автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Теплоизоляционные пенопласты на основе карбамидных смол с активированными наполнителями

центральный научно-исследовательский, проектный и конструкторско-технологмческш институт легких металлических конструкции

На правах рукописи

ХАДДАД ДЕГРДХОС

ТЕПЛОИЗОЛЯШОННЫВ ПЕНОПЛАСШ НА ОСНОВЕ КАРБАШШЖ СМОЛ С АКТИВИРОВАННЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ

05.23.08 - Технология и организация, промышленного и гражданского строительства

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995 г.

Работа выполнена на кафедре технологии строительных материалов, изделий и конструкций Казахской государственной архитектурно-строительной Академии.

Научный руководитель Научный консультант Ведущая организация

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор С.М. БАИБОЛОВ

доктор технических наук, профессор H.A. САМИГОВ

Государственный научно-исследовательский центр "Строительство"

доктор технических наук, профессор P.A. АНДРИАНОВ

доктор технических наук, профессор Б.Д. БЕЛОУСОВ

Защита состоится " 26 " июня 1995 в 14.00 часов на заседании Специализированного Совета KI00.0I.0I в Центральном научно-исследовательском, проектном и конструкторско-технологическом . институте легких металлических конструкций, по адресу: Москва, ул. Красная Пресня, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан п 1995 г.

Ученый секретарь "^^gfy

Специализированного Совета H.A. МАТЮНИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Успешное решение задач народнохозяйственного строительства невозможно без создания и широкого применения эффективных материалов и ресурсосберегающих технологий для их получения. В практике современного строительства все большее распространение находят легкие многослойные ограждающие конструкции с теплоизоляционным слоем на основе синтетических полимерных вяжущих (пенопластов).

В настоящее время ддя получения пенопластов используются полиуретановые, полиэфирные, фенолоформальдегидные, эпоксидные и карбамидоформальдегидные' ' полимеры и их различные модификации. Среди широкого ассортимента пенопластов строительного назначения наиболее развитую сырьевую базу имеют карбамидные пенопласты. Однако наряду с такими ценными свойствами, как дешевизна, доступность исходного сырья, высокая стойкость против действия тепла, карбамидным пенопластам свойственны серьезные недостатки: большая усадка при твердении, хрупкость и невысокая механическая прочность, исключающие возможность использования этих материалов в качестве легкого конструкционного материала.

Поэтому проблема создания карбамидных пенопластов, сочетающих легкость с механической прочностью и жесткостью, является очень актуальной:

Действенным способом улучшения свойств карбамидных пенопластов является применение усиливающих высокодисперсных наполнителей.

Целью настоящей работы является разработка теплоизоляционных

пенопластов на основе карбамидных смол с активированными выоокодисперсными карбонатными наполнителями.

Поставленная цель определила следующие основные задачи:

- изучение природы поверхностно-активных веществ (ПАВ), повышающих активность наполнителя и выяснение механизма активизации;

- выбор активатора для получения активированного наполнителя;

- исследование влияния количества ПАВ и дисперсности наполнителя на процесс вспенивания-и отверждения карбамидных пенопластов;

- разработка оптимальных составов карбамидных пенопластов с активированным барханным песком;

- исследование технологических, физико-механических, деформативных и теплофизическйх свойств карбамидных пенопластов с активированными наполнителями; ;

• - опытно-промышленное внедрение разработанных карбамидных пенопластов и оценка их технико-экономической эффективности.

Основные методы исследований. Исследование влияния активирующих

* »

добавок на свойства пенопластов осуществлено методами химического и физико-химического анализов. Выбор оптимальных составов карбамидных пенопластов с активированными наполнителями проведен с использованием экспериментально статистической модели планирования эксперимента. Технологические физико-механические и эксплуатационные свойства определены по общепринятым методикам, термостойкость - методом дифференциально-термического анализа, степень отверждения определили методом термогравиметрии.

Научная новизна заключается в научно-теоретическом, и экспериментальном обосновании и разработке состава и способа получения низконаполненных карбамидных пенопластов на основе карбамиднрй 9мрлы и активированного мелкодисперсного барханного песка, в том числ^: .

- предложены добавки - катионо-активные ПАВ на основе четвертичных аммониевых оснований, активизирующие поверхность наполнителя;

-5- показан механизм действия активирующих добавок;

- найдена зависимость физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств пенопластов от вида и количества активаторов и дисперсности наполнителя;

- установлена закономерность структурообразования карбамидных пенопластов;

- методом математического планирования обоснованы и подтверждены экспериментально оптимальные составы разработанных карбамидных пенопластов;

- изучено влияние начальных условий хранения на прочностные и деформативные свойства наполненных карбамидных пенопластов.

Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций по получению карбамидных пенопластов с активированными наполнителями, удовлетворяющих техническим требованиям на пенопласты для строительных конструкций. Предложена рациональная технология их изготовления.

Результаты исследований нашли практическое применение при проектировании и строительстве цеха по производству пенопластов на основе карбамидных смол А. О. «МАНТРА».

По результатам исследований выпущен нормативный документ: «Технологический регламент производства теплоизоляционных плит на основе карбамидных смол с активированными наполнителями».

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Научные основы производства полимерных материалов», Караганда, 1ЭЭЗ г. Образцы разработанных пенопластов экспонировались на 1-ой Казахстанской ' международной выставке «Строительство и проектирование» - Каг В1Л1_0'94.

Публикации:

По материалам проведенных исследований выпущено два информационных листка.

Объсм работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основных выводов, списка использованной литературы из 85 наименований изложена на 100 страницах машинописного текста, с 23 рисунками,16 таблицам: и 2 приложениями.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает народнохозяйственное значение применена пенопластов в качестве теплоизоляционного слоя для многослойныхограждающи конструкций. Поставлены задачи получения пенопластов наосновекарбамидны смол с активированными высокодисперсными карбонатными наполнителями Показано практическое использование полученных результатов.

