4. Выводы

Полиуретановая смола и полиуретановые / синтаксические пены исследуются на свойства сжатия при квазистатических и высоких скоростях деформации.Испытание на сжатие с высокой скоростью деформации проводится с использованием стержня давления с разрезом Хопкинсона. Результаты настоящего исследования можно резюмировать следующим образом: (i) Полиуретановая смола показывает вязкоупругую квазистатическую реакцию на напряжение-деформацию. Добавление изменяет тенденцию деформации материала. Синтаксические пены имеют начальную линейную упругую область, за которой следует пластическая область, которая соответствует дроблению частиц. (Ii) И полиуретановая смола, и ее синтаксическая пена демонстрируют чувствительность к скорости деформации при прочности на сжатие.На графике зависимости прочности на сжатие от скорости деформации (в логарифмическом масштабе) для квазистатического и высокоскоростного режимов наблюдались две разные тенденции. (Iii) Энергия, поглощенная до 10% деформации в квазистатическом режиме, равна На 400% больше для синтаксической пены по сравнению с чистой смолой. (Iv) Разрушение синтаксической пены происходит из-за сдвига матричной смолы с последующим разрушением полых частиц. Граница раздела между полимером и матричной смолой на разрушенных образцах была неповрежденной, что указывает на эффективную передачу нагрузки между матрицей и полой частицей.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Части исследований, представленных в этой статье, были выполнены в связи с контрактом исследовательской лаборатории армии США W911NF-10-2-0084 с DST и через грант Управления военно-морских исследований N00014-10-1-0988 в NYU- Поли. Авторы благодарят Стивена Зельтмана за помощь в подготовке статьи. Взгляды и выводы, содержащиеся в этой презентации, принадлежат авторам и не должны интерпретироваться как изложение официальной политики или позиции, выраженной или подразумеваемой, ARL или U.S. Правительство, если это не указано в других официальных документах. Цитирование производителей или торговых наименований не означает официального одобрения или одобрения использования, несмотря на любые упоминания об авторских правах в данном документе.

Пенополиуретан как кость In-Vitro

В прошлом человеческая кость была основным материалом для экспериментов по анализу механики костей, хотя различные вопросы, начиная от этических вопросов и кончая изменчивостью качества, создали потребность в более дешевых и более доступных альтернативах. Как оказалось, ответ был у нас на заднем дворе.

Недавнее исследование, проведенное студентом Университета Ньюкасла, показало, что пенополиуретан, предоставленный General Plastics для студенческого эксперимента, выступал в качестве наиболее предпочтительной замены при лабораторных испытаниях искусственных суставов по сравнению с любым другим полимерным материалом. Кость ранее была наиболее точной в тестах за пределами человеческого тела, которые точно имитировали реакцию костей внутри тела. Однако возникло много проблем, в том числе «ограниченная доступность, проблемы с хранением и требования к хранению, возможность заражения и несоответствие механических свойств образцов кости» (Iwejua 1).Задача заключалась в том, чтобы найти материал, который мог бы обеспечить надежное моделирование, при этом был бы недорогим и доступным, и все это было удовлетворено полиуретановой пеной.

Студент Иведжуа Чемберлен сравнил кость с шестью другими материалами, в том числе полиэтиленом высокой плотности, политетрафторэтиленом, полиэтиленом с переработанным материалом и тремя сортами жестких ячеистых пенополиуретанов, в ходе испытаний на прочность на растяжение и сжатие. Кость обладает эластичными свойствами, и «в ответ на снижение или усиление функции, в отличие от неорганических материалов, кость обладает адаптивными механизмами, которые придают ткани способность изменять или восстанавливать себя, тем самым изменяя ее механические свойства и морфологию» (Iwejua 5).Чемберлен искал замену с аналогичными значениями эластичности.

Чемберлен сравнил значения прочности на сжатие и плотности нашей полиуретановой пены и обнаружил, что несколько образцов «попадали в диапазон плотности и прочности на сжатие губчатой ​​кости», как показано на Рисунке 1 (Iwejua 13). И 6720, и 7120 имели плотность и прочность на сжатие, которые больше всего напоминали человеческие кости.

Чемберлен провел тесты, чтобы определить, какое вещество будет действовать как можно ближе к кости в различных ситуациях.Испытания на растяжение «используются для определения статических свойств материала» и «полезны для определения несущей способности материала» (Iwejua 15). С другой стороны, испытания на сжатие подвергают материал давлению, чтобы определить, как он реагирует (Iwejua 20). В обоих тестах пенополиуретан был наиболее похож на губчатую кость, как показано на рисунке 2. Эти результаты показывают, что «полиуретановые материалы аналогичны губчатой ​​кости по прочности на разрыв и сжатие» (флаер).

Эти результаты показывают, что пенополиуретан может использоваться вместо кости, предлагая новые возможности для лабораторных испытаний искусственных суставов, которые дешевле, доступны и более последовательны для всех продуктов.Он также показывает универсальность пенополиуретана и то, что разнообразие применений полезно не только для создания высокотемпературных инструментальных панелей или формованных деталей, но и для содействия научным инновациям.

цитированных работ Иведжуа, канцлер Чинеду. Альтернатива кости для лабораторных исследований искусственных суставов. Сентябрь 2014 г. PDF-файл.

Связанные ресурсы

Удовлетворение потребности в согласованном, надежном и экономичном композитном материале сердечника для сэндвич-панелей

Универсальный центр по превращению полиуретановых материалов в конечный продукт

Служба поддержки клиентов: правильно ли относится к вам поставщик полиуретана?

Работа с неэффективностью цепочки поставок композитных и полиуретановых материалов

Влияние содержания волокна на звукопоглощение, теплопроводность и прочность на сжатие жестких пенополиуретанов с наполнителем из соломенного волокна :: BioResources

Abstract

Жесткий пенополиуретан (PUR) — один из важнейших изоляционных материалов, используемых сегодня в строительной отрасли, и основной изоляционный материал, используемый в мировой промышленности бытовой техники. В этом исследовании был разработан ППУ с наполнителем из рисовой соломы (RPUF) и PUF с наполнителем из пшеничной соломы (WPUF) и изучались морфология, звукопоглощающие свойства, теплопередача и прочность на сжатие композитов из ППУ.Результаты показали, что при более высоком содержании волокон на изображениях композитов, полученных с помощью СЭМ, наблюдалось больше открытых ячеек. Средние коэффициенты звукопоглощения (ASAC) как WPUF, так и RPUF были значительно увеличены при добавлении 5 на сто полиолов (php) по весу и содержания волокон 10 php. При использовании волокон с содержанием 15 php и 20 php ASAC снижается из-за извилистости ячеек и больших отверстий в пене. Коэффициент звукопоглощения (SAC) сначала увеличивался, затем уменьшался и, наконец, увеличивался, когда частота звука увеличивалась со 100 до 2000 Гц для двух композитов.Теплопроводность как WPUF, так и RPUF сначала уменьшалась, а затем увеличивалась по мере увеличения содержания волокна от 0 до 20 php. Когда было добавлено содержание соломы 5 и 10 php, теплопроводность снизилась на 25-50% по сравнению с теплопроводностью чистой формы PU (0 php), что указывает на получение улучшенной теплоизоляционной способности. Прочность композита на сжатие снизилась на 19–28% из-за добавления волокна.

Полная статья

Влияние содержания волокна на звукопоглощение, теплопроводность и прочность на сжатие жестких пенополиуретанов с наполнителем из соломенного волокна

Юбо Тао, ^a Peng Li, ^a, * и Liping Cai ^b

Жесткий пенополиуретан (PUR) — один из самых важных изоляционных материалов, используемых сегодня в строительной отрасли, и основной изоляционный материал, используемый в мировой промышленности бытовой техники. В этом исследовании был разработан ППУ с наполнителем из рисовой соломы (RPUF) и PUF с наполнителем из пшеничной соломы (WPUF) и изучались морфология, звукопоглощающие свойства, теплопередача и прочность на сжатие композитов из ППУ. Результаты показали, что при более высоком содержании волокон на изображениях композитов, полученных с помощью СЭМ, наблюдалось больше открытых ячеек. Средние коэффициенты звукопоглощения (ASAC) как WPUF, так и RPUF были значительно увеличены при добавлении 5 на сто полиолов (php) по весу и содержания волокон 10 php.При использовании волокон с содержанием 15 php и 20 php ASAC снижается из-за извилистости ячеек и больших отверстий в пене. Коэффициент звукопоглощения (SAC) сначала увеличивался, затем уменьшался и, наконец, увеличивался, когда частота звука увеличивалась со 100 до 2000 Гц для двух композитов. Теплопроводность как WPUF, так и RPUF сначала уменьшалась, а затем увеличивалась по мере увеличения содержания волокна от 0 до 20 php. Когда было добавлено содержание соломы 5 и 10 php, теплопроводность снизилась на 25-50% по сравнению с теплопроводностью чистой формы PU (0 php), что указывает на получение улучшенной теплоизоляционной способности. Прочность композита на сжатие снизилась на 19–28% из-за добавления волокна.

