УПРОЧНЕННЫЕ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛИ
REINFORCED SANDWICH PANELS

Ссылка на родственную заявку
В данной заявке испрашивается приоритет согласно патентной заявке Италии № 102016000128519, поданной 20 декабря 2016 г.
Область техники
Это раскрытие относится к упрочненным сэндвич-панелям и системам панелей, содержащим по меньшей мере один упрочняющий слой, к конструкциям, содержащим такие панели, и к способам изготовления панелей и систем панелей.
Уровень техники
Жесткие пенополимеры обеспечивают хорошую теплоизоляцию и поэтому их используют в строительных компонентах, таких как предварительно изолированные сэндвич-панели. Эти панели могут быть несущими или самонесущими и могут быть использованы, например, во внутренних перегородках, наружных стенах, на фасадах и крышах.
Раскрытие сущности изобретения
В настоящем раскрытии предложена панель, содержащая первую наружную оболочку, состоящую из металлического наружного слоя, по меньшей мере два теплоизолирующих слоя, по меньшей мере один из которых состоит из жесткого пенополиуретана или пенополиизоцианурата, и по меньшей мере один упрочняющий слой, расположенный на расстоянии от двух наружных оболочек и между двумя теплоизолирующими слоями.
Кроме того, предложен способ изготовления панели.
Осуществление изобретения
Сэндвич-панели согласно настоящему изобретению содержат слой жесткого пенополиуретана/пенополиизоцианурата (PUR (полиуретановой)/PIR (полиизоциануратной) пены), связанный с металлическим наружным слоем, выполненным, например, из стали, алюминия, или нагруженными оболочками из металлической фольги. Варианты осуществления относятся к сэндвич-панели, которая содержит две наружные оболочки, причем по меньшей мере одна из указанных наружных оболочек состоит из металлического наружного слоя, по меньшей мере два теплоизолирующих слоя, причем по меньшей мере один из указанных теплоизолирующих слоев состоит из жесткого пенополиуретана/пенополиизоцианурата (PUR (полиуретановой)/PIR (полиизоциануратной) пены), и по меньшей мере один упрочняющий слой, расположенный на расстоянии от двух наружных оболочек и между двумя теплоизолирующими слоями.
Наружная оболочка
Первая наружная оболочка, состоящая из металлического наружного слоя, расположена рядом с одним слоем жесткого пенополиуретана/пенополиизоцианурата (PUR (полиуретановой)/PIR (полиизоциануратной) пены) таким образом, что по меньшей мере один слой жесткого пенополиуретана/пенополиизоцианурата (PUR (полиуретановой)/PIR (полиизоциануратной) пены) находится между первой наружной оболочкой металлического наружного слоя и упрочняющим слоем. Вторая наружная оболочка может быть включена в панель на противоположной стороне относительно первой наружной оболочки металлического наружного слоя. Первая и вторая наружные оболочки могут быть одинаковыми или разными. Первая наружная оболочка металлического наружного слоя выполнена из стали (например, лакированной, предварительно окрашенной или оцинкованной стали) или алюминия и имеет толщину от 0,2 мм до 2 мм (например, от 0,3 до 0,8 мм, от 0,4 до 0,6 мм и т.д.).
Согласно примеру осуществления вторая наружная оболочка может быть выполнена из того же материала и иметь такую же толщину, что и первая наружная оболочка.
Согласно другому примеру осуществления вторая наружная оболочка может быть выполнена из других жестких материалов, таких как дигидрат сульфата кальция (гипс), без добавок или с добавками, запрессованными между облицовкой и подложкой (образованный слой известен как гипсокартон, гипрок, стеновая плита, гипсовая панель или гипсовая плита), и цемент.
Теплоизолирующие слои
Панель содержит первый теплоизолирующий слой, содержащий жесткий пенополиуретан и/или жесткий пенополиизоцианурат (жесткую PUR (полиуретановую)/PIR (полиизоциануратную) пену). Слой может иметь толщину от 20 мм до 250 мм. PUR (полиуретановая)/PIR (полиизоциануратная) пена может быть образована из изоцианат-активного компонента (например, объединенного с пенообразователем и катализатором) и изоцианатного компонента (например, органического полиизоцианата, такого как заводские смеси метилендифенилдиизоцианата и его олигомеров). Примеры материалов для формирования PUR (полиуретановой)/PIR (полиизоциануратной) пены включают полиолы VORACOR™, полиолы VORATHERM™, добавки VORATHERM™, такие как катализаторы, и изоцианаты VORANATE™ (все указанные материалы производит компания Dow Chemical Company). Примером пенообразователя является н-пентан. Изоцианат-активный компонент содержит один или более типов полиолов, выбранных из сложных полиэфирполиолов и простых полиэфирполиолов. Использование простых или сложных полиэфирполиолов приводит к образованию основных цепей полиуретанового полимера, характеризующихся наличием, соответственно, повторяющихся звеньев простого или сложного эфира. Изоциануратные кольца могут быть включены в структуру полимера за счет вступления в реакцию стехиометрического избытка (по отношению к изоцианат-активной композиции) изоцианата в присутствии специфических катализаторов. Поскольку структура изоциануратного кольца характеризуется высокой термической стабильностью, модифицированные изоциануратом полиуретаны (обычно известные как полиизоцианурат (PIR)) являются более подходящими для высокотемпературного применения и имеют лучшую огнестойкость и меньшую выработку дыма при сгорании.
