Деструкция пенополистирола при фото- и теплостарении

ДЕСТРУКЦИЯ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ПРИ ФОТО- И ТЕПЛОСТАРЕНИИ

DESTRUCTION OF FOAM POLYSTYRENE AT PHOTODEGRADATION AND THERMAL AGEING

П.П. Гуюмджян, С.В. Коканин, С.В. Цыбакин*

P.P. Guyumdzhyan, S.V. Kokanin, S.V. Tsibakin*

ИГАСУ, *КГСХА

Рассмотрен процесс деструкции полимерных строительных материалов на основе пенополистирола. Представлены результаты экспериментальных исследований структуры и текстуры пенополистирола при фото- и теплостарении.

The process of destruction of polymeric building materials on the basis of polystyrene is considered in this paper. There are presented the results of experimental researches of structure and texture of foam polystyrene at photodegradation and thermal ageing.

Известно, что все органические материалы подвержены процессам деструкции, которые приводят к нарушению и изменению первоначальной структуры и, как следствие, свойств материала. Наиболее распространенным органическим теплоизоляционным материалом является пенополистирол строительного назначения. Данный материал применяют как для наружной, так и внутренней теплоизоляции зданий различного назначения.

Неизбежность деструкции полистирола обусловлена составом полимеризацион-ных пластмасс. Под воздействием внешних факторов (тепло, свет, радиация, механические и биологическое воздействие и т.д.) у всех полимеров, в том числе и у полистирола, происходят разрушения макромолекул, в результате чего изменяются физико-химические и эксплуатационные свойства [1]. Деструкция пенополистирола отличается от деструкции полистирола тем, что у первого более развита наружная поверхность, которая характерна для всех вспененных материалов [2].

Различают высокотемпературную и низкотемпературную деструкцию пенополистирола. Высокотемпературная деструкция пенополистирола начинается при температуре +160°С [3]. С повышением температуры до +200°С начинается фаза термоокислительной деструкции. Выше +260°С - преобладают процессы термической деструкции и деполимеризации. В связи с тем, что теплота полимеризации полистирола одна из самых низких среди всех полимеров, в процессах их деструкции преобладает деполимеризация до исходного мономера - стирола [3]. Низкотемпературная фаза деструкции пенополистирола обусловлена воздействиями внешних и внутренних факторов, к которым относятся жидкие агрессивные среды, атмосферные воздействия (колебание температуры и влажности), старение (фото-, тепло- и механохимическое старение). Для таких материалов наиболее пагубными являются фото- и теплостарение, вызван-

1/2П11 ВЕСТНИК

_угогт_мгсу

ные действием ультрафиолетового облучения, солнечного света и теплового излучения [4, 5].

Пенополистирол относится к термопластам, имеющим линейную структуру. Одним из важных факторов, определяющих качество пенопластов, является соотношение числа открытых и закрытых пор в их структуре. Физико-механические свойства конечного продукта улучшаются с увеличением содержания закрытых ячеек. Это и предопределяет широкое распространение пенополистирола в качестве теплоизоляционного материала для строительных конструкций.

Изучение связи физико-механических характеристик пенополистирола с его структурой весьма важно при прогнозировании долговечности материала и его рациональном использовании в качестве теплоизоляции строительного назначения.

Исследование структуры и текстуры пенополистирола осуществлялось с помощью цифрового бинокулярного микроскопа ЛОМО АУ-26 с увеличением объектива х8; х40 и х90 раз, бинокуляром с увеличением х1,1; х1,6 и х2,5. На окуляре, обладающим приближением в 7 раз, смонтирована цифровая камера Ьиш1х БМС-РХ9, передающая изображение на персональный компьютер с разрешением в 6 млн пикселов.

Структура пенополистирола характеризуется многими параметрами: линейными размерами ячеек, степенью их вытянутости и ориентацией по отношению к направлению вспенивания, степенью замкнутости и формой ячеек, кажущейся плотностью пенопласта и давлением газа внутри ячеек, толщиной стенок, тяжей [6]. Эти характеристики во многом зависят от технологии производства пенополистирольных материалов.

Микроструктура пенополистирола имеет тяжи (стержни), вершины (узлы) и тонкие оболочки (пленки), которые образуют ячейки, заполненные газами газообразова-теля (рис.1 и 2). Отдельные стенки ячеек изогнуты, в то время как тяжи обычно не искривлены и имеют переменное сечение (утолщение вблизи узлов). Согласно литературным данным [3, 6, 7], структура легких пенополистирольных материалов имеет полиэдрическую форму преимущественно с 14-гранными ячейками. С увеличением объёмной доли стирола структура полимера видоизменяется. Хотя форма ячеек сохраняется полиэдрической, доля полимера в узлах ячеек увеличивается, а отношение длины тяжей к их ширине уменьшается.

