Исследование процесса старения пенополистирола в условиях ультрафиолетового и инфракрасного облучений

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТАРЕНИЯ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В УСЛОВИЯХ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО И ИНФРАКРАСНОГО ОБЛУЧЕНИЙ

RESEARCH OF PROCESS OF AGEING FOAM POLYSTYRENE IN THE CONDITIONS OF ULTRAVIOLET AND INFRARED IRRADIATIONS

П.П. Гуюмджян, C.B. Коканин, C.B. Цыбакин*

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

ИГАСУ, *КГСХА

Рассмотрен процесс старения полимерных строительных материалов на основе полистирола под действием фотодеструкции. Представлены результаты исследований физико-механических свойств пенополистирола в условиях УФ и ИК облучений.

Process of ageing of polymeric building materials on the basis of polystyrene owing to photodestruction is considered. There are presented results of researches ofphysicomechanical properties offoam polystyrene in the conditions of ultraviolet and infrared irradiations.

В настоящее время используются пенопласты на основе полистирола, обладающие рядом удовлетворительных свойств, которые можно охарактеризовать следующим образом: высокая прочность при сжатии и изгибе, низкая плотность, малая теплопроводность и незначительный коэффициент термического расширения. Отметим, что этот материал используют на всех этапах строительства: от заложения фундамента до устройства кровли, внутренней и наружной отделки помещений.

Пенополистирол является полимерным материалом, который подвержен естественной деструкции под действием различных факторов: внешних и внутренних. К внешним воздействиям относятся: жидкие агрессивные среды, атмосферные воздействия (колебание температуры и влажности), старение (фото-, тепло- и механохимиче-ское старение). Для таких материалов наиболее пагубными являются фото- и тепло-старение, вызванные действием ультрафиолетового облучения, солнечного света и теплового излучения [1, 2].

Так, при воздействии солнечного света в полимерах протекают окислительные реакции, приводящие к их деструкции. Параллельно с этим происходит снижение механических и электрических свойств, наблюдается растрескивание поверхности, изменяется окраска полимера [1]. 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, но мало влияет на скорость межмолекулярных перегруппировок. При этом образуются активные свободные радикалы, инициирующие деструкцию полимера. Сво-

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

бодные радикалы также могут вызывать сшивание полимера. Присутствие атмосферного кислорода и воды ускоряет процесс деструкции, а повышение температуры приводит к возрастанию скорости окисления полимера [2].

Действие инфракрасного облучения связано с теплостарением, в результате которого 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 деструкцией полимеров. Коэффициент теплопроводности пенопластов интенсивно увеличивается на начальном этапе старения, но в дальнейшем изменяется незначительно [3].

Исследования фотостарения материалов осуществлялось на экспериментальных установках УФ и ИК облучения, разработанных и изготовленных на кафедре «Строительная механика» ИГАСУ.

Установка по УФ облучению (рис. 1) представляет собой закрытую светоизоли-рованную камеру, выполненную из светоотражающего материала. Камера оборудована электроустановкой с пускорегулирующим аппаратом (ПРА) для включения газоразрядных дуговых ртутных ламп высокого давления. Источником ультрафиолетового излучения служит ДРЛ лампа без колбы мощностью 125 Вт и величиной светового потока 6200 Лм.

В установке ИК облучения (рис. 2) источником инфракрасного излучения служит инфракрасная зеркальная лампа (ИКЗК) мощностью 250 Вт, которая представляет собой высокоэффективный теплооблучатель, максимальная зона излучения которого расположена в эффективном диапазоне. Инфракрасная лампа превращает потребляемую электроэнергию (свыше 90 %) в тепловое излучение, а внутренний зеркальный отражатель в форме параболоида фокусирует это излучение для повышения его интенсивности. Установка оборудована термодатчиком и механическим диммером для поддержания заданной температуры.

Рис. 1. Установка по УФ облучению пенопластов

Рис. 2. Установка по ИК облучению пенопластов

Для исследования были отобраны образцы беспрессового пенополистирола производства компании ООО «ТРЕС+» самой популярной марки ПСБ-С-25, применяемой для утепления стен, полов, фасадов, лоджий, крыш и т.п. Экструдированный пенопо-листирол был представлен отечественным производителем ООО «Полиспен» марки Полиспен Стандарт. Перед испытанием на воздействие УФ и ИК облучений определялись первоначальные свойства материала в соответствии с требованиями ГОСТ 1558886 «Плиты пенополистирольные. Технические условия» и ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний».