Ключевые слова: соломенное волокно; Полиуретановая пена; Композиты; Коэффициент звукопоглощения; Теплопроводность; Прочность на сжатие

Контактная информация: a: Ключевая лаборатория биологических материаловедения и технологий, Колледж материаловедения и инженерии, Северо-восточный лесной университет, Харбин 150040, Китай; b: Департамент машиностроения и энергетики, Инженерный колледж, Университет Северного Техаса, Дентон, Техас 76207, США; * Автор, ответственный за переписку: lptyb @ aliyun.com

ВВЕДЕНИЕ

Пенополиуретан (ППУ) обычно получают в результате взаимодействия полиолов и полиизоцианатов путем присоединения полимеризации. Часто используются другие добавки, такие как катализаторы, поверхностно-активные вещества и пенообразователи (Yuan and Shi 2009). Изделия из ППУ могут быть жесткими, полужесткими или гибкими, в зависимости от используемого сырья. Жесткий пенополиуретан (PUR) является одним из наиболее важных изоляционных материалов, используемых сегодня в строительной индустрии, и основным изоляционным материалом, используемым в бытовой технике (холодильники, морозильники, и т. Д. ).) промышленность (Cabulis et al. 2012).

Добавление наполнителей улучшает некоторые механические, термические и акустические свойства композитов ППУ. Натуральные волокна — это относительно дешевый, возобновляемый и устойчивый ресурс. Плотность натуральных волокон аналогична плотности пластмасс и составляет всего 40-50% от плотности стекловолокна (Bledzki et al. 2001). Поэтому пластмассы можно армировать или заполнять волокнами без какого-либо значительного влияния на плотность получаемых полимерных композитов.Кроме того, гидроксильные группы (-ОН) на поверхности лигноцеллюлозных волокон взаимодействуют с изоцианатными группами, что приводит к отличному межфазному сцеплению между волокнами и полиуретаном (Mosiewicki et al. 2009).

Древесная мука использовалась в качестве наполнителя для ППУ композитов. Юань и Ши (2009) разработали гибридные древесно-полиуретановые композиты, содержащие древесную муку до 20 на 100 полиолов (php) по весу. Добавление древесной муки улучшило сжимающие свойства ППУ, но снизило его свойства при растяжении и гибкости.Термическая стабильность композитов была улучшена за счет добавления древесных порошков. Racz et al. (2009) сосредоточился на производстве и характеристике легких полиуретановых композитов, армированных сосновой древесной мукой, и показал, что прочность, модуль и модуль упругости композитов увеличиваются по мере увеличения содержания наполнителя. Mosiewicki et al. (2009) использовал древесную муку в качестве наполнителя в жестком полиуретане и показал, что химическая реакция между древесной мукой и изоцианатом сильно влияет на отклик композита на термогравиметрические испытания.Модуль сжатия и предел текучести полиуретановых композитов уменьшались по мере увеличения содержания древесной муки. Aranguren et al. (2012) разработал композит полиуретана и древесной муки на основе тунгового масла и обнаружил, что включение древесной муки влияет на биоразложение композитов пенополиуретана.

Лубяное волокно также использовалось для армирования композитов ППУ. Bledzki et al. (2001) подготовил армированные композиты на основе полиуретана с льняными и джутовыми тканями.Композиты имели равномерно распределенную структуру пены с микропустотами. Увеличение содержания волокна улучшило модуль сдвига и ударную вязкость. Тканое льняное волокно привело к получению композитов с более высокой механической прочностью, чем тканые композиты из джутового волокна. Куранска и др. (2013) изготовлял жесткие пенополиуретаны, модифицированные льняными и конопляными волокнами. Механические и термические свойства конечных продуктов были улучшены за счет включения натуральных волокон. Пенополиуретан с наполнителем из волокон Kenaf был приготовлен методом свободного подъема. Диэлектрические постоянные и тангенс угла потерь композитов были изучены в зависимости от содержания волокна. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь увеличиваются с увеличением содержания волокна, что указывает на то, что как диэлектрическая способность, так и способность рассеивать энергию композитов улучшились (Li et al. 2014).

Хлопок и бамбук использовались в качестве армирующих материалов в полиуретановых матрицах для улучшения свойств звукопоглощения и теплопроводности получаемых композитов (Büyükakinci et al. 2011). Волокна чайного листа (Celebi and Kucuk 2012) использовались в качестве армирующих материалов в различных полиуретановых матрицах для улучшения звукопоглощающих свойств композитов. Хотя добавление волокон чайного листа к жесткому пенополиуретану дало небольшой вклад в звукопоглощающие свойства композитов, оно обеспечило значительное улучшение звукопоглощения.

Хотя для наполнения ППУ использовалось много видов сырья, сообщений о наполнении ППУ волокнами рисовой или пшеничной соломы не поступало. В качестве однолетних культур в Китае производится много риса и пшеничной соломы. Сжигание отходов — распространенный метод утилизации. Это проблема, которая приобретает все большее значение, поскольку сжигание отходов вызывает серьезное загрязнение воздуха в Китае. Использование отходов соломы в качестве структурного сырья является экономически эффективным методом уменьшения давления загрязнения воздуха. Это исследование было сосредоточено на разработке PUF с наполнителем из рисовой соломы (RPUF) и PUF с наполнителем из пшеничной соломы (WPUF). Исследованы морфология, звукопоглощающие свойства, теплопередача и прочность на сжатие композитов ППУ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы

Сырье, используемое для приготовления пены, было получено от Dongguan Chemistry Corporation (Дунгуань, Китай). Две части, часть A и часть B, были смешаны в равных пропорциях, и пеноматериал с закрытыми ячейками ³ 100 кг / м был сформирован методом «свободного подъема». Два типа волокон соломы, риса и пшеницы, были использованы для изготовления двух видов композитов ППУ с наполнителем из соломенных волокон. Ван и др. .(2006) использовали джутовое волокно для армирования композитного пенополиуретана, и композитные материалы имели лучший армирующий эффект, когда длина волокна составляла 3 мм, поэтому в данном исследовании использовались соломенные волокна длиной от 1 до 3 мм. Рисовую солому и пшеничную солому предварительно нагревали в печи при 103 ° C в течение 6 часов для удаления влаги.

Композитный препарат

Образцы ППУ были приготовлены методом свободного подъема. Чистый пенополиуретан и два типа композитов с различными смесями были произведены путем смешивания пенополиуретана с рисовым или пшеничным волокном.После того, как соответствующий вес Части B был добавлен в одноразовую пластиковую коробку емкостью 500 мл, были добавлены волокна и смешаны с механическим перемешиванием при 3000 об / мин в течение 10-15 с. Часть A добавляли после дегазации смеси в течение 120 с. Перемешивание продолжали в течение следующих 10-15 с при той же скорости вращения. После смешивания частей A и B формование началось в течение 45 секунд и продолжалось несколько минут. Пена расширилась примерно в 10 раз по сравнению с объемом жидкости и затвердела. Затвердевшие пены вынули из пластикового ящика и поместили при комнатной температуре.Содержание клетчатки в формах составляло 0, 5, 10, 15 и 20 частей на миллион. Для каждого измерения использовались три повторяющихся образца, и сообщалось среднее значение.

Характеристика свойств пены

Морфология

Морфологию образцов ППУ исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) (QUANTA200, FEI, Hillsboro, OR, USA). Перед сканированием образцы были покрыты золотом. Ускоряющее напряжение 5 кВ. СЭМ-изображения были получены в разных зонах каждого образца.

Измерения звукопоглощения

Коэффициент звукопоглощения (SAC) композитов был измерен с использованием системы тестирования импедансных трубок (AWA6122A, Aihua Instrument, Inc. , Ханчжоу, Китай) в соответствии с ISO 10534-1 (2011). На рисунке 1 показана система тестирования SAC. Диапазон частот измерения 90 ~ 2075 Гц.

Рис. 1. Экспериментальная установка для измерения коэффициента звукопоглощения композитов (1 трубка из протестированного материала; 2 трубка стоячей волны длиной 1000 мм и диаметром 96 мм; 3 звуковой ящик с мощностью динамика 10 Вт и сопротивление 6 Ом; 4 Ползун; 5 Направляющий рельс длиной 1000 мм и минимальной шкалой 1 мм)

Композитные панели были вырезаны на фрезерном станке для получения акустических образцов диаметром 96 мм и толщиной 9 мм.Из каждой группы панелей готовили по три повтора. Сообщаемое значение SAC для каждой группы панелей было средним из трех независимых точек данных выборки, которые были собраны при 100, 200, 315, 450, 630, 800, 900, 1000, 1400 и 2000 Гц в соответствии с полосами в 1/3 октавы. частотный анализ и ISO 266 (1975).

Теплопроводность

Три образца диаметром 130 мм и толщиной 20 мм были вырезаны из свободно вспененных смесей пенополиуретана. Теплопроводность каждого образца измеряли с помощью прибора для измерения теплопроводности TC-2 / A (Fudan Tianxin Science and Education Instruments Co., Шанхай, Китай) в соответствии со стационарными методами измерения коэффициента теплопроводности проводника (Li et al. 2009).