В результате фотостарения в полимерах протекают окислительные реакции, приводящие к их деструкции. Происходит снижение механических и электрических свойств, наблюдается растрескивание поверхности, изменяется окраска полимера [4]. Наиболее вредное воздействие оказывает ультрафиолетовое (УФ) излучение в диапазоне 290 ... 400 нм. Энергия УФ радиации обычно превышает уровень, необходимый для разрушения химических связей в полимерных цепях. В результате поглощения полимером УФ излучения возбуждаются макромолекулы. Поглощённая энергия вызывает разрушение наиболее слабых химических связей в цепях и не влияет на скорость межмолекулярных перегруппировок. При этом образуются активные свободные радикалы, инициирующие деструкцию полимера. В присутствии атмосферного кислорода и воды этот процесс ускоряется, а повышение температуры приводит к возрастанию скорости окисления полимера [5].

При УФ облучении изменяется структура пенополистирола. После 3 суток испытания происходит усиление узлов структуры пенополистирола (рис. 3), а к 14 суткам наблюдения этот процесс увеличивается (рис. 4). Растет анизотропия ячеек, приводящая к анизотропии самого материала. При этом наблюдается усиление тяжей ячеистой структуры и нарушение целостности пленок.

Рис. 3. Микроструктура беспрессового Рис. 4. Микроструктура беспрессового

пенополистирола ПСБ-С-25 после 3 суток пенополистирола ПСБ-С-25 после 14 суток испытания на фотостарение испытания на фотостарение

Изменения структуры экструдированного пенополистирола в результате фотодеструкции аналогичны пенополистиролу, изготовленному по беспрессовой технологии. К 14 суткам испытания на УФ облучение также наблюдается разрушение тонких оболочек материала (рис. 5), образуются сквозные поры, приводящие к нарушению целостности ячеек (рис. 6). За счет раскрытия внутренних ячеек изменяется плотность материала, что сказывается на его теплофизических свойствах. Дальнейшее действие УФ радиации вызывает разрушение тяжей (стержней) в структуре полистирола (рис. 7) и приводит к полному изменению ячеистой упаковки (рис. 8). В результате фотостарения, вызванного действием УФ облучения, наблюдается эрозия поверхности материала и изменение её цвета.

В результате теплостарения степень замкнутости ячеек и кажущаяся плотность у материала снижается. Разрушение стенок ячеек обусловлено как действием механического напряжения за счёт перепада давления газа внутри и снаружи ячеек, так и дест-

1/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

рукцией полимеров. Коэффициент теплопроводности пенопластов интенсивно увеличивается на начальном этапе старения, но в дальнейшем изменяется незначительно [6].

Рис. 5. Микроструктура экструдированного

пенополистирола Полиспен-Стандарт после 14 суток испытания на фотостарение

Рис. 6. Микроструктура экструдированного

пенополистирола Полиспен-Стандарт после 28 суток испытания на фотостарение

Рис. 7. Микроструктура экструдированного

пенополистирола Полиспен-Стандарт после 56 суток испытания на фотостарение

Рис. 8. Микроструктура экструдированного

пенополистирола Полиспен-Стандарт после 84 суток испытания на фотостарение

При теплостарении беспрессового пенополистирола наблюдается резкое ухудшение качества поверхности материала (рис. 9). Происходит коробление макропленок текстуры полимера с их последующим разрушением. Образовавшиеся открытые участки пенополистирола под действием температуры вспениваются за счет деполимеризации, в результате чего увеличивается степень открытой пористости материала.

Деструкция пенополистирола, вызванная теплостарением, аналогична процессам, протекающим при фотостарении. Скорость развития этих процессов зависит от темпера-

Рис. 9. Фотография поверхности беспрессового пенополистирола ПСБ-С-25 после 14 суток испытания на теплостарение

туры окружающей среды. Так, к 7 суткам испытания на теплостарение при температуре + 30°С наблюдается разрушение тонких оболочек структуры пенопласта и полной анизотропии её текстуры (рис. 10), что пагубно влияет на физико-механические и теплоизоляционные свойства исходного полимерсодержащего энергоэффективного материала. К 28 суткам наблюдения происходит полное раскрытие пленок ячеек с образованием сквозных микропор и увеличением степени закрытой и открытой пористости