Для пенополиуретана изоцианатный индекс может быть равен 180 или менее. Для пенополиуретана изоцианатный индекс может быть равен 100 или выше. Для пенополиизоцианурата изоцианатный индекс может быть равен 180 или выше, предпочтительно может быть равен 250 или выше. Для пенополиизоцианурата изоцианатный индекс может иметь значение менее 500. Термин «изоцианатный индекс» относится к количеству эквивалентов изоцианатсодержащего соединения, добавленного на 100 теоретических эквивалентов изоцианат-активного соединения. Изоцианатный индекс, равный 100, соответствует одной изоцианатной группе на присутствующий изоцианат-активный атом водорода, например, воды и полиольной композиции. Более высокий индекс указывает на большее количество изоцианатсодержащего реагента.
Чтобы обеспечить достаточную прочность пеноматериала, выбирают соответствующие количество функциональных групп и эквивалентные массы реагентов.
Изоцианатный компонент может включать изоцианатсодержащие реагенты, которые являются алифатическими, циклоалифатическими, алициклическими, арилалифатическими и/или ароматическими полиизоцианатами и их производными. Примеры производных включают аллофанат, биурет и форполимер с NCO-концевыми группами. Согласно примеру осуществления изоцианатный компонент содержит по меньшей мере один ароматический изоцианат, например, по меньшей мере один ароматический полиизоцианат. Например, изоцианатный компонент может включать ароматические диизоцианаты, например, по меньшей мере один изомер толуолдиизоцианата (TDI), неочищенный толуолдиизоцианат, по меньшей мере один изомер дифенилметилендиизоцианата (MDI), неочищенный дифенилметилендиизоцианат и/или метиленполифенилполиизоцианат с большим количеством функциональных групп. В контексте настоящего документа термин дифенилметилендиизоцианат (MDI) относится к полиизоцианатам, выбранным из изомеров дифенилметандиизоцианата, полифенилметиленполиизоцианатов и их производных, содержащих по меньшей мере две изоцианатные группы. Кроме того, могут быть использованы смеси полимерных и мономерных дифенилметилендиизоцианатов. Предпочтительно дифенилметилендиизоцианат содержит в среднем от 2 до 3,5 (например, от 2,0 до 3,2) изоцианатных групп на молекулу. Типовые изоцианатсодержащие реагенты включают изоцианат VORANATE™ M229 PMDI (полимерный метилендифенилдиизоцианат, в среднем содержащий 2,7 изоцианатной группы на молекулу, производимый компанией The Dow Chemical Company) и VORANATE™ M600 PMDI (олигомерная смесь полимерного метилендифенилдиизоцианата с большим количеством функциональных групп, производимая компанией The Dow Chemical Company).
Для получения пенополиуретана изоцианат-активный компонент может содержать 30 или более частей (на сотни массовых частей суммы всех соединений, содержащих активный водород) простых полиэфирполиолов с большим количеством функциональных групп. Подходящие простые полиэфирполиолы с большим количеством функциональных групп могут иметь количество функциональных групп, равное 4 или более, и эквивалентную массу, равную 180 или менее. Эквивалентную массу (EW) определяют как массу соединения на реакционноспособный центр. Эквивалентная масса может быть вычислена следующим образом: EW = 56,1 × 1000/OH, где OH = гидроксильное число. Подходящие простые полиэфирполиолы с большим количеством функциональных групп включают продукты алкоксилирования сорбита, сахарозы или алифатических и ароматических аминов. Подходящие простые полиэфирполиолы включают VORANOL™ 482, VORANOL™ 490, VORANOL™ RH360 и VORANOL™ RA640, TERCAROL™ 5902, производимые компанией The Dow Chemical Company. Описанные выше простые полиэфирполиолы с большим количеством функциональных групп могут быть использованы в сочетании с другими полиолами, содержащими меньшее количество функциональных групп и/или большую эквивалентную массу. Подходящие простые полиэфирполиолы этого типа включают VORANOL™ CP260, VORANOL™ CP450, VORANOL™ CP1055 и VORANOL™ P1010, производимые компанией The Dow Chemical Company.
Для получения пенополиизоцианурата изоцианат-активный компонент может содержать 40 или более частей (на сто частей суммы всех соединений, содержащих активный водород) сложных полиэфирполиолов. Подходящие сложные полиэфирполиолы содержат продукты реакции ароматической дикарбоновой кислоты или их производные, такие как терефталевая кислота или фталевый ангидрид, с многоатомными спиртами, такими как диэтиленгликоль, полиэтиленгликоль или глицерин. Примеры сложных полиэфирполиолов: STEPANPOL™ PS-3152, STEPANPOL™ PS-2352, производимые компанией Stepan Company, и TERATE™ HT2000, производимый компанией Invista Company. Относительно малое количество функциональных групп этих полиолов компенсируется сшиванием полимера, которое обеспечивает структура изоциануратного кольца. Подходящие сложные полиэфирполиолы могут иметь количество функциональных групп, равное 1,8 или больше. Они могут иметь количество функциональных групп, равное 3 или меньше. Подходящие сложные полиэфирполиолы могут иметь эквивалентную массу, равную 160 или больше, например, от 180 до 280. Подходящие смеси полиолов для полиизоциануратной композиции с большим индексом также могут содержать полиолы с более длинной цепью, имеющие эквивалентную массу более 300. Длинноцепочечные полиолы позволяют регулировать плотность сшивания и уменьшить хрупкость. Кроме того, считается, что такие полиолы способствуют связыванию с металлическими наружными слоями (например, стальными наружными слоями). Длинноцепочечный полиол полиольного компонента может представлять собой простой полиэфирполиол и/или сложный полиэфирполиол. Количество функциональных групп длинноцепочечного полиола может иметь значение от 2 до 3.