Испытание на сжатие

Свойства пен при сжатии измеряли на универсальной испытательной машине (AG-A10T, Chanchun Kexin Instruments Co., Чанчунь, Китай) в соответствии с ISO 844 (2004). Образцы вырезали до размеров 50 × 50 × 50 мм (ширина × длина × толщина).Ориентация была параллельна направлению подъема пены. Скорость ползуна составляла 2,5 мм / мин с датчиком нагрузки 5000 Н. Нагрузка прикладывалась до тех пор, пока пена не сжималась примерно на 10% от ее первоначальной толщины. Было протестировано шесть повторов на образец, и результаты были усреднены.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Морфология

Поверхности поперечного сечения образцов WPUF, наблюдаемые в направлении свободного подъема, показаны на рис. 2. Заготовка PUF без волокна имела структуру с закрытыми ячейками с одинаковыми размерами ячеек (рис.2а). Однако, когда содержание клетчатки увеличивалось с 5, 10, 15 и 20 php, размер ячеек становился меньше и неравномерным (рис. 2b, c, d и e). Строу волокна наблюдалась между ячейками, и было полное соединение между соломенным волокном и ППУ (рис. 2f). Некоторые структуры с закрытыми ячейками были разрушены из-за добавления волокон. При более высоком содержании волокна наблюдалось больше открытых ячеек, и размеры ячеек становились намного меньше. Некоторые ячейки были сломаны, вероятно, из-за того, что волокно сдерживало образование пены и вызывало деформации ячеек.Подобные структурные изменения наблюдались в композитах ППУ, наполненных волокном рисовой соломы.

Влияние содержания волокна на звукопоглощающие свойства

На рис. 3 показаны характеристики звукопоглощения композитного материала на разных звуковых частотах. Хотя не было обнаружено значительного увеличения коэффициента звукопоглощения (SAC) при увеличении содержания соломы на рис. 3, увеличение SAC RPUF и WPUF наблюдалось по сравнению с чистыми формами PU (0 php) во всем частотном диапазоне.SAC увеличивался по мере увеличения звуковой частоты в диапазоне от 100 до 630 Гц для двух композитов. От 630 до 2000 Гц SAC сначала уменьшался, а затем увеличивался, с самым низким значением SAC на 900 Гц. Этот результат отражал то, что звукопоглощение образовавшейся поры и канала различались в зависимости от разных звуковых частот. Селективное частотное поглощение привело к звукопоглощению с различными коэффициентами, которые сначала увеличивались, затем уменьшались и, наконец, увеличивались, как показано на рис.3. Тенденции SAC соответствовали выводам Maderuelo-Sanz et al. (2013), когда были исследованы акустические характеристики композита из резины и полиуретановой смолы.

Рис. 3. Влияние содержания волокна на коэффициент звукопоглощения композитов в зависимости от частоты. Содержание волокна варьировалось от 0 до 20 php

На рисунке 4a показано, что средний коэффициент звукопоглощения (ASAC) как WPUF, так и RPUF претерпел аналогичные изменения при увеличении содержания волокна с 0 до 20 php, которое сначала увеличивалось, а затем уменьшалось с 0 до 2000 Гц. Максимальные значения ASAC для обоих композитов наблюдались при содержании волокна 10 php. Значения ASAC для WPUF были выше, чем для RPUF, когда содержание волокна составляло 5 и 10 php, тогда как они были аналогичными, когда содержание волокна составляло 0, 15 и 20 php. Этот эффект может быть вызван тем, что соломенное волокно представляет собой пористую структуру, которая улучшает впитывающие свойства материалов. Согласно изображениям, полученным с помощью SEM (рис. 1), добавление соломенных волокон повредило структуру закрытых ячеек ППУ, что привело к образованию открытой ячеистой структуры, которая, вероятно, улучшила поглощающие свойства.По мере увеличения содержания волокна во всей пене наблюдались большие отверстия (точка синей стрелкой на рис. 1e), что могло снизить абсорбционные характеристики. По аналогии с этим исследованием Lin et al. (2015) добавила 5 мас.% Углеродных волокон в армированный волокнами полиуретановый композитный пеноматериал и добился лучших свойств звукопоглощения.

Акустическое поглощение пористого материала зависит от пористости, извилистости и сопротивления потока (Maderuelo-Sanz et al. 2013). Добавление соломенных волокон повреждает структуры с закрытыми ячейками, что приводит к увеличению SAC за счет открытия ячеистых структур PUF. По мере того, как содержание волокна продолжало увеличиваться, возникали извилистые стенки клеток, как показано на рис. 2d и e (точка желтыми стрелками), что приводило к снижению среднего звукопоглощения, когда содержание волокна составляло 15 php и 20 php на рис. 4a. .

Влияние содержания волокна на теплопроводность

Теплопроводность (TC) WPUF и RPUF имела аналогичную тенденцию, когда содержание волокна увеличивалось с 0 до 20 php, которое сначала уменьшалось, а затем увеличивалось (Рис.4б). Когда было добавлено содержание соломы 5 и 10 php, теплопроводность снизилась на 25-50% по сравнению с чистой формой PU. После добавления соломенных волокон размер ячеек стал меньше, что обеспечило лучшую теплоизоляцию пены (, т. е. уменьшило TC). Поскольку содержание волокна продолжало увеличиваться, ТС увеличивалось, потому что некоторые структуры с закрытыми ячейками были разрушены, и воздух может течь между ячейками. TC WPUF и RPUF были одинаковыми в образцах с содержанием волокон 5 и 20 php.Однако TC у RPUF был ниже, чем у WPUF, когда содержание волокна составляло 10 и 15 php. RPUF с рисовым волокном 10 php имел лучшую теплоизоляционную способность. Сообщалось, что самая низкая теплопроводность композитной формы из пенополиуретана достигла 0,153 Вт / мК после добавления 5 мас.% Углеродных волокон (Lin et al. 2013). Этот результат сопоставим с результатами этого исследования.

Влияние содержания волокна на свойство сжатия

Как показано на рис.4c, добавление волокна снизило прочность на сжатие обоих композитов. При заданном содержании волокон прочность на сжатие RPUF была выше, чем у WPUF. Ячеистая структура была частично разрушена добавлением волокна, что снизило прочность на сжатие. Nar et al. (2015) также обнаружил, что модуль сжатия и прочность жестких пенополиуретанов были уменьшены за счет добавления волокон с кенафом.

ВЫВОДЫ

1. При более высоком содержании волокон на СЭМ-изображениях композитов наблюдалось больше открытых ячеек.
2. Коэффициенты звукопоглощения (SAC) RPUF и WPUF были увеличены по сравнению с чистыми формами PU (0 php) в диапазоне от 100 до 2000 Гц.
3. Средние коэффициенты звукопоглощения (ASAC) как WPUF, так и RPUF были значительно увеличены при добавлении волокон с содержанием 5 php и 10 php. Когда использовалось содержание клетчатки 15 и 20 php, ASAC снижался из-за извилистости клеток. Максимальные значения ASAC появлялись при содержании клетчатки 10 php.
4. Теплопроводность как WPUF, так и RPUF сначала уменьшалась, а затем увеличивалась по мере увеличения содержания волокна с 0 до 20 php.Когда было добавлено содержание соломы 5 и 10 php, теплопроводность снизилась на 25-50% по сравнению с чистой формой PU (0 php), что указывает на получение улучшенной теплоизоляционной способности.
5. Прочность композитов на сжатие была снижена из-за добавления волокон.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы выражают признательность за поддержку Фонду фундаментальных исследований для центральных университетов Китая (DL12CB07), Образовательному фонду Фок Ин-Тонг для молодых учителей в высших учебных заведениях Китая (122044) и Программе выдающихся талантов нового века в Университет (NCET-13-0711).

ССЫЛКИ

Арангурен, М. И., Гонсалес, Дж. Ф., и Мосевицкий, М. А. (2012). «Биоразложение полиуретана на основе растительного масла и композитов из древесной муки», Polym. Тест. 31 (1), 7-15. DOI: 10.1016 / j.polymertesting.2011.09.001

Бледски, А.К., Чжан, В., и Чате, А. (2001). «Микропены из полиуретана, армированного натуральными волокнами», Compos. Sci. Technol. 61 (16), 2405-2411. DOI: 10.1016 / S0266-3538 (01) 00129-4

Бююкакынджи, Б.Ю., Сёкмен, Н., Кучук, Х. (2011). «Теплопроводность и акустические свойства композитов на основе смешанных полиуретанов с натуральными волокнами», Текстиль ве Конфексийон, 21 (2), 124-132.

