Полімерний піноматеріал

Винахід відноситься до полімерних піноматеріалів на основі карбамідоформальдегідної смоли (КФС), отриманих шляхом хімічного спінювання, які можно використовувати як тепло- і звукоізоляцію, для зміцнювання горних порід у шахта х, возведення перемичок, ізолювання водо- і газопритоку в скважину, заповнення пустот в покрівлі й горному масиві і тощо. Відомий піноматеріал механічного спінювання який включає карбамідоформальдегідну смолу, поверхневоактивну речовину з групи натрій-алкілсульфонатов на основі a - олефінов , 5%-вий водний розчин ортофосфорної чи соляної кослоти, гліцерин, 1,4 -бутандіол та воду [А.с. 1219603 СССР, МКИ С08J9/04, С08L61/24. Композиция для пенопласта / Щербина Е.И., Грушова Е.И., Тюшнякова М.В., Коробцова Л.Л. (СССР). - №3714882/23-05; Заявлено 10.02.84; Опубл. 23.03.86, Бюл. № 11. - 3 с.]. Однак, отримані піноматеріали мають низьку міцність, високу сипучість та крихкість, що не дозволяє отримувати формові вироби. Відома композиція для пінопласта на основі модіфікованої КФС, яка включає карбамідоформальдегідну смолу, фуриловий спирт, продукт взаємодії меламіна, формальдегіда та ортофосфорної кислоти при молярному співвідношенні 1:3:4,2-10, привітой блок-сополімер полідіметилсілоксана і оксіетилену та трифтортри хлоретан [А.с. 1219604 СССР, МКИ С08J9/14, С08L61/14. Композиция для пенопласта / Покровский С.Л., Окунев П.А. (СССР).- №3719184/23-05; Заявлено 03.04.84; Опубл. 23.03.86, Бюл. №11. - 4с.]. Підвищення міцнісних властивостей таких пінопластів здійснюється за рахунок уведення фурилового спирту, який є шкодливою та дорогою речовиною. Відомий піноматеріал на основі КФС, отриманий шляхом хімічної взаємодії між компонентами композиції, що супроводжуються виділенням СО2, який включає КФС, лесс, бентоніт, отверджувач та домішку 10%-го розчину аміака [Р.Н. Кутфитдинов, А. Хожиева, Л.Д. Яблочкина, Ф.А. Магрупов. Композиционные материалы на основе мочевино-формальдегидного олигомера//Пласт, массы. - 1986. - №11. - С.40-41.]. Отримані за цією рецептурою піноматеріали мають кратність спінювання не вище трьох, тому щільність та теплопроводність таких піноматеріалів високі. Найбільш близьким до заявляємого винаходу за технічною сутністю та досягаемому ефекту є полімерний піноматеріал на основі КФС який включає смолу, газоутворювач (СаСО3), наповнювач (лігносульфонат та золу) та каталізатор(Н3РО4) при наступному співвідношенні компонентів, в мас. ч.: КФ-МТ 100 СаСО3 4,9 лігносульфонат 0,6 зола 9,75 Н3РО4 15,6 [Исаков Г.Н., Чубанов Н.Г., Домбровский В.В., Ткачев В.И. Технология и оборудование для малотонажного производства вспучивающи хся пенопластов //Пласт, массы. - 1996." №1. - С.30-31.] (прототип). Головним недоліком прототипу є те, що через невідповідність швидкостей газоутворення та ствердження КФС, отримувати їх можливо тільки з використанням спеціального обладнання, яке дорого коштує. Крім того, ці пінопласти мають велику усадку. В основу вина ходу покладена задача отримання полімерних піноматеріалів на основі КФС різноманітної конфігурації, однорідної дрібнопористої структури, які мають невелику усадку та високу міцність шляхом співпоставлення часу гелеутворення КФС та часу газоутворювання. Поставлена задача вирішується тим, що відомий полімерний матеріал на основі КФС який