Пенопласты

ПЕНОПЛАСТЫ (вспененные или ячеистые пластмассы, газонаполненные полимеры), композиц. материалы с каркасом (матрицей) из полимерных пленок, образующих стенки и ребра ячеек (пор), заполненных газом (преим. воздухом). Последние могут иметь сферич., эллиптич., полиэдрич. или др. форму. По физ. структуре пенопласты аналогичны древесине, искусств. и натуральной коже, туфам, пористым керамич. и т.п. материалам. Объемное соотношение газовой и полимерной фаз в пенопластах составляет обычно от 30: 1 до 1:10.

Вспененные пластмассы, содержащие преим. автономные (закрытые) ячейки, наз. собственно пенопластами (замкнутоячеистые пенопласты), в отличие от поропластов-материалов, в к-рых преобладают сообщающиеся (открытые) ячейки или тупиковые капилляры-поры (открытопористые пенопласты). Типичные представители замкнутоячеистых пенопластов-пластики с полым сферич. наполнителем, т. наз. синтактные (синтактичные) пенопласты, или сферопласты. Полностью открытопористую структуру имеют сетчатые (ретикулированные) пенопласты, в к-рых дополнит. вскрытие ячеек достигается в результате разрушения их стенок выщелачиванием, направленным взрывом и др. спец. приемами.

Пенопласты с модулем упругости выше 1000 МПа относят к эластичным, ниже 100 МПа-к жестким (полужесткие пенопласты занимают промежут. положение). В особую категорию выделяют пенопласты интегральные.

Пенопласты получены из большинства известных полимеров. Основу пром, ассортимента пенопластов составляют пенополиуретаны, пе-нополистиролы, пенополивинилхлориды, пенополиолефины, пе-нофенопласты, карбамидо-формальдегидные пенопласты. Освоены также в пром. масштабе пенопласты на основе полиамидов, полиимидов, поликарбонатов, модифицир. полифениленок-сида, поливинилформаля, эфиров целлюлозы, эпоксидных и ненасыщ. полиэфирных смол, полиизоциануратов, поликар-бодиимидов, а также CK (см. Пористая резина).

В исходный олигомер или полимер вводят обычно неск. добавок, способствующих получению пенопластов заданного качества. Это могут быть жидкий, твердый и (или) газообразный порообразователъ (вспенивающий агент), ПАВ, катализатор, ускоритель или ингибитор протекающих хим. р-ций, сшивающий агент, антиоксидант, светостабилизатор, антиста-тик, наполнитель (усиливающий, токопроводящий или др.), пластификатор, разбавитель, краситель или пигмент, мономерный или полимерный модификатор и др. Создаются комбинированные пенопласты из смесей полимеров, в т. ч. с керамич. порошком, цементом, р-римым стеклом, измельченными отходами древесины.

Добавки вводят чаще всего в готовый полимер (олигомер), реже-на стадии его синтеза.

Получение. Независимо от типа и агрегатного состояния исходного олигомера или полимера в процессе произ-ва любого пенопласта выделяют 3 осн. стадии: 1) смешение (в один или неск. приемов) составных компонентов (компаундированяе); 2) газонаполнение с вспениванием или без него (ключевая стадия, определяющая принципиальную технол. схему процесса); 3) фиксация (стабилизация) полученной микро-и макроструктуры пенопласта. Формование пенопластов и изделий из них производят преим. в ходе вспенивания, реже-после завершения этой стадии. Возможности техн. реализации упомянутых стадий обширны даже для однотипных полимеров, что обусловило многообразие вариантов технологии и аппаратурного оформления действующих произ-в пенопластов-периодич. или непрерывных, часто оснащенных автоматич. управлением.

Вспенивают (с увеличением объема в 2-300 раз) р-ры, дисперсии, эмульсии, расплавы олигомеров и (или) линейных и сшитых полимеров, а также термопласты в размягченном состоянии. Процесс ведут в открытой ("свободное" вспенивание) или в замкнутой ("стесненное" вспенивание) формующей полости. В результате газового пересыщения в системе зарождаются "первичные" пузырьки газа, к-рые увеличиваются в объеме и статистически распределяются в полимерной матрице, находящейся в вязкотекучем состоянии и способной к упругопластич. деформациям.

