Использование соломы, угля и пенопласта для улучшения термических и механических характеристик полиуретана

Введение. Глобальная энергетическая повестка обусловила активные исследования теплоизоляционных материалов. Изучается их эффективность, связанная с характеристиками и структурой [1]. Одним из лучших изоляционных материалов считается полиуретан — затвердевшая пена из полиола и изоцианата [2]. В этот состав можно вводить натуральные наполнители, но немного, иначе ухудшится сцепление [3].

В научной литературе приводятся доказательства, что добавление соломы и угля может улучшить термические, механические и акустические свойства полиуретана [4].

Авторы [5] получили набор образцов, смешав очищенную почву, нагретую до температуры 105 °C, с компонентами полиуретана. Некоторым образцам придали форму, другие взяли после свободного вспенивания. Провели испытания на сжатие, гибкость, текучесть и замерзание. Результаты сопоставили с данными опытов по образцам из мрамора, керамики и базальта. Установлено, что у смеси с очищенной почвой — лучшая ударная прочность. Однако нужно учитывать более низкий удельный вес полиуретановых образцов.

Исследователи [6] интегрировали переработанный и чистый полиуретан в различных соотношениях (максимум — 10%). Образцы с увеличенным количеством переработанного полиуретана быстрее вспенивались и обладали лучшими характеристиками на растяжение и сжатие.

В [7] в качестве наполнителя для полиуретана рассматривается скорлупа грецких орехов и фундука. Доказано, что эти добавки хорошо сочетаются с компонентами полиуретана. Даже небольшой их объем повышает механические свойства и термическую стабильность образцов.

В [8] показана возможность использования силикагеля как армирующей добавки для полиуретана. Изучались четыре образца с 0 %, 1 %, 3 % и 5 % силикагеля. Испытания показали, что при 5 % теплопроводность снижается до 0,0268 (Вт/м·К) в сравнении с материалом без наполнителя 0,0314 (Вт/м·К). Напряжение и прочность на сжатие увеличиваются на 18 % при добавлении 3 % силикагеля, но снижаются, если объем наполнителя превышает 3 %.

Автор [9] добавлял в полиуретан оболочки зерновых культур и резину от переработанных шин. Установлена оптимальная пропорция добавок: 5 % оболочек зерновых и 15 % резины. Такое соотношение обеспечивает максимальную механическую прочность материала.

Цель научных изысканий, описанных в представленной статье, — изучить возможность улучшения свойств полиуретана с помощью добавок: соломы, угля и пенопласта. Предполагается, что предложенное решение позволит снизить теплопроводность при сохранении хороших механических, акустических и физических характеристик. В этом случае можно будет говорить об экономической целесообразности использования модифицированного материала для повышения энергоэффективности объектов. Причем сам состав должен быть более доступен по цене, т. к. компоненты полиуретана частично заменяются дешевыми наполнителями.

Материалы и методы. В ходе тепловых, физических, механических и акустических испытаний изучались образцы полиуретана компании «Даумерк» (Daumerk, Турция) с добавками и без них.

Подготовка образцов. На первом этапе экспериментов подготовили четыре образца полиуретана. Основные компоненты смешали без добавления наполнителей и залили в форму (рис. 1).

Размеры деревянной формы: 150´150´10 мм. На дно и внутреннюю поверхность крышки нанесли прозрачный клей, чтобы смесь не прилипала к форме. После заливки смеси крышку прикрепили четырьмя винтами.

В таблице 1 представлены образцы с различными соотношениями компонентов полиуретана.

На втором этапе выбрали оптимальные соотношения изоцианата и полиола и сделали шесть новых образцов. В них добавляли по 5 % и 10 % коксового угля, соломы и пенопласта (таблица  2).

Термические испытания. Использовали прибор ХТК («Хайлайт Тех Корп», HTC — Highlight Tech Corp, Китай), который позволяет определять теплопроводность методом горячей пластины в соответствии с американским стандартом ASTM C177¹ (рис. 2).

Прибор учитывает ток и приложенное напряжение — и таким образом измеряет тепловой поток Q между разными сторонами образца, а также разницу температур ∆T между его верхней и нижней поверхностями. Зная размеры образца (площадь A и толщину l), можно определить коэффициент теплопроводности λ:

(1)

Для обеспечения точности результатов прибор предварительно откалибровали по трем эталонным образцам из полистирола, полиэтилена и пенопласта с известной теплопроводностью [10]. После этого построили калибровочный график (рис. 3).

Общая погрешность в измерении коэффициента — 5–7 %.

Испытание на сжатие. Испытание на сжатие проводили в соответствии с ISO 844². Использовалось устройство (рис. 4), которое позволяет приложить к поверхности образца нагрузку сжатия до 5000 Н с заданной скоростью. К образцам со сторонами 10´10 мм прикладывалась нагрузка со скоростью 1 мм/мин до появления деформации. Результаты фиксировал подключенный к устройству компьютер со специальным программным обеспечением.

Определение плотности. Для определения плотности образцов в соответствии со стандартом ASTM C1622³ вычисляли соотношения веса и объема. Для этого использовали:

• весы с погрешностью ±0,001 г (рис. 5а),
• штангенциркуль с точностью до ±0,01 мм (рис. 5б).