В первой главе диссертации излагается состояние и перспектив! исследований по получению наполненных пенопластов, пригодных дл применения в качестве утеплителя многослойных ограждающих конструкций развитые работами Берлина А. А., Шутова Ф. А., Чистякова А. М., Шплет Н. Г. Тараканова О. Г. и др.

I ; '. -С;-1.

Анализ литературных источников показывает, что использование наполнителе является перспективным способом улучшения свойств пенопластов на основ карбамидных связующих, которые благодаря низкой стоимости и доступност исходного сырья находят все более широкое применение. Однако, из-з недостаточной изученности влияния дисперсности и физико-химическо активности поверхности наполнителя, карбамидные пенопласты отличаютс невысокими физико-техническими свойствами, чтр не позволяет применять и в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала. . .

В проведенных нами исследованиях предлагается следующая гилотезг предварительная активация поверхности карбонатсодержащего кварцевог наполнителя модификаторами (ПАВ), что обеспечивает более полно

смачивание частиц наполнителя связующим и позволяет значительно повысить прочностные показатели наполненных карбамидных пенопластов.

Рассмотрены основы технологии получения карбамидных пенопластов. Показано, что получение карбамидных пенопластов представляет собой сложный физико-химический процесс, для успешного протекания которого предъявляются повышенные требования к составу исходных материалов и точности выполнения технологического режима. Установлено, что наиболее приемлемым является двухкомпонентный заливочный способ получения карбамидных пенопластов путем совмещения наполнителя с полимерной композицией до вспенивания.

Вторая глава посвящена характеристикам применяемых материалов. Для получения пенопласта в качестве связующего использовали карбамидную смолу марки КФ-Ж. В качестве наполнителя использовали барханные пески. Для отверждения пенопласта использовали термическую ортофосфорную кислоту. В качестве активаторов поверхности наполнителя использовали лаурилдиметилбензиламмоний хлорид (ЯД Б£Х) и дрдецилпиридиний хлорид (ДПХ), являющиеся катионоактивными поверхностно-активными веществами (КПАВ). Эмульгатором композиции служило вещество ОП-Ю.

Дано описание методик исследований физико-механических и физико-химических свойств наполненного пенопласта. Микропористость пенопластов определена на порозиметре модели 200 фирмы «Карло Эрба» (Италия), стойкость к термическим воздействиям - методом ДТА. Химические превращения изучены методом ИК-спектроскопий, степень отверждения -методом термогравиметрии, путем экстракции в аппарате Сокслета.

В третьей главе обоснован выбор активатора и изложены принципы получения наполненного карбамидного пенопласта. Приведены результаты физико-химических исследований.

Учитывая то, что наиболее усиливающее действие на композит ПАВ оказывает в случае тогда, когда его ионная активность соответствует

электрическому заряду поверхности наполнителя, нами в качестве активатора поверхности барханного песка использованы КПАВ, которые в максимальной степени способствуют повышению адгезионного сцепления карбамидного связующего с электроотрицательной поверхностью наполнителя.

Активацию поверхности барханного песка производили путем совместного помола их с КПАВ в вибромельнице др образования порошка необходимой дисперсности. Установлено, что внесение небольших доз КПАВ к размалываемому наполнителю существенно увеличивает его способность к помолу. Наибольший эффект достигается при содержании 0,6-0,8% от массы барханного песка ЛДБАХ и ДПХ соответственно. При этом для достижения дисперсности 0,4-0,5 м2/г время помола сокращается в 2,0-2,5 раза. Следует отметить, что удельную поверхность барханного песка выше 0,85мг/г достигнуть не удалось, очевидно, из-за агрегирования высокодисперсных частиц наполнителя при дальнейшемувеличении времени помола. Повышение количества КПАВ выше 0,6-0,8% приводит к снижению удельной поверхности размалываемого наполнителя. Для примера на рис. 1 приведена зависимость удельной поверхности барханного песка, модифицированного добавкой ДПХ, от времени помола.

Способ получения пенопласта основан на вспенивании карбамидной композиции,, представляющей собой смесь смолы, активированного наполнителя, эмульгатора и отвердителя. При этом происходит химическое взаимодействие ортофосфорной кислоты с карбонатными соединениями тонкодислерсного барханного песка с выделением углекислого газа.

Известно, что свойства пенопластов зависят от скорости и характера процесса вспенивания. Изучена зависимость кратности вспенивания композиций от времени, по которой можно судить о технологических параметрах вспенивания - скорости подъема пены и времени гелеобраэрвания.

Анализ эскпериментальных данных показал, что в п р исутств и и К ПАВ в начальный период вспенивания протекают процессы, приводящие к снижению

Зависимость удельной поверхности барханного песка от времени помола

О .'15 30 кЬ 60 75 90 Время, мин

Рис. 1 1, 2, 3, 4 - барханный песок при содержании ДПХ 0,4; 0,6; 0,8 и 1,0% по массе 5 - то же без активатора

скорости подъема пены. С увеличением содержания ЛДБАХ от 0,8 до 1,0% и ДПХ от 0,6 до 0,8% от массы наполнителя кратность вспенивания увеличивается на 8-12%. Это может быть связано с уменьшением поверхностного натяжения вспениваемой композиции за счет образования полислоев на поверхности наполнителя. Продолжительность времени гелеобразования не меняется для композиции с ЛДБДХ, а в композиции с ДПХ при его содержанииотО,6 доО,8%увеличивается на 10-12 сек, что может быть связано с ориентированной адсорбцией последнего на поверхности наполнителя.

