Рис. 3.99. Зависимость средней плотности пенополистирола от количества введенного газообразователя >
Характерной особенностью пенопластов в композициях заливочного типа является возможность получения неравномерной средней плотности по объему за счет различий в условиях структурообразования по высоте, что объясняется в основном технологическими причинами.
Пористость характеризуется соотношениями объемов полимера и газовой фазы, замкнутых и открытых пор, формой и размером ячеек. Термопластичные полимеры при использовании прессовой технологии позволяют получать наиболее равномерную мелкоячеистую макроструктуру. Характер и степень поризации газонаполненных пластмасс зависят от тщательности подготовки сырьевых компонентов, степени их гомогенизации, вида и количества вводимых ПАВ, соотношения компонентов в рецепте.
При увеличении количества закрытых пор в структуре материала улучшаются его физико-механические свойства. В основном замкнутой пористостью обладают прессовые поливинилхлоридные и полистирольные пенопласты, кремнийорганические и жесткие полиуретановые пенопласты. У пенопластов на основе мочевиноформальдегидных полимеров преобладают открытые поры. Некоторые данные о макроструктуре пенопластов представлены в табл. 3.35.
Акустические свойства также зависят от характера пористой макроструктуры пенопластов. Лучшим звукопоглощением обладают эластичные пенополиуретаны, характеризующиеся открытой пористостью. Жесткие пенопласты с замкнутой пористостью не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к акустическим материалам.
Теплопроводность пенопластов является самой низкой среди известных теплоизоляционных материалов — 0,023—0,045 Вт/(м·°С). Для каждого типа пенопластов существует оптимальное значение средней плотности, при которой теплопроводность минимальна. Увеличение или уменьшение средней плотности отрицательно сказывается на теплоизоляционных характеристиках материала. В первом случае за счет увеличения числа теплопроводящих мостиков, во втором — за счет возрастания влияния конвективной теплопроводности при увеличении в материале количества сквозных и сообщающихся пор.
Увлажнение материала повышает его теплопроводность (рис. 3.100). При этом теплоизоляционные характеристики пенопластов с сообщающейся пористостью ухудшаются гораздо в большей степени, чем у материала с замкнутой пористостью за счет проникновения воды в сообщающиеся поры и возникновения мостиков, хорошо проводящих теплоту.
Физико-механические свойства. Вследствие невозможности четкой фиксации хрупкого разрушения у пенопластов отсутствует однозначное значение прочности. Им присущи вязкая упругость и медленное деформирование во времени под нагрузкой. Поэтому прочность пенопластов следует рассматривать в связи с их деформативностью: прочность определяется условно при 2 или 10 % относительной деформации материала.
В табл. 3.36 приведены кратковременные физико-механические характеристики пенопластов.
Высокая прочность исходных полимеров (20—70 МПа при растяжении и 20—250 МПа при сжатии) при их относительно низкой истинной плотности (1050—1900 кг/м3) позволяет получать отличные теплоизоляционные материалы в виде газонаполненных пластмасс, коэффициент конструктивного качества которых составляет 500—1200, что значительно выше, чем у газобетонов (130—150). Сотопласты обладают еще более высоким коэффициентом конструктивного качества — 700—3000.
Твердость, хрупкость, эластичность пенопластов изменяются в широких пределах и зависят в основном от вида полимера, способа его поризации и добавок. Эластичность пенопластов можно повысить, вводя в их состав нитрильные каучуки или пластификаторы.
Температуростойкость определяется отношением прочностных и деформативных характеристик материала к воздействию температуры. Теплостойкостью материала условно считается температура, принимаемая за рабочую, при которой линейные усадочные деформации за 24 ч не превышают 1 % при условии сохранения материалом требуемых эксплуатационных и деформативных свойств.
В табл. 3.37 приведены данные, иллюстрирующие отношение пенопластов к воздействию различных температур.
Предельная положительная температура эксплуатации термопластичных пенопластов не превышает 75°С. Уже при 60°С механические характеристики полистирольных пенопластов ухудшаются на 30—40 %. В настоящее время для каждого из видов пенопластов разработан ряд антипиренов, входящих в их состав (органические фосфор- и галоидсодержащие соединения, аммонийные соли различных кислот и пр.). Таким образом, существует возможность перевода всех пенопластов в разряд самозатухающих. Наиболее высокой естественной огнестойкостью обладают фенольные и мочевиноформальдегидные пенопласты.
Понижение температуры до определенного предела улучшает физико-механические характеристики газонаполненных пластмасс, после чего они начинают деформироваться с ухудшением свойств. Предельными отрицательными рабочими температурами следует считать диапазон от —60 до —180°С.
Водопоглощение и гигроскопичность пенопластов зависят в основном от характера и степени поризации, а также от продолжительности увлажнения. Наличие открытой сообщающейся пористости, например у мочевиноформальдегидных пенопластов, предопределяет их повышенное водопоглощение, достигающее 1200 % по массе после 24-часового пребывания в воде. У заливочных фенольных пенопластов, имеющих плотную поверхностную корку, полное водонасыщение происходит через 120 сут и составляет 80—90 % по объему. Наиболее низкое водопоглощение у прессовых пенополистиролов, а также у заливочных поливинилхлоридных и полиуретановых пенопластов, у которых преобладает замкнутая ячеистая пористость.
Гигроскопичность пенопластов увеличивается с ростом влагосодержания в воздухе и уменьшением средней плотности.
Увлажнение пенопластов ухудшает их физико-механические характеристики. Так, после 20-дневного водонасыщения прочность фенольных пенопластов понижается в 1,5—2 раза, термопластичных пенопластов — на 8—18 %. Попеременное увлажнение и высушивание еще в большей степени снижает прочность и упругость пенопластов (до 40 %).
Биостойкость зависит от вида полимерной основы и условий эксплуатации. Высокой биостойкостью (без потери прочности и массы) обладают поливинилхлоридные, фенольные, полистирольные пенопласты. Мочевиноформальдегидные пенопласты обладают несколько меньшей биостойкостью — наблюдается некоторое падение прочности. Во всех случаях предохранение материала от увлажнения способствует повышению его биостойкости.