Введение.
Предварительно изолированные пенополиуретаном (ППУ) трубы широко используются в сетях центрального отопления. Предлагаемая конструкция "труба в трубе" зарекомендовала себя весьма надежной и эффективной и рассчитана на срок эксплуатации не менее 25 лет при температурах теплоносителя до 150 oС.
Процесс изготовления таких труб, состоящих из металлической внутренней трубы, трубы-оболочки и изоляции из ППУ, является традиционным. Кольцевое пространство между стальной внутренней трубой и защитной оболочкой заполняется пеной. Реакционную смесь заливают с одного конца в зазор между трубами, при этом положение трубы может быть вертикальным, горизонтальным или слегка наклонным.
Применяемые в данном случае ППУ системы должны соответствовать ряду специальныхтребований в части технологии переработки, свойств получаемой изоляции и экологии.
В Западной Европе минимальные требования к изоляции из ППУ для "подземных" труб были отражены в европейском стандарте EN253.
В России, несмотря на значительный рост в последнее время производства предварительно изолированных труб, такие требования до недавнего времени отсутствовали, что приводило к некоторому хаосу в оценке качества конечной продукции. Так, ряд отечественных производителей ориентировался в своей работе на международные стандарты, другие - на нормативы СНиПов или внутренние технические требования. При этом диапазон критериев оценки качества ППУ изоляции был достаточно широк.
Такая ситуация потребовала объединения усилий производителей предварительно изолированных труб, разработчиков ППУ систем, проектных и научных организаций для создания общероссийского стандарта ГОСТ 30732-2001, который вступил в действие с 01.07.2001. В данном стандарте сформулированы современные требования к ППУ изоляции предварительно изолированных труб. Представляет интерес сравнить свойства разработанных ООО "НПП Изолан" и поставляемых на российский рынок систем с показателями, содержащимися в новом ГОСТе, а заодно и проанализировать необходимость использования тех или иных показателей для оценки качества готовой продукции.

Особенности ППУ изоляции.
Основные требования к ППУ изоляции для предварительно изолированных труб можно сформулировать в общем виде следующим образом:
- достаточно высокая плотность используемых пенопластов (обычно от 60 до 100 кг/м3)
- Высокие механические свойства пенопласта
- Высокая теплостойкость ППУ (до 150 градусов С)
- Термомеханические свойства пенопласта должны сохраняться в течение десятилетий эксплуатации
- ППУ композиция должна обладать отличной текучестью, необходимой для равномерного заполнения внутренней полости трубы длиной до 12 метров
- ППУ системы не должны содержать озоноразрушающих фреонов
- Повышенные требования к безопасности, если в качестве вспенивающих агентов используются воспламеняющиеся жидкости

Типы используемых вспенивающих агентов.
До начала 90-х годов в качестве вспенивающего агента широко использовался фреон 11. Он обладал целым рядом преимуществ: химически инертен, негорюч, имеет самую низкую теплопроводность из всех газов, применяемых для вспенивания. Кроме того, он слабо диффундирует из пенопласта и обеспечивает хорошие показатели при старении. Но способность разрушать озоновый слой стала препятствием на пути его использования, и в соответствии со взятыми на себя нашей страной международными обязательствами выпуск фреона 11 был прекращен в 2001 году.
В настоящее время разработаны новые системы на альтернативных вспенивающих агентах, сравнительные особенности которых представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики систем ППУ для изоляции труб на различных вспенивающих агентах.
 

Хотелось бы коснуться разницы в теплопроводности ППУ на различных вспенивателях при повышенной температуре. Как видно из таблицы 1, теплопроводность паров вспенивающих агентов при комнатных температурах существенно отличается. Однако при условиях эксплуатации предизолированных трубопроводов в теплосетях необходимо учитывать, что коэффициенты теплопроводности газов увеличиваются при росте температуры от 20 oС до 150 oС. Например, по сравнению с n-пентаном CO2 обладает более высокой теплопроводностью при комнатной температуре, и более низкой - при температурах выше 100 оС [1]. В целом, разница между коэффициентами теплопроводности паров различных вспенивающих агентов с ростом температуры уменьшается.
Таким образом, для теплотехнических расчетов влиянием на коэффициент теплопроводности пенополиуретановой изоляции природы вспенивающих агентов можно пренебречь. Дополнительным основанием для этого являются достаточно высокие плотности ППУ и полиэтиленовая оболочка, препятствующая диффузии вспенивающего агента. Эти обстоятельства способствуют и сохранению теплоизоляционных свойств ППУ в течение длительного периода времени [2].
Вместе с тем, ППУ системы на основе СО2 и фреона 141b (F-141b) получили на сегодняшний день наибольшее распространение в нашей стране. Ограничивающим фактором для использования пентанов является их пожаро- и взрывоопасность. Перечисленные вспенивающие агенты позволяют выполнить все требования ГОСТ 30732-2001 к предизолированным трубопроводам, но в случае пентанов производство трубопроводов связано с дополнительными затратами на покупку нового оборудования и обеспечение безопасности.