Для обеспечения технологичности процесса изготовления и высоких физико-механических свойств составы наполненного карбамидного

пенопласта оптимизированы методом математического планирования эксперимента. В качестве критерия оптимальности составов была принята прочность при 10% деформации сжатия после 30 сут. хранения в нормальных условиях. В качестве варьируемых факторов выбраны количество КПАВ (в % от массы наполнителя), дисперсность наполнителя и температура исходных компонентов.

На основе уравнений регрессий установлены оптимальные содержания КПАВ, дисперсность наполнителей и определены составы карбамидных пенопластов с активированными наполнителями (табл. 1).

Необходимым условием получения наполненных пенопластов является хорошее смачивание наполнителя связующим. Смачивание наполнителей связующим характеризуется интенсивностью взаимодействия между молекулами этих веществ. Универсальной качественной характеристикой смачивания является краевой угол, который позволяет судить о скорости пропитки наполнителя. Установлено, что введение КПАВ в композицию способствует уменьшению краевого угла смачивания барханного песка с 65° до 30° и с 65° да 34° при использовании /1ДБАХ и ДПХ соответственно.

Таблица 1

СОСТАВЫ КАРБАМИДНЫХ ПЕНОПЛАСТОВ

Компоненты Содержание, в % по массе

1 2

- Карбамидрформальдегидная смола 61,72 61,74

- Молотый барханный песок 24,50 • 24,52

- Ортофосфорная кислота 12,34 12,34

- Эмульгатор ОП-Ю 1,23 1,23

- ЛДБАХ 0,21 -

-ДПХ - 0,17

- и -

Улучшение смачивания барханного песка карбамидной смолой в присутствии ЛДБАХ и ДПХ можно объяснить ориентированной адсорбцией последних на поверхности наполнителя. Поверхность барханного песка первоначально является гидрофильной, т. е. преимущественно смачивается водой. КПАВ, адсорбируясь на границе раздела фаз «барханный песок-смола» ориентируется в адсорбционном слое таким образом, что к поверхности наполнителя обращены полярные группы, а углеводородные радикалы - в окружающую среду, что делает зерна песка гидрофобными и хорошо смачиваемыми карбамидной смолой. Таким образом, обладая дифильными свойствами, КПАВ уравнивают полярность связующего и наполнителя, снижают поверхностное натяжение связующего, улучшают смачивание наполнителя и увеличивают площадь контакта наполнителя и связующего.

Исследование термостойкости карбамидных пенопластов с активированными наполнителями показало, что температура начала их разложения смещена в область более высоких температур. Максимальную температуру начала разложения 180°С имеет композиция с активатором ДПХ. При нагреве до 200°С контрольные составы теряют 16% своей первоначальной массы, тогда какобразцы с активированными наполнителями теряют 7-8% массы.

С этими результатами согласуются данные, полученные при изучении полноты отверждения пенопластов. Так, степень отверждения композиций с ЛДБАХ и ДПХ составляют к 30-ти суточному возрасту 80 и 84% соответственно, тогда как у образцов без КПАВ этот показатель равен 76%.

Для выяснения механизма усиливающего действия активированных наполнителей использовали метод ИК-спектроскопии. На ИК-спектрах карбамидногоолигомера с наполнителями, активированными ЛДБАХ и ДПХ, Имеется ряд изменений,свидетельствующий об образовании координационной химической связи между метиленовыми группами олигомера и кремниевых соединений наполнителя, что способствуетулучшению свойств разработанных пенопластов.

Изучено влияние КЛАВ на микропористость карбамидных пенопластов при оптимальном содержании активаторов'. Выявлено, что наполненные

пенопласты с добавками ЛДБ/0< и ДПХ обладают более широким набором пор

о

в области от 74 до 100000 А. •

В четвертой главе приведены результаты исследования основных карбамидных пенопластов с активированными наполнителями.

Изучена зависимость предела прочности при 10%-ой деформации сжатия карбамидных пенопластов от содержания КЛАВ в температурном интервале от 20 до 80°С. Установлено, что при использовании активированных наполнителей прочность карбамидной композиции увеличивается. Но с повышением температуры усиливающийэффектактивированного наполнителя снижается. В композициях с добавкой ДПХ влияние температуры нагрева на прочность проявляется сильнее. С увеличением температуры до 60 и 80°С прочностьобразцовснижается на 12и 19% соответственно. Это, по-видимому, связано с увеличением подвижности молекулярных цепей исходной карбамидной смолы. ■•■■-.

Исследования деформативных свойств разработанных карбамидных пенопластов показывают их зависимость от скорости удаления влаги из материала в начальный период их хранения, так как быстрое удаление влаги из пенопласта при незавершенных; релаксационных процессах, приводит к ' возникновению внутренних напряжений иразрушению материала.Установлено, •что К 2 сут. возрасту При хранении в нормальных условиях образцы с ЛДБАХ и ДПХ сохраняют влажность 30 и 35% соответственно, а влажность образцов без активатора снижается до'10%.

Известно, что процесс;сТруктуроо6разования в карбамидных композициях сопровождается значительными усадочными деформациями. Поэтому снижение усадочных деформаций при необходимой ^пластичности смеси является "актуальной-задачей. Исследование кинетики усадки показало,, что " для композиций ¿ активированными наполнителями .усадка протекает медленнее и более равномерно, что замедляет .процессы

структурообразования и благоприятно сказывается для периода, когда структура пенопласта довольно жесткая и усадка способствует возникновению внутренних напряжений. Наилучшие результаты получены для композиции с добавкой ДПХ, усадка снижается на 20%.

Исследовано влияние КПАВ на пластично-вязкие свойства карбамидн)з(х композиций. Зависимость удельной ударной вязкости от содержания активаторов имеет параболический характер с максимумом при расходе ЛДБАХ - 0,5% и ДПХ - 0,7%. Значительное увеличение удельной ударной вязкости пенопласта с активированными наполнителями по сравнению с композициями, не содержащими активатор, указывает на снижение внутреннего напряжения и хрупкости материала.