Для образования пенополимера может быть использован по меньшей мере один катализатор, например, катализатор, известный в данной области техники. Примеры катализаторов включают уретановые катализаторы и катализаторы тримеризации, первый для ускорения реакции изоцианата с полиолами, а второй для ускорения реакции изоцианата с самим собой. Примеры уретанового катализатора включают диметилциклогексиламин и триэтилендиамин. Примеры катализатора тримеризации включают трис(диалкиламиноалкил)-с-гексагидротриазины (такие как 1,3,5-трис (N,N-диметиламинопропил)-с-гексагидротриазин); Dabco TMR 30, Dabco K-2097 (ацетат калия), Dabco K15 (2-этилгексаноат калия) и Dabco TMR, Polycat 41, Polycat 43, Polycat 46 и Curithane 52, производимые компанией Air Products Company; гидроксиды тетраалкиламмония (такие как гидроксид тетраметиламмония), гидроксиды щелочных металлов (например, гидроксид натрия), алкоксиды щелочных металлов (такие как метоксид натрия и изопропоксид калия) и соли щелочных металлов длинноцепочечных жирных кислот с длинной цепью, содержащей от 10 до 20 атомов углерода. Некоторые катализаторы являются твердыми или кристаллическими веществами и могут быть растворены в соответствующих растворителях, таких как полиол, дипропиленгликоль или любые другие растворители, совместимые с PUR (полиуретановой)/PIR (полиизоциануратной) пеной. Примеры таких композиций катализаторов включают Dabco 33 LV (триэтилдиамин, растворенный в дипропиленгликоле), производимый компанией Air Products Company, и катализатор VORATHERM™ CN626, производимый компанией The Dow Chemical Company.
2
При образовании пенополимера могут быть использованы удлинитель цепи, сшивающее соединение, добавки, такие как поверхностно-активные вещества, антипирены и пенообразователи. Подходящие антипирены включают галогенированные соединения и соединения на основе фосфора. Примеры антипиренов включают трис-хлоризопропилфосфат (TCPP) и триэтилфосфат (TEP). Подходящими физическими пенообразователями являются жидкости с низкой температурой кипения. Может быть использовано несколько физических пенообразователей, например, гидрофторуглерод (HFC), углеводороды и гидрофторолефины (HFO). Кроме того, пенообразователь может быть образован в результате протекания химических реакций. Наиболее распространенным химическим пенообразователем является вода. Реакция воды с изоцианатом протекает с образованием карбаминовой кислоты, нестабильного промежуточного соединения, с диссоциированием выделяющегося СО.
Коммерчески доступные смеси полиолов, поверхностно-активных веществ и добавок для изготовления пенополиизоцианурата включают полиол VORATHERM™ CN 804 и полиол VORATHERM™ CN 815, производимые компанией The Dow Chemical Company.
Кроме того, панель содержит второй теплоизолирующий слой. Первый и второй теплоизолирующие слои могут быть одинаковыми или разными. Второй теплоизолирующий слой может быть выбран из пенополиуретана, пенополиизоцианурата, минеральной ваты (MiWo) и стекловаты (GW). Второй теплоизолирующий слой может иметь толщину от 20 мм до 250 мм.
Упрочняющий слой
Кроме того, панель содержит по меньшей мере один упрочняющий слой, расположенный между двумя теплоизолирующими слоями и разделяющий их.
Предпочтительно упрочняющий слой выполнен из металла и по существу соответствует размерам поверхности теплоизолирующего слоя, с которым он связан.
Другие подходящие материалы для теплоизолирующего слоя могут иметь форму жестких листов, например, гипрок или фиброцементные плиты. Преимущество металла состоит в том, что он более удобен в обращении. Он может быть размотан и развальцован в непрерывном способе. Кроме того, он обладает повышенной прочностью при относительно низкой стоимости.
Структура панели
В одном варианте осуществления структура панели включает наружную оболочку, состоящую из металлического наружного слоя, первого теплоизолирующего слоя, состоящего из жесткой PUR (полиуретановой)/PIR (полиизоциануратной) пены, упрочняющего слоя, второго слоя изолирующего материала и другой наружной оболочки, расположенные по порядку снизу вверх.