Кабулис, У., Кирплукс, М., Стирна1, У., Лопес, М. Дж., Варгас-Гарсиа, М. К., Суарес-Эстрелла, Ф., и Морено, Дж. (2012). «Жесткие пенополиуретаны, полученные из таллового масла и наполненные натуральными волокнами: применение в качестве поддержки для иммобилизации микроорганизмов, разлагающих лигнин», J. Cell. Пласт. 48 (6), 500-515. DOI: 10.1177 / 0021955X12443142

Челеби, С., Кучук, Х. (2012). «Акустические свойства композитов из смешанного полиуретана с волокнами чайного листа», Cell. Polym. 31 (5), 241-255.

ISO 10534-1. (2011). «Акустика — Определение коэффициента звукопоглощения и импеданса или проводимости — Часть 1: Метод трубки импеданса», Международная организация по стандартизации, Женева, Швейцария.

ISO 266. (1975). «Акустика — предпочтительные частоты для измерений», Международная организация по стандартизации, Женева, Швейцария.

ISO 844. (2004). «Жесткие ячеистые пластмассы. Определение характеристик сжатия», Международная организация по стандартизации, Женева, Швейцария.

Куранска М., Александр П., Микелис К. и Угис К. (2013). «Пористые полиуретановые композиты на основе биокомпонентов», Compos. Sci. Technol. 75 (11), 70-76. DOI: 10.1016 / j.compscitech.2012.11.014

Li, P., Tao, Y., and Shi, SQ (2014) «Влияние содержания волокна и температуры на диэлектрические свойства жесткого пенополиуретана с наполнителем из волокон кенафа», BioResources 9 (2), 2681-2688 .DOI: 10.15376 / biores.9.2.2681-2688 DOI: 10.15376 / biores.9.2.2681-2688

Ли, К., Лю, К., Ван, X., и Фань, С. (2009). «Измерение теплопроводности индивидуальных углеродных нанотрубок методом рамановского сдвига», Nanotechnology 20 (14), 145702. DOI: 10.1088 / 0957-4484 / 20/14/145702

Линь, Дж. Х., Чуанг, Ю. К., Хуанг, К. Х., Ли, Т. Т., и Лу, К. В. (2015). «Органические / неорганические звукопоглощающие / теплоизоляционные плиты из пенополиуретана, армированного волокном», Прикладная механика и материалы 749, 270-273. DOI: 10.4028 / www.scientific.net / AMM.749.270

Мадеруэло-Санс, Р., Морильяс, Дж. М. Б., Мартин-Кастисо, М., Эскобар, В. Г., и Гозало, Г. Р. (2013). «Акустические характеристики пористого поглотителя из переработанного каучука и полиуретановой смолы», Latin American Journal of Solids and Structures 10, 585-600. DOI: 10.1590 / S1679-78252013000300008

Мосевицки, М. А., Делл Арципрет, Г. А., Арангурен, М. И., и Маркович, Н. Е. (2009). «Пенополиуретаны, полученные из полиола на основе касторового масла и наполненные древесной мукой», J.Compos. Mater. 43 (25), 3057-3072. DOI: 10.1177 / 0021998309345342

Нар, М., Уэббер III, К. и Д’Суза, Н.А. (2015). «Жесткий полиуретан и композитные пенопласты для сердцевины кенафа», Polymer Engineering & Science 55 (1), 132-144. DOI: 10.1002 / pen.23868

Рач И., Андерсен Э., Арангурен М. И. и Маркович Н. Э. (2009). «Легкие полиуретановые композиты на основе переработанного древесной муки на основе полиолов», J. Compos. Mater. 43 (24), 2871-2884. DOI: 10.1177 / 0021998309345308

Ван, Ф., Мэй, К., Хуанг, З., Цинь Ю. и Ду М. (2006). «Исследование обработки и свойств жесткого пенополиуретана, армированного джутовым волокном», J. Уханьский технологический университет, . 28 (09), 27-29.

Юань, Дж., И Ши, С.К. (2009). «Влияние добавления древесной муки на свойства жесткого пенополиуретана», J. Appl. Polym. Sci. 113 (5), 2902-2909. DOI: 10.1002 / app.30322

Статья подана: 16 декабря 2015 г .; Рецензирование завершено: 19 февраля 2016 г .; Доработанная версия получена: 12 марта 2016 г .; Принята в печать: 16 марта 2016 г .; Опубликовано: 22 марта 2016 г.

DOI: 10.15376 / biores.11.2.4159-4167

Эксплуатационные характеристики жестких пенополиуретан-полиизоцианурат / вспененного пивного зерна композитов в зависимости от изоцианатного индекса

В представленной работе были приготовлены жесткие пенополиуретан-полиизоциануратные (PUR-PIR) пенопласты, наполненные пивным зерном (BSG). Было исследовано влияние изоцианатного индекса (II) на его характеристики. Пены, полученные с более высоким изоцианатным индексом, требовали большего количества фторуглеводородного физического вспенивающего агента для обеспечения такой же кажущейся плотности материала.Увеличение изоцианатного индекса привело к небольшому уменьшению размера клеток, что было связано с увеличением плотности сшивки из-за усиленного образования аллофанатных и биуретовых групп. Ухудшение прочности на сжатие с 226 до 202 кПа наблюдалось с увеличением изоцианатного индекса. Динамический механический анализ и испытания на набухание подтвердили увеличение плотности сшивки с увеличением изоцианатного индекса. Температура стеклования повысилась с 165,7 ° C до 193,2 ° C. Инфракрасный анализ с преобразованием Фурье (FTIR) показал увеличение содержания изоциануратных колец в композитах с более высоким изоцианатным индексом, вызывая заметное повышение термической стабильности.Начало разложения сместилось с 196 ° C на 211 ° C.

2 Экспериментальная

2.1 Материалы

Жесткие пенопласты PUR-PIR были синтезированы из CG, полиола на биологической основе, полученного в соответствии с патентной заявкой, разработанной на кафедре полимерной технологии Гданьского технологического университета (21), и коммерчески доступных полиолов от PCC Rokita, Польша, Rokopol G441 ( трифункциональный полиэфир на основе глицерина) и Rokopol RF55 (высокофункциональный полиэфир на основе сорбита).Биополиол CG синтезировали из сырого глицерина и касторового масла в ходе двухэтапного процесса, включающего поликонденсацию сырого глицерина и дальнейшую реакцию с касторовым маслом. Более подробно синтез CG-биополиола был описан в нашей предыдущей работе (2). Свойства вышеупомянутых полиолов представлены в таблице 1.

Свойства полиолов, используемых при приготовлении пен.

Изоцианат, используемый в реакции, представлял собой полимерный 4,4′-метилендифенилдиизоцианат (pMDI), характеризующийся индексом 31. 5% содержание групп NCO, получено от Borsodchem, Венгрия. Средняя функциональность pMDI составляла ок. 2.8.

Fyrol PNX производства ICL Industrial Products использовался как антипирен. В качестве катализаторов использовали два типа третичных аминов (DABCO 1027 и DABCO TMR-2). Оба были приобретены у Air Products and Chemicals, Inc., США, Tegostab B 8465 у Evonik Industries, Германия, и использовались в качестве поверхностно-активных веществ на основе кремния. Физическим вспенивающим агентом была жидкая смесь гидрофторуглеродов Solkane ^® 365/227 от Solvay, Бельгия.В качестве химического вспенивателя использовалась дистиллированная вода.

BSG предоставила компания Energetyka Złoczew sp. ЗООПАРК, Польша. Он возник в результате производства светлого лагера и состоял только из ячменного солода, только из пилзнерского солода. Обычно BSG, образующийся в процессе затирания, по внешнему виду похож на измельченное зерно и содержит много воды. Цвет и количество шелухи зависят от солода, используемого для производства пива, наш BSG содержал заметное количество шелухи и имел светло-коричневый цвет. В представленной исследовательской работе мы сушили BSG при 80 ° C, чтобы значительно снизить влажность.Поскольку размер частиц наполнителя оказывает значительное влияние на окончательное распределение наполнителя в полимерной матрице и свойства получаемого композита, перед обработкой BSG механически измельчали ​​в двухшнековом экструдере с одновременным вращением при 120 ° C для получения частицы с узким гранулометрическим составом. Среди других методов измельчения экструзия исследовалась Caprez et al. (22) с точки зрения его влияния на химический состав пшеничных отрубей. Параметры процесса были аналогичны тем, которые использовались в представленном исследовании — температура 100 ° C, скорость вращения шнека 100 об / мин.Авторами доказано, что модификация отрубей методом экструзии незначительно влияет на их химический состав. Из-за сходства химического состава можно предположить, что такое же явление имеет место и для БСГ.

2.2 Приготовление пен PUR-PIR

Жесткие пенопласты PUR-PIR были произведены в лабораторных условиях одностадийным методом из двухкомпонентной (A и B) системы с соотношением групп NCO / OH 1,5, 2,0 и 2,5. Образцы кодировали как II150, II200 и II300 в соответствии с используемым изоцианатным индексом.

