Определение свойств пенополистирола

Цель работы: изучение процесса вспенивания полистирола.

Оборудование и материалы: набор сит с размером ячеек 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 мм; весы лабораторные технические; набор разновесов; стаканы химические стеклянные для взвешивания; мерный цилиндр стеклянный емкостью 1 л; металлический мерный цилиндр емкостью 2 л; сушильный шкаф; линейка; штангенциркуль.

Задание 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА

ВСПЕНИВАЮЩЕГОСЯ ПОЛИСТИРОЛА

Пробы бисера полистирола разделяют на фракции в зависимости от диаметра частиц путем сухого просеивания через систему сит.

Каждая фракция и вся проба характеризуются средним арифметическим диаметром бисера.

Проведение испытаний. Среднюю пробу бисера высыпают на противень, перелопачивают 300 г бисера. Набор устанавливают на поддон, сверху ставят сито с ячейками 2,5мм, а под ним последовательно другие, с меньшими ячейками.

Просеивают пробу до тех пор, пока через каждое сито не будет просеиваться соответствующая фракция бисера. Остатки полистирола с каждого сита взвешивают в стакане с погрешностью не более 0,01 г.

Содержание каждой фракции Х_i – остаток на сите, %, вычисляют по формуле

гдеi – номер фракции или сита, начиная сверху (1=1, 2, 3...n); m_i – масса остатка на сите, г.

Сумма остатков на всех ситах должна составлять 100%.

Средний диаметр бисера каждой фракции, мм, вычисляют по формуле

где d_m – диаметр ячейки сита, на котором находится данная фракция, мм;

d_n – диаметр ячейки сита, через которое прошла данная фракция, мм.

Рассчитывая средний диаметр фракции на верхнем сите, необходимо применять в качестве d_n условную величину 3,15 мм.

Средний диаметр бисера всей взятой пробыd_ср, мм, вычисляют по формуле

,

где n – число фракций, полученных в результате рассева; Xi – содержание каждой фракции, %; d_i – средний диаметр 1-ой фракции, мм.

За результат принимают среднее арифметическое двух параллельных определений.

Пример расчета фракционного состава среднего диаметра фракций пробы бисера. Рассев проводят на наборе сит снизу вверх:

поддон – 0,315 – 0,63 – 1,25 – 2,5.

Полученные данные заносят в табл. 3.

Таблица 3

Номер фракции	Наименование показателя
Размер ячеек сит, мм	Остаток на сите, г mi	Содержание фракции, % Xi	Средний диаметр частиц, мм di
	2,5   1,25   0,63   0,315   поддон	2,4     119,4   84,9   0,3	0,8     39,8   28,3   0,1

Средний диаметр фракции всей пробы, мм:

Задание 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВСПЕНИВАНИЯ ПОЛИСТИРОЛА

Предварительное вспенивание гранул полистирола осуществляют путем тепловой обработки гранул в свободном объеме.

Степень расширения гранул зависит от гранулометрического состава полистирола, вида и температуры теплоносителя и продолжительности его воздействия.

Процесс предварительного вспенивания полистирольных гранул производится в сушильном шкафу при температуре 80 ˚С и 100˚С. Пробу бисера в количестве 50...100 г помещают в поддон, рассыпая по его дну тонким слоем (не более 3...5 мм).

Время вспенивания подбирают опытным путем - от 10 до 30 мин.

Коэффициент вспенивания К определяют по формуле

,

где V₂ – объем предварительно вспененных гранул, дм³; V₁ – исходный объем гранул, дм³.

Также насыпную плотность ρ_нас предвспененных полистирольных гранул.

Чистый сосуд, заполненный предвспененным бисером, вместимостью 2 дм³ (л) взвешивают на весах с погрешностью до 0,1 г. Содержимое уплотняют путем аккуратного постукивания по дну и стенкам. После этого сосуд вновь взвешивают и, зная его массу без полимера, рассчитывают массу 2 дм³ предвспененного бисера, а затем его насыпную плотность, г/дм³:

гдеm_i – масса сосуда с предвспененным полимером, г; m – масса пустого сосуда, г.

За результат анализов принимают среднее арифметическое значение двух параллельных определений насыпной массы, причем расхождение между не должно превышать 1 г/дм³.

Задание 3

ФОРМОВАНИЕ ПОЛИСТИРОЛЬНОГО ПЕНОПЛАСТА

Технологический процесс получения пенополистирола заключается в тепловой обработке предвспененных и выдержанных требуемое время на воздухе гранул, помещенных в замкнутую форму (рис. 2).

В результате тепловой обработки при температуре, превышающей температуру стеклования полимера, давление газовой смеси порообразователя и воздуха достигает величины, достаточной для растяжения стенок пор полимерной основы. Вследствие этого объем гранул увеличивается, и они спекаются друг с другом, образуя гомогенную массу с равномерной ячеистой структурой, затвердевающую после охлаждения, при неизменной структуре и конфигурации, соответствующих конфигурации формы.