Производственный процесс
Приведенный в качестве примера способ изготовления панели, описанный в данном документе, может включать обеспечение первой наружной оболочки, состоящей из металлического наружного слоя, первого теплоизолирующего слоя в виде жидкой реакционной смеси, упрочняющего слоя и второго теплоизолирующего слоя в виде жидкой реакционной смеси; и нанесение второй наружной оболочки на последний теплоизолирующий слой. Например, сэндвич-панели могут быть изготовлены с применением непрерывного способа или прерываемого способа (например, непрерывного способа или прерываемого способа, известных в данной области техники). Для осуществления способа непрерывного ламинирования могут использовать, например, двухленточные устройства, в которых жидкую реакционную смесь для образования пенополимера осаждают (наливают или распыляют) на нижнюю наружную оболочку. Упрочняющий слой может контактировать своей обращенной вниз поверхностью с жидкой реакционной смесью, образующей пенополимер, прежде чем она затвердеет и станет жесткой. Для осуществления прерываемого способа могут использовать формы.
Способ непрерывного ламинирования может включать следующие этапы: (i) подачу нижнего (первого) листа металлического наружного слоя, (ii) выдачу первой жидкой реакционной смеси с образованием пенополимера для образования первого теплоизолирующего слоя поверх нижнего листа металлического наружного слоя, (iii) подачу упрочняющего листа, (iv) выдачу второй жидкой реакционной смеси с образованием пенополимера для образования второго теплоизолирующего слоя поверх упрочняющего листа, (v) подачу верхнего (второго) листа металлического наружного слоя, (vi) обеспечение расширения, затвердевания жидких реакционных смесей и их связывания с металлическими наружными слоями и упрочняющими слоями (например, под постоянным давлением с использованием двойного конвейера). Затем с применением резки могут быть образованы отдельные панели.
Согласно другому варианту осуществления способ непрерывного ламинирования может включать следующие этапы: (i) подачу жестких листов (таких как гипрок или цементные плиты) в качестве нижнего слоя, (ii) выдачу первой жидкой реакционной смеси с образованием пенополимера для образования первого теплоизолирующего слоя поверх нижнего жесткого листа, (iii) подачу упрочняющего металлического листа, (iv) выдачу второй жидкой реакционной смеси с образованием пенополимера для образования второго теплоизолирующего слоя поверх упрочняющего листа, (v) подачу верхнего листа металлического наружного слоя, (vi) обеспечение расширения, затвердевания жидких реакционных смесей и их связывания с наружными оболочками и упрочняющими слоями (например, под постоянным давлением с использованием двойного конвейера).
В непрерывной производственной линии может быть использована одна секция формования при наличии подходящих устройств (например, обеспечивающих зацепление вдоль продольных краев образования панели) для удержания в требуемом положении упрочняющего слоя, пока не затвердеют жидкие реакционные смеси, образующие пенополимер. Альтернативно, в непрерывной производственной линии может быть использовано две секции формования с первым и вторым двойными конвейерами, расположенными один за другим, причем противоположные ленты первого и второго двойных конвейеров расположены на расстоянии друг от друга, равном толщине, для образования сначала первого изолирующего слоя, а затем всей панели. Устройства с несколькими секциями формования раскрыты, например, в US 8617699.
Устройства, способствующие равномерному распределению жидких реакционных смесей по ширине создаваемой панели, способны улучшить качество панели. Например, может быть использован нагнетательный шланг, имеющий конец, перемещаемый в пределах определенной ширины (например, посредством поворотной штанги), или труба, проходящая по ширине линии и имеющая множество выпускных отверстий.
Прерываемый способ с использованием форм может включать размещение первой наружной оболочки и упрочняющего слоя в форме (например, в нагретой форме) и введение жидкой реакционной смеси для образования пенополимера для первого теплоизолирующего слоя (например, с использованием машины для получения пеноматериала) таким образом, чтобы заполнить полость формы и обеспечить приклеивание к первой наружной оболочке и упрочняющему слою.
Прерываемый способ с использованием формы также может включать размещение первого теплоизолирующего слоя, покрытого первой наружной оболочкой, состоящей из металлического наружного слоя и упрочняющего слоя, и второй наружной оболочкой, в форме, и введение жидкой реакционной смеси для образования слоя пены для второго теплоизолирующего слоя таким образом, чтобы заполнить полость формы и обеспечить приклеивание к упрочняющему слою и второй наружной оболочке.
Другие варианты осуществления способа относятся к изготовлению панелей, причем первый теплоизолирующий слой состоит из пенополимера, образованного из жидкой реакционной смеси (например, PUR (полиуретановой)/PIR (полиизоциануратной) пены), а второй теплоизолирующий слой (например, минеральная вата или стекловата) образуют путем подачи соответствующих блоков. Производственные линии могут быть оснащены множеством машин для загрузки, резки, подачи и автоматической укладки блоков изолирующего материала. Блоки минеральной ваты можно выравнивать и разрезать на слои, ширина которых равна толщине образуемого изолирующего слоя. Операции могут включать поворот, неравномерное размещение, поперечное валяние и приклеивание. Клей может представлять собой двухкомпонентный полиуретан и его могут распределять по поверхности с помощью двух механических рук.
Примеры
Образцы панелей для демонстрационных примеров 1–5 и сравнительных примеров С1–С3 изготавливали с использованием лакированных стальных наружных слоев и слоя (-ев) PIR (полиизоциануратной) пены, имеющих состав согласно приведенной ниже таблице 1. В частности, для получения реакционной смеси для образования слоя PIR (полиизоциануратной) пены сначала получают изоцианат-активный компонент путем смешивания с механическим перемешиванием полиола VORATHERM™ CN 815, катализатора VORATHERM™ CN 626 и н-пентана. Затем после получения таким образом изоцианат-активного компонента его смешивают с помощью механической мешалки с изоцианатом VORANATE™ M600 PMDI.
