Свойства и применение пенопластов Тилен-А на основе порошковых новолачных фенолоформальдегидных композиций
Пластические массы, 1999, № 4, с. 20-21
И.М.Дворко, Л.В.Щемелева
Санкт-Петербургский государственный технологический институт
В последние годы продолжаются разработки и применение пенопластов на основе новолачных фенолоформальдегидных композиций для конструкционных, электроизоляционных и теплоизоляционных материалов [1-4]. Большой интерес представляет модификация таких композиций олигомерами и полимерами с целью повышения эксплуатационных свойств и расширения диапазона их использования [4-5].
Пенопласты марок Тилен-А уже положительно зарекомендовали себя и применяются на ряде отечественных предприятий в составе композиционных материалов или в виде самостоятельных изделий, которые работают в жестких эксплуатационных условиях [6].
Композиции для пенопластов Тилен-А выпускаются по техническим условиям
ТУ 40-2-149-87, представляют собой одноупаковочные порошковые полуфабрикаты с насыпной плотностью 350-450 кг/м3 и гарантийным сроком хранения до 1 года, а при необходимости могут предварительно таблетироваться.
Вспенивание и отверждение порошковых композиций проводят в закрытых металлических и неметаллических формах при температурах 100-200°С, подбирая технологический режим в зависимости от требований к изделию, его конфигурации, массы и размеров. При этом кажущаяся плотность (r) изделий может регулироваться в пределах 40-600 кг/м3.
Эксплуатационные свойства пенопластов существенно зависят от их кажущейся плотности и условий рабочей среды [4]. Механические свойства пенопластов Тилен-А в зависимости от кажущейся плотности и температуры испытаний представлены в табл. 1 и табл. 2.
Таблица 1. Механические свойства и водопоглощение пенопластов Тилен-А в зависимости от кажущейся плотности
Наименование показателя | Кажущаяся плотность, кг/м3 | ||||
40-70 | 70-130 | 130-170 | 170-220 | 220-350 | |
Разрушающее напряжение, МПа при сжатии при изгибе |
0,2-0,6 0,15-0,7 |
0,5-2,0 0,6-1,4 |
1,2-2,6 0,8-2,5 |
1,7-6,0 1,6-5,0 |
3,0-9,0 2,8-7,8 |
Ударная вязкость, кДж/м2 | 0,10-0,15 | 0,15-0,30 | 0,25-0,40 | 0,35-0,70 | 0,6-1,2 |
Водопоглощение, кг/м2, за 24 ч за 30 суток |
0,10-0,12 - |
0,02-0,04 0,5-0,8 |
0,03-0,04 0,4-0,7 |
0,02-0,03 0,3-0,5 |
0,015-0,02 - |
Пенопласты Тилен-А являются жесткими вспененными материалами и сравнение их физико-механических свойств с другими аналогами [7] показывает, что они относятся к наиболее прочным пенопластам данного типа. Благодаря своей равномерной мелкопористой и закрытоячеистой структуре они имеют очень низкое водопоглощение.
При воздействии отрицательных и положительных температур пенопласты Тилен-А сохраняют достаточно высокие физико-механические показатели при сжатии и изгибе, которые снижаются на 50-60 % при повышении температуры материала до 200°С. При этом следует отметить, что модули упругости при сжатии и растяжении сохраняют высокие значения до 160°С, а ударная вязкость пенопласта повышается (табл.2).
Таблица 2. Механические свойства пенопласта Тилен-А с кажущейся плотностью 120-150 кг/м3 в зависимости от температуры испытания
Наименование показателя | Температура испытания, °С | ||||
-60 | 20 | 80 | 160 | 200 | |
Разрушающее напряжение, МПа при сжатии при изгибе при растяжении |
1,9-2,4 1,4-1,6 1,3-1,6 |
1,3-2,2 1,3-1,5 1,5-2,0 |
1,2-1,8 1,3-1,4 1,3-1,6 |
1,0-1,7 1,2-1,3 0,5-1,0 |
0,75-1,2 - 0,4-0,8 |
Модуль упругости, МПа при сжатии при растяжении |
- - |
45-80 108-157 |
37-58 108-138 |
28-46 103-129 |
- - |
Относительное удлинение при растяжении, % | - | 0,4-0,9 | 0,5-0,85 | 0,6-0,9 | - |
Удельная ударная вязкость, кДж/м2 | 0,13-0,19 | 0,16-0,23 | 0,24-0,28 | 0,24-0,30 | 0,22-0,28 |
Высокие показатели механических свойств пенопластов сохраняются и после длительного термостарения образцов при повышенных температурах (табл.3).
