автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Структура и свойства многослойного композита на основе пенополиуретана и базальтопластика

На правах рукописи

ПОНОМАРЕВ МАКСИМ ВАЛЕНТИНОВИЧ

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА И БАЗАЛЬТОПЛАСТИКА

Специальность 05.17.06 -Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов -2013 0050бП^и

005061120

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

доктор технических наук, профессор Артеменко Александр Александрович

Арзамасцев Сергей Владимирович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Химическая технология»

Мурадов Арамаис Багратович, кандидат технических наук, общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие ОП «ПОЛИПЛАСТИК», г. Москва, директор по производству

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится «5» апреля 2013 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая д. 77, ауд. 319/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «5» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель -Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

В.В. Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Стремительное развитие современной строительной индустрии предполагает использование материалов, отвечающих высоким требованиям быстро совершенствующихся технологий. Особое внимание уделяется вопросам теплоизоляции зданий, сооружений, тепловых сетей и промышленного оборудования как наиболее эффективному пути сокращения теплопотерь. Проблемы энергосбережения, защиты окружающей среды, снижения металлопотрсбления поставили задачу разработки новых технологий и материалов. В связи с этим совершенствование структур теплотехнических конструкций, достигаемое формированием многослойных композитов при совмещении пенополиуретана и базальтовой ткани, является актуальной проблемой.

Цель и задачи работы.

Целью работы является разработка процессов формирования многослойных теплоизоляционных композиционных материалов пониженной горючести на основе пенополиуретана и базальтопластика с повышенными физико-механическими характеристиками, с генерацией тепла внутри конструкции и удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к изделиям теплотехнического назначения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: "моделирование технологии получения различных структур многослойных композитов;

■создание армированных многослойных композитов с повышенными физико-механическими свойствами;

"оценка влияния отжига базальтовой ткани и режимов структурирования эпоксидного компаунда на прочностные свойства многослойной конструкции.

Научная новизна работы состоит в том, что: ■разработана конструкция многослойной сэндвич структуры, в которой в качестве облицовки использован базальтопластик, повышающий несущую способность строительных конструкций, и оценена его взаимосвязь с физико-механическими свойствами конструкции;

■разработана конструкция и способ получения многослойной сэндвич-структуры, в которой внутренняя облицовка выполнена из базальтопластика, армированного токопроводящими углеродными волокнами, уложенными специальным образом, что позволяет осуществлять ее нагрев до температуры 30-60°С (патент РФ № 2402663);

■разработана конструкция многослойного композита с пенополиуретановым заполнителем, армированным базальтовыми нитями, что позволяет повысить физико-механические характеристики сэндвич-структуры на 30%. При этом использование в качестве армирующих элементов базальтовых нитей, пропитанных эпоксидной смолой, улучшает механические характеристики сэндвич-панелей (патент № 102361 и № 93423);

■доказана возможность использования теплового потока электроисточника для ускоренного отверждения эпоксидного компаунда;

■установлена взаимосвязь плотности и исходного состояния базальтовой ткани со свойствами наружного слоя из базальтопластика и многослойной конструкции в целом.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработаны структуры и технологии изготовления многослойных пожаробезопасных конструкций, которые можно использовать:

- в качестве ограждающих конструкций в различных отраслях промышленности для тепло- звукоизоляции;

- в производстве тепловых строительных стеновых и кровельных панелей с внутренним теплоисточником для накопления тепла внутри сооружения.

На защиту выносятся следующие основные положения: ■результаты комплексных исследований по изучению влияния технологии формообразования многослойной композиции на деформационно-прочностные свойства ПКМ;

■результаты исследования многослойного композита с внутренним теплоисточником на прочностные свойства композита;

■данные по исследованию влияния температуры на степень отверждения эпоксидного компаунда в составе наружного слоя многослойного композита и на физико-механические характеристики;

■результаты определения возможности регулирования механической прочности многослойного композита за счет применения материалов различной плотности и изменения количества слоев базальтовой составляющей.

Направление исследований. Диссертационная работа выполнена в рамках проведения научно-исследовательской работы по госбюджетной тематике кафедры «Материаловедение».

Достоверность и обоснованность подтверждаются комплексом независимых и взаимодополняющих методов исследования.

Реализация результатов. Результаты исследований предполагается использовать в производстве строительных панелей и ограждающих конструкциях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 4 Международных конференциях: г. Братск, 2009 г., Томск, 2011 г., Москва, 2012 г., Саратов, 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы: 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в региональном журнале, 4 доклада на конференциях, получены 2 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, экспериментальной части, выводов, списка литературы (177 источников).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, цели и задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, научную новизну и практическую значимость работы.

Глава 1 посвящена анализу литературы, в которой рассмотрены вопросы современного состояния производства многослойных композиционных материалов и методов их получения. Исследованы сырьевые источники и особенности составов исходных материалов. Проведен анализ литературы, отражающий развитие и современное состояние проблемы использования многослойных композитов в промышленности и строительстве. Проанализированы основные требования к современным композиционным материалам и изучены недостатки структуры и производства многослойных конструкций. Проведен анализ исследований влияния физико-механических характеристик исходных материалов на прочностные свойства многослойных композитов. Исследованы предлагаемые пути улучшения физико-механических свойств многослойных композитов.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования.

В работе использовались:

■Пенопласт пенополиуретановый марки ППУ Т - 205ПН (ТУ2254-011-43862634-07). Полиол (ТУ 2226-006-43862634-05) - (смесь полиэфиров, вспенивающего агента - хладон 134а, катализаторов, пеностабилизатора) и полиизоцианат (Варанат 229 ТУ 2226-005-43862634-0).

■Наполнители: базальтовые нити (БН) и базальтовая ткань (БТ) массой 1 м2 - (270 и 360) г/м2, марки БТ-13 (ТУ 5952-031-00204949-95), углеродные нити марки УКН/5000 (ГОСТ28008-88): плотность р=2100 кгс/мм2, модуль упругости Е= 210 ГПа, прочность при растяжении 2,5 ГПа.

■Связующее - олигомер Этал-145М(ТУ 5772-001-18826195-00): плотность при 1=23 °С 1050-1100 кг/м3, прочность на разрыв - 15 МПа, удлинение при разрыве - 2-4%. Смолы не взрывоопасны, температура воспламенения отвержденного состава — 520 °С.

