Рис. 1. Деревянная форма для образцов
Имад Ризакалла Антибас, кандидат технических наук, доцент кафедры основ конструирования машин
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Imad R. Antibas, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Fundamentals of Machinery Design Department
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Введение. Полиуретан, состоящий из полиола и изоцианата, считается одним из самых эффективных теплоизоляционных материалов. Вероятно, его изоляционные качества можно усилить, если добавить такие наполнители, как солома, уголь и пенопласт. При этом есть риск ухудшения сцепления. В литературе описано введение добавок в полиуретан как укрепляющих компонентов. Незначительные объемы наполнителей объясняются необходимостью сохранить однородность образцов. Отметим, что большинство добавок не оказали значительного влияния на термические свойства. Цель данного исследования — изучить возможность повышения термических и механических характеристик полиуретана добавлением наполнителей.
Материалы и методы. Изучались образцы полиуретана компании «Даумерк» (Daumerk, Турция) с различными добавками: четыре образца без наполнителей и шесть с добавлением 5 % и 10 % угля, соломы и пенопласта. Теплопроводность оценивали методом горячей пластины. Для испытания на сжатие задействовали устройство, обеспечивающее нагрузку до 5000 Н. Акустические свойства измеряли прибором для оценки звукопоглощения.
Результаты исследования. Образец, содержащий 63 % изоцианата и 37 % полиола, обладает наименьшей плотностью (33 кг/м³). Причины: отсутствие наполнителей и однородная структура материала. Добавление 5 % наполнителей не оказало значительного влияния на плотность образца, потому что плотности соломы и пенопласта близки к плотности полиуретана без добавок. Низкое водопоглощение — у образцов без добавок (50 % изоцианата и 50 % полиола) и с добавкой пенопласта 5% (62 % изоцианата и 33 % полиола). При увеличении доли изоцианата водопоглощение растет. Образцы с более высокой плотностью и без наполнителей демонстрируют лучшие показатели звукопоглощения. При низком содержании добавок (5 %) звукопоглощение увеличивается благодаря однородности структуры. При более высоком объеме добавок (10 %) звукопоглощение снижается из-за недостаточно прочных связей в материале. Добавка 10 % пенопласта обеспечивает максимальную устойчивость к воде.
Обсуждение и заключение. Оптимальное содержание наполнителей улучшает термические, механические и акустические характеристики полиуретана, открывая новые возможности для его применения. Большой объем наполнителей негативно сказывается на свойствах материала. Так, высокое содержание соломы заметно повышается водопоглощение. Рекомендуется использовать 5 % соломы с 62 % изоцианата и 33 % полиола. Теплопроводность этого состава — 0,023 Вт/м·K, плотность — 37 кг/м³, прочность на сжатие — 358 кН/м². Результаты исследования подтверждают возможность и целесообразность использования наполнителей (особенно угля и соломы) в производстве полиуретановых материалов. Модифицированный состав будет дешевле и с лучшими физическими характеристиками. Задачей дальнейших исследований может быть изучение других видов наполнителей для полиуретана.
Introduction. Polyurethane, a material composed of polyol and isocyanate, has been recognized as one of the most efficient thermal insulation materials. However, its insulating properties can be further enhanced by incorporating additives such as straw, coal, or foam. Nevertheless, there is a concern regarding the potential for reduced adhesion. The literature describes the introduction of additives into polyurethane as strengthening components. The limited volumes of fillers are justified by the need to maintain the uniformity of the samples. It should be noted that most additives did not significantly impact the thermal properties of the material. The aim of this research is to investigate the possibility of improving thermal and mechanical characteristics of polyurethane by adding fillers.
Materials and Methods. Samples of polyurethane from the company "Daumerk" (Turkey), with various additives, were experimentally studied. In the first stage, four samples were prepared without fillers, and in the second stage, six more samples were created with 5% and 10% additions of coal, straw, and foam. Thermal conductivity was assessed using a hot plate method, while compression testing was conducted using a device that could apply loads up to 5,000 N. Acoustic properties were measured with an instrument that evaluated the sound absorption coefficient.