Компонент A (смесь полиолов), состоящий из надлежащих количеств Rokopol RF55, биополиола CG или их смесей с олигоэфиром Rokopol G441 в различных соотношениях, антипирен, катализаторы, поверхностно-активное вещество, пенообразователи и наполнитель, взвешивали и помещали в полипропиленовую чашку объемом 500 мл. . Затем смесь полиолов гомогенизировали механической мешалкой при 2000 об / мин в течение 60 с. Приготовленный таким образом компонент A смешивали с компонентом B (pMDI) в заданном массовом соотношении и перемешивали при 2000 об / мин в течение 20 с.Полученную реакционную смесь оставляли в чашке для свободного подъема. Полученные образцы выдерживали при комнатной температуре в течение 24 ч. Таблица 2 содержит подробные сведения о составах пен.

Составы готовых пен.

Сырье (pbw)	Символ пены
	II150	II200	II300
Рокополь РФ55	30.0	30,0	30,0
Рокополь G441	35,0	35,0	35,0
Биополиол CG	35,0	35,0	35,0
Fyrol PNX	25,0	25,0	25,0
DABCO 1027	1. 5	1,5	1,5
DABCO TMR-2	1,0	1,5	1,5
Тегостаб Б 8465	2,0	2,0	2,0
Солкане	30,0	40,0	50,0
Вода	0,5	0.5	0,5
BSG	65,3	78,5	91,7
Изоцианат	166,7	222,3	277,9
Изоцианатный индекс	150	200	250
Содержание биополиола в пене, мас.%	8.9	7,4	6,4
Содержание биоматериала в пене, мас. %	25,6	24,1	23,0

2.3 Характеристика

Элементный анализ (C, H, N, S) BSG проводили с использованием анализатора Flash 2000 CHNSO от Thermo Scientific (США).

Гранулометрический состав целлюлозного наполнителя был определен ситовым анализом в соответствии с нашим внутренним лабораторным стандартом.Приблизительно 100 г наполнителя просеивали вручную за постоянное время (30 мин), используя сита из тканой проволочной ткани с размерами 1,02, 0,75, 0,50, 0,25 и 0,12 мм соответственно.

Инфракрасный спектрофотометрический анализ с преобразованием Фурье (FTIR) для бионаполнителя и жестких пен был проведен с целью определения их химической структуры. Анализ проводился с разрешением 4 см ⁻¹ в диапазоне 650–4000 см ⁻¹ (64 сканирования) на спектрометре Nicolet Spectrometer IR200 (Thermo Scientific, США), снабженном кристаллом алмаза.

Кинетику реакции композитных пен PUR-PIR оценивали путем анализа температуры во время приготовления. После заливки реакционной смеси в полипропиленовую чашку температуру внутри пены измеряли термопарой, помещенной в чашку.

После кондиционирования из пенопласта были нарезаны образцы, свойства которых позже были определены в соответствии со стандартными процедурами.

Кажущаяся плотность образцов была рассчитана в соответствии с PN-EN ISO 845: 2000 как отношение массы образца к объему образца (г / см ³ ).Цилиндрические образцы измеряли штангенциркулем с точностью до 0,1 мм и взвешивали на электронных аналитических весах с точностью до 0,0001 г.

Степень набухания и золь фракции определяли во время испытания на набухание. Образцы пен PUR-PIR (около 0,2 г) набухали в ксилоле в течение 72 часов (комнатная температура). Степень набухания рассчитывалась по уравнению 1:

[1] Q знак равно м 72 час — м о м о × 100 %

где: Q — степень набухания (%), м _t — масса набухшего образца через 72 ч (г), м _o — начальная масса образца (г).

Золь-фракция рассчитывалась как разница масс биокомпозитов до набухания (W ₁ ) и после экстракции (W ₂ ) в соответствии с уравнением 2:

[2] Фракция золя знак равно W 1 — W 2 W 1 × 100 %

Морфологию образцов оценивали с помощью сканирующей электронной микроскопии Hitachi model S3400 (Hitachi, Япония).

Прочность жестких пенопластов на сжатие оценивалась на основании стандарта EN ISO 844: 2007. Цилиндрические образцы размером 20 × 20 мм (высота и диаметр) измерялись штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Испытание на сжатие проводили на приборе для испытания на растяжение Zwick / Roell (Германия) при постоянной скорости 10% / мин до достижения деформации 20%.

Динамический механический анализ выполнен на приборе DMA Q800 TA Instruments (США). Образцы анализировали в режиме сжатия с частотой 1 Гц.Измерения проводились в интервале температур от 25 ° C до 250 ° C со скоростью нагрева 4 ° C / мин. Образцы имели цилиндрическую форму размером 8 × 12 мм.

Термический анализ образцов проводился на термогравиметрическом анализаторе модели Q600 фирмы TA Instruments (США). Образцы весом ок. 4 мг помещали в корундовую чашку. Исследование проводилось в атмосфере инертного газа — азота (расход 100 мл / мин) в интервале температур от 25 ° C до 700 ° C со скоростью повышения температуры 20 ° C / мин.Летучие продукты термического разложения образцов также оценивали с помощью FTIR-спектроскопии на спектрометре Nicolet iS10 от Thermo Scientific (США).

3 Результаты и обсуждение

3.1 Свойства бионаполнителя BSG

В таблице 3 приведены характеристики наполнителя BSG, определенные методами элементного анализа и ИК-Фурье спектроскопии. BSG характеризовался относительно высоким содержанием азота по сравнению с другими целлюлозными бионаполнителями, обычно используемыми при производстве полимерных композитов (23).Такое явление было связано с заметно более высоким содержанием белка в BSG, что неоднократно подтверждалось в литературе (14), (24). Кроме того, применяемый BSG был получен при производстве лагера, что приводит к более высокому содержанию белка по сравнению с BSG при пивоварении пива элевого типа (25).

Свойства использованного бионаполнителя BSG.

Метод	Элемент	Массовая доля элементов,%	Метод	TCI 1371 / 2900 см — 1	LOI 1430 / 893 см — 1	ГБЖ 3336 / 1336 см — 1
Элементный анализ	С	47. 70	FTIR	1,16	0,89	1,33
	H	5,15
	N	3,37

На рис. 1 представлены ИК-Фурье-спектры нанесенного наполнителя BSG.Полоса поглощения (A), характерная для валентных колебаний связей O-H, наблюдалась в диапазоне 3300–3350 см ^–1 . Сигналы на 2925 и 2849 см ^-1 (B) были отнесены к симметричным и асимметричным валентным колебаниям связей C-H. Пик (C) при 1745 см ^-1 характерен для сложноэфирных групп между гидроксикоричной кислотой, присутствующей в BSG, и лигнином или гемицеллюлозой (26). Сигнал (D) около 1640 см ^-1 может быть связан с наличием связей C = C, сопряженных со связями C = O, и их валентных колебаний. Полоса (E) при 1523 см ^-1 представляет связи C = C в ароматических кольцах лигнина (27). Множественные пики (F), характерные для деформационных колебаний связей C-H и O-H, наблюдались около 1450 см ^-1 . Сигналы (G), наблюдаемые в диапазоне 1230–1240 см ^–1 , были связаны с наличием связей C-O и C = O и их валентными колебаниями (28). Также полосы (H) при 1145–1155 см ^–1 и 1020–1030 см ^–1 могут быть связаны с колебаниями связей C-O.Наблюдались сигналы низкой интенсивности (i) в области 890 и 850 см ^-1 , характерные для антисимметричного противофазного растяжения кольца в углеводной структуре использованного BSG (29).

Рисунок 1:

FTIR-спектры использованного наполнителя BSG.

Следует также отметить, что белки, присутствующие в значительных количествах в BSG, могут иметь важное влияние на интенсивность полос в спектрах FTIR. Такой эффект связан с близким расположением инфракрасных полос, характерных для целлюлозы и белков (30). Например, очень характерные пики валентных колебаний N-H-групп около 3300 см ^-1 перекрываются с пиками для O-H-групп. Сигналы около 1640 см ^-1 , приписываемые колебаниям связей C = C и C = O, могут быть усилены вкладом противофазных валентных колебаний C-N, деформации C-C-N и изгиба в плоскости N-H. Более того, присутствие белков в BSG увеличивает возможность образования водородных связей, что может вызвать заметные сдвиги полос поглощения.

также использовался для определения кристалличности нанесенного наполнителя BSG. Факторы, описывающие кристалличность, например, общий индекс кристалличности. (TCI 1371 / 2900 см — 1 ) , индекс бокового порядка (LOI 1430 / 893 см — 1 ) и интенсивность водородной связи (ГБЖ 3336 / 1336 см — 1 ) были рассчитаны из коэффициентов поглощения при соответствующих волновых числах, как было предложено Kljun et al. (31). Параметр LOI связан с общей степенью выравнивания в целлюлозе, в то время как интенсивность водородных связей (HBI) связана с кристаллической системой и степенью межмолекулярной регулярности, а также с количеством связанной воды. Расчетные значения TCI и LOI аналогичны представленным в других исследованиях для бионаполнителей, таких как древесная мука или пшеничные отруби (23), (31). Однако значение HBI было заметно выше, что может быть связано с содержанием влаги в BSG (0,52 мас.%) и присутствие белков, которые, как упоминалось выше, увеличивают возможность образования водородных связей.