■Отвердитель марки Этал-145М (ТУ 5772-001-18826195-00), холодного отверждения.

Исследования проводились с применением комплекса современных независимых и взаимодополняющих методов: инфракрасной спектроскопии (ИКС), термогравиметрического анализа (ТГА), и стандартных методов испытаний физико-химических и механических характеристик.

Глава 3 посвящена разработке технологических режимов получения многослойных конструкций на основе пенополиуретана и базальтопластика. Разработаны способы формирования многослойной конструкции (МК), составляющими частями которой являются пенопласт пенополиуретановый (ППУ), используемый в качестве заполнителя, и базальтопластик (БП), образующий наружные (несущие) слои конструкции.

Соединение слоев проводилось без использования клеящих составов. С целью выявления оптимальной конструкции слоистой панели были исследованы различные варианты соединения деталей:

1. На готовую пенополиуретановую плиту накладывали с двух сторон препрег, состоящий из базальтовой ткани, пропитанной эпоксидным олигомером, содержащим отвердитель. Полученный состав выдерживали при температуре 20±5°С и давлении 0,5 МПа для осуществления процесса отверждения эпоксидного олигомера до степени отверждения 90±3% (рис. 1а).

2. Изготавливали каркас из базальтопластика, заполняемый затем реакционной смесью (полиол + полиизоцианат, в соотношении 1:1,2) для синтеза ППУ. Синтез осуществляли при следующем режиме: температура 20±5 С, давление 0,5 МПа, продолжительность 15 ±3 мин. Давление создавали, размещая заготовку на прессовом оборудовании. После снятия давления конструкцию выдерживали еще в течение 24 часов до полного созревания ППУ в естественных условиях (рис. 1 а).

3. Базальтовую ткань закрепляли внутри формообразующей емкости, которую затем заполняли реакционной смесью. Синтез ППУ осуществляли при следующем режиме: температура 20±5 °С, давление 0,5 МПа, продолжительность 15 ±3 мин. Затем на промежуточную конструкцию из базальтовой ткани и ППУ, соединенных в результате адгезионного взаимодействия ППУ с БТ и частичного проникновения ППУ в базальтовую ткань, наносили препрег из базальтовой ткани, пропитанной эпоксидным олигомером с отвердителем (рис. 1а) с последующим отверждением препрега при температуре 20±5°С и давлении 0,5 МПа.

4. Базальтовую ткань закрепляли внутри формообразующей емкости, которую заполняли реакционной смесью для синтеза ППУ между тканью. Синтез ППУ осуществляли при следующем режиме: температура 20±5°С и давление 0,5 МПа до полного отверждения ППУ в течение 15 ±3 мин. Затем на одной поверхности промежуточной конструкции из базальтовой ткани и ППУ, располагали углеродные нити в форме змеевика (рис. 1в) и сверху наносили препрег из базальтовой ткани, пропитанной эпоксидным олигомером с отвердителем.

а б в

Рис. 1. Структура композита (ППУ+БП) а) 1 - БП, 2 - ППУ; б) 1 - БП, 2 - ППУ, 3 - БП, 4 - ребра: в) 1 - БП, 2 - БП, 3 - ППУ, 4 - БП, 5 - УН, 6 - БП

Полученный состав многослойной конструкции выдерживается при температуре 20±5 °С для протекания процесса отверждения эпоксидного олигомера до степени отверждения 90±3%. Конструкция может иметь ребра жесткости (рис. 16).

Формирование многослойной композиции, содержащей внутри теплоисточник, предусматривает использование токопроводящих материалов. Такое решение позволяет не только использовать БП в качестве наружного слоя многослойного композита, но и рассматривать его как несущий элемент нагревательного устройства в разрабатываемой конструкции. В качестве токопроводящего элемента использовались углеродные нити (УН), обладающие проводниковыми свойствами. УН рассматриваются как носители тепла, создаваемого электроисточником как для обогрева внутреннего пространства, так и для отверждения эпоксидного компаунда в БП при формировании многослойного композита типа сэндвич-конструкции.

Наружный БП слой МК состоит из БТ и ЭТАЛ145М. В связи с тем, что производителем не раскрывается состав эпоксидной смолы ЭТАЛ и

Волнайае числа

Рис. 2. ИКС для составов олигомера ЭТАЛ: 1- олигомер отвержденный; 2 - олигомер неотвержденный; 3 - отвердитель

Анализ спектра неотвержденного олигомера (рис. 2, кр. 2) показал наличие колебаний СН связей: ароматического кольца - 3050 см"1, групп СН2 - 2960 см"1 и СН3 - 2928 и 2876 см"1, валентные колебания связи С-О фенольного кольца - 1248 см"1, колебания эпоксидного кольца - 910 см"1, что по химическому составу соответствует эпоксидному олигомеру химического состава:

В отвердителе ЭТАЛ определены валентные колебания связи 1ЧН группы МН2 (3279 см"'), связи СН группы СН2 (2949, 2830 см"1) и связи С-С (1128 см ), а также соответствующие им деформационные колебания: 5 №1

(1579 и 941 см"1) и 8 СН (1767, 1310 см"1), (рис. 3, кр. 3) следовательно, отвердитель ЭТАЛ относится к отвердителям аминного типа.

В отвержденном эпоксидном полимере проявляются валентные колебания гидроксильных групп (3427 см*1), образовавшихся в результате раскрытия эпоксидного кольца, и при этих же длинах волн проявляются колебания связи N11. Существенно меньше пики деформационных колебаний всех присутствующих в полимере групп и практически отсутствуют колебания эпоксидного кольца (1298,915,831 см"1) (рис. 2, кр. 1).

Следовательно, отверждение эпоксидного олигомера протекает по следующей схеме:

пСНгСН-\ /

О

► шндансн, смнсн,сн,[н.

он

I

СН2- СН снг I I

мсн2- снгм-

I

СНг-Ш~ I

он

сн2- сн~

I

он

он

I

снГсн

I

он

1,0 60 Время, мин

Рис. 3. Кинетика отверждения масс. ч. составов:

- 100 смола+15 отвердитель

- 100 смола+16,5 отвердитель

Выбор количества отвердителя проводили по степени отверждения, табл. 1 и параметрам кинетики отверждения (рис. 3 и табл. 2).

Увеличение содержания отвердителя для отверждения исследуемых олигомеров связано с необходимостью повышения степей отверждения (табл. 1).