а б

Рис. 2 Форма для получения пенополистирола: а – рабочий объем формы; б – крышка формы

Наиболее экономичным и удобным теплоносителем при формовании пенополистирола является водяной пар. Процесс формования проводят в металлических перфорированных пресс-формах при температуре 110...120° С и избыточном давлении пара 0,14...0,2 МПа. Затем образец подвергают естественному охлаждению в форме, ориентировочно в течение 1...2 мин на 1 см толщины изделия. После извлечения из формы материал выдерживают на воздухе для окончательной стабилизации размеров и выравнивания внутренних напряжений температуры и давления по объему.

Контрольные вопросы

1. К какому виду пластмасс относится пенополистирол?

2. Дайте определение термина «коэффициент вспенивания полистирола» и расскажите, как его определить.

3. Что является теплоносителем при вспенивании полистирола?

4. В чем состоит процесс получения пенополистирольных изделий?

5. Где используется пенополистирол?

Лабораторная работа 3

Изучение свойств

Пенополистирольных плит

Цель работы:изучить основные свойства пенополистирольных плит и сравнить полученные результаты с требованиями стандарта.

Оборудование и материалы:испытательная машина, металлическая линейка; штангенциркуль; весы электронные; технические весы с погрешностью взвешивания не более 0,01 г; сушильный шкаф; эксикатор; ванна, имеющая сетчатые подставку и пригруз; газовая или спиртовая горелка; секундомер 2-го класса точности; образцы пенополистирольных плит; хлористый безводный кальций; дистиллированная вода.

Задание 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ

И ПЛОТНОСТИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛЬНЫХ ПЛИТ

Пенополистирольные плиты перед испытаниями должны быть предварительно выдержаны в помещении при температуре 22±5°С и относительной влажности 50±5°С не менее 5 ч.

Длину и ширину плит измеряют линейкой в трех местах: на расстоянии 50 мм от края и посередине плиты. Погрешность – не более 0,1 мм.

Толщину плит измеряют штангенциркулем в девяти местах: по три измерения с каждой стороны на расстоянии 50 мм от края плиты и посередине грани. Погрешность – не более 0,1 мм, за толщину принимают среднее арифметическое значение.

Притупленность ребер и углов определяют с погрешностью не более 1,0 мм.

Длину, ширину и высоту (глубину) выпуклостей или впадин плит измеряют двухсторонним штангенциркулем с глубокомером.

Отклонение от плоскости определяют путем приложения ребра линейки к грани плиты и измерения другой линейкой зазоров между поверхностью плиты и ребром приложенной линейки. За показатель неплоскостности поверхности плиты принимают наибольшую из измеренных величин зазоров.

Плотность плиты (r) вычисляют в килограммах на кубический метр по формуле

,

где m – масса плиты, кг; V –объем плиты, м³; W – влажность плиты, %.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение всех определений, округленное до 0,1 кг/м³.

Задание 2

Определение влажности

Сущность метода заключается в определении разности массы образца до и после высушивания при заданной температуре.

Для определения влажности из плит, выпиливают по три образца: один из середины и два на расстоянии 50 мм от края плиты. Размеры образца должны быть [(50 ´ 50 ´ 50) ± 0,5] мм. Если толщина плиты, из которой изготавливают образцы, меньше 50 мм, то высоту образца принимают равной толщине плиты.

Образцы взвешивают с погрешностью не более 0,01 г, высушивают в сушильном шкафу при температуре (60 ± 2) °С в течение 3 ч, а затем охлаждают в эксикаторе с хлористым кальцием в течение 0,5 ч, после чего образцы взвешивают с той же погрешностью.

Влажность W образца в процентах вычисляют по формуле

,

где m – масса образца до высушивания, г; m₁ – масса образца после высушивания, г.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение параллельных определений влажности, округленное до 1,0 %.

Задание 3

Определение прочности на сжатие

при 10 % линейной деформации

Сущность метода заключается в определении величины сжимающего усилия, вызывающего деформацию образца по толщине на 10 % при заданных условиях испытания.

Для определения прочности на сжатие при 10 % линейной деформации из плит, выпиливают по три образца размером [(50 ´ 50 ´ 50) ± 0,5] мм (один из середины и два на расстоянии 50 мм от края плиты).

Если толщина плиты, из которой изготавливают образцы, меньше 50 мм, то высота образцов принимается равной толщине плиты.

Допускается использовать образцы, на которых определялась влажность плит.

Испытательная машина, обеспечивающая измерение нагрузки с погрешностью, не превышающей 1 % от величины сжимающего усилия, и постоянную скорость нагружения образца (5-10) мм/мин. Испытательная машина должна иметь самоустанавливающуюся опору и систему измерения перемещений зажимов, обеспечивающую измерение деформации с погрешностью не более 0,2 мм.

Измеряют линейные размеры образца. Затем образец устанавливают на опорную плиту машины таким образом, чтобы сжимающее усилие действовало по оси образца. Нагружение образца проводят до достижения нагрузки, соответствующей 10 % линейной деформации, причем нагружение образца проводят в направлении толщины плиты, из которой он был выпилен.

