Введение

Пенополиуретан (ППУ) - легкий и прочный гидротеплоизоляционный материал, имеющий ячеистую структуру , в которых процент закрытых пор составляет 99%. пенополиуретан гидротеплоизоляционный технология. Благодаря этому, материал обладает самым низким коэффициентом теплопроводности и самым малым водопоглощением в сравнении с другими теплоизоляционными материалами. Популярность пенополиуретанов объясняется простотой процесса их получения на месте применения.

Особенность пенополиуретана - исключительно высокие физико -механические свойства: достаточная механическая прочность и долговечность, не поддается гниению, не впитывает влагу, не выделяет в атмосферу каких-либо канцерогенных веществ.

Эксплуатационные свойства и технологические характеристики пенополиуретановых (ППУ) материалов для конкретных случаев применения могут задаваться путем использования соответствующего изоцианата и соответствующего полиола. В результате создается полимер со свойствами, отвечающими требованиям любого конечного назначения.

Целью данной работы являлось изучение влияния пеностабилизатора на свойства жесткого пенополиуретана на основе низкомолекулярных полиолов.

Объекты и методы исследования

Учитывая вышеизложенное, в качестве поверхностно активных веществ для получения жесткого пенополиуретана в настоящем исследовании были выбраны: Dabco DC5604, Dabco LK-221E, Dabco-33-LV, ИС-1806.

Dabco DC5604, представляет собой силиконовый гликолевый сополимер, который производит тонкие, однородные ячейки в сочетании с превосходной стабильностью размеров пены и свойств потока пены.

Dabco LK-221E является уникальным органическим поверхностно-активное вещество для микроячеистой и жесткой пены составы, которые обеспечивают гладкую поверхность и отличная адгезия [2].

Dabco-33-LV это жидкий пеностабилизатор, состоящий из 33% триэтилендиамина и 67% дипропиленгликоля. DABCO 33-LV имеет такие же свойства, как и DABCO кристаллический, но в качестве плюса является жидкостью, что упрощает работу с этим продуктом. Он полностью растворяется в воде и смешивается с полиолами, фторосодержащими углеводородами и оловянными катализаторами.

ИС-1806 кристаллический - это химически чистый пеностабилизатор для производства всех видов Пенополиуретанов. ИС-1806 кристаллический состоит из 99,95% (минимум) триэтилендиамина (ТЕDА) на не содержащей воду, аминной основе. ИС-1806 применяется для производства всех типов пенополиуретанов, включая производство мягкой блочной пены, мягкой формованной пены, жесткой, полумягкой, эластомеров, а так же для производства покрытий и для напыления. ИС-1806 ускоряет реакцию между водой и изоцианатом, и реакцию между изоцианатом и органическими гидроксигруппами.

Образцы готовили по рецептуре (см. табл. 1 Состав рецептур) следующим способом: по заданным пропорциям компонентов готовили компонент А-370, затем в него добавляли компонент Б (из расчета 100 мас. ч. компонента А-370 на 120-130 мас. ч. компонента Б), интенсивно перемешивали на лабораторной мешалке в течение 10-15 секунд, полученную композицию заливали в формы и ожидали вызревание пены в течение суток. После этого образец вынимали из формы и обрабатывали до нужных размеров, для дальнейшего исследования необходимый параметров. Для приготовления образцов использовалась рецептура, представленная в таблице 1.

Таблица 1 - Состав рецептур

Результаты и их обсуждение

Хорошо известно [3], что для получения ППУ необходимо присутствие как пеностабилизаторов.

Технология переработки какой либо определенной рецептуры и конечные свойства пенопласта могут быть изменены путем варьирования химией процесса за что отвечает главным образом катализатор, и физика вспениваемой массы, которую определяют пеностабилизаторы. За счет тщательного подбора этой пары добавок удается сбалансировать процессы вспенивания и отверждения реакционной массы и обеспечить получение качественного пенополиуретана.

Пеностабилизаторами, контролирующими образование ячеек в пенополиуретанах являются производные полидиметилсилоксана [4]. В пено- стабилизаторе необходимо присутствие как солюбилизирующей части так и части, формующей межфазную поверхность соответственно, гидрофиль­ная и гидрофобная части в водных системах. Структура пеностабилизатора представлена на рисунке 1.

На рисунке ОЭ - оксиэтильные сегменты [-СН2-СН2-О-]; ОП - оксипропильные сегменты [-СН2-СН-O-]СН3

Диметилсилоксановая часть пеностабилизатора выполняет функцию гидрофобной части в си­ликоновом ПАВ, в то время как оксиалкильные цепочки являются его солюбилизирующей составляющей. Современный взгляд на роль силиконовых ПАВ в процессе получения пе­нополиуретана состоит в следующем [4,5]. Прежде всего, они стаби­лизируют пену после смешения полиола и изоцианата, снижая поверхностное натяжение на поверхности раздела газ - жидкость. Упрощенно этот эффект возникает из-за предпочтительного накопления молекул ПАВ на поверхности раздела. Кроме того, столь же важна роль ПАВ в стабилиза­ции поверхности жидкость - газ, когда объем растущей пены увеличивает­ся почти в 50 раз.