Таблица 1

Состав композиции, масс. Ч. Степень отверждения, % масс.

Эпоксидный олигомер Отвердитель ЭТАЛ

100 11 87

100 13 93

100 15 97

100 16,5 99

Для олигомеров с увеличением содержания отвердителя до 16,5 масс. ч. уменьшается жизнеспособность составов и сокращается время отверждения при практически одинаковой для обоих составов максимальной температуре (табл. 2) и степени отверждения для этих двух составов близки, поэтому содержание отвердителя в дальнейших исследованиях составило 15 масс. ч. 8

Таблица 2

Параметры кинетики отверждения для эпоксидных олигомеров

Состав, % масс, г Время гелеобразования, мин Максимальная температура отверждения,°С Время отверждения, мин

100 смолы+15 отверд. 58 140 65

100 смолы+16,5 отверд. 42 142 43

Прочность МК во многом определяется свойствами БП, поэтому возникает необходимость в изучении влияния различных факторов на физико-механические характеристики БП.

При оценке влияния плотности БТ на физико-механические характеристики БП, использовали ткани разной плотности. Кроме того получали БП с различным количеством слоев ткани (до трех) (табл. 3).

Таблица 3

Физико-механические характеристики БП, отвержденного при t- 20°С

Плотность, кг/м2 Количество слоев Разрушающее напряжение при растяжении, о0аСт, МПа Разрушающее усилие при расслаивании, Ррассл, Н*М Разрушающее напряжение при продавливании Ппрод, МПа

0,27 1 104 800 7

2 127 12

3 129 13

0,36 1 114 2125 17

2 125 19

3 133 20

Примечание: коэффициент вариации по свойствам от 5 до 10%.

Результаты испытаний показали, прочностные свойства БП находятся в прямой зависимости от плотности БТ. Так, у БП, выполненного из ткани плотностью 0,36 кг/м2, прочность при растяжении, адгезионная прочность и твердость выше, чем у БП, выполненного из ткани плотностью 0,27 кг/м2, и с увеличением количества слоев физико-механические свойства улучшаются.

БП, получен пропиткой БТ эпоксидным компаундом с последующим его отвержением. Известно, что при повышении температуры структурирование ускоряется, поэтому была поставлена задача изучения влияния температуры на время и степень отверждения БП.

Отверждение образцов до термообработки осуществляли при комнатной температуре в течение 3 часов, а для интенсификации процесса отверждения дальнейшее структурирование эпоксидного компаунда осуществляли при повышенной температуре. Образцы обрабатывали при температурах 70 и 80°С, а степень отверждения определяли каждые 30 мин.

Степень отверждения эпоксидного компаунда в БП ускоряется с повышением температуры и увеличением времени выдержки (рис. 4). При 1=80 °С наблюдается более интенсивное отверждение во временном интервале от 0,5 до 1 часа, о чем свидетельствует кр. 1 (рис. 4).

103

* 95

*

1(1

*

Р 85

л

? 10

5

75

70

1

Ё

Времяотверждения, ча(

Рис. 4. Степень отверждения эпоксидного компаунда в зависимости от времени отверждения: 1 - при I = 80°С, 2 - при I = 70°С

Степень отверждения достигает своего почти максимального значения 93% за 2,5 ч при температуре 80°С (кр. 1), а при температуре 70 °С (кр. 2) эта же степень отверждения достигается за 3 ч, тогда как при комнатной температуре процесс отверждения занимает 24 ч.

Все физико-механические характеристики БП улучшаются с повышением до определенных пределов степени структурирования и времени термообработки. Прочность при растяжении возрастает с увеличением степени отверждения до 93% (рис. 5). Однако для образцов, отвержденных при 1=70 °С, с одинаковыми показателями степени сшивания прочность гораздо выше, чем у образцов, структурированных при 1=80°С, что, видимо, связано с протеканием структурирования в более мягких условиях.

Адгезионная прочность возрастает с увеличением времени выдержки при всех температурах (рис. 6).

—1

—■г7 *>-

—¿—4—

.... i. .;...

91 92 01 ад Сквеньамдодсни^Х

1W0 : 1200 : 1СЮО >

!

- -

h i

1 -

/

j—

г

;

ВвимжквержАМи^чк

Рис. 5. Разрушающие напряжения при растяжении в зависимости

от степени отверждения: 1 - при I = 70°С, 2 -при I = 80°С

Рис. 6. Разрушающие нагрузки при расслаивании в зависимости от степени отверждения:

1 - при t = 70°С, 2 - при t = 80"С

Для образцов с токопроводящими элементами структурирование композиции осуществляли под действием теплового поля, создаваемого электрическим током, проходящим по углеродным нитям. При силе тока (0,3-0,5) А температура изменялась от 50-90 °С, процесс отверждения проводили в течение 30,60 и 90 мин.

Физико-механические характеристики БП, полученного по термоэлектрической технологии структурирования эпоксидного компаунда (табл. 4), свидетельствуют об их улучшении, по сравнению с КМ, отвержденным в термокамере.

Таблица 4

Время, мин Сила тока, А Температура отверждения, °С Степень отверждения, % Разрушающее напряжение при растяжении, араст, МПа Разрушающее усилие при расслаивании, Ррассл» Н*М

30 0,3 50 83 41 739

60 0,4 60 91 127 946

90 0,4 60 93 131 983

60 0,5 70 93 162 987

60 0,6 80 94 123 871

Примечание: коэффициент вариации по свойствам от 5 до 10%.

Наблюдается рост разрушающей нагрузки при растяжении с увеличением силы тока, увеличивается и адгезионная прочность. Однако при силе тока 0,6 А эти показатели ниже.

Оптимальный режим отверждения эпоксидного компаунда по термоэлектрической технологии составляет 1 ч при силе тока 0,5 А, под действием которого создается температурное поле +70°С.

Исследованы физико-механические характеристики БП в зависимости от количества слоев БТ (рис .7, 8) при различной продолжительности отверждения в термокамере при температуре 70 °С.

С увеличением слоев от 1 до 3 увеличивается прочность БП при испытании на растяжение и твердость.

