Испытание пенополиэтилена ''Энергофлекс'' на длительную теплостойкость и долговечность

В настоящее время расширяется выпуск и применение эффективного эластичного теплоизоляционного пенополиэтилена плотностью 20:30 кг/м3, выпускаемого в виде рулонов длиной 100÷25 м, шириной 1–1,5 м, толщиной 2–20 мм и полых трубок с внутренним диаметром 6–160 мм и толщиной стенки 6–20 мм по высокопроизводительной экструзонной бесфреоновой технологии. Одной из разновидностей этого материала является пенополиэтилен “Энергофлекс” [1], выпускаемый в г. Переславль-Залесский в цехе ЗАО “Завод информационных технологий “ЛИТ” с применением вспенивателя-бутана (по ГОСТ 20448–90), полиэтилена ПВД и добавок модифицирования, причем относительно простая технология получения, низкая плотность и высокая производительность оборудования обуславливает относительную дешевизну и доступность этой изоляции. Для расширения номенклатуры изделий, увеличения их толщины и защиты от воздействия используется дублирование алюминиевой фольгой, другой пленкой ППЭ или другим материалом. Легкость и компактность, сангигиеническая безопасность, высокая водостойкость и эластичность, хорошие прочностные и теплоизоляционные свойства и мелкоячеистая пористая структура позволяют считать пенополиэтилен одним из наиболее эффективных теплоизоляционных материалов, превосходящих по ряду показателей минераловатную и стекловатную изоляцию, пенополеуретан и пенополиэстирол. Для уточнения и расширения области применения эффективной теплоизоляции важны не столько исходные прочностные и теплоизоляционные показатели, сколько стабильность этих и других показателей и процесс эксплуатации, формостабильность теплоизоляции при отсутствии растрескивания и спекания материала. Для пенополиэтилена (ППЭ) зависимость теплостойкости, долговечности, изменения свойств в процессе эксплуатации или ускоренного старения в процессе испытаний изучена недостаточно, тем более что изменение свойств эластичного ППЭ протекает иначе, чем жесткого пенополеуретана ППУ, для которого старение характеризуется в основном изменением прочности на сжатие [2, 3], причем допустимым считается снижение прочности на 50% от исходного значения. Для полиэтиленовых напорных труб согласно DIN 16892 [4] имеется зависимость испытательного давления где • D — внешний диаметр • S — толщина стенки трубы • s — напряжение при испытании при заданной температуре. Трубы будут иметь требуемую долговечность не менее 10–25 лет, если выдержат в течение 1 часа при 20°C испытание при давлении 14,7 МПа, либо в течение 170 часов при температуре 20°C давление 4,7 МПа, либо в течение 1000 часов при 90°С давление 3,5 МПа. Наиболее показательными являются ускоренные испытания при наибольших допустимых повышенных температурах, время ускоренных испытаний превышает время предполагаемой эксплуатации не менее чем на 2 порядка (в 100 раз), что дает возможность достаточно быстро и надежно прогнозировать долговечность труб при заданной температуре. Согласно рекомендации [5] АКХ им. Памфилова по оценке безремонтного срока эксплуатации теплоизоляции (долговечности) время испытаний с выдержкой образцов при повышенных температурах до 1000 часов (ї 1,5 месяца) соответствует 15 годам эксплуатации, до 1750 часов — 25 годам, что близко к амортизационному сроку эксплуатации зданий. С учетом эластичности пенополиэтилена изменение прочностных показателей в ходе ускоренных испытаний, особенно прочности при сжатии, не является решающим для определения долговечности. Методика ускоренных испытаний пенополиэтилена “Энергофлекс” на длительную теплостойкость и долговечность включила проведение многофакторного исследования характеристик материала при близких к предельно допустимым повышенным температурам ускоренного старения и срокам выдержки 1000–1750 часов. Такие испытания позволили оценить и объяснить поведение ППЭ в ходе деструкции при повышенных температурах, уточнить методики определения долговечности, обосновать длительную теплостойкость и долговечность ППЭ и определить области его применения. В соответствии с принятой методикой