При этом авторы статей по изучению влияния пеностабилизаторов на процесс получения ППУ не уделяют должного влияния первому шагу в из­готовлении пены - это совмещение нескольких различных компонентов, некоторые из которых несовместимы друг с другом. А именно такая «не смешиваемая» композиция, состоящая из плохо совмещающихся ингреди­ентов (низкомолекулярный полиэфир, полиизоцианат) должна быть должным образом гомогенизирована, чтобы далее обеспечить синхронное протекание процессов вспенивания и отверждения легкого ППУ.

Поэтому была проведена работа по подбору пеностабилизатора. Исполь­зовали ПАВ в различной степени снижающих поверхностное натяжение системы (полиэфир - изоцианат), а также отличающийся по по­казателю гидрофильности (таблица 2). Влияние ПАВ на процесс оцени­вали по данным кинетики вспенивания и отверждения пенополиуретана при использовании различных типов пеностабилизаторов. Количество пеностабилизаторов всех типов брали одно и тоже (1 масс, ч на 80 масс. ч. полиэфирного компонента). Состав исследуемой рецептуры приведен ра­нее в таблице 1.

Таблица 2 - Влияние свойств пеностабилизаторов на параметры вспени­вания реакционной массы при получении ППУ.

Из данных таблицы 2 следует, что равномерная ячеистая структура ППУ получается только при использовании самого гидрофобного и в наи­большей степени снижающего поверхностное натяжение пеностабилиза- тора Dabco-5604. Повышение гидрофильности приводит к отрицатель­ным результатам.

При этом было обнаружено, что пеностабилизаторы влияют на кинетику вспенивания и отверждение реакционной массы при получении легкого ППУ.

Как видно из рисунка 2, пеностабилизатор (LK-221E), обладающий повышенной гидрофильностью и в меньшей степени снижающий поверх­ностное натяжение, сильнее активизирует начальную стадию реакции во­ды с изоцианатом (время начала газообразования или время старта 15 с), но замедляет заключительную стадию вспенивания (время полного подъе­ма пены). В системе, где используется относительно гидрофобный, и в большей степени снижающий поверхностное натяжение пеностабилизатор (Dabco-5604) начало вспенивания задерживается (время старта 25 с), но весь процесс ускорен (время полного подъема 126 с) [6]. Явные различия наблюдаются и на кривых отверждения ППУ (рисунок 2).

Рисунок 2 - Кинетика вспенивания (4.2а) и отверждения (4.3) ППУ-СЛ при использовании стабилизаторов ИС-1890 и ИС-1812.

Относительную степень отверждения (%) рассчитывали исходя из об­ратной величины уменьшающейся амплитуды колебания иглы, помещен­ной во вспенивающуюся и, одновременно отверждающуюся, реакционную массу. Наличие в композиции пеностабилизатора с повышенной эмульги­рующей способностью и гидрофобностью (LK-221E) ускоряет момент на­чала отверждения, а при использовании Dabco-5604 этот процесс отстает. Ве­роятно, это происходит потому, что пеностабилизаторы с различными характеристиками по разному эмульгируют исходные компоненты, создавая «фазы» разного состава, обогащенные тем или другим ингредиентом. В ре­зультате различные пеностабилизаторы заставляют работать один и тот же катализатор в средах разного состава и катализировать то, что имеется в ближайшем окружении [7].

Это косвенно подтвердили опыты по совместимости полиэфирного компонента и изоцианата в присутствии пеностабилизаторов пред­ставленных в таблице 2. В опытах использовался полиэфирный компо­нент, который не содержал ПАВ. Если LK-221E обеспечил гомогенное состояние системы (отсутствие расслоения) не более 2 часов, то смесь с Dabco-5604 не проявляла следов расслоения в течение 6 ча­сов.

Следовательно, при получе­нии легкого ППУ пеностабилизаторы играют роль либо активирую­щих или ингибирующих добавок, оказывающих влияние на кинетику вспенивания и отверждения. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе катализатора, который должен работать в паре с пеностабилизатором, обеспечивая сбалансированность процессов вспенивания и от­верждения сверхлегкого ППУ.

Выводы

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- равномерная ячеистая структура ППУ получается только при использовании самого гидрофобного и в наи­большей степени снижающего поверхностное натяжение пеностабилизатора Dabco-5604.

- пеностабилизатор, обладающий повышенной гидрофильностью и в меньшей степени снижающий поверх­ностное натяжение, сильнее активизирует начальную стадию реакции во­ды с изоцианатом (время начала газообразования), но замедляет заключительную стадию вспенивания (время полного подъе­ма пены).

- пеностабилизаторы с различными характеристиками по разному эмульгируют исходные компоненты, создавая «фазы» разного состава, обогащенные тем или другим ингредиентом. В ре­зультате различные пеностабилизаторы заставляют работать один и тот же катализатор в средах разного состава и катализировать то, что имеется в ближайшем окружении.