Вспененные полимеры: классификация, сравнительная характеристика

Одними из первых технологию вспенивания полиэтилена разработали специалисты японской компании Sekisui Chemical Co. Ltd.. В 1968 году появился материал Softlon - вспененный полиэтилен низкой плотности ПВД (LD-PE), молекулярно сшитый высоким излучением (радиационно сшитый) по технологии, разработанной собственными силами тогда еще небольшой компании. Новый материал получился с уникальными теплоизоляционными и пластичными свойствами. В 1971 году Sekisui организовывает первое в Европе производство пенополиэтилена совместно со швейцарской компанией ALVEO, которая 1973 году полностью перешла под ее контроль.

Вспененный полиэтилен, (Пенополиэтилен ППЭ - expended polythene EPE) относится к так называемому классу газонаполненных (пенополимеров или поропластов) термопластичных полимеров (термопластов).

Пенолимерами принято называть органические высокопористые материалы, получаемые из синтетических смол. Их часто называют пенопластами или поропластами, а также газонаполненными ячеистыми пластмассами. Пенополимеры представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердых и газообразных фаз.

Газонаполненные пластмассы - это двухфазные системы, состоящие из полимерной матрицы и относительно равномерно диспергированной газовой фазой. Такая структура пластмасс обуславливает некоторую общность их свойств, а именно - чрезвычайно малую массу, высокие тепло- и звукоизоллляционные характеристики.

Пенополимеры различают на основе термопластичных полимеров с линейной структурой - пенополиолефинов (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полипропилен и др.) и термореактивных - на основе полимеров с пространственной структурой (фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные, ненасыщенные полиэфиры, эпоксидные, полиуретановые и др.). Для термопластичных пенополимеров опасны температуры, близкие к температуре текучести, когда значительно снижается прочность материала, и избыточное давление газа может разрушить материал.

В зависимости от физической структуры ячеек пенополимеры можно условно разделить на три группы: пенопласты, порополимеры и сотополимеры.

Пенопласты представляют материалы с ячеистой структурой, в которой газообразные наполнители изолированы друг от друга и окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Замкнутоячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Прочность их невелика и зависит от плотности материала. Примером пенопласта служить вспененный полистирол. Объемная масса таких пенополимеров колеблется от 20 до 300 кг/м3.

Поропласты с открытой пористой структурой, вследствие чего присутствующие в них газообразные включения свободно сообщаются друг с другом и окружающей атмосферой. Их кажущая плотность изменяется от 5-90 до 90-800 кг/м3. Примером поропласта является пенополиэтилен.

Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов, которым придают вначале вид гофра или волокна, а затем соединяют в виде сот. Материалом служат различные ткани, которые пропитываются различными связующими. Для сотопластов характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства и радиопрозрачность. Здесь примером может служить материал с торговой маркой Tyvek компании DuPont.

Для производства вспененных полимерных изделий существует два основных метода создания газообразной среды: физический (прямой впрыск газа в расплав полимера) и/или химический (с помощью добавления при переработке агентов (добавок) разлагающихся с выделением газа), не считая случая производства полиуретановых пен, в которых газ выделяется в результате химической реакции компонентов при формовании.

У обоих методов есть достоинства и недостатки. Использование физических газообразователей экономически более выгодно, но требует специального оборудования и соблюдения очень строгих предупредительных мер взрывопожаро-безопасности. Химические вспениватели можно применять на стандартном оборудовании, при этом не требуются специальные меры пожарной безопасности. В качестве вспенивающего агента может применяться множество соединений в зависимости от требуемых свойств готовой продукции и типа используемого материала.

Вспененные изделия могут принимать любую физическую форму – плиты, пленки, листа, обруча, нити, прутка, профиля, слоеных плит и т.п.. Удельный вес (плотность) вспененных изделий обычно находится в диапазоне от 5 до 800 кг/м3 с размером вспененной ячейки от 0,05 мм до 15 мм. Содержание количества ячеек в структуре материалов можно изменять от 0 до 100 %, в зависимости от выбранных сырья и технологического процесса.