бреми обрабоши, -iac

Время терштЛравоткп, '

Рис. 7. Разрушающее напряжение при продавливании индентором в зависимости от времени отверждения

композиции и количества слоев БТ: 1 - 1 слой, 2-2 слоя, 3-3 слоя, 4-4 слоя

Рис. 8. Разрушающее напряжение при растяжении БП в зависимости от времени отверждения композиции и количества слоев БТ: 1 - 1 слой, 2-2 слоя, 3-3 слоя, 4-4 слоя

Замасливатели, наносимые на поверхность БН при их производстве, препятствуют проникновению эпоксидной композиции в наполнитель и, как следствие, снижают эффективность взаимодействия БН с полимерным связующим, что, в свою очередь, может снижать прочностные свойства полученного КМ.

С целью выявления влияния замасливателя на свойства БП проведен его отжиг с поверхности БТ. Отжиг осуществляли при температурах 150-250°С за время от 15 до 60 мин. При каждом режиме отжига определялись потери массы и влияние отжига на физико-механические свойства БТи БП.

Потери массы БТ при термообработке соответствовали содержанию замасливателя, так как потери массы базальтовой ткани при температурах до 800°С не превышают 0,5%.

На рис. 9-11 представлены графики зависимости потери массы БТ различной плотности от продолжительности отжига при температурах 150, 200 и 250°С.

Рис

9. Потери массы БТ в зависимости

от продолжительности отжига

Рис. 10. Потери массы БТ в зависимости от продолжительности отжига при 1=200° С 1 - БТ-0,36 кг/м2, 2 - БТ-0,27 кг/м2

Рис. 11. Потери массы в зависимости от продолжительности отжига БТ

при 1=250°С 1 - БТ-0,36 кг/м2, 2 - БТ-0,27 кг/м2

Потери массы увеличиваются с увеличением времени выдержки и достигают максимального значения уже при температуре отжига 1=200°С в течение 60 минут. Интенсивность снижения массы при отжиге замасливателя выше у БТ плотностью 0,36 кг/м2, чем у БТ плотностью 0,27 кг/м2.

Исследовано влияние режимов отжига БТ на физико-механические характеристики БТ (рис. 12} и БП (рис. 13-15).

Рис. 12. Влияние продолжительности отжига БТ на разрушающее напряжение БТ при растяжении: 1 - без отжига; 2 -1=150°С, 3 - 1=200°С, 4 - 1=250°С; I - БТ-0,27 кг/м2,БТ-0,36 кг/м2

Врмм агат*, »и

Рис. 13. Влияние продолжительности отжига БТ на разрушающее напряжение БП при растяжении ( £=150 С): 1 - БТ-0,36 кг/м2, 2 - БТ-0,27 кг/м2

Рис. 14. Влияние продолжительности отжига БТ на разрушающее напряжение БП при растяжении (1=200 С): 1 - БТ-0,36 кг/м2, 2 - БТ-0,27 кг/м2

Рис. 15. Влияние продолжительности отжига БТ на разрушающее напряжение БП при растяжении (1=250 С): 1 - БТ-0,36 кг/м2, 2 - БТ-0,27 кг/м2

Разрушающее напряжение БТ при растяжении возрастает при отжиге замасливателя. Это связано с усадкой материала в процессе нагрева. Однако при увеличении температуры отжига до 250°С прочность несколько снижается. В зависимости от температуры и времени нагрева в БТ существенно изменяется содержание оксида железа. При нагреве базальтовой ткани, помимо выгорания, замасливателя происходит снижение массы самой ткани, обусловленное потерей химически связанной воды, а при дальнейшем нагревании увеличение массы, связанное присоединением кислорода воздуха при окислении двухвалентного железа в трехвалентное.

Разрушающее напряжение при растяжении у БП при температуре отжига БТ, равной 150°С, незначительно зависит от времени отжига и меньше этого показателя у БП, выполненного из БТ, отожженной при температуре 200°С. При температуре отжига БТ, равной 250°С, величина разрушающего напряжения при растяжении БП значительно ниже во всех временных интервалах.

Таким образом, время выдержки образца и величина температуры отжига замасливателя с поверхности БТ влияют на величину разрушающего напряжения БП при растяжении и этот показатель выше для БП, выполненного из БТ отожженной при температуре 200°С в течение 60 минут.

Немаловажную роль в свойствах многослойного композита играет и внутренний слой из ППУ, усиления которого можно достичь армированием внутреннего пенополиуретанового слоя базальтовыми нитями. В многослойной конструкции внутренний ППУ слой армирован пространственной сеткой из БН или нитями микропластика (МП), представляющими собой базальтовые нити, пропитанные эпоксидным компаундом с последующим отверждением. Армирование осуществляется следующим образом: в формообразующей конструкции нити предварительно натягиваются в определенном порядке и закрепляются в боковых стенках формообразующей конструкции, в которую затем заливается реакционная смесь, предназначенная для синтеза ППУ. Нити могут быть протянуты по длине ППУ блока в один ряд (рис. 16 а), в два ряда (рис. 16 б) и вдоль и поперек заготовки (рис. 16 в).

Рис. 16. Структура внутреннего слоя многослойной конструкции с армирующими

базальтовыми нитями, пропитанными эпоксидным компаундом: а) проходящими одни рядом вдоль конструкции, б) проходящими двумя рядами вдоль конструкции, в) проходящими вдоль и поперек конструкции: 1 - пенополиуретан; 2- базальтовая нить

Армированный внутренний слой обладает существенно более высокой устойчивостью к изгибу (табл. 5), по сравнению с исходным ППУ. Причем его прочностные характеристики зависят от способа армирования и достигают лучших результатов при армировании 2 слоями БН. В результате, конструкция в целом получает дополнительное усиление.

Таблица 5

Физико-механические характеристики ППУ слоя, армированного

микропластиком

Способ Плотность, кг/м3 Разрушающее напряжение при изгибе, КПа Разрушающее напряжение при 10% сжатии, КПа

Исх. ППУ 57 210 208

Рис. 16 а 57,9 224 211

Рис. 16 6 58,6 283 234

Рис.16 в 59,6 386 292

Примечание: коэффициент вариации по свойствам от 5 до 10%.

Одним из требований, предъявляемых к теплотехническим материалам, является их огнестойкость. Для снижения горючести ППУ проводили его модификацию.

Снижения горючести можно достичь использованием антипиренов или негорючих наполнителей. С этой целью в состав конструкции вводили (бромистый калий (КВг), фосфогипс (ФГ) и КСД (огнезащитная жидкость -водный раствор композиционного материала, включающего соли антипирена и полимерные биоцидные составляющие ТУ 2389-00617483468) в количестве от 5 до 50% от веса реакционной смеси.

