Влагопоглощение теплоизоляционных ППУ строительного назначения.

А.Г. Дементьев, д. т. н., ОАО «ПОЛИМЕРСИНТЕЗ»

Влагопоглощение пенополиуретана ППУ может оказать влияние на их теплоизоляционные и другие физико-механические свойства. Поэтому интерес технологов-разработчиков и потребителей ППУ к этому показателю свойств пеноматериала вполне понятен. Из-за ограниченности соответствующих достоверных данных в литературе в нашей работе поставлена задача определить влагопоглощение теплоизоляционных ППУ (ППУ-17Н, ППУ-335ОН, ВИЛАН-405) и полученные результаты сопоставить с данными для других пенопластов строительного назначения (пенофенопласт заливочного типа ФРП-1, уплотнительные прокладки пенополиэтилена ВИЛАТЕРМ-С). В качестве объекта испытаний были взяты пенопласты, изготовленные на экспериментальном заводе и в специализированных технологических лабораториях НПО "ПОЛИМЕРСИНТЕЗ" в соответствии с требованиями технических условий /I/. Для испытаний были взяты образцы двух типов: стандартные образцы размером примерно 30x30x30 мм для определения физико-механических характеристик и образцы второго типа в виде тонких пластинок размером примерно 20x20x2 мм для оценки кинетики сорбции и состояния воды в полимерной матрице. Принципиальное отличие образцов второго типа заключается в том, что они не содержат замкнутых ячеек и являются одновременно модельными для оценки влагопоглощения полимера-основы. Для оценки сорбции паров воды полимером-основой использовали вакуумную сорбционную установку; а влагопоглощение стандартных образцов проводили в камерах с регламентируемой влажностью /2/. На рис.1 представлены изотермы сорбции паров воды пенопластов, полученные при температуре 23,0 ±0,1 °С на образцах второго типа. При этом порядковый номер образцов на рис.1 и в табл.1 совпадает. Перед началом испытаний эти образцы высушивали до постоянной массы (примерно 48 часов) способом вакуумирования при давлении 10-4 степ. тор. Затем снимали кинетические кривые сорбции паров (примерно 3 часа) при различных значениях активности паров воды. При этом ошибка среднего в определении равновесного влагосодержания Вр в случае использования на одну экспериментальную точку пяти образцов, как правило, не превышала 5% относительных при доверительной вероятности 0,95.

Рис.1. Изотермы сорбции паров воды пенопластами; ФРП-1 (1),ППУ-17Н (2), ВИЛАН-405 (3), ППУ-35ОН (4), ВИЛАТЕРМ-С (5).

Оказалось, что кинетика сорбции паров воды у пенопластов подчиняется общим закономерностям с начальным (примерно 1,5 мин.) фиковским участком кривых сорбции. Из рис.1 и табл.1 видно, что влагопоглощение исследуемых пенопластов сильно различается (в пределах двух десятичных порядков). А именно: равновесное влагопоглощение при P/Ps=95% у пенополиэтилена ВИЛАТЕРМ-С оказалось минимальным (0,26%), у пенофенопласта ФРП-1 наибольшим (28,6%), в то время как для ППУ оно имело промежуточные значения ( 2,3 ...8,6%). Обработка изотерм (на рис. 1) показала, что сорбированная вода может находиться в связанном, кластеризованном, свободном состояниях. Например, максимальная концентрация связанной воды Ссв у ППУ-35ОН, полученная (из рис.1) по методу Брунауэра-Эммета-Теллера., составила 0,4% (P/Ps=20%). При увеличении парциального давления преобладающим становится взаимодействие вода-вода и наблюдается тенденция к образованию кластеров /2/.

На рис.2 представлены кинетические кривые изменения влагосодержания у ППУ-17Н (образец 2 в табл.1), полученные при температуре 296±ЗК и относительной влажности P/Ps =0,2 (I), 0,4 (2), 0,6 (3), 0,8 (4), 0,95 (5). Все образцы первого типа, представленные на рис.2, нормализованы предварительно при 296К и относительной влажности воздуха 50% по ГОСТ 9.707-81,

Табл. 1 Равновесное влагопоглощение у пенопластов при 23± 0,1 °С и различной относительной влажности воздуха P/Ps.

Из рис.2 видно, что у образцов наблюдаются различные закономерности сорбции и десорбции паров воды. Так, при относительной влажности воздуха 20...40% через 1200 суток экспонирования убыль массы образцов ППУ-17Н вследствие десорбции достигла 0,1. ..0,5%, в то время как при влажности воздуха 60...95% сорбция составила 0,8.. .8%. При этом в интервале относительной влажности P/Ps=20...80% сорбционное равновесие достигали через 50...100 суток, тогда как при P/Ps, равном 0,95, истинное сорбционное равновесие отсутствовало. Из сопоставления данных на рис. 1 и 2 видно, что изменение влагопоглощения ППУ-17Н при изменении P/Ps в интервале 0,2...0,95 для обоих типов образцов близки, то есть влагопоглощение полимера-основы определяет сорбционные свойства пенопласта.

Рис.2 Кинетические кривые сорбции и десорбции паров воды для ППУ-17Н при P/Ps=20 (1), 40 (2), 60 (3), 80 (4), 95% (5).

Дальнейшие испытания этих же образцов показали, что повышение равновесного влагосодержания с 0,9% до2,4% приводит к снижению прочности ППУ на 20% и увеличению эффективного коэффициента теплопроводности, в то время как при дальнейшем влагопоглощении до 8% (вода в свободном состоянии) прочность меняется незначительно.

ВЫВОДЫ.

Для пенопластов строительного назначения характерна активная сорбция паров воды. Наблюдаемое у них влагопоглощение изменяется на 2 десятичных порядка (с 0,26% у пенополиэтилена до 28,6% у пенофенопласта при P/Ps=95%). ППУ имеют промежуточное значении влагопоглощения (2,3--.8,6% при Р/Рs = 95%).

Влагопоглощение ППУ обусловлено в основном сорбционными свойствами полимер-основы пенопласта.
Влагопоглощение приводит к заметному снижению теплоизоляционных и прочностных характеристик ППУ.
Определены интервалы активности паров воды P/Ps для различных её состояний в пенопласте: связанного, кластеризованного, свободного.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сб.: «Вспененные полимерные материалы, их свойства и области применения". НТЦ «Информатика», Владимир, 1991.
2. А.Г. Дементьев, Т.К. Хлысталова. Влияние паров воды на свойства пенопластов с различной структурой.// Механика композитных материалов 1991, №2, с.230-234.