ПЕНОПЛА́СТЫ

ПЕНОПЛА́СТЫ (га­зо­на­пол­нен­ные пла­сти­ки), га­зо­на­пол­нен­ные ком­по­зи­ци­он­ные ма­те­риа­лы с ячеи­стой струк­ту­рой, по­лу­чае­мые из по­ли­мер­ных пен. Пром. про­из-во П. на­ча­то в 1930-х гг. в Гер­ма­нии. Бо­лее по­ло­ви­ны от об­ще­го объ­ё­ма П. вы­пус­ка­ют на ос­но­ве по­ли­уре­та­нов (пе­но­по­лиу­ре­та­ны), чет­верть – на ос­но­ве по­ли­сти­ро­ла (пе­но­по­ли­сти­ро­лы), до 20% – на ос­но­ве по­ли­ви­нил­хло­ри­да (пе­но­по­ли­ви­нил­хло­ри­ды) и по­лио­ле­фи­нов (пе­но­по­лио­ле­фи­ны). Про­из­во­дят­ся П. на ос­но­ве ре­ак­ци­он­ных оли­го­ме­ров и эла­сто­ме­ров.

Морфология плотных и средней плотности пенопластов (а), лёгких и сверхлёгких пенопластов (б), поропластов с ретикулярной структурой (в).

По­ли­мер в П. ис­поль­зу­ет­ся очень эф­фек­тив­но: его со­дер­жа­ние мо­жет со­став­лять все­го 1–2% объ­ё­ма. По ве­ли­чи­не ка­жу­щей­ся плот­но­сти П. клас­си­фи­ци­ру­ют как сверх­лёг­кие (10–50 кг/м³), лёг­кие (50–150 кг/м³), ср. плот­но­сти (150– 400 кг/м³), плот­ные (400–700 кг/м³). Мор­фо­ло­гия П. за­ви­сит от со­дер­жа­ния га­зо­вой фа­зы. В плот­ных П. пу­зырь­ки име­ют сфе­рич. фор­му (рис., а); в лёг­ких и сверх­лёг­ких П. – фор­му мно­го­гран­ни­ков (рис., б) с пя­ти- или шес­ти­уголь­ны­ми гра­ня­ми. Мел­ко- и мик­ро­ячеи­стые П. со­дер­жат ячей­ки раз­ме­ром 0,02–0,1 мм, круп­но­ячеи­стые – 0,5–2,5 мм. При низ­кой вяз­ко­сти вспе­ни­вае­мо­го ма­те­риа­ла и уда­ле­нии рас­тво­ри­те­ля воз­мож­но раз­ру­ше­ние сте­нок и по­лу­че­ние П. с от­кры­ты­ми по­ра­ми (по­ро­пла­стов). По­ро­пла­сты с ре­ти­ку­ляр­ной (рис., в) струк­ту­рой (сис­те­мой со­еди­нён­ных тя­жей) ис­поль­зу­ют­ся в фильт­рах и эла­стич­ных губ­ках. Плот­ность и па­ра­мет­ры ячеи­стой струк­ту­ры П. за­ви­сят от ус­ло­вий вспе­ни­ва­ния.

