А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Окончание табл. 5.55

При низкой температуре конвекция уже не является основным средством теплопередачи; главными факторами, влияющими на изоляционные свойства пенополиуретана при криогенных температурах, становятся размеры и однородность его ячеек.

Одним из условий надежной эксплуатации оборудования, защищенного теплоизолирующим материалом, является коррозионная активность последнего. Пенополиуретаны, вспененные диоксидом углерода, не проявляют коррозионной активности по отношению к различным металлам; пенополиуретаны, вспененные фреоном, могут вызывать коррозию металлов, поскольку хлорсодержащие углеводороды в присутствии влаги выделяют соляную кислоту.

Применение пенополиуретанов. Данные материалы находят широкое применение в различных отраслях промышленности и в производстве товаров народного потребления. Эластичные пенополиуретаны применяют в мебельной и автомобильной промышленности, жесткие – при производстве холодильников и рефрижераторов, теплоизоляции низкотемпературных и криогенных конструкций, а также в строительстве в качестве теплоизоляционных материалов.

Одним из определяющих условий применения теплоизолирующих материалов в криогенной и низкотемпературной технике является близость коэффициентов теплового расширения основного (защищаемого) материала и теплоизолятора.

В табл. 5.56 приведены сведения о коэффициентах теплового

271

расширения пенополиуретанов и ряда других, широко применяемых теплоизолирующих материалов.

Высокие теплоизоляционные свойства пенополиуретанов позволяют значительно уменьшить толщину изоляции по сравнению с другими материалами, а низкая плотность облегчает монтаж готовых панелей и блоков. При постройке зданий со стенами и крышей, изолированными пенополиуретаном, экономия материалов и рабочей силы составляет 25 % от затрат, а затраты энергии на обогрев или охлаждение при эксплуатации снижаются на 10–15 %.

Таблица 5.56

Температурный коэффициент линейного расширения ячеистых изоляционных материалов

Пенофенопласты. Эти материалы получили достаточно широкое распространение в технике низких температур из-за их уникальных свойств, формостабильности в широком температурном интервале и высокой огнестойкости.

Исходное сырье для производства указанных материалов (фенолоформальдегидные смолы) является одним из самых распространенных и экономически доступных видов реакционноспособ-

272

ных олигомеров, производство которых опирается на большие запасы сырья и высокоразвитую производственную базу.

Пенофенопласты получают на основе жидких резольных смол и твердых новолачных смол. Основными компонентами композиций для получения пенопластов являются форполимер, кислотный отвердитель, газообразователь и поверхностно-активное вещество. В качестве газообразователя при их производстве из резольных смол используются порошкообразные металлы (алюминий, магний, цинк, железо), которые, взаимодействуя с кислотами, выделяют водород. Кроме того, используются легколетучие углеводороды: н-бутиловый эфир, фреоны и др. В качестве поверхност- но-активных веществ применяют алкилсульфонаты и кремнийорганические поверхностно-активные вещества. Для отвердителей используют минеральные кислоты: соляную, серную, фосфорную.

Наиболее распространенный в России фенольный пенопласт типа ФРП получают на основе резольных форполимеров ФРВ (ФРВ-1, ФРВ-1А, ФРВ-2, «резоцела»), которые представляют собой гомогенные водорастворимые жидкости со слабым запахом фенола и формальдегида, полученные в результате конденсации фенола с формальдегидом с использованием в качестве катализатора едкого натра. В качестве вспенивающего агента и отвердителя используются продукты типа ВАГ (ВАГ-1, ВАГ-2, ВАГ-3), представляющие собой смесь минеральных кислот с мочевиной, диэтиленгликолем или продуктом конденсации сульфонилмочевины с формальдегидом. Кроме того, в композицию вводится алюминиевая пудра. Пенофенопласты имеют преимущественно открытоячеистую структуру, поэтому характеризуются высоким водо- и влагопоглощением, которое зависит от ячеистой структуры пенопласта. Так, фенольный пенопласт с мелкоячеистой структурой имеет водопоглощение 2–3 %, а с крупноячеистой – 12–14 %, что следует особо учитывать при выборе материала для теплоизоляции низкотемпературной техники, при размораживании которой интенсивно протекают процессы конденсации жидкости на стенках оборудования.

В табл. 5.57 и 5.58 приведены основные свойства различных фенольных пенопластов. Свойства полифенольных пенопластов зависят от состава композиции и плотности. Для них характерны пониженная прочность при растяжении и высокая хрупкость, что объясняется тем, что фенолоформальдегидные полимеры представ-

273

ляют собой жесткие трехмерные сетки, состоящие из фенольных ядер, прочно связанных друг с другом малоподвижными мостиковыми связями. Поэтому при прочностных расчетах изделий из полифенольных пенопластов рекомендуется вместо коэффициента Пуассона использовать коэффициент поперечной деформации. В направлении, параллельном вспениванию, этот коэффициент равен 0,55, а в направлении, перпендикулярном вспениванию, – 0,37.

Таблица 5.57

Свойства фенольных пенопластов на основе твердых смол

274

за 24 ч, кг/м3

Эпоксидные пенопласты. Данные материалы обладают высокими механическими свойствами, отличной адгезией ко многим материалам, высокой формостабильностью и химической стойкостью, а также хорошими теплостойкостью и диэлектрическими показателями. Однако высокая стоимость и несовершенство существующей технологии производства сдерживают их применение. Физико-механические свойства эпоксидных пенопластов близки к свойствам пенополиуретанов. Их прочность и модуль упругости при сжатии, растяжении, изгибе и сдвиге зависят от степени отверждения, плотности, температуры и направления вспенивания (табл. 5.59).