Экспериментальная часть.
Образцы ППУ получали методом перемешивания на механической мешалке с числом оборотов 3000 об/мин. Образцы труб с  ППУ  изоляцией получали с использованием  заливочной  машины высокого давления.
Физико-механические показатели измерялись на испытательных машинах ZWICK-1445 и Instron, коэффициент теплопроводности - на приборе FOX-200.

Требования к физико-механическим свойствам ППУ изоляции центрального отопления.
В соответствии с п.5.2 ГОСТ 30732-2001 для теплоизоляции должны использоваться только озонобезопасные системы жестких ППУ.
Требования к физико-механическим свойствам тепловой изоляции труб согласно ГОСТ 30732-2001 показаны в таблице 2.

Таблица 2. Значения показателей тепловой изоляции труб.

При этом одна часть показателей должна определяться при приемосдаточных испытаниях каждой партии, другая - периодически, но не менее 2-х раз в год, третья - по требованию заказчика.
Следует отметить, что требования к ППУ по ГОСТ 30732-2001 достаточно высоки и практически ни в чем не уступают соответствующим требованиям европейского стандарта.
НПП "Изолан" предлагает для ППУ изоляции труб центрального отопления следующие системы:
- Изолан 345 (вспениватель СО2)
- Изолан 345/1М (вспениватель F-141b)

Физико-механические характеристики данных марок ППУ показаны на рисунках 1-3.
рисунок 1.

Как видно из рисунка 1, даже при минимальной плотности 60 кг/м3 Изолан 345 и Изолан 345/1М имеют показатели прочности на сжатие выше, чем регламентируемый показатель. При увеличении плотности до 80 кг/м3 показатель прочности на сжатие возрастает почти в 2 раза.
Водопоглощение пенопластов Изолан 345 и Изолан 345/1М, определенное различными производителями, находится обычно в диапазоне 3,5-7,5 % в силу некоторой субъективности данного метода. На рисунке 2 показаны данные испытаний лабораторных образцов, изготовленных в НПП Изолан. Как видно из рисунка, наблюдается некоторое уменьшение значения данного показателя при увеличении плотности.
рисунок 2.

Теплопроводность обеих марок при средней температуре 50 оС находится значительно ниже, чем 0,033 Вт/моК (рис.3), при этом с увеличением температуры разница между коэффициентом теплопроводности системы на CO2 (Изолан 345) и на F141b (Изолан 345/1М) снижается.
рисунок 3.

Типичные значения объемной доли закрытых пор и прочности на сдвиг в осевом направлении представлены в таблице 3.

Таблица 3. Типичные показатели пенопластов Изолан 345, Изолан 345/1M
 

Следует отметить, что в соответствии с требованиями ГОСТ прочностные характеристики пенопласта должны соответствовать требованиям данного стандарта по всей длине трубы. Особенно большие проблемы, связанные с неравномерным распределением плотности и соответствующим возможным снижением прочности возникают, как правило, при заливке труб малого диаметра. Разработанные НПП "Изолан" системы обладают достаточной растекаемостью и обеспечивают равномерное распределение прочности на сжатие ППУ по длине трубы даже для труб диаметром 57 мм (рис. 4).
рисунок 4.

Как видно из рисунка, прочностные характеристики во всех точках по длине трубы значительно выше, чем 0,3 МПа. Таким образом, все предлагаемые НПП "Изолан" системы компонентов для изоляции трубопроводов полностью соответствуют требованиям к ППУ-изоляции, содержащихся в ГОСТ 30732-2001.
Однако, на наш взгляд, среди показателей указанных в ГОСТе, не нашло отражение такое важное свойство ППУ изоляции, как теплостойкость. Дело в том, что ряд механических показателей, определяемых при повышенных температурах, таких, как прочность при осевом и тангенциальном сдвигах, измеряются в соответствии с ГОСТом только по требованию заказчиков. Для данных испытаний необходимо специальное оборудование и приспособления, которые в настоящее время отсутствуют практически у всех производителей изолированных труб. Вместе с тем, существует достаточно простой и широко известный среди специалистов способ характеристики теплостойкости ППУ - температура размягчения по Вика при постоянной нагрузке по ГОСТ 15088-83. Сущность метода заключается в определении температуры, при которой образец под действием нагрузки сжимается на 1 мм. В данном случае необходимо использовать нагрузку не менее 50Н. Этот метод позволил бы однозначно отбраковать ППУ системы, которые не смогут работать при температурах больше 120 оС, хотя по остальным характеристикам они могут соответствовать требованиям нового ГОСТа.
рисунок 5.