Из­го­тов­ле­ние П. вклю­ча­ет тех­но­ло­гич. ста­дии ком­па­ун­ди­ро­ва­ния, вспе­ни­ва­ния жид­кой ком­по­зи­ции и фик­са­ции струк­ту­ры в твёр­дом со­стоя­нии. В ис­ход­ный оли­го­мер или по­ли­мер вво­дят вспе­ни­ваю­щие аген­ты (по­ро­об­ра­зо­ва­те­ли) и др. до­бав­ки. К фи­зич. по­ро­об­ра­зо­ва­те­лям от­но­сят­ся га­зы и лег­ко­ки­пя­щие жид­ко­сти (напр., воз­дух, бу­тан, про­пан, фре­о­ны, жид­кий ок­сид уг­ле­ро­да, эти­ло­вый спирт), а так­же их сме­си. Хи­мич. по­ро­об­ра­зо­ва­те­ли (по­ро­фо­ры) вы­де­ля­ют га­зы в ре­зуль­та­те хи­мич. ре­ак­ций. Ча­ще все­го это вы­пус­кае­мые в ви­де кон­цен­тра­тов сме­си кар­бо­на­тов ме­тал­лов и ор­га­нич. ки­слот, а так­же азо­про­из­вод­ные ди­кар­бо­но­вых ки­слот (напр., азо­ди­кар­бо­на­мид). Вы­бор по­ро­об­ра­зо­ва­те­ля оп­ре­де­ля­ет­ся тем­пе­ра­ту­рой его раз­ло­же­ния, со­дер­жа­ние – ко­ли­че­ст­вом га­за, об­ра­зую­ще­го­ся из 1 г по­ро­об­ра­зо­ва­те­ля (т. н. га­зо­вое чис­ло). Пе­ред вспе­ни­ва­ни­ем по­ро­об­ра­зо­ва­те­ли долж­ны быть пол­но­стью рас­тво­ре­ны в по­ли­ме­ре. Для ста­би­ли­за­ции струк­ту­ры пен ис­поль­зу­ют ПАВ – ста­би­ли­за­то­ры пе­ны. Для по­лу­че­ния П. с од­но­род­ной мел­ко­ячеи­стой струк­ту­рой в ком­по­зи­ции вво­дят за­ро­ды­ше­об­ра­зо­ва­те­ли пор – нук­леа­то­ры (напр., мик­ро­тальк). Тех­но­ло­гич. смаз­ки (напр., мо­но­стеа­рат гли­це­ри­на) ста­би­ли­зи­ру­ют те­че­ние вспе­ни­вае­мой мас­сы, об­лег­ча­ют за­пол­не­ние форм и из­вле­че­ние из­де­лий. Для сни­же­ния тем­пе­ра­тур раз­ло­же­ния по­ро­фо­ров ис­поль­зу­ют ак­ти­ва­то­ры – ки­ке­ры (напр., ок­сид цин­ка). Так­же во вспе­ни­вае­мые ком­по­зи­ции вво­дят на­пол­ни­те­ли, пла­сти­фи­ка­то­ры, ан­ти­пи­ре­ны, ан­ти­ок­си­дан­ты, све­то­ста­би­ли­за­то­ры и т. д. От­вер­ди­те­ли и сши­ваю­щие аген­ты обес­пе­чи­ва­ют фик­са­цию струк­ту­ры П. Фик­са­ция по­ли­мер­ных пен воз­мож­на так­же уда­ле­ни­ем рас­тво­ри­те­ля или при ге­ле­об­ра­зо­ва­нии в дис­пер­си­ях по­ли­ме­ров. Тер­мо­пла­стич­ные пе­ны обыч­но фик­си­ру­ют бы­ст­рым ох­ла­ж­де­ни­ем.

Мно­го­об­раз­ные спо­со­бы из­го­тов­ле­ния П. мож­но раз­де­лить на две груп­пы. Для низ­ко­вяз­ких ре­ак­ци­он­ных оли­го­ме­ров, рас­тво­ров и дис­пер­сий (пла­сти­зо­лей) по­ли­ме­ров ис­поль­зу­ют­ся ме­то­ды дис­пер­ги­ро­ва­ния га­зо­вой фа­зы в при­сут­ст­вии ПАВ ме­ха­нич. взби­ва­ни­ем пе­ны или бар­бо­ти­ро­ва­ни­ем фи­зич. пе­но­об­ра­зо­ва­те­лей. Так по­лу­ча­ют П. на ос­но­ве ами­но­пла­стов (пе­ноа­ми­но­пла­сты – т. н. ми­по­ра), фе­но­пла­стов (пе­но­фе­но­пла­сты), эпок­си­дов (пе­но­эпок­си­ды), по­ли­ви­нил­хло­ри­да (пла­сти­золь­ный пе­но­по­ли­ви­нил­хло­рид). Для вы­со­ко­вяз­ких рас­пла­вов ис­поль­зу­ют­ся ме­то­ды вспе­ни­ва­ния за счёт вы­де­ле­ния га­за (кон­ден­са­ции га­зо­вой фа­зы) при умень­ше­нии дав­ле­ния или на­гре­ва­нии. Напр., гра­ну­лы вспе­ни­ваю­ще­го­ся по­ли­сти­ро­ла, со­дер­жа­щие 3–5% пен­та­на, мо­гут пе­ре­ра­ба­ты­вать­ся в из­де­лия бес­прес­со­вым ме­то­дом при на­грева­нии па­ром за счёт сво­бод­но­го или час­тич­но ог­ра­ни­чен­но­го вспе­ни­ва­ния в за­кры­тых фор­мах. Пе­но­по­лиу­ре­та­ны вспе­ни­ва­ют­ся га­зо­об­раз­ны­ми про­дук­та­ми ре­ак­ции по­ли­кон­ден­са­ции по­ли­ме­ра при за­лив­ке в фор­мы (по­ро­лон) или на­пы­ле­нии. Пе­но­по­ли­оле­фи­ны, пе­но­по­ли­сти­ро­лы, пе­но­ре­зи­ны из­го­тав­ли­ва­ют прес­со­вым, экс­тру­зи­он­ным, экс­тру­зи­он­но-ка­лан­д­ро­вым ме­то­да­ми и лить­ём под дав­ле­ни­ем. При этом га­зы и па­ры рас­тво­ря­ют­ся в рас­пла­вах при дав­ле­нии 20–30 МПа. Вы­де­ле­ние пу­зырь­ков про­ис­хо­дит при сни­же­нии дав­ле­ния. Сни­же­ние вяз­ко­сти рас­пла­ва при­во­дит к не­од­но­род­но­сти вспе­ни­ва­ния. Од­но­род­ность струк­ту­ры та­ких П. оп­ре­де­ля­ет­ся пол­но­той рас­тво­ре­ния по­ро­об­ра­зо­ва­те­ля, по­это­му луч­ши­ми по­ро­об­ра­зо­ва­те­ля­ми яв­ля­ют­ся бу­тан и пен­тан. При мед­лен­ном ох­ла­ж­де­нии вспе­нен­ной мас­сы по­верх­но­ст­ные слои П. мо­гут уплот­нять­ся вслед­ст­вие диф­фу­зии га­зов в ат­мо­сфе­ру, при этом в цен­тре из­де­лия по­яв­ля­ют­ся бо­лее круп­ные по­ры. П. с та­кой не­од­но­род­ной струк­ту­рой на­зы­ва­ют­ся ин­те­граль­ны­ми. При ли­тье под дав­ле­ни­ем в хо­лод­ные фор­мы по­верх­но­ст­ные слои из­де­лия из-за бы­ст­ро­го от­вер­де­ва­ния так­же име­ют по­вы­шен­ную плот­ность. Ин­те­граль­ные П. мож­но со­би­рать из сло­ёв с разл. плот­но­стью.