Вспенивание термопластов может осуществляться как при литье под давлением, так и при экструзии.

По виду создания при производстве межмолекулярной связи между ячейками, вспененные полимеры можно так же условно разделить на три группы со сшитой структурой молекул, несшитые и отдельно сформированные из каплеобразных структур наподобие гранул с использованием первых двух методов.

При производстве вспененных изделий могут использоваться добавки (агенты) улучшающие стабильность, например глицерол моностиарат (glycerol monostearate), перфорирующие добавки для ускорения и улучшения газообмена в материале и замещения газов воздухом. Также, по выбору производителя, применяются множество других добавок изменяющих и/или улучшающих свойства изделий. Это могут быть антиоксиданты (для замедления процессов термоокислительного разрушения), нуклеаторы (nucleating - для увеличения жесткости), окрашивающие пигменты, антиперены (для снижения горючести).

Общий класс вспененных пенополимеров можно условно классифицировать по базовому вспениваемому полимеру, структуре вспененного изделия и виду межмолекулярной связи, что представлено виде блок-схемы:

Классификация вспененных полимеров

Сравнительная характеристика вспененных полимеров

Специфические особенности газонаполненных пластмасс определяют техническую направленность и экономическую эффективность их применения в различных областях промышленности. Благодаря низкой средней плотности, высоким тепло- и звукоизоляционным свойствам, повышенной удельной прочности, а также ряду ценных технологических и эксплуатационных свойств пенопласты не имеют аналогов среди традиционных строительных материалов.

Эти материалы характеризуются высокой удельной прочностью, значительно выше, чем у конкурентных изделий. Однако большинству газонаполненных пластмасс свойственны определенные недостатки. Существенно ограничивают возможность их применения: пониженные огнестойкость, теплостойкость и температуростойкость при температурах больше 200 0С. Кроме того, процессы деструкции ("старения") этих материалов, биостойкость в процессе длительной эксплуатации до конца не изучены.

Так же в условиях длительно приложенных статических напряжений у поропластов развиваются деформации ползучести, снижающие формостабильность материала. При использовании пенополимеров в элементах конструкций значительные деформации недопустимы, поэтому в качестве критерия сопротивляемости поропластов действию статических напряжений принимается характер и величина деформирования материала во времени. Деформируемость поропластов зависит от величины и длительности действия приложенных напряжений. При больших нагрузках (0,4 - 0,45 от предела прочности при сжатии) ползучесть интенсивно развивается во времени.

Условия эксплуатации в качестве строительных теплоизоляционных материалах определяются типом конструкции и регионом строительства. Периодическое увлажнение (попеременное увлажнение и высушивание) наиболее интенсивно снижает прочностные и упругие характеристики поропластов (до 40 % в зависимости от вида полимерной основы).

Циклическое замораживание - оттаивание также снижает прочность поропластов. Так, после 25 циклов испытаний при сжатии немодифицированных полистирольных и полиэтиленовых пен снижение прочности составляет 13 - 15 %, поливинилхлоридных от 2 - 15 %, фенольных - 22 %.

Номенклатура и свойства вспененных материалов весьма обширна и разнообразна. В России для применения вспененных полимеров в качестве теплоизоляционных материалов установлен ГОСТ 16381-77 ТИМ, в котором они классифицированы по следующим основным признакам:

1. По виду исходного сырья

Теплоизоляционные материалы могут быть органическими и минеральными. Зарубежные марки пенополиэтилена измеряются по стандарту ISO 1923 (1981)

2. По форме и внешнему виду

Материалы подразделяются на штучные изделия (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, полуцилиндры, скорлупы, сегменты), рулонные и шнуровые (маты, шнуры).

3. По средней плотности

В отличие от многих других строительных материалов марка теплоизоляционного материала устанавливается не по показателю прочности, а по величине средней плотности, которая выражается в кг/куб.м.