Изучена деформативность пенопластов под действием приложенных возрастающих напряжений. Установлено, что пенопласта на активированных наполнителях проявляет особенности деформирования отклонением зависимости «напряжение-деформация» отлинейности в области деформаций 0-4%. Следует отметить, что потеря несущей способности пенопластов с активированными наполнителями при достижении 12%-ой деформации (напряжение 1,18-1,22 МПа) не сопровождается явным разрушениемобразцрв.

Изучены теплофизические свойства пенопластов. Исследования показали, что зависимость коэффициента теплопроводности от влажности материала до 10% имеет почти линейный характер. С увеличением влажности вышЬ 10% интенсивность роста коэффициента теплопроводности снижается.

Установлено, что количество и вид КПАВ на теплопроводность пенопласта

I

влияет незначительно. . ...

Исследована зависимость теплостойкости пенопласта от содержания активаторов. Влияние ЛДБАХ и ДПХ на теплостойкость аналогичны и с /величением содержания ЛДБ£Х и ДПХ до их оптимального значения теплостойкостьувел ичивается. Однако п ри их содержании выше оптимального (1,0-1,2% от массы наполнителя) наблюдается снижение показателя теплостойкости, что связано с агрегированием частиц высокодисперсного

наполнителя при повышенных содержаниях активатора и последующи неравномерным распределением их в объеме карбамидной смолы.

Исследование влияния количества КПАВ и дисперсности наполнителя ь горючесть карбамидного пенопласта показало, что существенное влияние н горючестьоказывает дисперсность активного наполнителя.Так, при увеличен!' дисперсности наполнителя от0,4 до0,8 м2/г горючесть пенопластов снижаете на 65-70%. При этом происходит нейтрализация активных радикало! образующихся в процессе разветвленной реакции горения.

Основные механические свойства разработанных композиций приведен в табл. 2. Для сравнения приведены свойства известной композиции.

. Таблица

СВОЙСТВА КАРЕАМИДНЫХ ПЕНОПЛАСТОВ

, Наименование свойств Един. Составы

изм. 1 2 известно!

- Средняя плотность ■ 1 кг/мЗ 150-155 160-165 190

- Кратность вспенивания - 5,4 5,2 . 5,0

- Прочность при 10-ой деформации сжатия МПа . . .1,18,. - 1,24 ... 1,1

- Коэффициент теплопроводности Вт/м.К . 0,048 0,049 0,051

- Горючесть трудносгораемый

В пятой главе дано описание технологии получения наполнении ка'рбамйдн'ых пенопластов. "

Изучена возможность использования'раработанных карбамидны пеноНластов в качестве утеплителя многослойных ограждающих конструкций Установлено, что наполненные карбамидные пенопласты, изготовленные

виде плит в полупромышленных условиях, соответствуют требованиям на теплоизоляционные материалы, предназначенные для использования в качестве утеплителя.

Приведен технико-экономический расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения карбамидных пенопластов взамен фенольных или минеральной ваты. По ценам на 1991 г. экономический эффект составит 82,4 тыс. руб. на 1 м3 изделия в год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных комплексных исследований разработаны карбамидные пенопласта с активированными наполнителями с улучшенными

' физико-механическими, теплофизическими и эксплуатационными свойствами. Установлено, что при совмещении с карбамидной смолой активный наполнитель входит в координационно-химическую связь с полимером.

2. Предложены эффективные катионоактивные поверхностно-активные вещества для карбонатсодержащих кварцевых наполнителей на основе четвертичных аммониевых оснований.

3. Установлено, что активация поверхности наполнителя ЛДБАХ и ДПХ позволяет улучшить смачиваемость ее полимером. При этом краевой угол смачивания снижается соответственно на 35 и 31° и поверхность наполнителя становится гидрофобной.

" 4. Выявлено, что использование активированных наполнителей позволяет повысить термостойкость пенопластов на 20-25%, а степень их отверждения к 30 сут. возрасту на 8-10%.

5. Методом математического планирования эксперимента оптимизированы составы карбамидных пенопластов с активированными наполнителями. Установлено, что статистические модели прочности адекватно описывают результаты исследований.

6. Исследованы прочностные свойства наполненных карбамидных пенопластов. Выявлено, что активация поверхности барханного песка ЛДБАХ

-16»

и ДПХ обеспечивает постоянство высоких прочностных свойств пенопласта температурном интервале от О до 60°С.

7. Установлено, что применение активированных наполнителей способству снижению интенсивности удаления влаги из материала в начальный перис хранения и, вследствие этого, более равномерному протеканию процесс« деформирования при отверждении. Пенопластынаактивированныхнапэлнител: выдерживают 11-12%-ую деформацию сжатия без потери материалом несущ( способности.

8. С применением наполнителей ЛДБАХ и ДПХ, на 13-15% повышает! теплостойкость пенопластов при оптимальной дисперсности наполнителя, также значительно снижается показатель горючести конечного продукта.

9. Установлено, что разработанные карбамидные композиции отвеча требованиям, предъявляемым ктеплоизоляционным материалам, применяемь в качестве утеплителя для многослойныхограждающих конструкций. На основан! разработанных составов' и технологии изготовления осуществляет! производственное внедрение на базе А. О. «Мантра», где ведется строительст цеха.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЬ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Хаддад Джурджос. Карбамидные пснопласты с активированными наполнителям /Научныеосновыпроизводсгеаполимерных материалов/. Тезисы докладов международна научно-практической конференции. Караганда, 1993 - с 20.