Таблица 3. Механические свойства пенопласта Тилен-А после выдержки при повышенных температурах (ρ = 120-150 кг/м3)
Условия выдержки | Температура испытаний, °С |
Разрушающее напряжение, МПа | Ударная вязкость,кДж/м2 | ||
Температура, °С | Продолжительность, ч | при сжатии |
при растяжении | ||
80 | 500 | 20 | 0,9-1,5 | 1,4-1,8 | 0,15-0,20 |
80 | 1,0-1,5 | 1,2-1,7 | 0,17-0,21 | ||
80 | 1000 | 20 | 1,3-1,9 | 1,1-1,5 | 0,13-0,18 |
80 | 1,3-1,7 | 1,2-1,4 | 0,13-0,18 | ||
80 | 2000 | 20 | 1,3-1,9 | 1,1-1,3 | 0,11-0,17 |
80 | 1,3-1,8 | 0,95-1,2 | 0,12-0,15 | ||
160 | 24 | 20 | 1,25-1,7 | 0,85-1,2 | 0,09-0,12 |
160 | 0,9-1,2 | 0,6-1,1 | 0,07-0,12 | ||
160 | 100 | 20 | 0,9-1,3 | 0,6-1,1 | 0,08-0,13 |
160 | 0,75-1,1 | 0,6-0,9 | 0,07-0,11 | ||
160 | 500 | 20 | 0,8-1,1 | 0,6-0,9 | 0,07-0,11 |
160 | 0,6-1,2 | 0,5-0,8 | 0,05-0,06 | ||
200 | 10 | 20 | 0,8-1,4 | 0,4-0,8 | 0,08-0,11 |
200 | 0,5-1,5 | 0,4-0,75 | 0,08-0,11 | ||
200 | 24 | 20 | 0,7-1,1 | 0,5-0,8 | 0,08-0,13 |
200 | 0,6-1,2 | 0,5-0,7 | 0,08-0,11 | ||
200 | 50 | 20 | 0,4-0,9 | 0,4-0,7 | 0,07-0,10 |
200 | 0,5-0,8 | 0,4-0,6 | 0,06-0,09 |
Пенопласты марок Тилен-А имеют хороший комплекс теплофизических и диэлектрических характеристик, по которому они превосходят разработанные ранее отечественные пенопласты марок ФФ, ФК-20 и другие [7-8].
Таблица 4. Теплофизические свойства пенопласта Тилен-А (кажущаяся плотность 120-150 кг/м3)
Наименование показателя | Температура, °С | |||||
-60 | 20 | 50 | 100 | 150 | 200 | |
Коэффициент тепло-проводности, Вт/(м · К) | 0,04 | 0,055 | 0,065 | 0,07 | 0,075 | 0,078 |
Коэффициент температу-ропроводности, м2 · с · 107 | 5,3 | 2,9 | 2,3 | 2,0 | 1,9 | 2,7 |
Удельная теплоемкость, кДж/м2 | 0,5 | 1,25 | 1,9 | 2,35 | 2,65 | 1,9 |
Коэффициент линейного термического расширения, a · 105, 1/°С | 31-38 | 20-23 | 2-4 | 4-8 | 24-31 | 28-31 |
Линейная усадка за 24 ч, % | 0 | 0,6 | 1,0 |
Важными показателями полимерного материала, который может быть использован как электроизоляционный, являются диэлектрические характеристики, особенно, если они остаются стабильными при воздействии различных неблагоприятных факторов.
Диэлектрические показатели пенопластов Тилен-А имеют достаточно высокие значения, однако они уступают аналогичным показателям для пенопластов на основе эпоксидно-новолачных порошковых композиций [9], что связано с содержанием во вспененном материале некоторого количества низкомолекулярных примесей и свободных функциональных групп, например, фенольных гидроксилов. С увеличением кажущейся плотности диэлектрическая проницаемость (e) и тангес угла диэлектрических потерь(tgd) ухудшаются, а удельное объемное сопротивление увеличивается (табл. 5).
Таблица 5. Диэлектрические свойства пенопластов Тилен-А
Наименование показателя | Кажущаяся плотность, кг/м3 | ||
70-130 | 130-170 | 170-220 | |
Диэлектрическая проницаемость при 106 Гц, ε | 1,2-1,3 | 1,3-1,4 | 1,3-1,5 |
Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц, tgδ | (7-9) · 10–3 | (10-14) · 10–3 | (15-19) · 10–3 |
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом · м | (0,4-0,8) ·1011 | (0,6-1,4) ·1011 | (1-3) · 1011 |
Дэлектрические показатели пенопластов Тилен-А сохраняются на достаточно высоком уровне при различных воздействиях внешних условий, таких как влажность или повышение температуры, а также при длительном термостарении. Пребывание образцов пенопласта в атмосфере с влажностью 98 % в течение 30 суток повышает e на 10 %, tgd на 33 %, а их нагревание до 200°С повышает e на 10 % и tgd на 50 % (табл.6).