Модификация ППУ фосфогипсом повышает прочность ППУ, а для повышения огнестойкости его введение не эффективно. Введение в полиольный компонент КВг также повышает прочность при сжатии и незначительно повышает огнестойкость материала. Хорошего результата удалось достичь для композиции, содержащей 5% КСД (табл. 6).

Таблица 6

Свойства исходного и модифицированного ППУ

Состав внутреннего слоя Кислородный индекс, % Водопогло-щение % Разрушающее напряжение при изгибе, КПа Разрушающее напряжение при сжатии, КПа

ППУ 21 70 225 210

ППУ+5% КВг 22 61 262 223

ППУ+5% ФГ 21 63 254 231

ППУ+10%ФГ 21 85 271 252

ППУ+5% КСД 27 71 313 235

Примечание: коэффициент вариации по свойствам от 5 до 10%.

При этом физико-механические свойства модифицированного ППУ не изменились, кроме прочности на сжатие, которая возросла по сравнению с исходным составом ППУ. Повышение прочности при изгибе достигается созданием многослойной конструкции.

Разработанный многослойный композит образует сложную структуру, состоящую из трех составляющих. В связи с этим проводился анализ свойств компонентов, входящих в состав композиции.

Пенополиуретаны получают взаимодействием полиизоцианатов с многоосновными спиртами или другими веществами, содержащими гидроксильные группы. Образование уретановых групп происходит по реакции: II"1 - N=00 +НО-Л2 = ИГ1 - - СО - О - Я2.

При анализе спектрограммы (рис. 17) пенополиуретана наблюдаются полосы поглощения амидных групп, алифатических, ароматических групп и непредельных соединений, группы Саром -К, группы СО и остатков изоцианата. Спектр пенополиуретана в составе композита практически полностью повторяет спектр исходного пенополиуретана, никаких существенных изменений в химическом составе при изготовлении композита не происходит.

На ИК-спектре БТ (рис. 18, кр. 1) наблюдается относительно интенсивная полоса поглощения с максимумом при 3417 см"1 обусловленная валентными колебаниями у3 адсорбированных на поверхности базальтовых нитей молекул воды. Полоса сравнительно широкая вследствие того, что поверхность базальтовой ткани химически и энергетически неоднородна и, следовательно, распределение адсорбированных молекул воды по энергиям водородных связей неравномерно.

В спектре БП присутствуют полосы поглощения в области 830 см"1 и 798 см" , соответствующие внеплоскостным деформационным колебаниям ароматического кольца.

Ш Ш '

юоо о

Впш кты см

Рис. 17. ИК-спектр: 1 - БП, 2 - ППУ исходный, 3 - композит

Рис. 18. ИК - спектр: 1 - БТ 2 - БП

Валентные колебания С-О связи проявляются полосой поглощения в области - 1245 см"1, а группам ОН соответствуют колебания в области 3452 см"1 валентные колебания и 1644 см"1 - деформационные. Кроме того, присутствует полоса поглощения 1740 см"', представленная валентными колебаниями V С=0 при сложноэфирной группы. Исследование ИК-спектров наполненного многослойного композита показало отсутствие химического взаимодействия между компонентами, образующими конструкцию.

Изменение массы, скорости изменения массы и величины тепловых эффектов при нагреве образцов изучалось методом термогравиметрического анализа.

Данные термогравиметрического анализа (табл. 7) свидетельствуют о том, что потери массы пенополиуретана и базальтопластика при 100° С уже достигают значительной величины, но не являются критическими, и материал еще в состоянии служить без особой потери прочностных характеристик.

Таблица 7

Состав Т, °С Потери массы, %, при температуре, ° С

100 200 300 400 500 600 700 800 900

ППУ 240 4,2 9,3 32,6 47,4 56,8 74,7 87,4 96,8 100

БТ - 0 0,1 1,5 1,7 2,0 2,7 2,9 3,0 3,0

БП 242 4,3 9,7 17,2 34,1 43,7 49,3 59,0 59,0 59,5

невозвратным снижением прочностных свойств. При 500 С происходит 50% потери массы, и дальнейшее исследование теряет смысл. Теплостойкость ППУ по Вика составляет около 100°С. На основании проведенных испытаний были сформированы образцы многослойного композита по оптимальной технологии всеми способами. Облицовочными слоями является двухслойный БП, изготовленный из

базальтовой ткани, предварительно термообработанной в течение 60 мин при температуре 200°С. Структурирование эпоксидного компаунда в базальтопластике протекало при температуре 70°С в течение 2,5 часов в термокамере. Средним слоем композита является ППУ, армированный микропластиком в два скрещивающихся ряда.

Механические испытания экспериментальных образцов композита показали, что полученные многослойные конструкции обладают улучшенными по сравнению с аналогами прочностными характеристиками, которые также зависят от конструкции панели и способа изготовления (табл. 8).

Таблица 8

Физико-механические характеристики конструкций

Способ получения Разрушающее напряжение

при вдавливании индентора, МПа при 10% сжатии, КПа при изгибе, МПа при отрыве слоев, КПа

[*] 210 351 211

1 85 221 423 582

2 95 275 636 573

3 42 294 712 561

4 46 293 713 562

• ------- ^J - J —• - - —J "л— »»кд.*»«, * , -т VI1

конструкций; коэффициент вариации по свойствам от 5 до 10%.

Сравнительные результаты существующих сэндвич-структур и разработанной конструкции слоистого пакета приведены в табл. 9.

Таблица 9

Физико-механические свойства слоистых композитов

Состав многослойного композиционного материала Разрушающее напряжение при сжатии, КПа Разрушающе е напряжение при изгибе, МПа Разрушающе е напряжение при отрыве слоев, КПа Теплопроводность, Вт/м2К

ППС + сталь 170 180 200 0,41

Мин. плита+сталь 250 120 200 0,48

ППУ +сталь 310 350 250 0,25

ППУ+БП 293 713 562 0,14

Примечание: ППС- пенополистирол, ППУ - пенополиуретан, БП - базальтопластик.

Разработанные технологические приемы улучшения физико-механических и теплотехнических свойств сэндвичевых структур реализованы в технологической схеме производства многослойных композитов, машинно-аппаратурная схема которой приведена в диссертации.

выводы

1. Разработана структура слоистого композиционного материала на основе ППУ и БП, обеспечивающая получение композитов строительного назначения с пониженной горючестью.