2. Хаддад Джурджос. Теплоизоляционная плита на основе поризованных карбамида! пенопластов. Информ. листок № 93-26, КазЦНТИС Госархстроя Республики Казахск 1993 г. " '

3. Хаддад Джурджос. Пожаротехнические свойства карбамидных пенопластов : активированных наполнителях. Информ. листок № 93-121 КазЦНТИС Госархсгр Республики Казахстан, 1993 г.

ВВЕДЕНИЕ

I. НАПОЛНЕНИЕ - КАК СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ПЕНОПЛАСТОВ

1.1. Наполненные пенопласты на основе реакционно-способных олигомеров.

1.2. Структурообразование и свойства наполненных карбамидных пенопластов.

1.3. Современное представление о технологии карбамидных пенопластов и области их применения.

1.4. Выводы.

II. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Применяемые материалы.

2.2. Методы исследований.

III. ПОЛУЧЕНИЕ КАРБАМИДНЫХ ПЕНОПЛАСТОВ С АКТИВИРОВАННЫМИ КВАРЦЕВЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ

3.1. Обоснование выбора активаторов и получение активированных наполнителей',.'»7.

3.2. Получение наполненных карбамидных пенопластов с активированными наполнителями.

3.3. Физико-химические исследования карбамидных пенопластов с активированными наполнителями.

3.4. Выводы.

IV. ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАРБАМИДНЫХ ПЕНОПЛАСТОВ С АКТИВИРОВАННЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ

4.1. Прочностные свойства карбамидных пенопластов на активированных наполнителях.

4.2. Деформативные свойства.

4.3. Теплофизические свойства.

4.4. Выводы.

V. ОПЫТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

5.1. Технология получения карбамидных пенопластов с активированными наполнителями.

5.2. Получение опытной партии теплоизоляционных плит на основе карбамидных композиций с активированными наполнителями и технико--экономические расчеты.

Переход к рыночной экономике, развитие частного сектора в промышленном и сельскохозяйственном производстве, появление конкуренции формируют новые требования к строительным материалам. Очевидно, что в новых условиях хозяйствования, конкурентоспособными окажутся, в первую очередь, материалы, имеющие наименьшую стоимость при сохранении конструкционных качеств на уровне, гарантирующим надежную работу в нормативные сроки эксплуатации.

Дальнейшее совершенствование индустриального строительства связано с применением особо легких ограждающих конструкций, обеспечивающих снижение массы зданий и повышение их теплозащиты, и, в большей мере, зависит от увеличения выпуска и расширения номенклатуры пенопластов.

Основной группой пенопластов в структуре мирового производства газонаполненных полимеров являются пенополиуретаны (ППУ). Их производство составляет 50% от общего объема пенопластов. Также в большом количестве выпускаются пенополистирол (32%) и пенофенопласты (18%).

Более широкое их применение в строительстве сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью сырьевых материалов. Факторы весьма важные, так как строительство - одна из самых материалоемких отраслей народного хозяйства. Кроме того, для большинства вспененных пластмасс, применяемых в строительных конструкциях, остро стоит проблема снижения их пожарной опасности. При воздействии высоких температур (до 673 К) и окислительной среды полимерная основа пенопластов активно разлагается с выделением летучих продуктов, способных поддерживать горение. Для пенопластов положение усугубляется наличием высокоразвитой поверхности, облегчающей доступ кислорода к полимеру. Все это, естественно, сужает область применения разработанных к настоящему времени промышленных марок пенопластов, побуждая исследованиям по их замене или модификации.

В этом отношении исключение составляют пенопласты на основе карбамидоформальдегидных смол, имеющие развитую сырьевую базу, независимую от запасов топливно-энергетических ресурсов. Однако, наряду с такими ценными свойствами, как дешевизна и доступность, хорошая смешиваемость с водой карбамидным смолам и композиционным материалам на их основе свойственны серьезные недостатки: большая усадка при твердении, хрупкость и низкая механическая прочность, исключающие возможность использования этих материалов (пенопластов) в качестве легкого конструкционного материала. В связи с этим проблема создания карбамидных пенопластов, сочетающих легкость с прочностью и жесткостью, приобретает чрезвычайную актуальность. Одним из путей их упрочнения является применение наполнителей.

Несмотря на большие возможности изменения свойств пенопластов с помощью наполнителя, доля наполненных пенопластов в общем объеме производства пенополимеров сегодня еще мала - около 5%. В данном случае к известным факторам, препятствующим созданию высокопроизводительных процессов и организации крупномасштабного производства наполненных полимеров, добавляются трудности, связанные со спецификой образования полимерных пен. При вспенивании и отверждении полимерная композиция, как правило, претерпевает сложные физико-химические превращения, и присутствие в дисперсной системе газ-жидкость третьей фазы - твердого наполнителя не может не сказаться на параметрах процесса вспенивания и отверждения, структуре и свойствах конечного продукта.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка пенопластов на основе карбамидоформальдегидных смол с активированными карбонатными наполнителями и изучение их физико-технических свойств.

Основными предположениями для успешного решения поставленной цели послужили предположения о том, что активный наполнитель с хемосорбционно связанной поверхностно-активными веществами (ПАВ) на поверхности способен взаимодействовать с карбамидной смолой с образованием усиленной связи на границе раздела полимер-наполнитель.

Для выполнения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

- изучение природы поверхностно-активных веществ (ПАВ), повышающих активность наполнителя и выяснение механизма активизации;

- выбор активатора для получения активированного наполнителя;

- исследование влияния количества ПАВ и дисперсности наполнителя на процесс вспенивания и отверждения карбамидных пенопластов;

- разработка оптимальных составов карбамидных пенопластов с активированным барханным песком; исследование технологических физико-механических деформативных и теплофизических свойств карбамидных пенопластов с активированными наполнителями;

- опытно-промышленное внедрение разработанных карбамидных пенопластов и оценка их технико-экономической эффективности.