В таблице 4 представлен гранулометрический состав использованного наполнителя. Размер частиц наполнителя может иметь значительное влияние на характеристики композита, так как он влияет на диспергируемость в полимерной матрице. Как можно было заметить, при приготовлении пен PUR-PIR использовалась смесь частиц различных размеров. Для обоих типов BSG почти 95 мас.% Частиц были меньше 0. 50 мм, что подтверждает, что двухшнековая экструзия с одновременным вращением шнеков может считаться эффективным методом измельчения целлюлозных наполнителей.

Гранулометрический состав наполнителя BSG.

3.

За исключением основной реакции, приводящей к образованию уретановых групп в материале, изоцианаты претерпевают различные побочные реакции, которые способствуют усиленному сшиванию пен.На рис. 2 представлены общие схемы этих реакций. Очевидно, что увеличение изоцианатного индекса приводит к увеличению интенсивности побочных реакций, одновременно способствуя образованию трифункциональных частиц, вносящих вклад в общую плотность сшивки, таких как аллофанатные, биуретовые или изоцианауратные группы. Кроме того, использование воды в качестве химического вспенивателя усиливает образование мочевины и, в конечном итоге, биуретовых групп. Следует отметить, что образование биурета происходит значительно быстрее, чем образование аллофаната, поэтому применение воды в системах PUR очень сильно влияет на плотность сшивки материала (32).

Рисунок 2:

Основные реакции, происходящие при приготовлении пенополиуретана.

На рис. 3 показаны графики зависимости температуры от времени во время приготовления жестких пен. Наблюдалось заметное снижение температуры реакции. Такое явление было связано со значительным увеличением количества физического вспенивающего агента, необходимого для обеспечения такой же кажущейся плотности, с увеличением изоцианатного индекса (см. Таблицу 2).Более того, тепловой эффект побочных реакций, происходящих при более высоких индексах изоцианата, ниже, чем реакция между полиолом и изоцианатом, например энтальпия реакции (ΔH) тримеризации составляет около 80 кДж / кмоль, а для образования уретановых групп она превышает 105 кДж / кмоль (33), (34). Из представленных температурных кривых также видно, что увеличение изоцианатного индекса привело к замедлению вспенивания и полимеризации, что подтверждает результаты, представленные в других работах (32).

Рисунок 3:

Температура в процессе синтеза как функция времени для приготовленных пен.

В таблице 5 представлены свойства полученных полиуретановых композитов. Очевидно, что кажущаяся плотность имеет большое влияние на характеристики вспененных материалов. Составы пен были разработаны (варьируя количество физического вспенивающего агента Solkane 365/227), чтобы обеспечить одинаковую плотность для всех исследованных материалов на уровне 51 ± 2 кг / м ³ .Можно видеть (таблица 2), что количество фторуглеводородного пенообразователя, необходимое для обеспечения того же уровня объемного расширения во время производства пенопласта и, следовательно, той же плотности, увеличивается с увеличением изоцианатного индекса.

Сравнение свойств пен.

В таблице 5 также представлены результаты испытаний на набухание. Степень набухания уменьшается с увеличением изоцианатного индекса. Одновременно наблюдалось уменьшение золь-фракции, что указывает на увеличение плотности сшивки материала. Такое явление, связанное с увеличением изоцианатного индекса, наблюдали и другие исследователи (35).

В таблице 5 также представлены значения среднего размера ячеек исследуемых пен, а на рисунке 4 представлены микрофотографии полученных пен с помощью SEM. Видно, что увеличение изоцианатного индекса привело к уменьшению среднего размера клеток с 200 до 159 мкм.Такое явление может быть связано с увеличением плотности сшивки материала и повышением жесткости клеточных стенок из-за усиления образования аллофанатных и биуретовых групп, препятствующих росту клеток (32). Как видно на представленных изображениях, изменение состава пен практически не повлияло на форму ячеек.

Рисунок 4:

СЭМ-изображения пен II150, II200 и II250.

Жесткость вспененного материала во время сжатия возникает из-за коробления стенок ячеек, поэтому его характеристики сжатия сильно коррелируют с ячеистой структурой и ее упаковкой (9). Следовательно, кажущаяся плотность является очень важным параметром вспененного материала при обсуждении его характеристик сжатия. Это была одна из причин, по которой композиты были приготовлены с одинаковой плотностью. В таблице 6 представлены значения прочности на сжатие исследованных жестких вспененных композитов PUR-PIR. Видно, что изоцианатный индекс не оказал существенного влияния на прочность материала. Наблюдалось ухудшение прочности на сжатие параллельно направлению вспенивания.Такое явление может быть связано с увеличением рыхлости пен при увеличении изоцианатного индекса (36). Аналогичные результаты, указывающие на ухудшение характеристик сжатия с увеличением изоцианатного индекса, наблюдали и другие исследователи (35), (37).

Производительность готовых композитов при сжатии.

На рис. 5 представлены графики зависимости тангенса угла потерь (tan δ) от температуры для подготовленных образцов. По мере увеличения изоцианатного индекса температурное положение максимального значения пика tan δ смещалось в сторону более высоких температур. Положение этих пиков обычно используется для определения температуры стеклования (T _g ) материалов. Как и ожидалось, увеличение изоцианатного индекса привело к значительному увеличению Т _г . Как уже упоминалось, такое явление строго связано с побочными реакциями изоцианатных групп, которые приводят к образованию трифункциональных аллофанатных и биуретовых групп, одновременно увеличивая жесткость полиуретана.Увеличение изоцианатного индекса со 150 до 200 и 250 сместило T _g на 23,5 и 27,5 ° C.

Рисунок 5:

Графики зависимости тангенса угла потерь от температуры для приготовленных жестких пенопластов.

За исключением температурного сдвига пика tan δ, могут наблюдаться некоторые изменения его величины, связанные с природой полимерной матрицы. Низкие значения tan δ указывают на более высокую эластичность материала, в то время как более высокие значения характеризуют материалы с высокой неупругой составляющей деформации.Последняя группа способна рассеивать большее количество энергии за счет различных движений молекул (38). Видно, что увеличение изоцианатного индекса привело к небольшому увеличению величины пика tan δ. Это указывает на более высокое рассеяние энергии, в данном случае связанное с растрескиванием поперечных связей, состоящих из аллофанатных, биуретовых и изоцианауратных групп, присутствие которых увеличивает хрупкость пен.

Спектры FTIR полученных пен представлены на рисунке 6.Полоса поглощения, характерная для валентных колебаний N-H групп (в уретановых связях), наблюдалась в диапазоне 3296–3308 см ^–1 . Сигналы, связанные с деформационными колебаниями этих групп, наблюдались при 1509–1513 см ^–1 (39). Максимумы поглощения около 1715 см ⁻¹ соответствуют валентным колебаниям связей C = O. Полосы при 1213–1215 см ^–1 были отнесены к валентным колебаниям связей C-N в уретановых связях (40). Указанные выше сигналы подтверждают наличие уретановых связей в анализируемых пенах.Полосы при 2858–2870 и 2922–2927 см ^–1 , характерные для симметричных и асимметричных валентных колебаний связей C-H в группах CH ₂ , присутствовали в алифатических цепях и наблюдались концевые группы CH ₃ . Пики при 2272–2277 см ^–1 являются результатом присутствия непрореагировавших групп -N = C = O из-за избытка изоцианата, используемого при синтезе пен (41). Видно, что величина этих пиков увеличивается с ростом изоцианатного индекса.В районе 1594 см ^-1 наблюдались пики, связанные с присутствием ароматических групп в материале, в основном в применяемых бионаполнителях. Сигналы в области 1411–1412 см ^–1 были отнесены к наличию изоциануратных колец, продуктов тримеризации изоцианата (42). Мультиплетные полосы в диапазоне 1017–1070 см ^–1 связаны с наличием δ-связей между атомами углерода и кислорода (в случае эфирных связей), что связано со структурой используемых полиолов (43).

Рисунок 6:

FTIR-спектры приготовленных жестких композитов PUR-PIR / BSG.

В таблице 7 представлены результаты термогравиметрического анализа полученных жестких пен. Как и ожидалось, увеличение изоцианатного числа повысило термическую стабильность материала, что подтверждает результаты, полученные другими исследователями (44). Заметно повышение температуры начала разложения на 15 ° C (связано с разложением 2 мас.% пены) наблюдалось при увеличении изоцианатного индекса со 150 до 250. Такое явление было связано с повышенным количеством изоциануратных колец, присутствующих в пенах, которые являются продуктами тримеризации изоцианатной группы (как показано на рисунке 2) .

Характеристики термического разложения жестких пен PUR-PIR.