испытаний, используемой для пенополиэтиленов “Изолон”, “Вилатерм”, “Энергофлекс” и рядом других, испытанных ранее НИИМосстроем, проводилось определение плотности, влагопоглощения (по объему за 24 часа), прочность на растяжение и относительного удлинения при разрыве, тепловой усадки (в продольном направлении) в ходе выдержки при заданной температуре, снимались термограммы партий испытанного материала (ДТА) и определялся коэффициент теплопроводности, главная характеристика теплоизоляционного материала. Для определения коэффициента теплопроводности и улучшения сравниваемости данных серий испытаний применялся метод с использованием теплового стенда (стр.58) голландской фирмы “Селмерс”, включающий обогреваемую прокачиваемой кремнийорганической жидкостью трубу, температура поверхности которой поддерживается на заданном уровне автоматическим регулирующим устройством. На трубе устанавливались и закреплялись полосы испытуемого ППЭ (200х300х10 мм, 3 образца-близнеца). Замерив толщину теплоизоляции s, определив температуру Тп поверхности изоляции и Тт — температуру поверхности трубы, а также определив с помощью тепломера величину теплопотерь q на поверхности изоляции можно рассчитать коэффициент теплопроводности l по формуле где • s — толщина в м; • q — теплопотери в вт/м2; • ТТ — температура трубы в °С; • ТИ — температура изоляции, °С. Размеры стенда позволяют установить все серии испытуемых образцов и одновременно все величины коэффициентов теплопроводности. В ходе ускоренных испытаний ППЭ партии образцов выдерживались в течении до 1000 и 1750 часов (2,5 месяца) в пяти термостатах, где поддерживалась температура 60, 70, 80, 90 и 100°С. Результаты проведенных испытаний представлены в таблице. Как видно, плотность ППЭ в ходе испытаний заметно возрастает, увеличиваясь на 5–10% после выдержки при 60–70°С в рекомендуемой области применения и на 30–50% после выдержки при 80÷100°С в области допускаемого кратковременного повышения температур. Происходит некоторая осадка и уплотнение материала, причем за счет этого фактора коэффициент теплопроводности может не ухудшаться, так как наименьшая его величина достигается не при минимальной (20–30 кг/м3), а при несколько более высокой плотности. Изменение величин прочности на растяжение и особенно относительного удлинения при разрыве является наиболее чувствительной характеристикой старения и охрупчивания материала. При выдержке до 60–70°С прочность на растяжение может снижаться на 10÷15%, при выдержке при 80–100°С снижение прочности может достигать 30÷40%, относительное удлинение снижается на 15÷40% после выдержки при температурах до 70°С и на 50÷75% после выдержки при температурах до 80–100°С. Следует отметить, что прочность на растяжение при увеличении выдержки с 1000 до 1750 часов не возрастает, так как скорость старения в большие сроки снижается. Для латексно-каучуковых материалов [5] предельно-допустимой степенью старения принято снижение относительного удлинения на 50% от первоначального значения. Важной характеристикой является тепловая усадка ППЭ, определяемая путем замера деформаций после выдержки при заданных температурах. Величины тепловой усадки после 1000 часов воздействия температур 60 и 70°С составляют 0,5% и 1,3%, соответствующая усадка после выдержки 1750 часов достигает 1,9 и 2,5%, т.е. в 2–3 раза выше, но она остается меньше предельно допустимой, составляющей 3–5%. Для образцов, выдержанных при температурах 80, 90 и 100°С тепловая усадка находится в пределах 6–12%, а после выдержки в течение 1750 часов (при тех же температурах) она достигает 12–15%, т.