2. Отработаны методы формообразования слоистого конструкционного композита, обеспечивающие создание геометрического модельного ряда конструкций с заданными характеристиками.

3. Выявлена зависимость физико-механических характеристик от метода формирования структуры композита.

4. Разработана многослойная теплоаккумулирующая строительная конструкция.

5. Показана целесообразность и эффективность отжига замасливателя с поверхности базальтовой ткани, объясняющего повышенное взаимодействие компонентов в структуре БП и значительное повышение физико-механических характеристики.

6. Доказано положительное влияние повышенной температуры на степень отверждения эпоксидной составляющей в БП и на его физико-механические характеристики в многослойной конструкции.

7. Впервые использовано отверждение эпоксидной композиции в БП под действием теплового источника, создаваемого электрическим полем.

8. Исследованы физико-механические характеристики БП и времени отверждения эпоксидного компаунда в БП.

9. Доказана эффективность армирования среднего пенополиуретанового слоя многослойной конструкции нитями БП.

10. Исследована горючесть пенополиуретановой составляющей и выявлена возможность снижения горючести многослойной конструкции.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Пономарев М.В. Теплоизоляционный слоистый полимерный композиционный материал / Г.П. Пономарева, A.A. Артеменко, О.М. Сладков, М.В. Пономарев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 1. С. 47.

2. Пономарев М.В. Строительные пенополиуретановые конструкции с наружным слоем из базальтопластика / Г.П. Пономарева, О.М. Сладков, A.A. Артеменко, М.В. Пономарев // Строительные материалы. 2011. № 11. С. 62-63.

3. Пономарев М.В. Влияние режима отверждения эпоксидного компаунда на свойства базальтопластика в пенополиуретановых слоистых композициях / Г.П. Пономарева, О.М. Сладков, A.A. Артеменко, М.В. Пономарев // Материаловедение. 2012. № 8. С. 45-50.

4. Пономарев М.В. Определение физико-механических характеристик несущего слоя многослойного композиционного материала / М.В. Пономарев, Г. П. Пономарева, О.М. Сладков, A.A. Артеменко // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 2(25). Вып. 2. С. 46-50.

В других изданиях

5. Пономарев М. В. Сэндвичевые конструкционные материалы / A.A. Артеменко, Г.П. Пономарева, О.М. Сладков, М.В. Пономарев // Энергосбережение в Саратовской области. 2008. №3. С. 16.

6. Пономарев М. В. Строительная панель из слоистого пластика / М.В. Пономарев, Г.П. Пономарева, A.A. Артеменко, О.М. Сладков // Строительство: материалы, конструкции, технологии: материалы I Всерос. (VII) науч.-техн. конф., 18-20 марта 2009 г. Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. С. 22-24.

7. Пономарев М.В. Ограждающие и строительные конструкции из пенополиуретана, армированного базальтопластиком / М.В. Пономарев, Г.П. Пономарева, О.М. Сладков, A.A. Артеменко // Современная техника и технологии: сб. тр. XVII Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: в 3 т. Т. 2. Томск: Изд-во Том. политехи, унта, 2011. С. 113-114.

8. Пономарев М.В. Активная строительная конструкция из слоистого пластика с армирующими элементами / М.В. Пономарев, Г.П. Пономарева // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании. М.; МГСУ, 2012. С. 444-447.

9. Пономарев М.В. Исследование физико-механических характеристик теплоаккумулирующей многослойной конструкции / М.В. Пономарев, Г.П. Пономарева Участники школы молодых ученых и программы УМНИК: сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2012. С. 278-280. ISBN 978-5-7433-2386-9

10. Пат. 93423 РФ № №2009148727 Полезная модель РФ МПК Е04С 1/100, Пенополиуретановый блок / Г.П. Пономарева, О.М. Сладков, A.A. Артеменко, М.В. Пономарев; заявитель, патентообладатель Г.П. Пономарева, А. А. Артеменко, О.М. Сладков, М.В. Пономарев; заявл. 28.12.2009; опубл. 27.04. 2010. Бюл. №12.

11. Пат. 102361 РФ №2010143651 Полезная модель РФ МПК Е04С 1/100, Пенополиуретановый блок / Г.П. Пономарева, О.М. Сладков, A.A. Артеменко, М.В. Пономарев; заявитель патентообладатель Г.П. Пономарева, A.A. Артеменко, О.М. Сладков, М.В. Пономарев; заявл. 25.10.2010 г.; опубл. 27.02.2011.

ПОНОМАРЕВ Максим Валентинович,

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА И БАЗАЛЬТОПЛАСТИКА

Автореферат

Подписано в печать 25.02.12 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 18 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdatfttisstu.r»

Федеральное государственное бюджетное учреяедение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический

университет имени Гагарина ЮА»

На правах рукописи

ПОНОМАРЕВ Максим Валентинович

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА И БАЗАЛЬТОПЛАСТИКА

Специальность 05.17.06 -Технология и переработка полимеров и композитов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Артеменко A.A.

О 00 ю ю со

со

о см

LO

о

га со

™

Саратов - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5 ГЛАВА 1. Информационный анализ состояния проблемы

1.1. Применение слоистых полимерных композиционных материалов 10

1.2. Исследование свойств многослойных ограждающих конструкций... 13

1.3. Промышленный ассортимент слоистых материалов..........................................22

1.4. Современное состояние производства легких слоистых ГЖМ..................25

1.5. Сырьевые материалы для производства слоистых ГЖМ..............................28

1.5.1. Жесткие пенополиуретановые системы....................................................28

1.5.2. Базальтоволокнистые наполнители....................................................................................38

1.5.3 Эпоксидное связующее..................................................................................................................42

1.5.4 Базальтопластики................................................................................................................................45

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования........................................................................................................................53

2.2 Методы исследования..........................................................................................................................57

ГЛАВА 3. Влияние технологического процесса получения многослойного

композита и его наружного слоя на свойства конструкции....................................58

3.1.Вариационные способы формообразования многослойной конструкции..........................................................................................................................................................59

3.2.Исследование влияния различных факторов на свойства базальтопластика....................................................................................................................................................62

3.3 Армирование внутреннего пенополиуретанового слоя сэндвич структуры базальтовыми нитями и нитями базальтового микропластика 86