Полиол VORATHERM™ CN 815 представляет собой коммерчески доступный полиольный компонент в готовой смеси, содержащий полиолы и добавки. Он характеризуется числом ОН 234 мг КОН/г, содержанием воды 0,8 мас. % и вязкостью при 20°С 1550 мПа⋅с. Катализатор VORATHERM™ CN 626 представляет собой коммерчески доступную каталитическую смесь. Катализатор VORATHERM™ CN 626 характеризуется числом ОН 259 мг КОН/г и вязкостью при 20°С 160 мПа⋅с. Изоцианат VORANATE™ M600 PMDI представляет собой коммерчески доступный изоцианат, характеризующийся содержанием NCO 30,3 мас. %, количеством функциональных групп изоцианата 2,85 и вязкостью при 25°C 600 мПа⋅с.
Таблица 1
PIR (полиизоциануратная) пена
Компоненты
Единицы измерения
Полиол VORATHERM™ CN 815
Массовые части
100
Катализатор VORATHERM™ CN 626
Массовые части
3
н-пентан
Массовые части
14
Изоцианат VORANATE™ M600 PMDI
Массовые части
195
Изоцианатный индекс
275
Образцы панелей для демонстрационных примеров 1-5 были изготовлены в лабораторной форме. Была охарактеризована износостойкость огнестойкой изоляции с использованием муфельной печи.
Для изготовления образцов панелей использовали горизонтальную форму размерами 200 мм (длина) на 200 мм (ширина) на 100 мм (толщина), нагретую до 50°С. Была применена следующая процедура.
1. Толщину формы устанавливали (уменьшали с помощью прокладки) в первое значение (например, для демонстрационного примера 3 оно составляет 50 мм).
2. Противоадгезивный материал наносили на боковые стороны формы, первую стальную оболочку (толщиной 0,4 мм, покрытую белым лаком) размещали на дне формы, а вторую стальную оболочку (из того же материала) прикрепляли к крышке (верхней части) формы.
3
3. Жидкую реакционную смесь для первого теплоизолирующего слоя, пенополиизоцианурат, заливали в полость формы (количество реакционной смеси было вычислено для получения плотности нанесенной пены 50 кг/м). Форму закрывали. Пенообразующая реакционная смесь заполняла полость и приклеивалась к внутренним поверхностям двух стальных оболочек. Пенополиизоцианурат затвердевал в течение заданного времени.
4. Образованную сэндвич-панель с двойной оболочкой и стальным наружным слоем извлекали из формы.
5. Затем толщину формы изменяли до 100 мм путем удаления прокладки.
3
6. Сэндвич-панель с двойной оболочкой и стальным наружным слоем (например, толщиной 50 мм) размещали в форме, установив ее на дно. Третью стальную оболочку (из того же материала) прикрепляли к крышке (верхней части) формы. Жидкую реакционную смесь для второго теплоизолирующего слоя, пенополиизоцианурат, заливали в полость новой формы (количество реакционной смеси было вычислено для получения плотности нанесенной пены 50 кг/м). Форму закрывали. Пенообразующая реакционная смесь заполняла полость и приклеивалась к наружной поверхности панели с двойной оболочкой и к внутренней поверхности третьей стальной оболочки. Пенополиизоцианурат затвердевал в течение заданного времени.
7. Образованную панель (общей толщиной 100 мм) с тремя стальными листами и двумя изолирующими слоями PIR (полиизоциануратной) пены извлекали из формы.
Образцы панелей для сравнительных примеров C1-C3 были изготовлены в лабораторной форме. Была охарактеризована износостойкость огнестойкой изоляции с использованием муфельной печи.
Для изготовления образцов панелей использовали горизонтальную форму размерами 200 мм (длина) на 200 мм (ширина) на 100 мм (толщина), нагретую до 50°С. Была применена следующая процедура:.
1. Толщина формы составляла 100 мм.
2. Противоадгезивный материал наносили на боковые стороны формы, первую стальную оболочку (толщиной 0,4 мм, покрытую белым лаком) размещали на дне формы, а вторую стальную оболочку (из того же материала) прикрепляли к крышке (верхней части) формы.
3
3. Жидкую реакционную смесь для первого теплоизолирующего слоя, пенополиизоцианурат, заливали в полость формы (количество реакционной смеси было вычислено для получения плотности нанесенной пены 50 кг/м). Форму закрывали. Пенообразующая реакционная смесь заполняла полость и приклеивалась к внутренним поверхностям двух стальных оболочек. Пенополиизоцианурат затвердевал в течение заданного времени.
4. Образованную сэндвич-панель с двойной оболочкой и стальным наружным слоем извлекали из формы.
Износостойкость огнестойкой изоляции была оценена с использованием электрической муфельной печи, с измененным отверстием 170x170 мм, вырезанным в вертикальной передней дверце. Образцы панелей размерами 200x200 мм зажимали перед отверстием. Процедура испытания включает следующий этап.
1. Боковые края оборачивали изолирующим покрытием из керамической ваты. Алюминиевую клейкую ленту использовали для удержания изолирующего покрытия на месте во время проведения испытания.