Таким образом, объем вычисляли с точностью до ±0,01 мм³, а затем определяли плотность образцов по формуле:

(2)

где m — масса образца, кг; v — объем образца, мм³.

Определение водопоглощения. Для определения водопоглощения образцы погружали в воду на некоторое время. Его устанавливали в соответствии со стандартом ASTM D2842⁴. Процент водопоглощения рассчитывается как разница в весе образца до и после погружения, деленная на вес образца до погружения.

Определение звукопоглощения. Для измерения коэффициента звукопоглощения использовали прибор, который работает по принципу «передатчик — приемник» в соответствии с ISO 10534-1⁵ (рис. 6).

Образец размещают между звуковым передатчиком и приемником и отправляют звуковую волну с определенной энергией. Затем измеряют энергию волны, сканируют и анализируют частотный диапазон и определяют коэффициент звукопоглощения.

Комплект оборудования:

• двойной электронный осциллограф;
• вибратор с частотным диапазоном (1–10 кГц);
• углеродный усилитель для передачи звуковых волн;
• микрофон для приема звуковых волн;
• металлические основания для крепления усилителя и микрофона;
• мост, по которому скользят усилитель и микрофон;
• измеритель энергии.

Зная энергию волны до и после установки образца, можно рассчитать коэффициент звукопоглощения:

(3)

где α — коэффициент звукопоглощения; E — энергия волны после установки образца (вольт); E₀ — энергия волны до установки образца (вольт).

Результаты исследования

Плотность. На рис. 7 представлены результаты определения плотности протестированных образцов.

Наименьшая плотность образца 3 (33 кг/м³) объясняется отсутствием наполнителей и однородностью его структуры. Добавление наполнителей, особенно в объеме 5 %, существенно не повлияло на плотность. Это объясняется, во-первых, незначительной долей добавки. Во-вторых, плотность добавок (особенно соломы и пенопласта) близка к плотности полиуретана без добавок.

Водопоглощение. Результаты испытаний на водопоглощение представлены на рис. 8.

Низкий уровень водопоглощения зафиксирован у образцов без добавок (50 % изоцианата и 50 % полиола) и с добавкой пенопласта 5 % (62 % изоцианата и 33 % полиола). С увеличением доли изоцианата уровень водопоглощения возрастает, особенно у образцов 8 и 10 с 10 % соломы и угля. Это согласуется с результатами, полученными другими исследователями [11]. Образец 2 отклоняется от общего правила, что может быть связано с особенностями его подготовки. Известно, что солома активно впитывает воду. Соответственно, у образцов с соломой водопоглощение выше. При добавлении гранул пенопласта, наоборот, водопоглощение снижается из-за высокой устойчивости данного материала к воде. По этой причине минимальное водопоглощение фиксируется у образца 6.

Термические свойства. Результаты термических испытаний образцов представлены на рис. 9.

Коэффициент теплопроводности образцов без добавок увеличивается с ростом доли полиола. При высоком содержании полиола улучшается контакт между компонентами, уменьшаются размеры ячеек, увеличивается плотность. Плотные материалы обеспечивают более эффективную передачу тепла, т. е. обладают более высокой теплопроводностью [12]. Добавление пенопласта и угля в высоких концентрациях также увеличивает плотность и заметно повышает теплопроводность [13]. Добавление наполнителей в малых количествах, напротив, может улучшить показатели теплопроводности. Например, при добавлении пенопласта и соломы в количестве 5 % возможно снижение значений теплопроводности до 0,023 Вт/м·K. Почти такой же результат 0,024 Вт/м·K получил автор работы [14].

Прочность на сжатие. На рис. 10 показаны результаты определения прочности на сжатие.

Прочность на сжатие пропорциональна плотности материала, поэтому в образцах без добавок она повышается с увеличением содержания полиола. При добавлении 5 % соломы и угля прочность на сжатие высокая из-за однородности клеточной структуры. При добавлении 10 % наполнителя механическая прочность уменьшается из-за снижения внутренней связующей силы образца.

Акустические характеристики. На рис. 11 показаны результаты испытаний на звукопоглощение.

Среди образцов без наполнителей наилучший показатель у самого плотного — 1. При низком содержании добавок (5 %) звукопоглощение увеличивается благодаря однородной клеточной структуре. При более высоком уровне добавок (10 %) оно снижается из-за недостаточно прочных связей в материале образца

Обсуждение и заключение. Итоги исследований позволяют сделать следующие выводы.

1. Добавление наполнителей в определенном объеме может улучшить термические, механические и акустические свойства полиуретана.
2. Увеличение доли добавок в целом ухудшает исследуемые свойства и может усилить поглощение воды. Так происходит при добавлении соломы.
3. Для достижения оптимального результата рекомендуется добавлять 5 % соломы в полиуретан, состоящий из 62 % изоцианата и 33 % полиола. Теплопроводность этого образца (его номер — 7) составила 0,023 Вт/м·K при плотности 37 кг/м³ и прочности на сжатие 358 кН/м².
4. Значения теплопроводности и механической прочности образца 7 лучше на 2 % и 4 % соответственно по сравнению с образцом без добавок (под номером 3).
5. К преимуществам образца 7 следует отнести также его меньшую стоимость. Солома дешевле, чем основные компоненты полиуретана.

В перспективе планируется изучение других наполнителей с точки зрения их влияния на свойства полиуретана.