3.4 Влияние замедлителей горения на огнестойкость пенополиуретана... 89

3.5 Определение механизма взаимодействия между компонентами композиции методом ИКС........................................................................................................................91

3.6 Исследование образцов методом термогравиметрического анализа... 93

3.7 Исследование физико-механических характеристик многослойной сэндвич -структуры..........................................................................................................................................98

3.8 Машинно-аппаратурная схема производства многослойной

конструкции..............................................................................................................................................................103

Выводы........................................................................................................................................................................105

Список использованной литературы................................................................................................106

Список сокращений

БВ - базальтовое волокно

БН - базальтовая нить

БП - базальтопластик

ИКС - инфракрасная спектроскопия

ПКМ - полимерный композиционный материал

ППУ -пенополиуретан

СВ - стеклянное волокно

СН - стеклянная нить

СП - стеклопластик

ТГА - термографический анализ

УВ - углеродное волокно

УН - углеродная нить

ФФС - фенолформальдегидная смола

ЭД - эпоксидная смола

ауд - ударная вязкость

Есж - модуль упругости при сжатии- растяжении Ераст - модуль упругости при растяжении Нв - твердость

ср - разрушающее напряжение при растяжении аизг - разрушающее напряжение при изгибе асж - разрушающее напряжение при сжатии ар - разрушающее напряжение при сдвиге Рр - Относительная разрывная нагрузка 8 - усадка

ЦТ) - коэффициент теплопроводности - водопоглощение

ВВЕДЕНИЕ

Энергосбережение в настоящее время рассматривается как важнейшая экономическая и экологическая проблема. Мероприятия, обеспечивающие экономию энергопотребления, более рентабельны и экологически оправданы по сравнению с увеличением выработки энергоресурсов. Сокращение теплопотерь через ограждающие конструкции является одной из главных задач экономии топливно-энергетических ресурсов. Поэтому важным направлением в научных исследованиях является поиск технических решений для новых структур ограждающих конструкций с высокими эксплуатационными и улучшенными теплотехническими свойствами. Хорошие результаты достигнуты в конструкциях, состоящих из газонаполненных пластмасс и легких волокнистых материалов, на базе которых в настоящее время создаются эффективные многослойные композиты, занимающие все большее применение в строительной индустрии и многих отраслях промышленности вплоть до космической. Многослойные композиты типа сэндвич - структур, состоящие из нескольких слоев материала разной структуры и природы происхождения становятся все более востребованными. Замена традиционных материалов полимерными композитами, способными выполнять те же функции без ущерба качества создаваемых сооружений позволяет уменьшить вес конструкции и снизить материальные затраты [1-4].

Современные технологии позволяют создавать конструкции из полимерных многослойных композитов, не уступающие, а часто и превосходящие по совершенству и техническим характеристикам конструкции, изготовленных из традиционных материалов. Использование многослойных композитов в промышленности не ново, однако конструкции их совершенствуется год от года, ширится диапазон используемых для этой цели материалов. Для пополнения информационной базы физико-механических и других характеристик необходимых для обоснования использования тех или

иных материалов в формировании новой структуры слоистых композитов возникает потребность в исследовании их прочностных свойств.

Главной задачей в исследованиях слоистых композиций является поиск путей повышения прочностных и эксплуатационных характеристик, позволяющих расширить область их применения.

Направленное изменение структуры и свойств композитов, на основе модифицированных волокнистых и пенополиуретановых систем базируется на их совмещении и регулировании взаимодействия в системе полимерное связующее - полимерный наполнитель и является наиболее эффективным в достижении поставленной цели. Армированные полимерные системы и созданные на их основе слоистые композиции позволяют решать вопросы повышения физико-механических и эксплуатационных характеристик конструкционных элементов ограждающих систем.

Актуальность темы. Стремительное развитие современной промышленности, предполагает использование материалов, отвечающих высоким требованиям быстро совершенствующихся технологий. Особое внимание уделяется вопросам теплоизоляции зданий, сооружений, тепловых сетей и промышленного оборудования, как наиболее эффективному пути сокращения теплопотерь. Проблемы энергосбережения, защиты окружающей среды, снижения металлопотребления поставили задачу разработки новых технологий и материалов. В связи с чем, совершенствование структур теплотехнических конструкций, достигаемое формированием многослойных композитов при совмещении пенополиуретана и базальтовой ткани, является актуальной проблемой.

Целью работы является разработка процессов формирования многослойных теплоизоляционных композиционных материалов пониженной горючести на основе пенополиуретана и базальтопластика с повышенными физико-механическими характеристиками, с генерацией тепла внутри конструкции и удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к изделиям теплотехнического назначения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

■ моделирование технологии получения различных структур многослойных композитов;

■ создание армированных многослойных композитов с повышенными физико-механическими свойствами;

■ оценка влияния отжига базальтовой ткани и режимов структурирования эпоксидного компаунда на прочностные свойства многослойной конструкции.

Научная новизна работы состоит в том, что

« разработана конструкция многослойной сэндвич-структуры, в которой в качестве облицовки использован базальтопластик, повышающий несущую способность строительных конструкций и оценена его взаимосвязь с физико-механическими свойствами конструкции;

• разработана конструкция и способ получения многослойной сэндвич структуры, в которой внутренняя облицовка выполнена из базальтопластика, армированного токопроводящими углеродными волокнами, уложенными специальным образом, что позволяет осуществлять ее нагрев до температуры 30-60°С [патент РФ № 2402663];

• разработана конструкция многослойного композита с пенополиуретановым заполнителем, армированным базальтовыми нитями, что позволяет повысить физико-механические характеристики сэндвич структуры на 30%. При этом использование в качестве армирующих элементов базальтовых нитей, пропитанных эпоксидной смолой, улучшает механические характеристики сэндвич- панелей (патент № 102361 и № 93423);

• доказана возможность использования теплового потока электроисточника для ускоренного отверждения эпоксидного компаунда;

• установлена взаимосвязь плотности и исходного состояния базальтовой ткани со свойствами наружного слоя из базальтопластика и многослойной конструкции в целом.

Практическая значимость работы.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработаны структуры и технологии изготовления многослойных пожаробезопасных конструкций, которые можно использовать:

в качестве ограждающих конструкций в различных отраслях промышленности для тепло- звукоизоляции;

в производстве тепловых строительных стеновых и кровельных панелях с внутренним теплоисточником для накопления тепла внутри сооружения.