2. Образец размерами 200x200 мм зажимали на отверстии, вырезанном в дверце муфельной печи.
3. Контактную термопару размещали на стальной оболочке, обращенной наружу.
4. Включали подогрев муфельной печи.
5. Во время проведения испытания регистрировали температуру термопары на наружной оболочке образца, а также внутреннюю температуру печи.
Были изготовлены и испытаны следующие образцы панели.
Демонстрационный пример 1: сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 100 мм, содержащая третий стальной лист, разделяющий два теплоизолирующих слоя. Толщина двух теплоизолирующих слоев по отдельности составляет 10 и 90 мм. При проведении испытания на износостойкость огнестойкой изоляции изолирующий слой толщиной 10 мм был обращен в направлении источника тепла муфельной печи.
Демонстрационный пример 2: сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 100 мм, содержащая третий стальной лист, разделяющий два теплоизолирующих слоя. Толщина двух теплоизолирующих слоев по отдельности составляет 70 и 30 мм. При проведении испытания на износостойкость огнестойкой изоляции изолирующий слой толщиной 30 мм был обращен в направлении источника тепла муфельной печи.
Демонстрационный пример 3: сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 100 мм, содержащая третий стальной лист, разделяющий два теплоизолирующих слоя. Толщина двух теплоизолирующих слоев по отдельности составляет 50 и 50 мм. При проведении испытания на износостойкость огнестойкой изоляции один из двух наружных слоев панели был обращен в направлении источника тепла муфельной печи.
Демонстрационный пример 4: сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 100 мм, содержащая третий стальной лист, разделяющий два теплоизолирующих слоя. Толщина двух теплоизолирующих слоев по отдельности составляет 70 и 30 мм. При проведении испытания на износостойкость огнестойкой изоляции изолирующий слой толщиной 70 мм был обращен в направлении источника тепла муфельной печи.
Демонстрационный пример 5: сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 100 мм, содержащая третий стальной лист, разделяющий два теплоизолирующих слоя. Толщина двух теплоизолирующих слоев по отдельности составляет 10 и 90 мм. При проведении испытания на износостойкость огнестойкой изоляции изолирующий слой толщиной 90 мм был обращен в направлении источника тепла муфельной печи.
Сравнительный пример С1: сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 100 мм, содержащая один изолирующий слой. Панель имеет симметричную структуру. При проведении испытания на износостойкость огнестойкой изоляции один из двух наружных слоев панели был обращен в направлении источника тепла муфельной печи.
Сравнительный пример С2: сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 100 мм, содержащая один изолирующий слой. Дополнительный стальной лист помещают на один из наружных слоев панели. При проведении испытания на износостойкость огнестойкой изоляции сторона с дополнительным стальным листом была обращена к источнику тепла муфельной печи.
2
Сравнительный пример С3: сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 100 мм, содержащая один изолирующий слой. Дополнительный стальной лист приклеивали к одному из наружных слоев панели. Клей представляет собой полиуретан/полиизоцианурат, полученный смешиванием 100 массовых частей полиола VORAMER™ MB3174 и 123 массовых частей изоцианата VORANATE™ M220. Количество клея по отношению к площади поверхности составляет 750 г/м, что соответствует толщине приблизительно 1 мм. При проведении испытания на износостойкость огнестойкой изоляции сторона с дополнительным стальным листом была обращена к источнику тепла муфельной печи.
Испытание на износостойкость огнестойкой изоляции (таблица 2)
В таблице 2 представлено время (в минутах), прошедшее с начала нагрева до достижения определенных пороговых температур (140°C, 160°C и 180°C), измеренных с помощью термопары на наружной стальной оболочке (напротив источника тепла) сэндвич-панели. Профили нагрева внутри муфельной печи были зарегистрированы и признаны непротиворечивыми во всех экспериментах. Профиль нагрева внутри муфельной печи является по существу линейным и может быть описан с точки зрения времени достижения определенных температур следующим образом: 30 минут до 200°C, 60 минут до 400°C, 120 минут до 800°C.
Образцы панелей для демонстрационных примеров 1-5 (характеризующиеся тремя стальными оболочками и двумя изолирующими слоями из PIR (полиизоциануратной) пены) показали заметное улучшение износостойкости изоляции (в среднем 10 минут) по сравнению с образцами панелей в сравнительных примерах C1–C3 (полиизоциануратные панели с двойной оболочкой и одним изолирующим слоем из PIR (полиизоциануратной) пены). Данные сравнительных примеров показывают, что улучшение не может быть достигнуто только за счет применения дополнительного стального листа (прикрепленного или приклеенного) на оболочке обычных панелей.
Таблица 2
Время (минуты) достижения определенных порогов температуры
Температура (°С)
С1
С2
С3
Ex1
Ex2
Ex3
Ex4
Ex5
140
120
119
121
134
128
132
127
135
160
125
124
126
141
135
139
133
139
180
131
129
134
143
145
143
138
144
Образцы панелей для демонстрационного примера 6 и сравнительного примера C4 были изготовлены с использованием реакционной смеси для образования слоя PIR (полиизоциануратной) пены и стальных наружных слоев, развальцованных на продольных краях для образования зацепления типа «паз-выступ». Пример 6 и сравнительный пример С4 были изготовлены с использованием непрерывной линии. Слой (слои) PIR (полиизоциануратной) пены имеют состав согласно приведенной ниже таблице 3. В частности, для образования слоя (-ев) PIR (полиизоциануратной) пены в линии смешивают первый поток изоцианат-активного компонента, а именно полиола VORATHERM™ CN 804, второй поток катализатора VORATHERM™ CN 626 и третий поток н-пентана и затем обеспечивают их взаимодействие путем ударного смешивания под высоким давлением с потоком изоцианата VORANATE™ M600 PMDI.