Научная новизна заключается в научно-теоретическом и экспериментальном обосновании и разработке состава и способа получения низконаполненных карбамидных пенопластов на основе карбамидоформапьдегидной смолы и активированного мелкодисперсного барханного песка, в том числе:

- предложены добавки - катионоактивные ПАВ наоснове четвертичных аммониевых оснований, активизирующие поверхность наполнителя:

- найдена зависимость физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств пенопластов от вида и количества активаторов и дисперсности наполнителя;

- установлена закономерность структурообразования карбамидных пеноп ластов;

- обоснованы методом математического планирования и подтверждены экспериментально-оптимальные составы разработанных карбамидных пенопластов;

- установлено влияние начальных условий хранения на прочностные и деформативные свойства наполненных карбамидных пенопластов.

Практическое значение работы заключается в разработке составов карбамидоформальдегидных пенопластов с активированными наполнителями, удовлетворяющих техническим требованиям на пенопласты для строительных конструкций. Предложена рациональная технология их изготовления, а также разработаны методические рекомендации по изготовлению и применению карбамидных пенопластов с активированными наполнителями.

Результаты исследований нашли практическое отражение при проектировании и строительстве цеха в А. О. «Мантра» по производству теплоизоляционных пенопластов на основе карбамидных смол производительностью 100 тыс.м3 в год. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Научные основы производства полимерных материалов» Караганда, 1993 г. Образцы карбамидных пенопластов с активированными наполнителями экспонировались на 1-й Казахстанской Международной выставке «Строительство и проектирование» Каг В1ПиЭ'94.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 85 наименований, изложена на 100 страницах машинописного текста с 23 рисунками, 16 таблицами и 2 приложениями.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны карбамидные пенопласты с улучшенными физико-техническими и эксплуатационными свойствами на активированных высокодисперсных наполнителях. Установлено, что при совмещении с карбамидной смолой активный наполнитель входит в координационно-химическую связь с полимером.

2. Предложены эффективные катионоактивные поверхностно-активные вещества для карбонатсодержащих кварцевых наполнителей на основе четвертичных аммониевых оснований.

3. Установлено, что активация поверхности наполнителя ЛДБАХ и ДПХ позволяет улучшить смачиваемость ее полимером. При этом краевой угол смачивания снижается соответственно на 35° и 31°, поверхность наполнителя переходит в гидрофобное состояние.

4. Выявлено, что использование активированных наполнителей позволяет повысить термостойкость пенопласта на 20-25%, а степень их отверждения к 30 сут возрасту на 8-10%.

5. Методом математического планирования эксперимента оптимизированы составы карбамидных пенопластов с активированными наполнителями. Установлено, что статистические модели прочности адекватно описывают результаты исследований.

6. Исследованы прочностные свойства наполненных карбамидных пенопластов. Выявлено, что активация поверхности барханного песка ЛДБАХ и ДПХ обеспечивает постоянство высоких прочностных свойств пенопласта в температурном интервале от 0° до 60° С.

7. Установлено, что применение активированных наполнителей способствует снижению интенсивности удаления влаги из материала в начальный период хранения и, в следствии, более равномерному протеканию процессов деформирования при отверждении. Пенопласты на активированных наполнителях позволяют развитие 11-12%-ных деформаций сжатия без потери материалом несущей способности.

8. С применением наполнителей активированных ЛДБАХ и ДПХ теплостойкость пенопластов повышается на 13-15% при оптимальной дисперсности наполнителя, а также значительно снижается показатель горючести конечного продукта.

9. Установлено, что разработанные карбамидные композиции отвечают требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам, применяемым в качестве утеплителя для многослойных ограждающих конструкций. На основании разработанных составов и технологии изготовления осуществляется производственное внедрение на базе А. О «Мантра», где строится цех по выпуску карбамидных пенопластов на конвейере непрерывного действия, мощностью 100 тыс.м2 в год.

1. АбрамзонА.А., ЗайченкоЛ. П., ФайнгольдС. ИПоверхностно-активные вещества. Л.: Химия, 1988.-200 с.

2. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск: Наука. 1979.-252 с.

3. Альперн В. Д., Бородкина Н.И., Бол дина Л. А. Карба-мидоформальдегидные пенопласты. М.: НИИТЭХим, 1984. - 60 с.

4. Андрианов В. И. и др. Силиконовые композиционные материалы. М.: Стройиздат, 1990.-224 с.

5. А. С. № 527449 (СССР) Способ получения пенопласта. Артюшина А. А. и др. А. С. № 527449 (СССР) Опубл. 1976. Б. И. №33

6. А. С. N° 673645 (СССР) Композиция для получения пенопласта /Думов С.Н., Еремин Н.Ф., Горлов Ю.П. и др. Опубл. 1979. Б. И. № 26.

7. A.C. № 896007 (СССР) Композиция для получения теплоизоляционного материала /Вительс Л.Э., Винокурова Л.И., МеркинА.П. Опубл. 1982. Б.И. №1.

8. A.C. № 896008 (СССР) Композиция для получения мочеви-ноформальдегидного пенопласта /Пашков Д. Н., Тараненко С. К., Мытченко В. Л. Опубл. 1982. Б. И. № 1.

9. А. С. № 896011 (СССР) Композиция для получения пенопласта /Веселов П. А., Смирнов Ю. ВДавыдов Г. И. Опубл. 1982. Б.И. №1.

10. A.C. № 914583 (СССР) Композиция для получения пенопласта /Пашков Д. Н. Опубл. 1982. Б. И. № 11.

11. А. С. № 929658 (СССР) Композиция для получения пенопласта /Думов С. П., Еремин Н. Ф., Горлов Ю. П., Тойчиев Т. Т., Виноградов В. М., Захарова О. Б. Опубл. 1982. Б. И. № 19.