Таким образом, при фото- и теплостарении развиваются деструктивные процессы в пенополистироле, приводящие к нарушению целостности первоначальной структуры и текстуры материала. При 28 суточном возрасте испытаний разрушаются тонкие оболочки структуры пенопласта, а к 56 суткам разрываются тяжи и узлы ячеек. Это приводит к ухудшению физико-механических и теплоизоляционных свойств применяемого в строительстве пеностирольного полимера. Так, плотность беспрессового пенополистирола к 28 суткам испытания на УФ облучение уменьшается на 11,3%, а при ИК облучении - на 13,4%. При испытаниях на фотостарение водопоглощение пенополистирола возрастает. Максимальное увеличение составляет 16% к 28 суткам испытания при УФ воздействии. Воздействие ИК облучения негативно сказывается на величине прочностных характеристик: к 28 суткам испытаний прочность на сжатие снижается на 7,4%. Независимо от вида облучения прочность на растяжение падает в среднем на 6,6%. Наиболее отрицательно сказывается действие источников облучения на твёрдость пенополистирола, что является следствием повышения поверхностной эрозии материала. Так, твёрдость беспрессового пенополистирола, определенная по методу Шора, в результате испытания на УФ облучение к 28 суткам уменьшилась на 74%, а при ПК облучении - на 63%. Результаты исследований экструдированного пенополистирола показали, что плотность при УФ облучении в 28 суточном возрасте уменьшается на 2%. При ПК облучении уменьшение плотности к 28 суткам достигает 1,7%. Для экструдированного пенополистирола при испытании на фотостарение значительно повышается водопоглощение. Так, при УФ облучении водопоглощение образцов к 28 суткам исследования возрастает на 9%. Закономерность изменения прочностных характеристик экструдированного пенополистирола аналогична беспрессовому. Прочность на сжатие при 10% линейной деформации при УФ облучении к 28 суткам испытания составляет 0,394 МПа, что на 11,2% больше своего первоначального значения. Величина предела прочности при растяжении независимо от вида облучения к 28 суткам эксперимента уменьшается в среднем на 4%. Твёрдость экструдированного пенополистирола снижается незначительно по сравнению с пенопластом, изготовленным по беспрес-

Рис. 10. Микроструктура экструдированного пенополистирола URSA N-III после 7 суток испытания на теплостарение

Рис. 11. Микроструктура беспрессового пенополистирола ПСБ-С-25 после 28 суток испытания на теплостарение

1/2П11 ВЕСТНИК

_угогт_мгсу

совой технологии. Изменения твёрдости в результате ИК воздействия не наблюдается, а при УФ облучении твердость уменьшается на 2,5% [9].

Литература

1. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. Учебное пособие. - М.: Химия, 1968. - 536 с.

2. Клемпнер Д., Сенджаревич В. Полимерные пены и технологии вспенивания. Справочник. Перевод с англ. под ред. A.M. Чеботаря. - СПб.: Профессия, 2005. - 600 с.

3. Пенополистирол [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org.

4. Луковников А.Ф. Фотохимические превращения полимеров / Стабильность полимерных материалов и изделий из них. - М.: МДНТП, 1971. - С. 13-19.

5. Ярцев В.П., Кузнецова О.А. Прогнозирование поведения строительных материалов при неблагоприятных условиях эксплуатации. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун.-та, 2009. - 124 с.

6. Дементьев А.Г. Структура и свойства пенопластов. - М.: Химия, 1983. - 176 с.

7. Уайт Дж.Л., Чой Д.Д. Полиэтилен, полипропилен и другие полиолефины. Перевод с англ. языка под ред. Е.С. Цобкалло. - СПб.: Профессия, 2007. - 256 с.

8. Экструдированный пенополистирол. Как определить качество? / Строительные материалы. - 2009. - №6. - С. 34.

9. Гуюмджян П.П., Коканин С.В., Цыбакин С.В. Исследование процесса старения пенопо-листирола в условиях ультрафиолетового и инфракрасного облучений / Научно-технический журнал Вестник МГСУ. - 2010. - №4. Т.1. - С. 92-96.

References

1. Tager A.A. Physicochemistry of polymers. Moscow, 1968. 536 p.

2. Klempner D., Sendzharevich V. Polymeric foams and effervescence technology. St. Petersburg, 2005. 600 p.

3. Foam polystyrene. http://ru.wikipedia.org.

4. Lukovnicov A.F. Photochemical transformation of polymers. Stability of polymeric materials and products. Moscow, 1971. Pp. 13-19.

5. Yartsev V.P., Kuznetsova O.A. Prognostication of behaviour of building materials in adverse operation conditions. Tambov, 2009. 124 p.

6. Dementyev A.G. Structure and properties of foam plastics. Moscow, 1983. 176 p.

7. White, J.L., Choj D.D. Polyethylene, polypropylene and others poliolephynes. St. Petersburg, 2007. 256 p.

8. Экструдированный пенополистирол. Как определить качество? Building materials. 2009. №6. 34 p.

9. Guyumdzhyan P.P., Kokanin S.V., Tsibakin S.V. Research of process of ageing foam polystyrene in the conditions of ultraviolet and infrared irradiations. Scientific and technical journal "Bulletin MSUCE". Moscow, 2010. №4. Vol.1. Pp. 92-96.

Ключевые слова: пенополистирол, деструкция, фото- и теплостарение полимера, ультрафиолетовое и инфракрасное облучения, поверхностная эрозия материала, инфильтрация.

Keywords: foam polystyrene, destruction, photodegradation and thermal ageing of polymer, ultraviolet and infrared irradiations, superficial erosion of material, infiltration.

Почтовый адрес: 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20 Телефон: +7(4932) 41-39-06 E-mail: s.kokanin@yandex.ru

Рецензент: Соколов Герман Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология, организация и экономика строительства» архитектурно-строительного факультета ФГОУ ВПО «Костромская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО «Костромская ГСХА»).