Полиол VORATHERM™ CN 804 представляет собой коммерчески доступный полиольный компонент в готовой смеси, содержащий полиолы и добавки. Он характеризуется числом ОН 181 мг КОН/г, содержанием воды 0,8 мас.% и вязкостью при 20°С 800 мПа⋅с.
Таблица 3
PIR (полиизоциануратная) пена
Компоненты
Единицы измерения
Полиол VORATHERM™ CN 804
Массовые части
100
Катализатор VORATHERM™ CN 626
Массовые части
3,5
нормальный пентан
Массовые части
12
Изоцианат VORANATE™ M600
Массовые части
171
Изоцианатный индекс
293
2
Стальные листы, покрытые белым лаком, толщиной 0,40 мм, с плоскими поверхностями и с развальцованными продольными кромками использовали как для примера 6, так и для сравнительного примера C4. Как для примера, так и для сравнительного примера металлический лист, проходящий снизу, был подвергнут обработке коронным разрядом. Кроме того, в соответствии с общепринятой практикой в промышленности, тонкий слой (100 г/м) полиуретанового/полиизоциануратного клея, полученного смешиванием 100 массовых частей полиола VORAMER™ MB3171 и 123 массовых частей изоцианата VORANATE™ M220, был нанесен перед выдачей реакционной смеси пенополиизоцианурата.
Для образования образца панели из примера 6 на первом этапе была изготовлена 60 мм панель с двойной оболочкой, затем, на втором этапе, противоположные ленты двойного конвейера были отрегулированы до общей толщины панели 120 мм для включения второго изолирующего слоя и третьего стального слоя (верхней наружной оболочки). Панель из сравнительного примера C4 была изготовлена обычным способом, а именно путем подачи нижней и верхней стальных оболочек и образованием за один этап изолирующего слоя из пены толщиной 120 мм.
Образцы панелей из примера 6 и сравнительного примера С4 были охарактеризованы как в ходе испытания на механическую прочность, так и при полном испытании на огнестойкость.
Механическая прочность была оценена путем проведения испытания на 4-точечный изгиб, по существу в соответствии с Европейским стандартом для сэндвич-панелей EN 14509, за исключением применения меньшего пролета (700 мм). Образцы с шириной 100 мм и полной толщиной панели вырезали из плоской области панелей. В направлении толщины была приложена нагрузка. В таблице 4 представлены результаты измерений. Образцы панелей из примера 6 показали среднее значение прочности на сдвиг 0,100 по сравнению с 0,065 в сравнительном примере C4, таким образом, достигнуто улучшение этого параметра на 53% при такой же общей толщине панели.
Таблица 4
Единицы измерения
Пример 6
Сравнительный пример C4
Образец
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Разрывная нагрузка
N
2435
2135
2250
2650
2430
1594
1645
1582
1453
1503
Прочность на сдвиг
Н/мм<sup>2</sup>
0,103
0,09
0,095
0,111
0,102
0,067
0,069
0,067
0,061
0,063
Модуль сдвига
Н/мм<sup>2</sup>
2,09
2,23
1,67
2,09
1,53
2,08
1,8
1,53
1,67
1,81
Изгиб до разрыва
мм
30,4
26,6
26,2
35
31,5
9,4
11,2
9,3
9,6
9,1
Полномасштабные испытания огнестойкости образцов панелей по примеру 6 и сравнительному примеру C4 были проведены в соответствии с Европейским стандартом испытаний на огнестойкость для ненесущих элементов EN 1364. Были изготовлены испытательные образцы в виде стены путем соединения 3 панелей друг с другом вдоль их вертикальных продольных краев для закрытия отверстия печи размером 3000 x 3000 мм. Панели устанавливали путем простого зацепления паза и выступа краев (без применения винтового соединения). Панели были прикреплены к несущей конструкции из стальных профилей с обеих сторон вдоль трех из четырех краев образца. Четвертый край остался не закрепленным (свободный край). Зазор между свободным краем испытательного образца и стеной печи был заполнен блоками из минеральной ваты. Пять термопар были установлены для измерения повышения температуры на корпусах панелей, остальные пять были размещены вблизи продольных стыков, свободных краев и в других местах по периметру испытательного образца. Для панелей из примера 6 первое повреждение изоляции произошло на 28-й минуте и было указано термопарой, расположенной в непосредственной близости от верхней части продольного стыка. Корпуса панелей выполняли свою функцию исключительно хорошо (среднее повышение температуры через 28 минут испытания составило всего 19°C). Изгиб испытательного образца был небольшим в течение всего испытания. Повреждение панелей из сравнительных примеров C4 произошло гораздо раньше и оно было указано термопарой, размещенной в продольном стыке (на 7-й минуте). Через несколько минут (на 11-й минуте) одной из термопар, размещенных на корпусах панелей, было зарегистрировано горячее пятно с температурой 193°C.