На рис. 7 показаны дифференциальные термогравиметрические кривые (ДТГ), построенные для приготовленных пен PUR-PIR.Видно, что для всех образцов процесс термического разложения аналогичен. Несмотря на то, что наблюдается только один значимый пик на кривых, термическое разложение можно разделить на четыре стадии, но пики, относящиеся к этим стадиям, перекрываются. Первый (A), возникающий в диапазоне 200–235 ° C, связан с испарением и разложением менее термостойких добавок. Например, согласно паспорту, Fyrol PNX показывает потерю массы 5% масс. При температуре около 215 ° C. Более того, термическая деградация биополиола CG также начинается в районе 200–210 ° C.Впоследствии (B) происходит разложение более слабых связей, таких как биурет, аллофанат и уретан, что приводит к образованию диоксида углерода и различных переходных компонентов (45). Кроме того, основная часть Rokopol G441 начинает разлагаться при температуре около 320 ° C. При температуре около 360 ° C (C) происходит разложение мягких сегментов, состоящих из Rokopol RF55. Более того, вторая стадия деградации ХГ биополиола наблюдается в районе 380–400 ° C, что связано с касторовым маслом, используемым при синтезе биополиола (46).При более высоких температурах (D) происходит термолиз остатков с предыдущих стадий разложения (47). Хорошо видно, что разложение мягких сегментов происходит заметно медленнее, чем разложение жестких, состоящих из термически менее стабильных связей (48).

Рисунок 7:

Кривые ДТГ для приготовленных пен.

Анализ TGA-FTIR был проведен с целью исследования газовых продуктов термического разложения полученных жестких пен.На рис. 8 показаны ИК-Фурье-спектры продуктов разложения пен. Как правило, все пены имели очень похожие спектры. Шумы в диапазоне 3400–4000 см ^–1 и 1250–2150 см ^–1 связаны с водяным паром, образующимся при термическом разложении вспененных композитов. Все максимумы поглощения были отнесены к собственным связям, их колебаниям и продуктам разложения полиуретанов и сведены в Таблицу 8. Множественные пики, связанные с присутствием углеводородов в анализируемых газах, наблюдались в диапазоне 2880–2980 см ^–1 .Эти пики были приписаны симметричным и асимметричным валентным колебаниям связей C-H в группах CH ₂ , присутствующих в алифатических цепях, и концевых группах CH ₃ . Сигналы, наблюдаемые в диапазоне 2245–2385 см ^–1 , были получены путем перекрывания различных максимумов, связанных с растяжением связей NH, присутствующих в аминах, связей CO в монооксиде и диоксиде углерода, связей CN в нитрилах и цианистом водороде и NCO группы использованного изоцианата. Различные полосы, в том числе мультиплетные, связанные с присутствием алифатических и ароматических углеводородов, образующихся при термическом разложении жестких пенополиуретанов, наблюдались при волновых числах ниже 1125 см ^-1 .В районе 670 и 740 см наблюдались сигналы ⁻¹ , характерные для изгибных колебаний частицы CO ₂ и либрации частицы H ₂ O соответственно (49).

Рисунок 8:

ИК-Фурье-спектры продуктов разложения пен.

Детальный анализ TG-FTIR спектров приготовленных жестких пен.

Список литературы

1. Piszczyk Ł, Strankowski M, Danowska M, Hejna A, Haponiuk JT. Жесткие пенополиуретаны из полиола на основе полиглицерина. Eur Polym J. 2014; 57: 143–50. Искать в Google Scholar

2. Hejna A, Kirpluks M, Kosmela P, Cabulis U, Haponiuk JT, Piszczyk Ł. Влияние сырого глицерина и полиола на основе касторового масла на структуру и характеристики жестких пенополиуретан-полиизоцианурат. Ind Crop Prod. 2017; 95: 113–25. Искать в Google Scholar

3. Piszczyk Ł, Hejna A, Formela K, Danowska M, Strankowski M.Влияние шлифованной резины шины на структурные, механические и термические свойства эластичных пенополиуретанов. Иран Полим Дж. 2015; 24: 75–84. Искать в Google Scholar

4. Piszczyk Ł, Hejna A, Formela K, Danowska M, Strankowski M. Жесткие пенополиуретаны, модифицированные шлифованной резиной для шин — механические, морфологические и термические исследования. Cell Polym. 2015; 2: 45–62. Искать в Google Scholar

5. Piszczyk Ł, Hejna A, Danowska M, Strankowski M, Formela K. Пенопласт полиуретан / шлифованная резина для шин на основе полиглицерина: технологические, механические и термические свойства.J Reinf Plast Comp. 2015; 34: 708–17. Искать в Google Scholar

6. Hejna A, Kopczyńska M, Kozłowska U, Klein M, Kosmela P, Piszczyk Ł. Пенополиуретановые композиты с различными типами золы — оценка морфологического, механического и термического поведения, Cell Polym. 2016; 35 (6): 287–308. Искать в Google Scholar

7. Куранска М., Прочак А., Кирплукс М., Кабулис Ю. Пористые полиуретановые композиты на основе биокомпонентов. Compos Sci Technol. 2013; 75: 70–6. Искать в Google Scholar

8.Casado U, Marcovich NE, Aranguren MI, Mosiewicki MA. Высокопрочные композиты на основе полиуретана тунгового масла и древесной муки: влияние концентрации наполнителя на механические свойства. Polym Eng Sci. 2009; 49: 713–21. Искать в Google Scholar

9. Мосевицкий М.А., Делль’Арципрет Г.А., Арангурен М.И., Маркович Н.Е. Пенополиуретан, полученный из полиола на основе касторового масла и наполненный древесной мукой. J Compos Mater. 2009. 43: 3057–72. Искать в Google Scholar

10. Kurańska M, Prociak A.Пористые полиуретановые композиты с натуральными волокнами. Compos Sci Technol. 2012; 72: 299–304. Искать в Google Scholar

11. Li Y, Ren H, Ragauskas AJ. Жесткий пенополиуретан / нанокомпозит с нитевидными кристаллами целлюлозы: получение, характеристика и свойства. J Nanosci Nanotechnol. 2011; 11 (8): 6904–11. Искать в Google Scholar

12. Чупрински Б., Лишковска Ю., Пасиорек-Садовска Ю. Влияние выбранных бороорганических соединений и наполнителей на термические свойства жестких пенополиуретан-полиизоцианурат.J Polym Eng. 2006. 26 (6): 589–604. Искать в Google Scholar

13. Paciorek-Sadowska J, Czupryński B, Liszkowska J. Применение отходов сельскохозяйственной и пищевой промышленности для производства жестких пенополиуретан-полиизоцианурат. J пористый мат. 2011; 18: 631–8. Искать в Google Scholar

14. Муссатто С.И., Драгоне Дж., Роберто И.С. Пивоваренное зерно: генерация, характеристики и возможности применения. J Cereal Sci. 2006; 43: 1–14. Искать в Google Scholar

15.Пивовары Европы, 2012 г. Статистика пива, издание 2012 г. 16 ноября 2012 г. Web. 1 августа 2014 г. Поиск в Google Scholar

16. Муссатто С.И., Роберто И.К. Химическая характеристика и выделение пентозных сахаров из отработанного зерна пивоварни. J Chem Technol Biotechnol. 2006. 81: 268–74. Ищите в Google Scholar

17. Ктениоудаки А., Чаурин В., Рейс С.Ф., Галлахер Э. Бруэр из отработанного зерна в качестве функционального ингредиента для хлебных палочек. Int J Food Sci Tech. 2012; 47: 1765–71. Искать в Google Scholar

18.Расс В., Мортель Х, Питтрофф Р.М. Применение дробленого зерна для увеличения пористости кирпича. Построить строительный мат. 2005. 19 (2): 117–26. Искать в Google Scholar

19. Hashemi M, Razavi SH, Shojaosadati SA, Mousavi SM. Потенциал пивоваренного зерна улучшать производство α-амилазы Bacillus sp. KR-8104 в системе глубокой ферментации. New Biotechnol. 2011; 28: 165–72. Искать в Google Scholar

20. Муссатто С.И., Фернандес М., Драгоне Дж., Мансила И.М., Роберто И.С. Отработанное зерно Брюера как сырье для производства молочной кислоты Lactobacillus delbrueckii.Biotechnol Lett. 2007; 29: 1973–6. Ищите в Google Scholar

21. Haponiuk JT, Piszczyk Ł, Danowska M, Strankowski M. Sposób wytwarzania ekologicznych polioli z odpadu do transestryfikacji olejów roślinnych oraz sposwniónurechówytzówyt. Заявка на патент P. 408610, 2014. Искать в Google Scholar

22. Капрез А., Арригони Э., Амадо Р., Нойком Х. Влияние различных видов термической обработки на химический состав и физические свойства пшеничных отрубей.J Cereal Sci. 1986; 4: 233–9. Искать в Google Scholar

23. Формела К., Хейна А., Пищик Ł, Реза Саеб М., Колом Х. Обработка и взаимосвязь структура-свойства биокомпозитов натуральный каучук / пшеничные отруби. Целлюлоза. 2016; 23 (5): 3157–75. Искать в Google Scholar

24. Тан Д., Инь Г, Хе Й, Ху С., Ли Б., Ли Л., Лян Х., Бортакур Д. Извлечение белка из отработанного пивоваренного зерна с помощью ультрафильтрации. Biochem Eng J. 2009; 48: 1–5. Поиск в Google Scholar