12. A.C. № 929659 (СССР) Композиция для получения пенопласта

13. Вилькова С. Н., Котлик С. И., Балабанцев И. J1., Джумаходжаев

14. X. Опубл. 1982. Б. И. № 19.

15. A.C. № 994489 (СССР) Композиция для получения пенопласта /Порывай Г. А., Вишняков О. К. и др. Опубл. 1983 Б. И. № 5.

16. А. С. № 1162829 (СССР) Устройство для изготовления пенопласта /Ракитин Е. А., Меркин П. А. Опубл. 1985. Б. И. № 18

17. А. С. № 1199632 (СССР) Устройство для получения вспененных материалов /Яковлев И. Н., Чистякова. М., Гурьев В. В. Опубл. 1985. Б. И. № 47

18. А. С. Ng 1232487 (СССР) Устройство для смешения компонентов вспенивающегося полимерного материала / Яковлев И. Н., Чистякова. М., Гурьев В. В. Опубл. 1986. Б. И. №19

19. А. С. № 1477730 Композиция для пенопласта / Самигов Н. А., Соломатов В. И., Муминджанов X. И. и др. Опубл. 1989. Б. И. № 17

20. А. С. №1698263 (СССР) Композиция для пенопласта / Самигов Н. А., Соломатов В. И., Джалилов А. Т. и др. Опубл. 1991. Б. И. № 46

21. Берлин A.A., Щутов Ф.А. Пенополимеры на основе реакционноспособных олигомеров М.: Химия, 1978. - 296 с.

22. Брык М Т. Деструкция наполненных полимеров. М.: Химия, 1989. - 192 с.

23. Валгин В.Д., Емелина Ч.М. Алюмофор новый вспенивающий агентв производстве фенолформапьдегидныхпенопластов// Строительные материалы. - 1981. - № 12.

24. Ветошкина Т. В., Чертков Н. С., Исакова А. Г. и др. Пенопласты повышенной прочности на основе фенолформальдегидных смол // В кн.: Новые способы получения и области применения газонаполненных полимеров. Черкассы: ВНИИСС, 1982, - с. 78-80.

25. Вирпша 3., БжезинскийЯ. Аминопласты М.: Химия, 1973.-537 с.

26. Вознесенский В.А., и др. Современные методы оптимизации композиционных материалов. К., Будивельник, 1983. - 144 с.

27. ВоробьевВ.А.,АцдриановР.А. Полимерные теплоизоляционные материалы. М.: Стройиздат, 1972. -320 с.

28. Воробьев В.А., Стефурак Б.И., Стефурак /I.A. Перли-тофенопласт для теплоизоляции трубопроводов // Строительные материалы. 1976. - № 9. - с. 25-26

29. Григоров О.Н. и др. Руководство к практическим работам по коллоидной химии. М. -Л.: Химия. 1964.-331 с.

30. Дементьев А. Г. и др. Долговечность фенолформальдегидных пенопластов при эксплуатации в стеновых железобетонных панелях //Строительные материалы. 1984. - № 5

31. Дружинин С.А., Русаков Н.Л. Некоторые вопросы получения заливочных карбамидных пенопластов//В кн.: Использование пенопластов в легких конструкциях. М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1985.-209 с.

32. Дружинин С.А., ЧевердаА.К. Опыт использования полимерной пены для предохранения грунта от промерзания /Серия П. Передовой опыт в строительстве. Реф. ст. ЯДНТП. Ярославль: 1981, вып. 1

33. Захаров С.С., Леонович A.A., Белов Ю.Н. Трудногорючий теплоизоляционный материал с гидролизным лигнином // Строительные материалы. 1988. - № 12. - С. 8-9

34. Иванов В.В. Физико-механические свойства фенольного пенопластаФЛ-3//Строительные материалы и конструкции. 1982. - №1

35. Калинин Б.А., Черепанов В.П. и др. Улучшение качества и адгезионных свойств жесткого пенополиуретана //Пластические массы. -1976. № 8. - С. 39-40.

36. Кербер М.Л., Акутин М.С. и др. Структура пеноматериала на основе совмещенных феноло- и карбамидоформальдегидныхолигомеров // Пластические массы. 1985. - № 8. - С. 55-56.

37. Кутфитдинов Р.Н., Хожиева А., Яблочкина Л.Д., Магрупов

38. Ф.А. Композиционные материалы на основе мочевиноформальдегидного олигомера// Пластические массы. 1986. - № 11. - с. 40-41.

39. Леонович А.А. и др. Гидролизный лигнин как наполнитель карбамидных пенопластов // Пластические массы. 1983. - № 11.- с. 44-46.

40. Липатов Ю.С. Коллоидная химия полимеров. Киев. Наукова думка, 1984. - 344 с.

41. Мавлянов Н. Карбамидный полимербетон с активированными наполнителями. Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. -Саратов, 1982.

42. Методы физико-механических испытаний пенопластов/Под ред. Тараканова О.Г. Сб, трудов ВНИИСС. М.: ВНИИЭХИМ. 1976.-80 с.

43. Миханов С.А., Миронов Д.П., Голубев В.М. Водостойкость фенолформальдегидного пенопласта //Пластические массы. 1990.-№ 5. - С. 18-20.

44. Муминджанов X. И. Карбамидный полимербетон с комплексными отвердителями. Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Саратов, 1985. - 24 с.

45. МухинЮ. Г. Пенопласт ФРП-1 в конструкции повесного потолка // Строительные материалы. 1974. - № 8.

46. Наполнители для полимерных композиционных материалов /Перевод с англ. под ред. Каца Г. С. и Милевски Д. В. М., Химия. 1981. - 736 с.

