Теплоизолирующая композиция на основе жесткого пенополиуретана

 

Изобретение относится к полимерным продуктам, применяемым для изготовления защитных покрытий строительных конструкций, трубопроводов с целью их теплоизоляции и комплексной изоляции. Описывается теплоизолирующая композиция с плотностью 51-75 кг/м³ на основе жесткого пенополиуретана, содержащая 70-95 мас.% полиуретана и 5-30 мас.% стеклянных микросфер. Используются фракции стеклянных микросфер размером 30-50 мкм, 60-140 мкм, а также смеси указанных фракций. Изобретение позволяет снизить горючесть пены, увеличить светостойкость, прочность на сжатие и изгиб, а также улучшить технологичность при заливке и напылении. 3 з.п.ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к полимерным продуктам, применяемым для изготовления защитных покрытий строительных конструкций, трубопроводов с целью их теплоизоляции и комплексной изоляции.

Материалы, используемые для теплоизоляции, должны обладать необходимыми теплофизическими свойствами, слабо изменяющимися за время эксплуатации, достаточной прочностью на сжатие и изгиб, а также стойкостью к климатическим воздействиям.

В настоящее время наиболее эффективным и удобным для применения теплоизоляционным материалом при изготовления трубопроводов и строительных конструкций различного назначения является пенополиуретан (ППУ) и материалы, изготовленные на его основе. Жесткие ППУ широко применяются в практике мирового строительства благодаря их хорошим характеристикам и удобству при производстве и эксплуатации. Комплекс физико-механических и эксплутационных свойств ППУ в сочетании с высокой технологичностью и хорошей адгезией почти ко всем конструкционным материалам создает реальные возможности организации поточных высокомеханизированных и автоматизированных линий по производству легких ограждающих многослойных конструкций.

Широкое распространение ППУ требует увеличения количества его рецептур для применения в различных условиях при усовершенствовании эксплуатационных характеристик.

Основными требованиями к ППУ, как строительному материалу, являются термостойкость, пониженная горючесть, минимальная плотность в сочетании с высокой прочностью на сжатие и изгиб, светостойкость, технологичность нанесения путем заливки ила напыления.

Для получения ППУ требуются следующие основные составляющие: гидроксилсодержащий компонент (полиол), изоцианатный компонент, целевые добавки (катализаторы, стабилизаторы пены, вспениватель и др.). Также возможно использование различных наполнителей. Свойства получаемой композиции можно варьировать как путем качественного и количественного изменения входящих в рецептуру исходных составляющих, так и изменением содержания наполнителей.

Известны композиционные материалы, представляющие собой ППУ, содержащие минеральные заполнители; керамзит, пеностекло, вспученный перлит и др. Эти материалы отличаются высокой удельной прочностью, низким водопоглощением, хорошими теплоизоляционными свойствами, а также повышенной огнестойкостью.

Прочностные свойства композиций в значительной степени определяются типом наполнителя. Ячеистая структура ППУ позволяет соединять его с порошками твердых материалов, что способствует улучшению физико-механических характеристик, уменьшает стоимость удельного объема продукции, создает прогнозируемую неоднородность в массе изделия, а также уменьшает горючесть и воспламеняемость.

Создание наполненных ППУ материалов с высокой концентрацией неорганического наполнителя позволяет улучшить такие характеристики, как прочность и термостойкость, снизить вероятность и количество технологических дефектов, обеспечить возможность эксплуатации тепловых сетей с температурой теплоносителя до 150°С, уменьшить водопоглощение, улучшая при этом антикоррозионные свойства покрытий.

Однако значительное увеличение плотности ППУ приводит к возрастанию массы теплоизоляции, а большое объемное содержание некоторых видов наполнителя может привести к увеличению теплопроводности.

Общим свойством для всех известных материалов является их низкая светостойкость: под действием ультрафиолетового излучения происходит нежелательная для защитного покрытия коррозия, сокращающая срок службы в качестве теплоизоляционного материала.

Одним из примеров ППУ изоляции с помощью твердого наполнителя является полимербетон (см. Сиротинкин Н.В., Бударин Н.Ф. Доклад “Теплоизоляционные покрытия из наполненных жестких ППУ на основе двухкомпонентных систем отечественного и импортного производства”. Выставка “Энерго-ресурсосберегающие технологии”, Тольятти, 1997).

Полимербетон является материалом, сочетающим в себе большое количество неорганического материала и полиуретановую полимерную матрицу. Применение данного материала ограничено из-за его высокой плотности. Несмотря на хорошие теплофизические, прочностные и другие свойства, он обладает большой массой изоляции, что не всегда приемлемо при нанесении теплоизоляционных покрытий.

В патенте РФ №2123013, С 08 G 18/00, опубл. 10.12.98, описан способ получения наполненного пенополиуретана для теплоизоляционных изделий, в котором предлагается изготавливать ППУ из реакционной смеси, содержащей гидроксилсодержащий и изоцианатный компоненты с целевыми добавками и с содержанием наполнителя в виде натриевого жидкого стекла. В патенте приводится значение плотности на сжатие 0,4-0,5, термостойкость 180-250°С и огнестойкость по времени горения 2-4 с.