Те­п­ло­стой­кость, хи­мич. стой­кость и элек­трич. свой­ст­ва П. оп­ре­де­ля­ют­ся свой­ст­ва­ми вспе­нен­но­го по­ли­ме­ра. По жё­ст­ко­сти (ве­ли­чи­не на­пря­же­ния сжа­тия при де­фор­ма­ции 50%) П. клас­си­фи­ци­ру­ют как жё­ст­кие (вы­ше 0,15 МПа), по­лу­жё­ст­кие (0,15–0,01 МПа) и эла­стич­ные (ни­же 0,01 МПа). Ани­зо­троп­ные П. с эл­лип­со­ид­ны­ми ячей­ка­ми име­ют бо­лее вы­со­кую жё­ст­кость в про­доль­ном на­прав­ле­нии. Жё­ст­кость и проч­ность ин­те­граль­ных П. вы­ше, чем у обыч­ных, и уве­ли­чи­ва­ют­ся с рос­том тол­щи­ны по­верх­но­ст­но­го мо­но­лит­но­го слоя. Те­п­ло­изо­ля­ци­он­ные свой­ст­ва лёг­ких и сверх­лёг­ких П. ма­ло за­ви­сят от при­ро­ды по­ли­ме­ров. Вы­де­ля­ют П. с низ­кой [0,02–0,05 Вт/(м·К)], сред­ней [0,05–0,1 Вт/(м·К)] и по­вы­шен­ной [бо­лее 0,1 Вт/(м·К)] те­п­ло­про­вод­но­стью. С уве­ли­че­ни­ем от­кры­той по­рис­то­сти те­п­ло­про­вод­ность и во­до­по­гло­ще­ние П. рас­тут, зву­ко­изо­ля­ци­он­ные свой­ст­ва улуч­ша­ют­ся. Совр. те­п­ло- и зву­ко­изо­ля­ци­он­ные П., ис­поль­зуе­мые в строи­тель­ст­ве, хо­ло­диль­ных уст­рой­ст­вах и для из­го­тов­ле­ния упа­ков­ки, по свой­ст­вам пре­вос­хо­дят др. ис­кусств. и при­род­ные ма­те­риа­лы.

Га­зо­на­пол­нен­ные ма­те­риа­лы мож­но по­лу­чать так­же вве­де­ни­ем по­лых на­пол­ни­те­лей (син­такт­ные ма­те­риа­лы), на­пы­ле­ни­ем и спе­ка­ни­ем по­ли­мер­ных по­рош­ков, вы­мы­ва­ни­ем из по­ли­мер­ной за­го­тов­ки рас­тво­ри­мо­го на­пол­ни­те­ля. Близ­ки к П. по свой­ст­вам и при­ме­не­нию со­топла­сты и пу­зыр­ча­тые плён­ки, ко­то­рые яв­ля­ют­ся по­лы­ми кон­ст­рук­ция­ми из тон­ких лис­то­вых или плё­ноч­ных ма­те­риа­лов.