Results. The sample containing 63% isocyanate and 37% polyol had the lowest density of 33 kg/m³. This was due to the absence of fillers and the homogeneous structure of the material. Adding 5% fillers did not significantly affect the density of the sample because the densities of straw and foam were close to the density of polyurethane without additives. Low water absorption was found in samples without additives (50% isocyanate and 50% polyol) and with 5% addition of foam (62% isocyanate and 33% polyol). As the proportion of isocyanate increased, water absorption increased. Samples with higher density and no fillers had better sound absorption. With a low additive content (5%), sound absorption increased due to the homogeneity of the structure. However, with a higher additive volume (10%), sound absorption decreased due to weaker bonds in the material. Adding 10% foam provided maximum resistance to water.
Discussion and Conclusion. The optimal filler content improves thermal, mechanical, and acoustic properties of polyurethane, opening up new possibilities for its application. However, a large volume of fillers can have a negative effect on the material's properties. For example, a high straw content can significantly increase water absorption. Therefore, it is recommended to use 5% straw content in combination with 62% isocyanate and 33% polyol, resulting in a thermal conductivity of 0.023 W/m·K, a density of 37 kg/m³, and a compressive strength of 358 kN/m². These results confirm the feasibility and possibility of using fillers, such as coal and straw, in the production of polyurethane materials. A modified composition with these fillers would be cheaper and possess better physical properties than the original material. Further research could focus on studying other types of fillers for polyurethane.
Введение. Глобальная энергетическая повестка обусловила активные исследования теплоизоляционных материалов. Изучается их эффективность, связанная с характеристиками и структурой [
В научной литературе приводятся доказательства, что добавление соломы и угля может улучшить термические, механические и акустические свойства полиуретана [
Авторы [
Исследователи [
В [
В [
Автор [
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).
Рис. 1. Деревянная форма для образцов
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.
Таблица 1
Компоненты полиуретана в составе образцов, %
| Номер образца | Компонент | |||
| 4 | 3 | 2 | 1 | |
| 65 | 63 | 60 | 50 | Изоцианат |
| 35 | 37 | 40 | 50 | Полиол |
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).
Таблица 2
Состав образцов с наполнителями, %
| 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | Номер образца |
| 60 | 62 | 60 | 62 | 60 | 62 | Изоцианат |
| 30 | 33 | 30 | 33 | 30 | 33 | Полиол |
| Уголь — 10 | Уголь — 5 | Солома —10 | Солома — 5 | Пенопласт —10 | Пенопласт — 5 | Наполнитель |
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).
Рис. 2. Прибор для определения коэффициента теплопроводности
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 [
Рис. 3. Калибровочный график прибора для измерения теплопроводности:R2 — коэффициент детерминации; Y — изменяемая величина
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.
Рис. 4. Устройство для испытания на прочность при сжатии
Определение плотности. Для определения плотности образцов в соответствии со стандартом ASTM C16223 вычисляли соотношения веса и объема. Для этого использовали:
Рис. 5. Устройства для определения плотности:а — весы; б — штангенциркуль
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).
Рис. 6. Прибор для измерения коэффициента звукопоглощения
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:
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.
Рис. 7. Сравнение образцов по плотности
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.
Рис. 8. Сравнение образцов по водопоглощению
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 [
Термические свойства. Результаты термических испытаний образцов представлены на рис. 9.
Рис. 9. Сравнение образцов по теплопроводности
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 [
Прочность на сжатие. На рис. 10 показаны результаты определения прочности на сжатие.
Рис. 10. Сравнение образцов по 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.
Рис. 11. Сравнение образцов по звукопоглощению
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.
В перспективе планируется изучение других наполнителей с точки зрения их влияния на свойства полиуретана.
1. ASTM C177–19. Standard Test Method for Steady-State HeatFlux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus. URL: https://www.astm.org/c0177-19.html (дата обращения: 05.12.2024). 2. ISO 844:2021. Standard Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment under Compressive Axial Force Application. URL: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/73560/24ff667df32b4981b29aa870b385bba2/ISO-844-2021.pdf (дата обращения: 05.12.2024). 3. ASTM-C1622:2005-Standard. Test Method for Apparent Density of Rigid Cellure Plastics. URL: https://pdfstandards.shop/product/publishers/astm/astm-c1622-4/ (дата обращения: 05.12.2024). 4. ASTM D2842–19. Standard Test Method for Water Absorption of Rigid Cellular Plastics. URL: https://www.astm.org/d2842-19.html (дата обращения: 05.12.2024). 5. ISO 10534–1:1996. Acoustics — Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes. URL: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/18603/3bfc0004b5024b2f9d8e3f19879aaf61/ISO-10534-1-1996.pdf (дата обращения: 05.12.2024).
The authors declare that there are no conflicts of interest present.