25. Робертсон Дж. Ай, Энсон К. Дж., Треимо Дж., Фолдс С. Б., Броклхерст Т. Ф., Эйсинк В. Г. Х., Уолдрон К. В..Профилирование отработанного зерна пивоваров на состав и микробную экологию на месте производства. LWT Food Sci Technol. 2010; 43: 890–6. Искать в Google Scholar

26. Sun XF, Xu F, Sun RC, Geng ZC, Fowler P, Baird MS. Характеристики деградированных гемицеллюлозных полимеров, полученных из соломы пшеницы, взорванной паром. Carbohyd Polym. 2005. 60 (1): 15–26. Искать в Google Scholar

27. Колом Х, Каррильо Ф., Ногес Ф., Гаррига П. Структурный анализ фотодеградированной древесины с помощью ИК-Фурье спектроскопии.Polym Degrad Stab. 2003. 80: 543–9. Искать в Google Scholar

28. dos Santos DM, Bukzem AL, Ascheri DPR, Signini R, de Aquino GLB. Карбоксиметилирование целлюлозы, выделенной из пивоваренного зерна, с помощью микроволнового излучения. Carbohyd Polym. 2015; 131: 125–33. Искать в Google Scholar

29. Алемдар А., Саин М. Выделение и характеристика нановолокон из сельскохозяйственных остатков — пшеничной соломы и соевой шелухи. Biresource Technol. 2008. 99 (6): 1664–71. Искать в Google Scholar

30.Барт А. Инфракрасная спектроскопия белков. Biochim Biophys Acta (BBA) -Bioenerg. 2007; 1767: 1073–101. Искать в Google Scholar

31. Kljun A, Benians TAS, Goubet F, Meulewaeter F, Knox JP, Blackburn RS. Сравнительный анализ изменений кристалличности полимеров целлюлозы I с использованием ATR-FTIR, дифракции рентгеновских лучей и зондов модуля связывания углеводов. Биомакромолекулы. 2011; 12: 4121–6. Искать в Google Scholar

32. Дусек К., Спиркова М., Гавличек И. Сетевое образование полиуретанов за счет побочных реакций.Макромолекулы. 1990. 23 (6): 1774–81. Искать в Google Scholar

33. Быкова Т.А., Лебедев Б.В., Кипарисова Е.Г., Тарасов Е.Н., Френкель Т.М., Панкратов В.А., Виноградова С.В., Коршанк В.В. Термодинамика фенилизоцианата, процесса его циклотримеризации и образующегося трифенилизоцианурата в интервале 0–330 ° K. J Gen Chem СССР. 1985; 55: 2303–8. Искать в Google Scholar

34. Lovering EG, Laidler KJ. Термохимические исследования некоторых реакций спирт-изоцианат. Может J Chem.1962; 40: 26–30. Искать в Google Scholar

35. Kim SH, Kim BK. Влияние изоцианатного индекса на свойства жестких пенополиуретанов, продуваемых HFC 365mfc. Macromol Res. 2008. 16 (5): 467–72. Искать в Google Scholar

36. Модести М., Лоренцетти А. Экспериментальный метод оценки конверсии изоцианата и образования тримеров в пенополиизоцианат-полиуретан. Eur Polym J. 2001; 37 (5): 949–54. Искать в Google Scholar

37. Стирна Ю., Севастьянова И., Мисане М., Кабулис Ю., Беверте И.Структурные свойства пенополиуретанов, полученных из полиолов рапсового масла. Proc Estonian Acad Sci Chem. 2006; 55 (2): 101–10. Искать в Google Scholar

38. Бинду П., Томас С. Вязкоупругое поведение и механизм упрочнения в резиновых нанокомпозитах вблизи сферических наночастиц. J. Phys Chem B. 2013; 117: 12632–48. Искать в Google Scholar

39. Сормана Дж. Л., Мередит Дж. С.. Высокопроизводительное открытие взаимосвязей структура-механические свойства сегментированных поли (уретан-мочевины).Макромолекулы. 2004. 37: 2186–95. Искать в Google Scholar

40. Фурнье Д., Дю Пре Ф. Химия «щелчка» как многообещающий инструмент для функционализации полиуретанов в боковых цепях. Макромолекулы. 2008; 41: 4622–30. Искать в Google Scholar

41. Jiao L, Xiao H, Wang Q, Sun J. Характеристики термического разложения жесткого пенополиуретана и анализ летучих продуктов с помощью TG-FTIR-MS. Polym Degrad Stab. 2013; 98: 2687–96. Искать в Google Scholar

42. Samborska-Skowron R, Balas A.Качественная идентификация изоциануратных колец в уретано-изоциануратных эластомерах и их гидролизатах (на польском языке). Полимерия 2003; 48: 371–4. Искать в Google Scholar

43. Претч Т., Якоб И., Мюллер В. Гидролитическая деградация и функциональная стабильность сегментированного поли (сложного эфира уретана) с памятью формы. Polym Degrad Stab. 2009. 94 (1): 61–73. Искать в Google Scholar

44. Kurańska M, Prociak A, Kirpluks M, Cabulis U. Полиуретан-полиизоциануратные пены, модифицированные гидроксильными производными рапсового масла.Ind Crop Prod. 2015; 74: 849–57. Искать в Google Scholar

45. Танака Р., Хиросе С., Хатакеяма Х. Приготовление и определение характеристик пенополиуретана с использованием полиола на основе пальмового масла. Biresource Technol. 2008. 99: 3810–6. Искать в Google Scholar

46. Консейсао М.М., Фернандес В.Дж., Араужо А.С., Фариас М.Ф., Santos IMG, Souza AG. Термическое и окислительное разложение биодизельного топлива на касторовом масле. Energ Fuel. 2007. 21 (3): 1522–7. Искать в Google Scholar

47. Zhang L, Zhang M, Zhou Y, Hu L.Исследование механических свойств и огнестойкости жестких пенополиуретановых композитов на основе касторового фосфата, содержащих расширенный графит и триэтилфосфат. Polym Degrad Stabil. 2013; 98: 2784–94. Искать в Google Scholar

48. Павлик Х., Прочак А. Влияние полиола на основе пальмового масла на свойства гибких пенополиуретанов. J Polym Environ. 2012; 20: 438–45. Искать в Google Scholar

49. Геракинес PA, Schutte WA, Greenberg JM, van Dishoeck EF. Интенсивность инфракрасного диапазона h3O, CO и CO2 в лабораторных моделированиях астрофизических ледяных смесей.Astron Astrophys. 1995; 296: 810–97. Искать в Google Scholar

% PDF-1.7 % 1 0 obj >>>] / OFF [] / Order [] / RBGroups [] >> / OCGs [6 0 R 7 0 R] >> / Pages 3 0 R / StructTreeRoot 8 0 R / Тип / Каталог >> endobj 5 0 obj > / Шрифт >>> / Поля [] >> endobj 2 0 obj > поток 2020-01-23T14: 36: 12 + 01: 002020-01-23T14: 36: 12 + 01: 002020-01-23T14: 36: 12 + 01: 00Microsoft® Word для Office 365application / pdf

Домкрат для бетонных перекрытий с применением пенополиуретана — насколько прочность достаточно?

Возводить бетон с уверенностью

При перекачивании легкого материала под плиту вам нужна уверенность в том, что он достаточно прочен для применения. Насколько силен достаточно силен? Это часто задаваемый вопрос подрядчикам, которые не знакомы с домкратом плит полиуретаном.Структурные пены Alchemy-Spetec должны быть прочнее только грязи, но на самом деле они прочнее кристаллической породы.

Сильные стороны для подъема бетона

рассчитаны на плотность (вес на кубический фут) и прочность на сжатие. Это испытание и оценка основаны на пене в состоянии свободного подъема; части A и B смешивают вместе и дают им возможность свободно расширяться. Наши структурные подъемные пены AP Lift 430 и AP Lift 475, например, будут весить 2 штуки. От 75 — 3,25 фунтов (AP Lift 430) до 4,75 — 5 фунтов (AP Lift 475) на кубический фут. Но они имеют прочность на сжатие 50 и 100 фунтов на квадратный дюйм в состоянии свободного подъема. Это равно 7 200–14 000 фунтов на квадратный фут опоры только в состоянии свободного подъема.

Подъем полиуретановой плиты в сравнении с глиной и коренной породой

Чтобы представить это в перспективе, Национальная ассоциация жилищных строителей и Международный строительный кодекс перечисляют жесткую глину с плотностью 4000 фунтов на квадратный дюйм и кристаллическую основу как несущую способность 12000 фунтов на квадратный фут.Примите во внимание условия рабочей площадки, при которой пена будет закачиваться в ограниченное пространство. Данные испытаний в лаборатории показывают, что наши подъемные пены будут увеличивать прочность на сжатие: в пространстве, ограниченном 25% объема, будет увеличение на 31% в фунтах на квадратный дюйм, а в пространстве, ограниченном на 75%, будет увеличение на 79%.