Особенно важным свойством эпоксидных пенопластов является их способность сохранять прочностные показатели при низких значениях температуры (до –60 °С). Например, коэффициент Пуассона этих материалов при +20 и –197 °С равен соответственно 0,41 и 0,45. Температура начала деформации ППЭ в условиях постоянно действующих сжимающих нагрузок зависит от их плотности.

Эпоксидные пенопласты являются горючими материалами, однако введением специальных модификаторов и добавок можно понизить их горючесть; в частности, очень эффективно использование галогенсодержащих эпоксидных смол, в состав которых входит 33–40 % хлора. Еще более эффективными являются бромсодержащие эпоксидные соединения.

Применение в качестве вспенивающего агента фреонов позволило заметно улучшить теплоизоляционные свойства. Помимо обычных преимуществ фреонов перед другими газообразователями (низких коэффициентах теплопроводности и диффузии), они обладают хорошей совместимостью с эпоксидными смолами.

Влаго- и водопоглощение эпоксидных пенопластов невелико и зависит от плотности материала. Пенопласты ПЭ-1 и ПЭ-2 (100 кг/м3) сорбируют до 0,045 % (по объему) влаги при относительной влажности воздуха 55–65 %. Водопоглощение эпоксидных пенопластов при 20 °С за 10 сут не превышает 0,25 кг/м2.

По химической стойкости эпоксидные пенопласты считаются одними из наиболее химически стойких пенопластов.

275

5.4.2. Газонаполненные пластмассы на основе термопластичных полимеров

Пенополиолефины. Пенополиолефины выпускаются на базе полиэтилена низкой и высокой плотности, полипропилена и сополимеров полиэтилена и полипропилена.

На основе полиолефинов изготавливают эластичные, полужесткие и жесткие пенопласты в широком диапазоне плотности (10–900 кг/м3), отличающиеся высокой демпфирующей способностью, низким водопоглощением, хорошими электроизоляционными свойствами, высокой химической устойчивостью и отсутствием корродирующих свойств. Сшитые полиолефины обладают, кроме того, повышенной теплостойкостью, атмосферостойкостью и устойчивостью к ультрафиолетовому облучению.

Физико-механические и технологические свойства. Физико-

механические свойства пенополиолефинов зависят в основном от плотности и способа их получения.

Материалы, полученные методом прессования, имеют более высокие прочностные характеристики. Сшитые пенополиэтилены, работающие на сжатие при статических или динамических нагрузках, очень медленно восстанавливают свои первоначальные размеры. Однако изменение прочности при сжатии после многократных сжимающих нагрузок весьма незначительное, что обусловливает их широкое использование в качестве демпфирующего и упаковочного материала (табл. 5.60).

Пенополиэтилен на основе сшитых полимеров более устойчив к ползучести и имеет меньшую остаточную деформацию после снятия нагрузки, чем несшитый. Пенополипропилен обладает меньшей ползучестью по сравнению с пенополиэтиленом. При одинаковой плотности пенополиэтилен на основе более высококристаллического полиэтилена имеет более высокую прочность на разрыв и сжатие.

В промышленном масштабе выпускают три типа пенополипропилена: торей-РЕF-РР (Япония), минисел и микрофом (оба – США). Физико-механические свойства этих пенопластов приведены в табл. 5.61. Предел прочности при растяжении пенополипропилена значительно выше губчатой резины той же плотности.

278

279

Основными потребителями пенополиолефинов являются: электроизоляционная промышленность – жесткая и эластичная изоляция коаксиальных кабелей, используемых в электротехнике, СВЧ-технике и на телевидении; химическая промышленность – изготовление баков для хранения и перемешивания кислот, кислотоупорной футеровки металлических танков и сосудов. Мелкопористые фильтры на основе пенополиэтилена применяют для очистки газов, низко- и высокомолекулярных жидкостей, сточных вод, бензина, нефти, топлива и масел.

Пенополистирол и пенохлорвинил. Свойства пенополисти-

рола и пенохлорвинила зависят от плотности и способа их получения. Ценным свойством пенополистирола является его стойкость к влаге, действию агрессивных минеральных кислот и щелочей, за исключением концентрированной азотной кислоты.

Наиболее высокую химическую стойкость имеет пенополистирол, полученный беспрессовым методом. Пенополистирол, полученный прессовым методом, имеет равномерную замкнутоячеистую структуру. Выпускается в основном пенополистирол марок ПС-1 и ПС-4.

Все физико-механические свойства этих пенопластов зависят от плотности: с ее повышением увеличиваются прочностные показатели, снижаются водопоглощение и гигроскопичность. Пенополистирол ПС-4, полученный с применением минеральных газообразователей, более жесткий по сравнению с ПС-1.

Свойства отечественных пенополистролов ПС-1 и ПС-4 в интервале температур от –60 до 20 °С приведены в табл. 5.62, а свойства ряда пенополистиролов, выпускаемых зарубежными фирмами, – в табл. 5.63.

Пенопласты марок ПС-1 и ПС-4 обладают достаточно хорошей био-, морозо-, воздухо- и водостойкостью, незначительной паро- и воздухопроницаемостью, а также стойкостью в пресной и морской воде, в неконцентрированных и некоторых концентрированных кислотах, щелочах, спиртах, неароматических маслах и других веществах. Они нестойки в органических растворителях (бензоле, дихлорэтане и др.), бензине, дизельном топливе, сложных эфирах, концентрированной азотной кислоте.

280