По этому показателю теплоизоляционные материалы делят на следующие марки: 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500. Марка теплоизоляционного материала представляет собой верхний предел его средней плотности. (например, изделия марки 100 могут иметь среднюю плотность равную 75-100 кг/куб.м).

Метод определения плотности за рубежом описан в стандарте ISO 845 BS4443 Part 1, Method 2, DIN 53420 1978

4. По жесткости

Теплоизоляционные материалы подразделяются на следующие виды: мягкие, полужесткие и жесткие. Кроме того, выпускаются изделия повышенной жесткости и твердости, хорошо сопротивляющиеся внешним нагрузкам.

Так, к жестким материалам, наиболее широко используемым в строительной теплоизоляции относятся изделия, имеющие R(cж) - предел прочности при сжатии при 50%-ной деформации более 0,15 Мпа, эластичные - менее 0,01 Мпа (полужесткие занимают промежуточное положение).

5. По способу порообразования

Теплоизоляционные материалы делят на следующие виды:

• материалы с волокнистым каркасом;
• вспученные материалы;
• вспененные материалы;
• материалы с пористым заполнителем;
• материалы с выгорающими добавками;
• материалы с пространственным каркасом.

6. По горючести

Теплоизоляционные материалы подразделяются согласно CниП 21-01-97.

7. По теплопроводности

Материалы и изделия подразделяются на классы:

• А - низкой теплопроводности (<0,06 Вт/мК),
• Б - средней теплопроводности (0,06-0,115Вт/мК),
• В - повышенной теплопроводности (0,1-0,175Вт/мК).

Классификацию теплоизоляционных материалов в зависимости от способа порообразования, структуры, формы и внешнего вида для органических видов можно условно представить в таблице:

Органические теплоизоляционные материалы

	сыпучие	эковата
С волокнистым каркасом	мягкие	войлок синтетический, войлок натуральный, синтепон, древесно-волокнистые
	жесткие	древесно-волокнистые, древесно-стружечные, фибролит, торфоизоляционные плиты, камышит, соломит, льнокостричные
	сыпучие	гранулированный пенополистирол
Вспученные материалы	мягкие	пенополивинилхлорид, пенополиуретан
	жесткие	фенольноформальдегидный поропласт, кремнийорганический поропласт, пенополивинилхлорид, пенополиуретан
С пространственным каркасом		сотопласты
С пористым заполнителем		пенопласт, пробковые
Вспененные материалы		пенополиэтилен, пенополиуретан, пенорезиновые, пенополипропилен, пенополистирол

Производство изделий из вспененных термопластов целесообразно из-за возможности получения таких уникальных свойств материалов как:

• Малый, по сравнению с монолитным изделием тех же размеров, удельный вес;
• Низкий уровень внутренних напряжений;
• Хорошие акустические свойства;
• Повышенная жесткость при меньшем весе;
• Высокая размерная точность;
• Отсутствие утяжек и коробления.

Практически все вспененные полимерные материалы отличают такие особенные свойства как:

• Отличная гибкость, эластичность;
• Хорошая водо- и паронепроницаемость;
• Низкая теплопроводность;
• Отличные звуко- и шумопоглощающие свойства;
• Химическая стойкость и экологическая безопасность

Среди большого разнообразия газонаполненных материалов быстро растущую популярность завоевывают вспененные полиолефины (полиэтилен, полипропилен), жесткий экструзионный пенополистирол, а также жесткий пенополиуретан. Различаются материалы, предназначенные для комплексной защиты ограждающих конструкций снаружи (плиты из пенополистирола или пенополиуретана) и изнутри (полотна пенополиэтилена).