Таблица 6. Диэлектрические свойства пенопласта Тилен-А с кажущейся плотностью 120-150 кг/м3 в зависимости от условий воздействия
Воздействие 98 % влажности, сутки | Температура испы- таний, °С | Диэлектрическая проницаемость при 1010 Гц, не более | Тангенс угла диэлектрических потерь при 1010 Гц, не более |
0 |
20 |
1,25 | 0,012 |
2 | 1,30 | 0,014 | |
30 | 1,30 | 0,016 | |
0 | 100 | 1,25 | 0,013 |
160 | 1,3 | 0.016 | |
200 | 1,3 | 0,018 |
Продолжительная термообработка пенопласта при температурах до 160°С приводит к повышению диэлектрических характеристик, что связано с углублением процесса отверждения полимерной матрицы и увеличением частоты сшивки, а снижение диэлектрических показателей после выдержки образцов при 200°С связано с началом деструкции сетчатого полимера и повышением содержания низкомолекулярных примесей в данном материале (табл. 7).
Таблица 7. Диэлектрические свойства пенопласта Тилен-А с кажущейся плотностью 120-150 кг/м3 в зависимости от условий выдержки (температура испытаний 20°С)
Условия выдержки | Диэлектрическая проницаемость при 1010 Гц, не более | Тангенс угла диэлектрических потерь при 1010 Гц, не более | |
Температура, °С | Продолжительность, ч | ||
80 | 2000 | 1,24 | 0,009 |
160 | 50 | 1,22 | 0,009 |
160 | 100 | 1,21 | 0,007 |
200 | 24 | 1,29 | 0,010 |
Испытания показали, что пенопласты Тилен-А могут применяться в контакте с алюминиевыми, анодированными и титановыми сплавами не вызывая их коррозию. Изделия из таких пенопластов пригодны для длительной работы в среде топлив и масел при повышенных температурах и имеют низкие показатели набухания. [6].
В настоящее время уже опробована технология получения пенопластов на основе порошковых композиций данного типа под действием микроволнового излучения, что позволяет провести вспенивание и отверждение за 40-50 мин и сократить цикл формования изделий в 5-8 раз [10].
Приведенные данные свидетельствуют, что представленные пенопласты являются перспективными материалами для изготовления изделий в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности.
Литература
- Пат. 4898370 США, МКИ С 08 J 9/10. Producnion of phenolic resin composite foam / Saeki Yukio, Inoue Naomitsu, Tokunaga Yukio.- Заявл. 14.04.86; Опубл. 06.10.87.
- А.с. 1816774 СССР, МКИ С 08 J 9/06. Композиция для пенопласта/ Р.А.Сембаева, Г.В.Жукова, А.Ю.Самсонов и др. - Заявл. 20.04.90; Опубл. 23.05.93, Бюл. № 19.
- Пат. 1838348 СССР, МКИ С 08 L 61/10. Композиция для пенопласта./ С.П.Хайнер, С.А.Карташова, В.В.Гурьев и др. - Заявл. 10.12.91; Опубл. 30.08.93, Бюл. № 32.
- Заявка 2188636 Великобритании, С 08 J 9/10. Термоотверждаемые пенопласты с плотным поверхностным слоем на основе полиэфиров и фенольных смол/ P.H.Ridsdale, M.J.Brenner. - Заявл. 23.12.86; Опубл. 7.10.87.
- Порошковые композиции для пенопластов на основе модифицированных эпоксидных и фенолоформальдегидных олигомеров / А.Ф.Николаев, Л.В.Щемелева, И.В.Коцелайнен, И.М.Дворко // Пластмассы со специальными свойствами: Мат-лы краткоср. науч.-техн. семинара 16-17 сент. 1988.– Л., ЛДНТП, 1988.– С. 48-52.
- Дворко И.М., Щемелева Л.В. Новые пластмассы и эластомеры: Мат-лы науч.-техн.семинара / Под ред. проф. В.Н.Красовского и проф. В.К.Крыжановского.-С-Пб.,МЦЭНТ, 1996.- С. 14-16.
- Попов В.А. Пласт. массы.-1960, № 10.– С. 20-25.
- Берлин А.А., Шутов Ф.А. Пенополимеры на основе реакционноспособных олигомеров.- М.: Химия, 1978.- 296 с.
- Дворко И.М., Коцелайнен И.В. Пласт. массы.-1998. - № 2.- С. 40-42.
- Дворко И.М., Морозова Т.Ю., Крыжановский В.К. Новые химические технологии: Cб. мат-лов Всероссийск. науч-техн. конф /Приволжский дом знаний.- Пенза, 1998.- С. 6-10.