Как видно из рисунка 5, теплостойкость ППУ помимо химического состава композиции напрямую зависит от его плотности. Из рисунка видно, что для эксплуатации при 150 оС необходимо иметь плотность ППУ, по крайней мере, не менее 75-80 кг/м3. Использование показателя температуры размягчения по Вика при нагрузке 50Н позволяет оперативно контролировать качество ППУ изоляции с точки зрения теплостойкости, поставив барьер на пути различных "ППУ-суррогатов", не отвечающих требованиям долговременной температурной стабильности изоляции. Это особенно важно для российских условий, где при проектировании теплоизолированных труб пиковая температура принимается равной 150 oC. Указанные же в ГОСТ 30732-2001 испытания на прочность при осевом и тангенциальном сдвигах при повышенных температурах, на наш взгляд, целесообразно проводить только при сертификации продукции или при изменении поставщика исходных сырьевых компонентов.
Вместе с тем такой показатель, как "объемная доля закрытых пор", сам по себе не отражает какое-либо потребительское свойство ППУ и, на наш взгляд, может быть либо переведен в число показателей, определяемых по требованию заказчика, либо совсем исключен. Тем более, что конечные свойства продукции, с которыми может ассоциироваться данный показатель, такие как прочность при сжатии, водопоглощение и теплопроводность, непосредственно определяются во время периодических испытаний.

Выводы.
Создание нового ГОСТа способствовало унификации требований к ППУ изоляции для предварительно изолированных труб тепловых сетей. Однако, нам представляется целесообразным внесение некоторых изменений, касающихся свойств ППУ изоляции, что будет в большей степени соответствовать современным условиям.
На сегодняшний день, разработанные НПП Изолан и поставляемые на российский рынок системы компонентов Изолан 345, Изолан 345/1М полностью соответствуют требованиям ГОСТа и с успехом используются многими отечественными производителями.

 

 

Эластичные полиуретаны

История

Полиуретаны были впервые получены в Германии в конце 30-х годов XIX ВЕКА. в процессе разработки полиуретановых эластомеров у химиков фирмы Bayer получились конечные продукты с образованием нежелательных газовых пузырей. Затем, уже в результате целенаправленного изучения взаимодействия многоатомных спиртов на основе сложных или простых полиэфиров с многофункциональными изоцианатами и водой, был получен пенопласт с ячеистой структурой. С течением времени он превратился в многоцелевую конструкционную пластмассу массового применения - пенополиуретан (ППУ).

В начале 50-х годов первыми появились эластичные пенопласты на основе сложных полиэфиров (ПЭ), а затем через несколько лет были получены пены на основе простых полиэфиров. В 60-е годы, с открытием жестких пенопластов, область применения ППУ значительно расширилась, и к концу 90-х они стали применяться практически во всех отраслях, причем до 70 % общего объема эластичных ППУ используются в производстве матрацев и мягкой мебели. При этом применяются различные ППУ: легкие и тяжелые, мягкие и жесткие, получаемые на основе различных исходных продуктов и рецептур композиций, позволяющих задавать при его изготовлении определенную кажущуюся плотность и жесткость, эластичность и необходимые амортизационные свойства.

Способы изготовления

По способу изготовления эластичные ППУ разделяются на формованные, когда детали отливаются индивидуально, и блочные, когда конечный продукт представляет собой крупногабаритные прямоугольные или цилиндрические блоки, раскраиваемые затем на заготовки.