Данный способ модификации позволяет добиться повышения огнезащищенности теплоизоляционного покрытия, но не ведет к увеличению его прочности. Также введение жидкого натриевого стекла в больших количествах сопряжено с определенными технологическими трудностями при производстве ППУ.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является теплоизолирующая композиция, описанная в заявке на выдачу патента РФ № 93001179, С 08 L 75/04, опубл. 27.09.95г. В данной заявке предлагается материал для облицовки внутренних частей холодильников. Композиция содержит, мас.%: полиуретан 18-44 и стеклянные микросферы 56-82. Как видно из указанных пропорций композиции наибольшую массу в ней составляет наполнитель. Широкое применение такого материала в ППУ покрытии стоит под большим вопросом, поскольку распределение большого количества стеклянных микросфер в реакционной смеси, как и в случае применения в качестве наполнителя жидкого натриевого стекла в предыдущем аналоге, представляет большую технологическую проблему, особенно при технологии напыления, где вязкость компонентов играет решающую роль. Полученный таким образом жесткий ППУ, имеет достаточно большую плотность вследствие высокой степени наполнения и, следовательно, теплоизоляция из такого материала обладает большой массой.

Задачей настоящего изобретения является создание теплоизолирующей композиции на основе ППУ с улучшенными защитными свойствами покрытий трубопроводов, строительных конструкций различного назначения.

Технический результат заключается в снижении горючести, увеличении прочности на сжатие и изгиб, улучшении характеристик пены - высокая технологичность при заливке и напылении, а также повышении светостойкости покрытий.

Указанный технический результат достигается путем оптимального подбора концентраций составляющих компонентов ППУ композиции с наполнителем в виде полых стеклянных микросфер при следующем соотношении компонентов, мас.%: полиуретан 70-95 и полые стеклянные микросферы 5-30.

Применение наполнителя целесообразно в виде полых стеклянных микросфер фракций 30-50 мкм или 60-140 мкм или их смесей. Эти фракции позволяют сохранить вязкость композиции в технологически приемлемом диапазоне.

Предлагаемая композиция наравне с увеличением прочности вспененного полимера решает задачу понижения горючести материала за счет физических свойств наполнителя. При этом стеклянные микросферы, особенно в виде полых шаров, наиболее предпочтительны, т.к. при данном массовом соотношении не вызывают существенного увеличения плотности покрытий, но позволяют улучшить характеристики пены при нанесении методом заливки, а также путем напыления.

Стеклосферы, как материал с высокой отражательной способностью, являясь наполнителем ППУ композиции, позволяет увеличить светостойкость покрытий.

Содержание стеклянных микросфер в заявленной концентрации обусловлено опытными данными при исследовании свойств полученного материала и оптимизации технологического процесса. Конкретные параметры свойств приведены ниже в таблицах. Снижение концентрации стеклосфер менее чем на 5% не обеспечит существенного изменения свойств композиции, а увеличение более чем на 30% приведет к невозможности осуществления процесса по технологии напыления и существенному изменению кинетики процесса при заливочной технологии из-за большой вязкости системы.

Рассмотрим конкретный пример реализации. Стеклянные микросферы вводились в жесткий ППУ в концентрации 5 - 30% на массу блока. Пенополиуретан получали по технологии напыления. Для получения концентрации 5-15% стеклосферы вводились в гидроксилсодержащий компонент А. Масса тщательно перемешивалась и подавалась на смесительную головку. Соотношение гидроксилсодержащего компонента А и изоцианатного компонента Б 1:1. При концентрационном пределе содержания стеклосфер 30% в компоненте А общая концентрация стеклосфер в блоке будет 15%. Соответственно для увеличения концентрации стеклосфер в блоке до 30% стеклосферы вводились в оба компонента А и Б поровну, по 30% в каждый. Размеры фракций стеклосфер варьировались произвольно.

Испытания полученной композиции показали следующие параметры по вязкости компонентов и плотности блока (таблица 1), по термостойкости (таблица 2), горючести (таблица 3). Сравнительные результаты анализа ППУ с наполнителем и без него получены при исследовании образцов методом дифференциального термического анализа (ДТА) на приборе “Q-1500”. Горючесть образцов определяли на установке ОТМ в соответствии с ГОСТ 12.1.044-89.

Наполнение ППУ стеклосферами привела к значительному увеличению прочности на сжатие полимера, особенно при высоких концентрациях. Результаты представлены на чертеже, где показано, что содержание наполнителя в пределах 5-13 мас.% увеличивает прочность исследуемой композиции плавно до 0,4 МПа, в интервале 13-15 мас.% происходит резкое увеличение прочности до 0,6 МПа и в интервале 15-30 мас.% наполнителя прочность увеличивается равномерно до 0,95 МПа.

Как показывают проведенные в таблицах данные, при введении стеклянных микросфер в ППУ выявляется уменьшение горючести материала, увеличивается прочность без ухудшения эксплуатационных характеристик. Такие сочетания свойств защитного покрытия не требуют обязательного применения защитных оболочек.

Формула изобретения

1. Теплоизолирующая композиция на основе жесткого пенополиуретана, включающая наполнитель в виде стеклянных микросфер, отличающаяся тем, что содержит полые стеклянные микросферы в следующем соотношении, мас.%:

Полиуретан 70 - 95

Стеклянные микросферы 5 - 30

при этом плотность пенополиуретановой композиции составляет 51-75 кг/м³.

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что содержит полые стеклянные микросферы фракции 30-50 мкм.

3. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что содержит полые стеклянные микросферы фракции 60-140 мкм.

4. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что содержит полые стеклянные микросферы из смеси фракций 30-50 и 60-140 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1