вміщує газоутворювач, наповнювач та каталізатор, згідно винаходу в якості каталізатора він містить онієві сполуки, зокрема: оксонієві - на основі етиленгліколю (ЕГ) та фосфорної кислоти при співвідношенні компонентів 1:1, загальної формули 2+ PO H 4 2 H CH2 O H CH2 O H H PO4 H2 , (1) або амонієві - на основі триетаноламіну (TEA) та фосфорної кислоти при співвідношенні компонентів 0,5:1, загальної формули C2H4OH C2 H4 OH N C2 H4 OH H+ H2PO4 , (2) як наповнювач він містить алебастр, та додатково поверхнево-активну речовину (ПАР) на основі оксіетілірованого алкілфенолу; при наступному співвідношенні компонентів, в мас. ч.: КФ-МТ15 100 СаСО3 2-5 ПАР на основі оксіетілірованого 0,1-0,5 алкілфенолу алебастр 10-20 онієві сполуки формули (1) або (2) 20-30 Використання таких каталізаторів дозволяє регулювати час гелеутворення КФС у широких межах, що дає можливість поміщати рухому піну у форму, де вона стверджується й отримувати фермові вироби різноманітної конфігурації з високою міцністю. Полімерні піноматеріали отримують у дві стадії: перша - змішування смоли з цільовими домішками (газоутворювачем, стабілізатором, наповнювачем), друга - уведення при перемішуванні у композицію, що спінюється, каталізатора, в результаті чого відбувається зростання піни. Спінювання композиції здійснюється в результаті хімічної реакції між газоутворювачем і каталізатором. Далі композицію, що спінюється поміщають у відповідну форму, де вона стверджується. Спінювання проводять при температурі 15-30°С. Отриманий піноматеріал не потребує подальшої термообробки. Первісне ствердження піни відбувається за 10-20 хвилин після заливки спінюваємої композиції в форму, тобто по закінченні цього часу готовий піноматеріал можно виймати з форми. Наступне ствердження піноматеріалу відбувається через 3-4 години, за цей час матеріал стає упругим. Остаточне ствердження і сушка піноматеріала займають 3-5 доби в залежності від температури навколишнього середовища. За цей час піноматеріал набирає максимальну міцність. Апаратурне оформлення процесса включає ємність для змішування компонентів, перемішуючий пристрій з лопосною мішалкою і форму для заливки. Рецептури композицій для отримання піноматеріалів наведені в таблиці 1. Онієві сполуки (1) і (2) отримують шляхом уведення в ЕГ чи TEA концентрованої ортофосфорної кислоти (72%-вій). Співвідношення компонентів в каталізаторі підбирається виходячи із рН, необхідного для ствердження КФС, котре коливається в межах від 1 до 2. Виходячи із того, що ЕГ є слабким основанієм, на 1 моль кислоти необхідно 0,5; 1; 1,5; 2; 3 моля ЕГ. TEA є більш сильним основанієм, тому для отримання каталізаторів с такими рН на 1 моль кислоти необхідно 0,25; 0,28; 0,33; 0,4; 0,5 моля TEA. Кислота додається порціями при перемішуванні, тому що протікають екзотермічні реакції. Найбільш важливою умовою при отриманні стійких онієвих сполук фосфорної кислоти є температура, яка складає 20±5 °С, а при підвищеній температурі (300°С) при реакції спиртів з фосфорною кислотою образуються ефіри цієї кислоти. Винахід ілюструють приклади, запропонованих полімерних композицій в порівнянні з прототипом. Приклад 1. Каталізатор на основі ЕГ і Н 3РО4 при мольному співвідношенні 1:1 вводять в кількості 10мас.ч. в модельну полімерну композицію (на 100мас.ч. КФС, 5мас.