Прочность на сжатие при 10 % линейной деформации R_cж в мегапаскалях вычисляют по формуле

,

где Р – нагрузка при 10 % линейной деформации, Н; l – длина образца, м; b – ширина образца, м.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение параллельных определений прочности плит, округленное до 0,01 МПа.

Задание 4

Определение предела прочности при изгибе

Сущность метода заключается в определения величины усилия при изгибе образца, вызывающего его разрушение при заданных условиях испытания.

Для определения предела прочности при изгибе из плит выпиливают по два образца размером [(250 ´ 40 ´ 40) ± 1] мм (один из середины и один на расстоянии 50 мм от края плиты). Если отобранные плиты имеют толщину менее 40 мм, то высота образца должна быть равной толщине плиты.

Перед испытанием измеряют не менее чем в трех точках ширину и толщину образца с погрешностью не более 0,1 мм.

Образец помещают на опоры так, чтобы плоскость образца касалась опор по всей его ширине, а концы образца выходили за оси опор не менее чем на 20 мм. При этом высота образца должна совпадать с направлением его нагружения.

В момент разрушения образца фиксируют разрушающую нагрузку.

Предел прочности при изгибе образца R_изг в мегапаскалях вычисляют по формуле

,

где Р – разрушающая нагрузка, Н; l – расстояние между осями опор, м; b – ширина образца, м; h – толщина образца, м.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение параллельных определений прочности, округленное до 0,01 МПа.

Задание 5

Определение времени самостоятельного горения

Сущность метода заключается в определении времени, в течение которого продолжается горение образца после удаления источника огня.

Для определения времени самостоятельного горения из середины плит, выпиливают по одному образцу. Размеры образца должны быть [(140 ´ 30 ´ 10) ± 1] мм.

Перед испытанием образцы высушивают в сушильном шкафу при температуре (60 ± 2) °С в течение 3 ч, затем охлаждают в эксикаторе с хлористым кальцием в течение 0,5 ч. После этого образец закрепляют в вертикальном положении на штативе и выдерживают в пламени горелки в течение 4 с. Высота пламени горелки от конца фитиля должна составлять около 50 мм, а расстояние от образца до фитиля горелки – около 10 мм. Затем горелку убирают и по секундомеру фиксируют время, в течение которого продолжается горение образца.

За результат принимают среднее арифметическое значение результатов испытаний образцов.

Задание 6

Определение водопоглощения

Сущность метода заключается в определении массы воды, поглощенной образцами сухого материала после полного погружения их в дистиллированную воду и выдерживания в ней в течение заданного времени.

Для определения водопоглощения из плит, выпиливают по одному образцу размером [(50 ´ 50 ´ 50) ± 0,5] мм. Если высота образца меньше 50 мм, то высота образца принимается равной толщине плиты. Длину, ширину и толщину образцов измеряют не менее чем в трех точках с погрешностью не более 0,1 мм.

Перед проведением испытаний образцы высушивают при температуре (60 ± 2) °С не менее 3 ч, затем охлаждают в эксикаторе не менее 0,5 ч и взвешивают с погрешностью 0,01 г.

Образцы помещают в ванну на сетчатую подставку и фиксируют их положение сетчатым пригрузом. Затем в ванну заливают воду с температурой (22 ± 5) °С так, чтобы уровень воды былвыше сетчатого пригруза не менее чем на 20 мм.

Через 24 ч после залива воды образцы вынимают, протирают фильтровальной бумагой и взвешивают с погрешностью не более 0,01 г.

Водопоглощение W_в в процентах по объему вычисляют по формуле

,

где m – масса образца после выдерживания его в воде, г; т_о – масса образца до погружения в воду, г; V – объем образца, см³; _о – плотность воды, г/см³.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение параллельных определений водопоглощения плит, округленное до 0,1 %.

Показатели физико-механических свойств плит должны соответствовать нормам, указанным в табл. 4.

Таблица 4

Физико-механические свойства плит

Наименование показателя	Норма для плит марок
высшей категории качества	первой категории качества
Плотность, кг/м3	До 15	От 15,1 до 25,0	От 25,1 до 35,0	От 35,1 до 50,0	До 15,0	От 15,1 до 25,0	От 25,1 до 35,0	От 35 до 50,0
Прочность на сжатие при 10 % линейной деформации, МПа, не менее	0,05	0,10	0,16	0,20	0,04	0,08	0,14	0,16
Предел прочности при изгибе, МПа, не менее	0,07	0,18	0,25	0,35	0,06	0,16	0,20	0,30
Теплопроводность в сухом состоянии при (25±5)°С, Вт/(м·К), не более	0,042	0,039	0,037	0,040	0,043	0,041	0,038	0,041
Время самостоятельного горения плит типа ПСБ-С, с, не более
Влажность, %, не более
Водопоглощение за 24 ч, % по объему, не более	3,0	2,0	2,0	1,8	4,0	3,0	2,0	2,0

Контрольные вопросы

1. По каким показателям предъявляются требования к пенополистирольным плитам?

2. Перечислите марки пенополистирольных плит в соответствии с ГОСТ.

3. Область применения пенополистирольных плит.

4. В чем преимущества и недостатки пенополистирольных плит в сравнении с другими видами теплоизоляционных материалов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4