47. Насриддинов З.Ш. Карбамидный полимербетон с термостабилизирующими добавками. Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук Ташкент. ТАСИ, 1992.-13 с.

48. Нейман А., Беликова М. С., Долгина А. Ф. Фенол ьный утеплитель ФРП-1 для изоляции теплосетей и облегченных ограждающих конструкций // Строительные материалы и конструкции. 1978.-N2 2.

49. Неймарк И. Е. Синтетические минеральные адсорбенты и носители катализаторов. Киев, 1982. - 210 с.

50. Николаев А. Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе М.-Л., 1964, с.

51. ОсовцоваИ. М.Улучшение свойств карбамидоформальдегидных пенопластов в панелях из древесных материалов. Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Москва, 1986. - 18 с.

52. Патент ФРГ № 1170615, 1964.

53. Патент Японии № 23334/68, 1968.

54. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: Справочник /Абрамзон А. А. и др. Л.: Химия, 1984. - 392 с.

55. Полунин В Л. Пенополимеры в низкотемпературной изоляции.- М.: Энергоатомиздат, 1991. 192 с.

56. Полуянов А.Ф., МакотинскийМ.П. Перспективы производства полимерных материалов для строительства //Строительные материалы.- 1986. № 3. - с. 6-9.

57. Пономарев Ю.Е. Пенопласты на основе Новолачных фенолформальдегидныхолигомеров// В кн.: Использование пенопластов в легких конструкциях. М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1985. - С. 134-142.

58. Пособие по физико-механическим характеристикам строительных пенопластов и сотопластов. М., Стройиздат, 1977.-79 с.

59. ПутляевИ. £, Сыпченко Т. И. Легкие полимербетоны объемной массой 350-600 кг/м3 на основе водорастворимых карбамидных смол /Вкн.: Перспективы применения бетонополимеров и полимербетонов в строительстве. М., 1976, с. 130-131.

60. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1979.-387 с.

61. Романенков Г.И. Физико-механические свойства пенистых пластмасс. М.: Стандарт, 1970.-27 с.

62. Руководство по применению ячеистых пластмасс в ограждающих конструкциях жилых зданий. М., Стройиздат, 1981.-40 с.

63. Руководство по изготовлению и применению теплоизоляционных плит на основе модифицированных карбамидных композиций. Ташкент, 1989.

64. Савин B.C., Шамов И.В. Влияние дисперсных наполнителей на ячеистую структуру жестких ППУ // Пластические массы. 1982. - № 3. -С. 34-36.

65. Савин B.C., Шамов И.В. Жесткие пенополиуретаны с дисперсными наполнителями // Пластические массы. 1987. - № 3.- С. 18-20.

66. Самигов Н.А., Соломатов В.И. Технология карбамидного полимербетона. Ташкент. Фан, 1987.-108 с.

67. Сильверстейн Р., БасслерГ., Морилл Т., Спектрометрическая идентификация органических соединений. М., Мир, 1977.-590 с.

68. Соломатов В. И. и др. Полимерные композиционные материалы в строительстве. М.: Стройиздат, 1988. - 309 с.

69. Соломатов В. И и др. Полиструктурная теория композиционных строительных материалов. Ташкент, Фан, 1991. 342 с.

70. Тараканов О.Г., Шамов И.В., Альперн В.Д. Наполненные пенопласты. М., Химия, 1989.-216 с.

71. ТараненкоС. К., Пашков Д. Н.,ХрулевВ. М. Теплоизоляционный материал на основе карбамидного полимера с лессовым наполнителем // Изв. ВУЗов. Строительство и архитектура. 1981. - № 9. - с. 68-71.

72. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М., Химия, 1983.-264 с.

73. Толстая С. Н., Щабанова С. А. Применение поверхностно-активных веществ в лакокрасочной промышленности. М.: Химия, 1976.-176 с.

74. Ходаков Г. С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972.-308 с.

75. Черепанов В. П., Шамов И. В. и др. Влияние длины стекловолокон на свойства наполненного жесткого пенополиуретана //Пластические массы. 1975. - № 1. - С. 71-72.

76. Чистяков А.М. Применение пенопластов в строительных конструкциях//Пластические массы. 1984. - № 4. - с. 52-54.

77. ЧистяковА.М. Легкие многослойные ограждающие конструкции. М., Стройиздат, 1987.-240 с.

78. Чошщиев К.Ч. и др. Сверхлегкий полимербетон на основе карбамидной смолы и барханного песка. // Труды научной конференции, Липецк, 1986.

79. Шантарин В.Д. и др. Склеивание фенолформальдегидного пенопласта с алюминием //Пластические массы. 1984.-№ 2.

80. Шорфман Э.Н. и др. Экологическая оценка эффективности применения карбамидных пенопластов //Строительные материалы. -1974. № 12. - с. 11-12.

81. Шплет Н.Г. Опыт применения карбамидных пенопластов в строительстве. Л.: ЛДНТП, 1977. 24 с.

82. Шплет М. Г. Сверхлегкие эффективные пенопласты для гражданского строительства. Л., Стройиздат, 1985.-64 с.

83. Юсупов X. И. Поризованные легкие полимербетоны на основе карбамидных смол и пористых заполнителей. Автореф. дисс. на соис. учен. степ. канд. техн. наук. М., 1984. - 18 с.

84. Яхонтова Н.Е., Голубова Г.А. Применение композиционных пенополиуретанов в легких ограждающих конструкциях //В кн.: Использование пенопластов в легких конструкциях. М.:ЦНИИСК им. Кучеренко, 1985-209 с.

85. Frisch К. О. Jn: Proc. Polyurethane Jndustrys Jnt. Conf. UTECH-86, The Hague, 1986, P. 4-7.

86. Urethane Technol. 1987. Vol. 4. № 2. P. 24.