В ходе облучения на УФ и ИК определялись физико-механические свойства материала в соответствии с ГОСТ 15588-86 «Плиты пенополистирольные. Технические условия» и ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний». В работе применялись образцы с линейными размерами [(50x50x40 ... 50)±0,5] мм. Для всех образцов выполнялся контроль внешнего вида и определялись плотность, водопоглощение, прочность на сжатие при 10% линейной деформации, предел прочности при растяжении, твёрдость.

Контроль внешнего вида заключался в визуальном осмотре экспериментальных образцов и линейных измерениях замеченных дефектов. Линейные размеры оценивались штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Плотность образцов определялась согласно ГОСТ 15588-86. Водопоглощение пенополистирольных образцов осуществлялось в соответствии с требованиями вышеуказанного стандарта. Сущность метода заключается в определении массы воды, поглощенной образцами сухого материала после полного погружения их в дистиллированную воду и выдерживания в ней в течение 24 часов. Масса образцов определялась на лабораторных электронных весах с дискретностью в 0,01 г.

Прочность на сжатие при 10% линейной деформации определялась по ГОСТ 17177-94. Экспериментальная установка представляет собой жесткую раму, на которой установлены реверсоры. Стенд позволяет испытывать несколько образцов одновременно при различных уровнях напряжений. Образец помещается в реверсор, который жестко прикреплен к балке в верхней своей части, после чего к нижнему крюку прикладывается сила, реализованная в виде груза из набора гирь определенной массы. Деформации образца замеряются индикатором часового типа с точностью до 0,01 мм.

Предел прочности при растяжении определялся в соответствии с ГОСТ 17177-94. Экспериментальная установка состоит из жесткой рамы, которая также закреплена в верхней своей части. Образец приклеивается к отшлифованным поверхностям реверсоров, после чего к нижней площадке установки прикладывается сила, аналогично реализованная в виде груза из набора гирь определенной массы. Деформации образца замеряются штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Для приклеивания беспрессового пенополистирола использовался клей «Момент Монтаж» Экспресс МВ-50, а для закрепления экструдированного пенополистирола к реверсорам установки использовалась клеевая смесь Ceresit CT-85 и клеевой состав на основе модифицированного битума Bitumast.

Твёрдость пенополистирольных образцов исследовалась по методу Шора согласно ISO 868 (DIN 53505, ASTM D2240). Сущность метода заключается в способности материала сопротивляться постоянному углублению индентора. Значениями твёрдости по Шору являются показания шкалы, полученные в результате проникновения в пено-полистирольный образец индентора из стали в форме усеченного конуса с диаметром рабочей части 0,79 мм. Образец помещают под склероскоп, нажимную опору прижимают к образцу и через 15 с считывают показания шкалы индикатора. Показания шка-

4/2010 ВЕСТНИК

лы представлены в виде единиц от 0 для полного проникновения на 2,5 мм до 100 для нулевого проникновения. Приведенная масса склероскопа на стальной индентор по Шору ОО составляет 0,113 кг, а результирующая сила 111,1 Н [4-5].

Результаты экспериментальных данных УФ и ИК облучения беспрессового пено-полистирола представлены в таблице 1, а экструдированного пенополистирола - в таблице 2.

Согласно полученным результатам экспериментальных данных плотность беспрессового пенополистирола в первые 7 суток испытания на УФ облучение уменьшается на 5,9%, а к 84 суткам исследования - 15,6%. Воздействие инфракрасного облучения существенно выше на начальном этапе наблюдения. Так, через 7 суток испытания плотность образцов уменьшилась на 11,8%, что в два раза выше полученных результатов на УФ облучения, а по истечении 84 суток уменьшилась на 14,5%. При испытаниях на фотостарение водопоглощение пенополистирола возрастает. Максимальное увеличение составляет 24,1% к 84 суткам испытания при УФ воздействии. По мнению авторов это вызвано разрушением стенок ячеек пенопласта, что подтверждается уменьшением плотности, приводящим к увеличению влагопереноса по толще материала. Следует заметить, что рост водопоглощения в первые 7 суток испытания составляет 8,9% независимо от вида облучения.

