Классификация пенополимеров

Газонаполненные полимеры

1. Классификация газонаполненных полимеров.
2. Получение газонаполненных полимеров.
3. Структура, свойства и применение газонаполненных полимеров.
4. Пенополистирол и пенополиуретан как газонаполненные полимеры.

Классификация газонаполненных полимеров.

Уникальные композиционные материалы создают путем диспергирования в полимерной матрице газообразной фазы. К таким материалам относятся газонаполненные пластмассы и резины.

В настоящее время трудно найти полимер, на основе которого невозможно было бы получить пенопласт. Самые различные виды пенопластов получают на основе термопластов и реактопластов, жесткоцепных и гибкоцепных полимеров.

Газонаполненные полимеры – полимерные материалы, являющиеся дисперсными системами типа «твердое тело – газ».

Классификация пенополимеров

Газонаполненные полимеры подразделяются на пенопласты, поропласты, синтактные пены. Их структура показана на рис.

Типы структур газосодержащих полимеров:

а - закрытопористая; б - открытопористая; в - синтактная пена

У пенопластов газовые ячейки не сообщаются между собой, т.е. материал имеет закрытопористую структуру (а). Поропласты имеют открытопористую структуру (б), их ячейки сообщаются между собой. Это деление достаточно условно, т.к. в реальных газонаполненных полимерах всегда присутствуют и сообщающиеся, и замкнутые ячейки.

Особое место занимают синтактные пены (в). Они имеют закрытопористую структуру, но ячейки созданы не путем вспенивания полимера выделяющимся в процессе формования изделия газом, а с помощью мелких полых шариков (например, стеклянных или полимерных), которые смешиваются с жидкой полимерной композицией, сохраняя свои форму и размеры. Полимерная основа в момент смешения должна быть низковязкой, а после смешения отверждаться, не давая дисперсной системе расслоиться. Формование изделия из синтактной пены осуществляется заливкой композиции в форму и отверждением в ней полимерного связующего. Таким образом, формирование пористой структуры и формование изделия из синтактной пены производятся одновременно. Наличие пустотелых частиц в толще материала обеспечивает его меньшую плотность, повышенную прочность, пониженный коэффициент теплового расширения, а также, в некоторых случаях, радиопрозрачность. Применяются в производстве плавучих средств, в качестве тепло- и звукоизоляционного заполнителя облегченных конструкций, в светоотражающих системах для маркировки дорог.

Г.П. условно делят на легкие (высоковспененные) с кажущейся плотностью до 500 кг/м³ и облегченные (частично вспененные, низковспененные, подвспененные) с кажущейся плотностью 500-800 кг/м³.

В зависимости от значений модуля упругости полимерные теплоизоляционные материалы разделяют на жесткие, полужесткие и эластичные. К жестким материалам, наиболее широко используемым для строительной теплоизоляции, относят газонаполненные пластмассы, имеющие прочность при сжатии (при 10%-ной деформации) более 0,15 МПа, эластичные — менее 0,01 МПа. Полужесткие материалы характеризуются промежуточными показателями прочности.

Структура газовых ячеек оказывает большое влияние на свойства газонаполненных полимеров. Она зависит от механизма и условий газообразования, типа газообразующего агента и свойств полимера. Технологии производства газонаполненных полимеров значительно отличаются друг от друга и позволяют получить материалы с заданной структурой и плотностью. Универсальной характеристикой для оценки степени вспенивания полимера является кратность вспенивания , где V и V₀ - объемы газонаполненного композита и исходного полимера соответственно. Обычно кратность вспенивания находится в пределах от 1,5 до 400; при этом кажущаяся плотность соответственно изменяется от 900 до 3 кг/м³ (0,9-0,003 г/см³).

Наряду с газонаполненными пластмассами изготавливаются и пористые резины, которые также могут иметь закрыто- и открытопористую структуру. Особенностью пористых резин является их способность к объемной деформации сжатия. Пористые резины благодаря эластичной матрице и газообразному наполнителю могут под воздействием сжимающей нагрузки уменьшаться в объеме, а после ее снятия - восстанавливать форму. Аналогичными свойствами обладают и некоторые вспененные пластмассы: пенополиэтилен, пенополиуретан, пенополивинилхлорид и др.

Наличие у вспененных полимерных композитов газообразной фазы придает им высокие тепло-, звукоизоляционные свойства, способность к демпфированию, низкую плотность и другие характеристики, делающие эти материалы уникальными.

Несмотря на то, что с уменьшением плотности снижаются прочностные свойства газонаполненных полимерных композитов, они находят широкое применение как конструкционные материалы. Их применяют для теплоизоляции и звукоизоляции, повышения жесткости многослойных конструкций, для компенсации тепловых расширений различных материалов, демпфирования вибрационных нагрузок, создания непотопляемых судовых элементов, для обеспечения радиоэкранирования объектов и других целей.

Многие из газонаполненных полимерных композитов широко используются и в производстве товаров народного потребления: для изготовления обуви, одежды, обивки мебели и других изделий.

Отнесение газонаполненного полимера к пено- или поропластам осуществляется, как правило, по их проницаемости и поглощающей способности, по которым губки и пены принципиально отличаются. Вследствие непрерывности газовой фазы губки характеризуются значительно большей проницаемостью и поглощающей способностью (газо-, водо-, паропоглощение и проницаемость) по сравнению с пенами.

Кроме того, все газонаполненные полимеры подразделяют по степени вспенивания или по кажущемуся удельному весу. Различают 5 категорий: 1) легчайшие 3 – 50 кг/м3, 2) легкие 50 – 150 кг/м3, 3) средние 150 – 400 кг/м3, 4) тяжелые 400 – 700 кг/м3, 5) сверхтяжелые 700 и более кг/м3. Степень вспенивания определяет основные механические свойства пенопластов и их отличительные свойства, такие как теплоизоляционные, звукоизоляционные и некоторые другие. Кажущаяся плотность — масса единицы объема материала, включая и объем закрытых пор. Чем ниже кажущаяся плотность, тем больше воздуха в материале.

Помимо этого пенопласты делят по их модулю упругости на жесткие, полужесткие и мягкие, что в основном обуславливается модулем упругости полимера и в некоторой степени кратностью вспенивания.