3
Образцы панелей из демонстрационных примеров 7–9 и сравнительного примера C5 были изготовлены с использованием слоя (-ев) PIR (полиизоциануратной) пены, имеющего состав согласно таблице 3. В частности, для образования слоя (-ев) PIR (полиизоциануратной) была заранее изготовлена смесь изоцианат-активного компонента, состоящая из полиола VORATHERM™ CN 804, катализатора VORATHERM™ CN 626 и нормального пентана, и обеспечено их взаимодействие с изоцианатом VORANATE™ M600 PMDI с помощью машины высокого давления Krauss Maffei. Характеристики реакции были измерены в соответствии с обычными процедурами и зарегистрированы следующим образом: время старта 5 секунд, время гелеобразования 30 секунд, плотность свободной пены 36,2 кг/м. Образцы панелей с размерами 1000 мм (длина) на 1000 мм (ширина) были изготовлены под периодически работающим прессом, как и в демонстрационных примерах 7–9, с применением способа, включающего два этапа.
Следующие образцы панелей были изготовлены и охарактеризованы в отношении механической прочности.
3
Демонстрационный пример 7: стальная сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 80 мм, содержащая третий стальной лист, разделяющий два теплоизолирующих слоя из PIR (полиизоциануратной) пены. Все три стальных листа имеют толщину 0,5 мм. Толщина каждого теплоизолирующего слоя составляет 40 мм. Плотность отформованной PIR (полиизоциануратной) пены равна 50 кг/м.
Демонстрационный пример 8: как демонстрационный пример 7, но третий лист, разделяющий два теплоизолирующих слоя, представляет собой фиброцементную плиту толщиной 15 мм. Толщина двух теплоизолирующих слоев составляет 25 мм и 40 мм.
2
Демонстрационный пример 9: как демонстрационный пример 7, но второй изолирующий материал представляет собой упрочненную волокнами PIR (полиизоциануратную) пену, полученную путем ее помещения в полость формы перед распределением реакционной смеси образующей PIR (полиизоцианурат), расширяемого полотна из стекловолокна, имеющего массу на единицу площади 70 г/м, производимого компанией Schmelzer Industries. Толщина обоих теплоизолирующих слоев составляет 40 мм.
3
Сравнительный пример C5: стальная сэндвич-панель с двойной оболочкой общей толщиной 80 мм. Два стальных листа имеют толщину 0,5 мм. Плотность отформованной PIR (полиизоциануратной) пены равна 50 кг/м.
Механическая прочность была оценена путем проведения испытания на 4-точечный изгиб по существу в соответствии с Европейским стандартом на сэндвич-панели EN 14509, за исключением применения меньшего пролета (700 мм). Для проведения испытания был вырезан образец размерами 800 мм (длина), 100 мм (ширина) и с полной толщиной панели. В направлении толщины была приложена нагрузка. В таблице 5 представлены результаты измерений для образца, полученные в двух разных положениях на панели, причем испытания образца проводили в двух ориентациях (поворот вверх-вниз).
Образцы панелей из демонстрационного примера 7 имели повышенную на 80% прочность на изгиб по сравнению с обычной панелью (сравнительный пример C5) при той же общей толщине 80 мм. Значение модуля упругости также было значительно лучшим. В демонстрационных примерах 8 и 9 также значительно повышена прочность на изгиб и улучшен показатель модуля упругости по сравнению с обычными панелями, что демонстрирует широкий диапазон применимости настоящего изобретения.
Таблица 5
Разрывная нагрузка(N)
Модуль сдвига (Н/мм<sup>2</sup>)
Положение 1
Положение 2
Положение 1
Положение 2
Сравнительный пример С5 (вверх)
1620
1390
4,03
4,04
Сравнительный пример С5 (вниз)
1900
1000
3,77
3,36
Демонстрационный пример 7 (вверх)
2730
2810
6,62
7,32
Демонстрационный пример 7 (вниз)
2830
2540
6,58
6,83
Демонстрационный пример 8 (вверх)
2960
2400
9,98
7,85
Демонстрационный пример 8 (вниз)
3000
2440
10,44
5,64
Демонстрационный пример 9 (вверх)
2130
2530
5,96
6,12
Демонстрационный пример 9 (вниз)
2520
2790
6,49
7,03
Образцы панелей из демонстрационного примера 7, демонстрационного примера 9 и сравнительного примера C5 также были охарактеризованы в отношении теплоизоляции. В таблице 6 приведены значения теплопроводности образца, полученного путем удаления наружной оболочки и уменьшения толщины до 25 мм. В сравнительном примере C5 образец состоит только из сердцевинной части из PIR (полиизоциануратной) пены (испытан в соответствии с DIN52616), в демонстрационных примерах 7 и 9 образец состоит из двух изолирующих слоев, разделенных элементом жесткости. Панели согласно настоящему изобретению имеют значения теплопроводности, сопоставимые со значениями теплопроводности обычных панелей.
Таблица 6
Теплопроводность при 10°C (Вт/м⋅K)
Сравнительный пример C5
0,0232
Демонстрационный пример 7
0,0230
Демонстрационный пример 9
0,0234