Фиксация образовавшейся ячеистой структуры достигается быстрым охлаждением (преим. термопластов) и (или) хим. или физ. сшиванием полимера.

Вспенивание осуществляют твердыми (т. наз. порофора-ми) или жидкими порообразователями (газообразователя-ми), напр. хладонами, пентаном, CH₂Cl₂ и т.п. При повышении т-ры в результате внеш. подогрева или протекания во вспениваемой системе экзотсрмич. р-ций порробразователи начинают интенсивно испаряться. Этот же эффект достигается и при уменьшении давления в системе. Подобные легкокипящие порообразователи часто вводят уже на стадии синтеза термопластичных полимеров с целью получения полимерных частиц, способных увеличиваться в объеме при т-ре, превышающей т-ру размягчения полимера.

Полимеры вспенивают и непосредственно газами. При этом р-р или расплав полимера насыщают под давлением N₂, CO₂, реже др. газом, к-рый при резком понижении давления высвобождается вследствие уменьшения р-римос-ти и вспенивает систему. В присут. подходящего ПАВ возможен непосредственный "захват" воздуха или др. газа жидкой фазой при интенсивном ее мех. перемешивании и (или) пневматич. продавливании через набор сит-сеток. Полученную пластичную пену фиксируют (отверждают) до начала ее разрушения (коалесценции).

Универсален способ вспенивания газами, образующимися при термич., каталитич. или др. разложении твердых поро-образователей, а также при хим. р-ции их с к.-л. ингредиентом вспениваемой композиции. Так, толуилендиизоцианат и др. орг. изоцианаты, реагируя с водой, выделяют CO₂; порошки Al, Zn, Fe при взаимод. с сильными к-тами выделяют H₂, и т.п.

Осн. требование при выборе порообразователя - обеспечение оптим. синхронизации между скоростями вспенивания и стабилизации (фиксации) образующейся ячеистой структуры пенопластов. При чрезмерно быстром вспенивании пенопласты дают усадку, а преждеврем. потеря текучести чревата неполным заполнением формы пенистой массой и возникновением в готовом пенопласте внутр. напряжений, проявляющихся в растрескивании пенопласта. В обоих случаях неизбежны дефекты ячеистой структуры: каверны, неправильной формы раковины, "рваные" поры, разноплотность по объему. Указанные порообразователи берут обычно в кол-ве 0,5-10% от массы полимера. При выборе порообразователей необходимо учитывать, что т-ра вспенивания термопласта даже при повышении давления не должна превышать его т-ру стеклования более чем на 50 ⁰C.

Меньшее развитие получило газонаполнение без вспенивания, используемое в осн. для получения поропластоз из порошкообразных композиций, содержащих добавки в-в, впоследствии удаляемых из сформированных материалов-заготовок экстрагированием подходящим р-рителем, вы-плавлснием, сублимацией, селективной деструкцией. Этот длительный и трудоемкий метод применяют при получении пористых структур из фторопластов и термостойких полимеров, а также при формовании микропористых разделит, мембран и искусств. кожи. Без вспенивания получают также синтактичные пенопласты, вводя в жидкое полимерное связующее (напр., в эпоксидные или полиэфирные смолы, полиуретаны) полые микро- или макросферич. наполнители, а затем отвсрждая матричный полимер. Твердая фаза в синтактич-ных пенопластах состоит, помимо полимера, из углерода, стекла, керамики или др. неорг. материалов, из к-рых изготовлены сферич. наполнители.

В целом при формовании пенопластов и изделий из них применяют традиц. методы переработки полимерных материалов (см. Полимерных материалов переработка). Специфич. требование к перерабатывающему оборудованию: высокая герметизация для удержания вспенивающего газа, давление к-рого может достигать нсск. атмосфер.

Пенопласты можно, напр., резать, сверлить обычными деревообрабатывающими инструментами, склеивать клеями, обычно применяемыми для полимеров, соответствующих полимеру матрицы.