е. несколько возрастает, хотя форма ППЭ в основном сохраняется, и деформации стабилизируются. Допустимой для обеспечения формостабильности ППЭ можно считать температуры 70÷80°С, большие температуры до 100°С материал может выдержать лишь кратковременно. Суточное водопоглощение образцов материала, выдержанных в пределах температур 60–100°С отличается мало и составляет 0,8÷0,9% по объему после выдержки 1000 часов и 1,3÷1,7% после выдержки 1750 часов, материал за счет наличия поверхностной пленки сохраняет гидроизолирующие свойства. Следует отметить, что при разрушенной наружной пленке водопоглощение увеличивается в 2–3 раза, возрастая до 2–10%. После тепловой выдержки водопоглощение при длительном воздействии воды (7 суток) также возрастает, составляя 4–7%. Определение коэффициента теплопроводности l на стенде для ППЭ проводились при температуре теплоносителя 70°С, температура на поверхности изоляции составляла ї30°С и в середине изоляции 50оС. Исходная величина l при 50°С составила 0,045 Вт/мК, в то время как при 20°С она соответствовала 0,041 Вт/мК. После выдержки ППЭ при 60–70°С в течение 1000–1750 часов коэффициент теплопроводности составил 0,048–0,051 Вт/мК, т.е. увеличился на 7–13% в сравнительно небольших пределах. Для материала ППЭ после выдержки при 70–100°С величина коэффициента теплопроводности возрастает на 9–24% из-за изменения структуры и плотности изоляции, но в целом изменение l носит ограниченный характер. Судя по данным термогравиометрического анализа, материал ППЭ характеризуется эндотермическим эффектом при 105°С, связанным с поглощением тепла при расплавлении ППЭ, причем для выдержанных при 60÷100°С образцов эффект сдвигается до 118–119 за счет дополнительного структурирования полиэтилена при тепловой выдержке. Другой экзотермический эффект наблюдается при температурах 233÷235°С. Он объясняется термодеструкцией ППЭ. По фазовому составу материал ППЭ, по-видимому, достаточно стабилен, а изменения его свойств связаны с его частичным спеканием и изменениями микропористой структуры. В целом, проведенное исследование позволило установить длительную термостойкость ППЭ “Энергофлекс” в области температур до 70÷80°С, причем кратковременное воздействие температур до 100°С не приведет к резкому полному разрушению теплоизоляции, хотя и ухудшит её свойства. Стабильность материала после его выдержки до 1750 часов при 70°С дает основание прогнозировать его долговечность до 20–25 лет при воздействии тепла (но не ультрафиолетового излучения). Выбранная температурная область проверки долговечности материала позволила определить область стабильности основных свойств ППЭ и установить, что наиболее чувствительной характеристикой при термоокислительной деструкции ППЭ является показатель относительного удлинения при разрыве, характеризующий его охрупчивание. Сравнение изменения свойств немодифицированного (неструктурированного) ППЭ “Энергофлекс” со свойствами других ППЭ, в том числе модифицированного “Изолона”, показало, что в данной температурной области “Энергофлекс” этому материалу практически не уступает. ВЫВОДЫ 1. Пенополиэтилен “Энергофлекс” обладает длительной теплостойкостью до 70–80°С и долговечностью в этой температурной области до 20–25 лет эксплуатации. 2. При исследовании долговечности пенополиэтилена наиболее чувствительной характеристикой при старении является относительная деформация при разрыве и прочность при разрыве. Методика исследований долговечности должна включать исследование в температурном поле предельных допускаемых температур при коэффициенте ускорения старения порядка 100 (испытание 1750 часов). СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

• [1] ТУ 244–069–04696843–00 “Энергофлекс. Изделия из пенополиэтилена”. М., 2000г.
• [2] “Прогнозирование проведения ППУ применительно к условиям длительного использования в строительных конструкциях” А.Г. Дементьев. Сб. Механика композитных материалов. 1990. № 4. с.748
• [3] ГОСТ 9.707–81 “Материалы полимерные. Испытание на климатическое старение”.
• [4] DIN 16892 “Трубы из структурированного полиэтилена. Общие требования по качеству и испытаниям” 1995 г.
• [5] Методические рекомендации по оценке защитных свойств антикоррозийных покрытий для труб тепловых сетей бесканальных и канальных прокладок. М. 1978. АКХ им. Памфилова.
• [6] Э.М. Спектор, Г.П. Багинская., Н.К. Яковенко “Определение срока службы покрытий при воздействии тепла и кислорода воздуха по результатам ускоренного теплового старения.” Сб. №42 “Полимерные строительные материалы”. 1975 г. М. ВНИИСтройполимер.