Ниже в таблице приведены усредненные сравнительные физико-механические свойства наиболее распространенных пенополимеров:

Физико-механические свойства пенополимеров

№	Пенополимер	Плотность кг/м3	Рабочая температура, С	Предел прочности, МПа	Модуль упругости при сжатии, МПа	Водопоглащение за 24 часа, %	Теплопроводность, Вт/мК
1	Пенополистирол	15-150	-60 +100	0,07-0,8	55-100	0,001-0,20	0,027-0,042
2	Пенополивинилхлорид	15-700	- 60 +60	1,5-4	80-85	0,01-0,02	0,035-0,055
3	Пенополиуретан	60-600	-60 +200	0,05-3	1,6-26	1,0-5,0	0,02-0,04
4	Поролон	12-60	-40 +100	0,1	-	1,5-2	0,03-0,06
5	Пенофенопласт	30-200	-60 +150	1,2-4	-	3,0-5,0	0,036-0,06
6	Пенополипропилен	20-200	-60 +160	0,051	-	0,74-2	0,034
7	Пенополистиролбетон	150-600	-25 +100	0,08-0,73	0,35-0,21	8,0	0,055-0,145
8	Пенополиэпоксид	100-200	-60 +200	0,3-7	-	0,1	0,03-0,07
9	Пенокарбамид (пеноизол)	8-25	-50 +120	0,05	-	5-14,5	0,035-0,47
10	Пенополиэтилен	20-400	-60 +100	0,015-0,5	50-90	0,5-1,2	0,029-0,50
11	Вспененный этиленпропиленовый каучук	30-150	-200 +175	-	-	0,15	0,033-0,038

*Приведенные усредненные данные составлены по информации рекламных проспектов производителей.

Средняя плотность

(кг/м3) - величина, равная отношению массы вещества ко всему занимаемому им объему.

Коэффициент теплопроводности

Т, Вт/(м К) материала. Он должен быть таков, чтобы материал, в условиях эксплуатации, мог обеспечить требуемое сопротивление теплоотдачи в конструкции, при минимально возможной толщине теплоизоляционного слоя.

Водопоглощение

% - способность материала впитывать и удерживать влагу при непосредственном соприкосновении с водой. Особенно важным является показатель водостойкости, который в значительной степени определяет долговечность утеплителя. С повышением влажности теплоизоляционных материалов резко повышается их теплопроводность.

Сочетая в себе тепло-, гидро-, звуко- и электроизоляционные свойства, экструзионные пенополиолефины отличаются, помимо этого, высоким сопротивлением теплопередаче (теплопроводность 0,033-0,039 Вт/м*К), повышенной стойкостью к неблагоприятным атмосферным явлениям (например, ультрафиолетовому излучению), а также к химическим воздействиям.

Область рабочих температур - от -80 до +110°С. Некоторые разновидности вспененного полиэтилена, по заявлениям производителей, могу быть использованы для теплоизоляции в диапазоне рабочих температур от -60 С до +160 С.

Эти материалы экологически безопасны, не имеют запаха, некоторые не поддерживают горение и обладают свойством самозатухания. Предлагаются также огнестойкие марки классов Г1 и Г2. Относящиеся к ним материалы (около 700-800 марок) поставляются в виде пластин и рулонов шириной 1-1,5 м и толщиной от 0,5 до 12 мм или в блоках толщиной до 170 мм различной плотности (от 22 до 170 кг/м3) и прочности (от 0,015 до 0,3 МПа при сжатии 10%).

Дополнительное покрытие фольгой, особенно с обеих сторон, значительно улучшает теплоизоляционные свойства материала. Так же существуют разновидности ППЭ с поверхностью из мелованного картона, в основном для утепления стен.

Важным параметром так же служит коэффициент остаточной деформации и прочность на сжатие, которые показывают, как долго служит материал. Для достижения максимальных тепло-шумоизоляционных и упруго-деформационных свойств материалы дублируют неткаными иглопробивными полипропиленовыми материалами.

За счет сшивки молекул увеличиваются такие важнейшие параметры пенополиэтилена, как теплостойкость (рабочий температурный интервал сшитых пенополиэтиленов, как правило, на 20-30 С выше несшитых), стойкость к органическим растворителям, масло-, нефте-, бензостойкость, большая стойкость к ультрафиолету и атмосферным колебаниям, а значит, более длительный срок службы самого материала.