Свойства пенопластов во многом определяются типом полимера-основы, относительным содержанием твердой и газовой фаз, параметрами морфологич. структуры (формой, размером, строением и ориентацией ячеек). Эти же факторы влияют на характер деформации и механизм разрушения пенопластов под действием статич. или динамич. нагрузок. С увеличением степени сшивания полимера возрастают , модуль упругости, формоустойчивость при повыш. т-рах, но уменьшается относит, удлинение и ухудшаются эластич. св-ва пенопластов. Для многих пенопластов, полученных "свободным" вспениванием, характерна анизотропия св-в; так, и могут быть на 20-40% больше вдоль направления течения композиции при вспенивании, чем в перпендикулярном к нему направлении.

По уд. мех. прочности и жесткости интегральные пенопласты намного превосходят соответствующие монолитные (невспененные) аналоги, поэтому замена последних на пенопласты может обеспечить экономию до 50% полимера. Прочностные показатели интегральных пенопластов зависят от св-в и толщины поверхностной корки; на ударопрочность заметно влияют жесткость сердцевины и размер ее ячеек.

По теплоизоляц. св-вам пенопласты превосходят традиц. теплои-золирующие материалы. Миним. коэф. теплопроводности [менее 0,02 Вт/(м·К)] имеют пенопласты с кажущейся плотн. 0,035b0,015 г/см³ и замкнутыми ячейками, заполненными хла-доном. При криогенных т-рах возрастает роль морфологич. факторов.

Способность пенопластов поглощать вибрацию и звук, сорбировать водные пары и жидкости возрастает с увеличением уд. доли открытых ячеек. Гигроскопичность и водопоглощение зависят также от степени гидрофильности полимера. По сравнению с поропластами замкнутоячеистые пенопласты имеют более высокие диэлектрич. св-ва и меньшую газо- и паропрони-цаемость. Горючесть, био-, свето-, тепло- и хим. стойкость определяются гл. обр. типом полимера, однако эти показатели у пенопластов из-за более развитой уд. пов-сти несколько ниже, чем у соответствующих им монолитных полимеров.

Применение. Жесткие пенопласты-эффективные теплоизоляц. материалы для несущих и навесных строит. панелей, бытовых и пром. холодильников, трубопроводов, хим. оборудования, пассажирских и изотермич. вагонов. В этом же качестве пенопласты применяют для предохранения мостов от обледенения, защиты с.-х. культур от заморозков, аккумулирования тепла в гелиотехн. установках. Эластичные пенопласты-эффективные вибро-демпфирующие материалы для сидений автомобилей и мягкой мебели, постельных принадлежностей, амортизирующих прокладок.

Открытопористые пенопласты применяют в произ-ве фильтров, в качестве ср-ва для поглощения и удержания жидкостей (напр., нефтепродуктов), как гигиенич. и спец. губки, для изготовления утепленной одежды и мягких игрушек.

Напыляемые пенопласты надежно герметизируют щели, стыки конструкций, пустоты.

Исходные смеси для получения пенопластов-вспенивающееся при применении связующее для электронных модулей и блоков (попутно решается проблема электроизоляции), ср-во для укрепления песчаных почв, горных выработок.

Благодаря технологичности и легкости пенопласты-перспективные материалы для упаковки хрупких изделий и прецизионных приборов, замороженных и скоропортящихся продуктов.

В развитых странах на изготовление пенопластов расходуется 5-10% от общего выпуска крупнотоннажных полимеров. Мировое произ-во пенопластов ок. 6,5 млн. т/год (1980), из них ок. ¹/₃ приходится на долю США.

Первый пенопласт (на основе эбонита) получен в 1922 в Великобритании.

Лит.: Тараканов О. Г., Мурашов Ю. С., Пенопласты, M., 1975; Берлин А. А., Шутов F. А., Пенополимеры на основе реакционноспособ-ных олигомсров, M., 1978; их же, Упрочненные газонаполненные пластмассы, M., 1980: их же. Химия и технология газонаполненных высокополимеров, M., 1980; Вспененные пластические массы. Каталог.... Черкассы, 1982; Тараканов О. Г., Шамов И. В., Альперн В. Д., Наполненные пенопласты, M., 1989.

Ю. С. Мурашов.