На защиту выносятся следующие основные положения:

■ результаты комплексных исследований по изучению влияния технологии формообразования многослойной композиции на деформационно-прочностные свойства ПКМ;

■ результаты исследования многослойного композита с внутренним теплоисточником на прочностные свойства композита;

■ данные по исследованию влияния температуры на степень отверждения эпоксидного компаунда, в составе наружного слоя многослойного композита, и на физико-механические характеристики;

■ результаты определения возможности регулирования механической прочности многослойного композита за счет применения материалов различной плотности и изменения количества слоев базальтовой составляющей.

Направление исследований. Диссертационная работа выполнена в рамках проведения научно-исследовательской работы по госбюджетной тематике кафедры «Материаловедение».

Достоверность и обоснованность подтверждается комплексом независимых и взаимодополняющих методов исследования.

Реализация результатов. Результаты исследований предполагается использовать в производстве строительных панелей и ограждающих конструкциях в промышленности.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 4 Международных конференциях: г. Братск - 2009, г. Томск -2011 г, Москва-2012 г., Саратов 2012г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы: 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в региональном журнале, 4 доклада на конференциях, получены 2 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, экспериментальной части, выводов, списка литературы (177 источника).

ГЛАВА 1 Информационный анализ состояния проблемы

1.1 Применение слоистых полимерных композиционных материалов.

В настоящее время нашла обширное применение особая форма легких слоистых пластиков под названием структурных сэндвичевых конструкций поэлементной сборки. Одним из эффективных конструктивных решений трехслойных сэндвичевых конструкций является структура, состоящая из покрытия, двух тонких пластин - называемых обшивками, заполнителя -расположенного между наружными пластинами, утолщенной легкой сердцевины, которая воспринимает и распределяет нагрузку между пластинами, соединение которых в единое целое осуществляется за счет адгезионных свойств клеящих составов, связывающих наружные пластины с заполнителем [1-6]. В качестве внутреннего слоя в таких конструкциях часто используются вспененные пластмассы.

По функциональному назначению слоистые конструкций разделяют на несколько видов. Различают строительные многослойные конструкции стеновые и кровельные сэндвич - панели.

Стеновые слоистые композиции применяются для возведения стен, ограждающих конструкций, потолочных сэндвич-панелей, для перегородок, облицовочные стеновые панели и сэндвич-панели для низкотемпературных и холодильных камер. Эти конструкции обладают гладкой поверхностью с неглубокими ребрами [5,7-12].

Кровельные слоистые композиции применяются для возведения кровли зданий. В отличие от стеновых, кровельные структуры обладают высокими ребрами, благодаря которым обеспечивается водосток и повышенная жесткость [5, 7-12].

Строительные слоистые композиции широко применяются при возведении промышленных зданий: производственные помещения, ангары,

складские терминалы, сельскохозяйственные сооружения и т. д.; зданий и помещений общественного назначения: офисы, магазины, торговые площади, супермаркеты, административные здания, станции технического обслуживания, и т. д.; спортивных сооружений: ледовые дворцы, физкультурно-оздоровительные комплексы; производственные помещения: предприятия пищевой промышленности, птицефермы, здания сельскохозяйственного назначения; здания с повышенными санитарно-гигиеническими требованиями, в том числе медицинского назначения, жилых домов (рис. 1.1.4), временных сооружений и дачных домиков (рис.1.1.5) [5-26].

Рис. 1.1.2 Ангар

Рис. 1.1.3 Промышленные сооружения

Рис. 1.1.4 Жилой дом на канале в Амстердаме

Рис.1. 1.5 Бытовки, времянки

Рис. 1.1.6 Кровля и теплоизоляция

Многослойные композиции применяются в качестве шумозащитных экранов и заборов, предназначенных для ограждения территорий, прилегающих к зонам повышенного шума, и относятся шуморассеивающим, поглощающим и рассеивающим шум на пути его следования [8,9]. К таким зонам можно отнести автотрассы, железные дороги, территории заводов и фабрик, строительные площадки и т.д. Основной характеристикой шумозащитного забора является степень снижения уровня шума.

Рис. 1.1.7 Сэндвич-структуры для ворот и заборов

Слоистые композиции теплотехнического назначения, используются для сооружения ограждающих конструкций термического оборудования, реакционных аппаратов (рис. 1.1.9), работающих в высоком температурном режиме, трубопроводов (рис. 1.1.7) [27-29], а также ограждающих конструкций для низкотемпературных сооружений: холодильных и морозильных камер промышленного назначения [8].

Рис. 1.1.8 Теплоизоляция химических реакторов

Рис. 1.1.9 Трубы и фитинги

Рис. 1.1.10 Теплоизоляция труб и отвод

Слоистые композиции звукоизолирующего характера, используются для обшивки летательных аппаратов [1,3,31-32], в качестве ограждающих конструкций в теплотехнических приборах [1,3,30,33] и звукопоглощающих конструкций, в приборах агрегатов генерирующих громкие звуковые сигналы и др. [1,3,34].

Шшр иттш

t

«до*/« оммшх ¡яйА ^ Лмщцрщ тг * .¡оч«* лаку""*

5 (т>чт »дм» ^цА ЯМ/

1.2 Исследование свойств многослойных ограждающих

конструкций

На современном этапе разработан большой ассортимент многослойных панелей различных геометрических форм в сочетании со многими типами заполнителей и оболочек, выполняющих различные задачи, обусловленные механическими и теплотехническими свойствами конструкций. Наиболее интересными из всех применяемых материалов являются пенопласты и волокнистые материалы [ 1 -6,33-3 8].

Уникальность теплотехнических и других эксплуатационных свойств пенопластов прежде всего, связана с высокой пористостью, т.е. малым содержанием твердой полимерной фазы (до 3%) и значительным содержанием газовой фазы до (90%), что обеспечивает низкую теплопроводность, а изменение морфологических характеристик пенопласта, таких как размер газовых полостей, в значительной степени оказывает влияние на теплопроводность, чем стремление к снижению плотности [35,36].

Физико-механические характеристики многослойных конструкций из легких газонаполненных полимеров с облицовочными волокнистыми материалами имеют ряд преимуществ перед многослойными конструкциями с использованием листов металлического проката или листов ПВХ: легкость конструкции; высокие теплоизоляционные и шумоизоляционные свойства; высокую прочность и долговечность; стойкость к атмосферным воздействиям, перепадам температур; соотв