Области применения

Эластичный ПППУ- уникальный вспененный полимер, не имеющий конкуренции со стороны других синтетических и натуральных материалов в области изготовления мягких элементов мебели, автомобильных и авиационных кресел. Определяющее значение для применения блочных эластичных ППУ в различных частях (зонах) мягкой мебели имеет кажущаяся плотность и жесткость материала. Кажущаяся плотность _ объемный вес пористого материала. Жесткость пенопласта можно рассматривать как силу, с которой этот материал противостоит деформированию. Показатели кажущейся плотности и жесткости ППУ находятся во взаимосвязи: чем выше кажущаяся плотность при заданной жесткости, тем выше качество пены и меньше ее усталость. На практике это означает, что более высокой нагрузке на мебель, продолжительности и частоте ее деформации должна соответствовать более высокая кажущаяся плотность. Только при этом условии можно достичь желаемого качества мягкого элемента.
Универсальных рекомендаций по подбору оптимальной кажущейся плотности для различных элементов мягкой мебели дать невозможно, т. к. их конструкция и назначение отличаются, а слои применяемого ППУ имеют различную толщину. Общие рекомендации сводятся к следующему: блочные эластичные ППУ для сидений (высокие и частые нагрузки) должны иметь наибольшую кажущуюся плотность - не менее 28-30 кг/м3; материал для подлокотников и спинок (меньшие нагрузки) - более низкую, но не менее 23-25 кг/м3; для тонких настилов кажущаяся плотность должна быть самой высокой - не менее 35 кг/м3 для сидений и не менее 28 кг/м3 для спинок и подлокотников, т. к. чем тоньше настил, тем выше степень деформации при заданном давлении (нагрузке).
Жесткость эластичных блочных ППУ может широко варьироваться в зависимости от используемых исходных рецептур материала: в зависимости от кажущейся плотности он может быть сверхмягким (от 0,5кПа), мягким, стандартным, жестким и очень жестким (до 10 кПа). Блочные эластичные ППУ повышенной мягкости используются в мебели в сочетании с другими настилочными материалами в виде листов небольшой толщины, например взамен ватинов; жесткие - как материал, заменяющий, например, пружины.
Эластичность блочного ППУ определяется величиной площади петли гистерезиса при наложении и снятии нагрузки (рис.1). Чем эта петля меньше, тем выше эластичность, и быстрее идет его восстановление после снятия деформирующего усилия, и наоборот. Широкие возможности блочного ППУ по подбору эластичности при его изготовлении позволяют создавать настилочные материалы с самыми разнообразными свойствами и комбинировать из них настилы, точно соответствующие всем необходимым требованиям.
Недостатком блочных ППУ является потеря части их первоначальных свойств после восстановления в случаях чрезмерного сжатия при транспортировке или хранении. Особенно это касается блочных пен с плотностью ниже 30 кг/м3.
Блочный ППУ устойчив к старению, а это прежде всего устойчивость к длительному воздействию влаги и температур. ППУ на основе простых полиэфиров более долговечны в мебели, чем на основе сложных. Многочисленные санитарно-гигиенические исследования, проводившиеся во всем мире, в том числе и у нас в России, доказали, что эти материалы, изготовленные по стандартной рецептуре, абсолютно безопасны для здоровья человека, а малый вес, высокая воздухопроницаемость, хороший тепло- и влагообмен эластичного ППУ позволяют принять его как оптимальный материал для изготовления матрацев. Но его кажущаяся плотность не должна быть ниже 30_35 кг/м3: в противном случае в процессе эксплуатации под нагрузкой ячейки пенопласта чрезмерно деформируются, что заметно снижает воздухо- и влагообмен внутри изделия.
Для сложных объемных мягких элементов мебели применяются детали из формованного ППУ, изготавливаемые в индивидуальных прессформах с высокой точностью и не требующие после этого доработки. Плотность деталей из формованного ППУ значительно выше, чем у изготовленных из блочного с аналогичными физико-механическими показателями: для спинок мягкой мебели не ниже 42 кг/м3, а для более нагруженной зоны сидения не менее 45-48 кг/м3. А плотность формованной пены для офисной мебели из-за небольшой толщины мягкого элемента и повышенных требований к износостойкости должна быть еще выше - от 55 до 70 кг/м3.
Благодаря высокой адгезионной способности ППУ почти ко всем материалам, метод формования дает возможность одновременного использования закладных деталей: металлических рам, пружинных блоков и других конструкционных элементов с образованием долговечного соединения. Их применение упрощает технологический процесс изготовления мягкой мебели, т. к. за одну операцию получают готовую сборочную единицу. Но для мебельного производства характерна постоянная смена ассортимента и сравнительно малая серийность производства. Из-за постоянной смены прессформ, цена которых весьма высока, себестоимость деталей из формованного ППУ выше, чем у изготовленных на основе блочного. Несмотря на общий рост производства мягкой мебели, за последние годы производство формованных пен в России постоянно сокращается. Это вызвано широким развитием предприятий, выпускающих более дешевый блочный ППУ и практически полностью покрывающих потребность изготовителей мягкой мебели. Формованные ППУ занимают хотя и очень небольшую, но постоянную нишу в основном в производстве высококачественной и высокохудожественной мягкой мебели. Но мелкие поставщики формованного ППУ могут выпускать только весьма ограниченный ассортимент простых по своей форме элементов. Поэтому, как и во всем мире, будущее за более крупными предприятиями-изготовителями таких деталей. Но организация мобильного производства высококачественного формованного ППУ с постоянной сменой ассортимента изделий связана со значительными капиталовложениями и требует высококвалифицированного персонала.
Таких производителей, готовых осуществлять поставки изделий по заказу мелкими партиями, у нас очень мало! И основным настилочным материалом для мягкой мебели остается все же блочный ППУ. Но за последние годы объем производства мягкой мебели увеличился, причем в особенности мебели среднего и высокого ценового уровня. Появились даже предприятия, поставляющие мягкую мебель на экспорт. И качество этой мебели, причем не сразу заметное потребителю, а которое он начинает оценивать только после ее достаточно длительной эксплуатации, как раз и определяется качеством и правильностью подбора использованного в ней ППУ.