пенопласты

ПЕНОПЛАСТЫ (вспененные или ячеистые пластмассы, газонаполненные полимеры)

композиционные 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 П. аналогичны древесине, искусств. и натуральной коже, туфам, пористым керамич. и т. п. материалам. Объемное соотношение газовой и полимерной фаз в П. составляет обычно от 30: 1 до 1:10.

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

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

П. получены из большинства известных полимеров. Основу пром, ассортимента П. составляют пенополиуретаны, пе-нополистиролы, пенополивинилхлориды, пенополиолефины, пе-нофенопласты, карбамидо-формальдегидные пенопласты. Освоены также в пром. масштабе П. 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 П. заданного качества. Это могут быть жидкий, твердый и (или) газообразный порообразователь (вспенивающий агент), ПАВ, катализатор, ускоритель или ингибитор протекающих хим. реакций, сшивающий агент, антиоксидант, светостабилизатор, антиста-тик, наполнитель (усиливающий, токопроводящий или др.), пластификатор, разбавитель, краситель или пигмент, мономерный или полимерный модификатор и др. Создаются комбинированные П. из смесей полимеров, в т. ч. с керамич. порошком, цементом, растворимым 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 производства любого П. 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 П. Формование П. 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 производств П. — периодич. или непрерывных, часто оснащенных автоматич. управлением.

Вспенивают (с увеличением объема в 2–300 раз) растворы, 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, которые 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 температуры в результате внеш. подогрева или протекания во вспениваемой системе экзотсрмич. реакций 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 температуре, превышающей температуру размягчения полимера.

Полимеры вспенивают и непосредственно газами. При этом раствор или расплав полимера насыщают под давлением N₂, CO₂, реже др. газом, который при резком понижении давления высвобождается вследствие уменьшения растворимос-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. реакции их с к.-л. ингредиентом вспениваемой композиции. Так, толуилендиизоцианат и др. орг. изоцианаты, реагируя с водой, выделяют CO₂; порошки Al, Zn, Fe при взаимодействии с сильными кислотами выделяют H₂, и т. п.

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

Меньшее развитие получило газонаполнение без вспенивания, используемое в осн. для получения поропластоз из порошкообразных композиций, содержащих добавки веществ, впоследствии удаляемых из сформированных материалов-заготовок экстрагированием подходящим растворителем, 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 П., 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 синтактичных П. состоит, помимо полимера, из углерода, стекла, керамики или др. неорг. материалов, из которых изготовлены сферич. наполнители.

В целом при формовании П. 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 которого может достигать нсск. атмосфер.

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

Свойства П. 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 П. под действием статич. или динамич. нагрузок. С увеличением степени сшивания полимера возрастают , модуль упругости, формоустойчивость при повышенных температурах, но уменьшается относит, удлинение и ухудшаются эластич. свойства П. Для многих П., полученных "свободным" вспениванием, характерна анизотропия свойств; 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 П. намного превосходят соответствующие монолитные (невспененные) аналоги, поэтому замена последних на П. может обеспечить экономию до 50% полимера. Прочностные показатели интегральных П. зависят от свойств и толщины поверхностной корки; на ударопрочность заметно влияют жесткость сердцевины и размер ее ячеек.

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

Способность П. 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 П. имеют более высокие диэлектрич. свойства и меньшую газо- и паропрони-цаемость. Горючесть, био-, свето-, тепло- и хим. стойкость определяются гл. обр. типом полимера, однако эти показатели у П. из-за более развитой уд. поверхности несколько ниже, чем у соответствующих им монолитных полимеров.

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

Открытопористые П. применяют в производстве фильтров, в качестве средства для поглощения и удержания жидкостей (напр., нефтепродуктов), как гигиенич. и спец. губки, для изготовления утепленной одежды и мягких игрушек.

Напыляемые П. надежно герметизируют щели, стыки конструкций, пустоты.

Исходные смеси для получения П. — вспенивающееся при применении связующее для электронных модулей и блоков (попутно решается проблема электроизоляции), средство для укрепления песчаных почв, горных выработок.

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

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

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

^{Лит.: Тараканов О. Г., Мурашов Ю. С., Пснопласты, М., 1975; Берлин А. А., Шутов Ф. А., Пспополимеры на основе реакционноспособных олигомсров, М., 1978; их же, Упрочненные газонаполненные пластмассы, М., 1980: их же. Химия и технология газонаполненных высокополимеров, М., 1980; Вспененные пластические массы. Каталог.... Черкассы, 1982; Тараканов О. Г., Шамов И. В., Альперн В. Д., Наполненные пенопласты, М., 1989.}

_{Ю. С. Мурашов}