Исследование прочности на сжатие при 10% линейной деформации при УФ облучении показало повышение прочности беспрессового пенополистирола в первые 5 суток испытания, что сопоставимо с результатами экспериментальных данных профессора В.П. Ярцева [2]. Так, прочность на сжатие при 10% линейной деформации через 5 суток УФ облучения составила 0,088 МПа, что на 12,3% больше своего начального значения. Можно предположить, что это вызвано развитием упругих свойств полимера вследствие развивающихся процессов полимеризации. Воздействие ИК облучения напротив негативно сказывается на величине прочностных характеристик: к 84 суткам испытаний прочность на сжатие снижается на 8,6%. Независимо от вида облучения прочность на растяжение падает и составляет в среднем 6,7 ... 9,3%.

Наиболее отрицательно сказывается действие источников облучения на твёрдость пенополистирола, что является следствие повышения поверхностной эрозии материала. Так, твёрдость беспрессового пенополистирола, определенная по методу Шора, в результате испытания на УФ облучение к 84 суткам уменьшилась на 81,5%, а при ИК облучении - на 74,1%.

Результаты исследований экструдированного пенополистирола (таблица 2) показали, что плотность при УФ облучении в 7 суточном возрасте уменьшается на 1,2%, а к 84 суткам - на 2,9%. При ИК облучении уменьшении плотности к 7 суткам достигает 0,9%, а к 84 - 2,0%. Для экструдированного пенополистирола при испытании на фотостарение значительно повышается водопоглощение. Так, при УФ облучении водопоглощение образцов к 84 суткам исследования возрастает на 16,6%, а при ИК воздействии - на 9,1%.

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. При инфракрасном воздействии проявляется незначительное повышение прочности на сжатие в первые 2 суток наблюдения. Дальнейшие исследования показывают спад напряжений. Величина предела прочности при растяжении независимо от вида облучения к 84 суткам эксперимента уменьшается в среднем на 3,3 ... 6,1%.

Твёрдость экструдированного пенополистирола снижается незначительно по сравнению с пенопластом, изготовленным по беспрессовой технологии. Так, падение твёрдости в результате УФ воздействия составляет 5,1%, а при ИК облучении - 10,1%.

Таким образом, результаты исследования физико-механических свойств пенополистирола вследствие фотостарения показали, что плотность материала падает, а во-допоглощение возрастает за счет разрушения стенок ячеек и увеличения инфильтрации пенопласта. Прочность на сжатие при 10% линейной деформации возрастает в первые 5-7 суток испытания, что вызвано развивающимся процессом полимеризации и увеличением степени сшития волокон в узлах полимера. Твёрдость пенопласта уменьшается вследствие повышения поверхностной эрозии материала. Также наблюдается растрескивание поверхности полимера и изменение его окраски.

Литература

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

2. 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.

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

4. Володин В.П. Экструзия профильных изделий из термопластов. - СПб.: Профессия, 2005. - 480 с.

5. Метод Шора [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org.

References

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

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

3. Dementyev A. G. Structure and properties of foam plastics. Moscow, 1983. Pp. 176.

4. Volodin V. P. Extrusion of thermoplastic profile products. St. Petersburg, 2005. Pp. 480.

5. Shore method. http://ru.wikipedia.org.

Ключевые слова: пенополистирол, старение полимера, фотодеструкция, ультрафиолетовое и инфракрасное облучения, поверхностная эрозия материала, инфильтрация, полимеризация.

Keywords: foam polystyrene, ageing of polymer, photodestruction, ultraviolet and infrared irradiations, superficial erosion of material, infiltration, polymerization.

Почтовый адрес:

153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20, Телефон: +7(4932) 41-39-06; Телефон: +7(960) 513-3424. E-mail: s.kokanin@yandex.ru; 156530, Костромская область, Костромской район, пос. Ка-

раваево, Учебный городок КГСХА, Телефон: +7(4942) 66-18-88

Рецензент: Соколов Герман Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология, организация и экономика строительства» ФГОУ ВПО Костромской государственной сельскохозяйственной академии (ФГОУ ВПО Костромская ГСХА).