ч. СаСО3, 0,5мас.ч. ПАР, 20мас.ч. алебастру). Як видно з наведених даних, при отриманні піноматеріалів з 10мас.ч. каталізатора, зростає середній розмір пор і кількість пор з великим діаметром, стінки яких мають низьку міцність. При недостатній кількості каталізатора (менш 10мас.ч.) швидкість виділення газу перевищює швидкість ствердження КФС, в наслідок чого матеріал, що утворює стінки пор, почне руйнуватися. У кінцевому випадку усі пори прорвуться у сусідні, і вся спінена структура опаде. Приклад 2. Каталізатор на основі ЕГ і Н 3Р04 при мольному співвідношенні 1:1 вводять в кількості 30мас.ч. в модельну полімерну композицію (на 100мас.ч. КФС, 5мас.ч. СаСО3, 0,5мас.ч. ПАР, 20мас.ч. алебастру). Піноматеріали отриманні з 30мас.ч. каталізатора, мають низьку щільність, дрібнопористу однорідну структуру й достатньо високі фізико-механічні показники. Отже, така кількість каталізатора є найбільш оптимальною для даної композиції. Приклад 3. Каталізатор на основі TEA і Н3РО4 при мольному співвідношенні 0,5:1 вводять в кількості 40мас.ч. в модельну полімерну композицію (на 100мас.ч. КФС, 5мас.ч. СаСО3, 0,5мас.ч. П АР, 20мас.ч. алебастру). Отримані з такою кількістю каталізатора піноматеріали мають дрібнопористу однорідну структур у, високу міцність, но і високу щільність, а отже й більш високу теплопроводність. При великій кількості каталізатора швидкість ствердження полімерної композиції вище за швидкість виділення газу, в наслідок чого, обсяг композиції, що спінюється недостатньо зросте. При надлишковій кількості каталізатора (більш 40мас.ч.), погіршуються експлуатаційні властивості пінопластів, піна дуже швидко стверджується, і як наслідок цього - растріскується, а також її неможливо залити в форму. Властивості піноматеріалів в залежності від кількості каталізатора наведені в таблиці 2. Як видно з таблиці 2, запропонований полімерний піноматеріал в порівнянні з прототипом має більшу в 1,3 рази кратність спінювання, меншу в 1,4 рази щільність та в 1,6 рази теплопроводність, прочему міцнісні властивості його не погіршуються. Отримані піноматеріали відрізняються дрібнопористою однорідною структурою, високими теплоізоляційними властивостями, низькою щільністю, невиликою усадкою й досить високими фізико-механічними показниками. Їх можно використовувати як тепло- і звукоізоляцію, для зміцнювання горних порід у ша хта х, возведения перемичок, ізолювання водо- і газопритоку в скважину, заповнення пустот в покрівлі й горному масиві і тощо. Таблиця 1 Склад композицій для отримання піноматеріалів, мас.ч. № п/п 1 2 3 4 Найменування компонента № рецептури КФ-МТ15 СаСО3 ПАР на основі оксіетілірованого алкілфенолу алебастр Кількість компонента в в.ч. для різних рецептур І II III IV 100 100 100 100 5 5 5 5 0,5 0,5 0,5 0,5 20 20 20 20 5 каталізатор ЕГ:Н3РО4=1:1або ТЕА:Н3РО 4=0,5:1 10 20 30 40 Таблиця 2 Властивості піноматеріалів № п/п 1 2 3 4 5 6 7 Найменування показника № рецептуры Кратність спінювання Щільність, кг/м Теплопроводність, Вт/м .с Міцність при стискуванні (при 10%-вій деформації), МПа Усадка, % Поперечний діаметр осередків, мкм Рівень неоднорідності структури, % Величина показника III IV 9 7,5 160 210 0,045 0,07 І 7,2 220 0,075 II 9 160 0,045 прототип 7,4 215 0,073 0,7 0,75 0,75 0,8 0,79 6 350 84 5 200 92 5 170 95 4 120 96 13,3 200 90