образец размером 15×10×50 мм помещали в паз термокамеры, выполненной из массивного тугоплавкого материала, и прижимали специальной планкой 3 с отверстием для наблюдения за расширением образца. С этой же целью сквозь корпус камеры 2 проходит смотровая щель 8. Под ней расположен источник света 9. Луч, проходя через смотровую щель, освещает грань образца и попадает в окуляр микроскопа 5.

Нагрев камеры с образцом осуществляется нагревательными элементами 6 с помощью лабораторного трансформатора. Температуру в камере вблизи образца контролировали спиртовым термометром 7 через отверстие. Образцы нагревали с постоянной скоростью до 80 °С, при этом на каждой ступени нагрева (через 10 °С) с помощью окуляр-микрометра Биолам МОВ-1-15Х 5 снимали отсчет удлинения образца с точностью 0,01 мм.

Графическая интерпретация результатов эксперимента представлена на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Дилатометрические кривые образцов ПЕНОПЛЭКС^® с поверхностной пленкой и без нее

По полученным кривым были рассчитаны значения коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) (α, 1/°С) по формуле

(1.4)

(1.5)

Из рисунка 1.11 видно, что образец, вырезанный с поверхности плиты, отличается повышенным термическим расширением в сравнении с образцом без поверхностного слоя. Это подтверждается и величиной коэффициента КЛТР, который в 1,5 раза больше. Такое различие связано с изменением плотности материала по толщине плиты, что доказано пенетрацией. Поверхностный слой более плотный, следовательно, его теплопроводность и тепловое расширение больше. Однако, поскольку этот слой находится во взаимодействии с остальным массивом материала, его расширение в плите будет компенсироваться и значительно уменьшаться.

Таким образом, проведенные исследования показали, что поверхностный слой, образующийся на плитах экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^®, выполняет важную функцию по сохранению их целостности и защите от неблагоприятных воздействий.