Исследование физических и химических свойств монтажной пены

МБОУ Арбатская СОШ

код________________

химия, физика

Исследование физических и

химических свойств

монтажной пены

Авторы:

Егоров Виктор Алексеевич

8 класс

Гаврилова Татьяна Михайловна,

8 класс

Руководители:

Медведев Владимир Степанович, учитель физики

Гаврилова Мира Алексеевна,

учитель химии

Арбаты, 2015

1.Введение

В настоящее время люди начали использовать такой материал как монтажная пена. Монтажная пена (МП) сейчас стала очень популярна в строительстве новых и ремонте и обслуживании уже построенных зданий. Продается она свободно в баллонах в жидком виде. При использовании пена выпускается из баллона и, соприкасаясь с воздухом, затвердевает. Пена применяется для утепления помещений посредством герметизации швов. Она заменила для человека такие материалы, как мох, пакля и вата. Это, пожалуй, лучший заполнитель различных пустот и щелей, обладающий хорошими звуко- теплоизоляционными свойствами. Полиуретановая пена — всем знакомый продукт, который применяется в самых разнообразных ситуациях, чем он и ценен для современных строителей. Но, несмотря на повсеместное применение, физические и химические свойства МП в затвердевшем состоянии широко не представлены.

Цель нашей работы:

исследование физических и химических свойств твердой монтажной пены, полученной из баллона с жидкой монтажной пеной.

Задачи:: определить плотность отвердевшей МП; дать характеристику гигроскопичности, горючести, теплопроводности, электропроводности, экологичности, механической прочности, адгезионной способности МП; оценить стойкость пены к агрессивной среде и к воздействию света.

2.Основная часть

2.1 Состав и свойства МП: Монтажная, она же полиуретановая пена — это вязкая саморасширяющаяся масса, застывающая под воздействием влаги, содержащейся в воздухе [1]. Технологический процесс завершающего производства монтажной пены представляет собой поочередное дозированное введение в аэрозольный баллон компонентов саморасширяющейся пенополиуретановой массы для создания предполимера, непосредственно готового к использованию. Входящий в состав монтажной пены дифенилметандиизоцианат требует специальных мер предосторожности во время работы, так как раздражает кожу, слизистые оболочки и органы дыхания при вдыхании большого количества паров. В затвердевшем состоянии монтажная пена нетоксична. Монтажной пене присущи ценные физические и химические свойства, которыми обладают строительные материалы. Монтажная пена – это пенополиуретановый герметик. Пена состоит из двух основных компонентов: изоцианата и полиола, получаемых из сырой нефти.

Изоцианаты – эфиры изоциановой кислоты, R - N == C ==O, где R алифатический, ароматический, алкил – ароматический или гетероциклический радикал [2]. Изоцианаты – бесцветные или слабоокрашенные жидкости. В зависимости от числа NCO – групп в молекуле (одна, две, три и более). Они делятся на моно-, ди-, три и так далее изоцианаты. Изоцианаты характеризуются высокой реакционной способностью. Они легко взаимодействуют с соединениями, содержащими подвижный атом водорода.

Изоцианаты могут димеризоваться и тримеризоваться.

Полиол – представляет собой гидроксилсодержащую жидкость, в состав которой входят различные соединения [3]. Это эмульгаторы, полиэфиры, реагенты, благодаря которым происходит вспенивание и стабилизация. Цвет полиола колеблется от светло – желтого до темно – коричневого. Реакция двух жидких веществ – полиола и изоционата – в итоге дает пенополиуретан. Химический состав монтажной пены, которую мы исследовали

O=C=N-C₆H₄ –CH₂ -C₆ H₄ – N=C=O ( 4,4 дифенилметандиизоцианат)

При производстве пены используют различные вспомогательные средства: катализаторы, вспениватель, стабилизаторы и другие.

Для исследования были взяты образцы пены, полученные из баллонов фирм BAU MASTER весом 1,05 кг с выходом пены до 65 литров и PENOSIL весом 1,05 кг выходом пены 65 литров [фото 1].

2.2 Определение плотности. Взят образец пены призматической формы площадью 20[см²]; объемом 50[см³] [фото 3]. Масса данного образца, измеренная на чашечных весах [фото 4]., оказалась равна 3,5[г]. Плотность образца, рассчитанная по формуле ρ = m / v, равна 0,071[г/см³] или 71[кг/м³].

2.3 Определение гигроскопичности. После выдержки образца в воде комнатной температуры (20⁰С) в течение 10 минут [фото 5], масса образца (m_обр.) стала равна 4 [г], следовательно, масса поглощенной образцом воды 0,5г.. Через сутки выдержки в воде m_обр. стала 5г.(m_воды 1,5 г). При дальнейшем нахождении в воде масса образца не увеличивалась, следовательно, больше влага образцом не впитывалась. После выдержки образца в горячей воде в течение 10 минут его масса стала равна 5г. Через сутки выдержки образца в горячей воде его масса стала равна 7г. Через двое суток выдержки масса образца стала 8г. При дальнейшем наблюдении увеличения массы образца мы не зафиксировали. Следовательно, данная МП обладает некоторой гигроскопичностью,

2.4 Исследование термостойкости МП. При действии пламени спиртовки с температурой более 200⁰С образец горит [фото 6], но после выноса из пламени мгновенно гаснет. Пена при горении обуглилась. При воздействии на образец меньшей температуры обугливания не наблюдается. Горение пены сопровождалось копотью, что указывает на непредельный характер веществ, входящих в состав МП .

2.5 Исследование воздействия концентрированной и разбавленной серной и соляной кислоты на пену.

В фарфоровые чашки положили по одинаковому образцу монтажной пены. В одну из них прилили концентрированную серную кислоту, а в другую концентрированную соляную кислоту. В две другие чашки прилили разбавленные серную и соляную кислоты. Через два часа образцы проверили и обнаружили, что с монтажной пеной находящейся в разбавленной серной и соляной кислотах, никаких изменений не произошло. А пена, которая была в концентрированных кислотах, стала мягкой и ее легко можно было разрушить [фото7]. В чашке с концентрированной серной кислотой пена почернела сильнее, чем в чашке концентрированной соляной кислотой.

Вывод: под воздействием концентрированных кислот (серной и соляной) в течение более двух часов МП теряет упругие свойства, становится киселеобразной. Более сильное воздействие оказывает концентрированная серная кислота.

Монтажная пена является относительно кислотоупорным, стойким к агрессивной среде, материалом. Так как, если в атмосфере и выпадают кислотные дожди, то в них невелика концентрация кислоты и они не окажут никакого влияния на свойства пены.

2.6 Исследование теплопроводности. Для проведения исследования применялся электронный термометр ТЭН – 5 [фото8]. Сущность исследования заключалась в сравнении теплопроводящих свойств МП с аналогичными свойствами некоторых других теплоизолирующих материалов (пенопласт, полиэтилен и ватин). При помещении электронного термометра в открытом виде на 5 минут в бытовую морозилку при температуре в помещении 22⁰С показания термометра изменились от +22 до -14^oС. При обертывании датчика термометра полиэтиленовым пакетом и внесении его в ту же самую морозильную камеру, через 5 минут показания термометра изменились от +22 до -5^оС. При обертывании датчика в ватин толщиной 2 см и внесении его в морозилку на 5 минут показания термометра изменились от +22 до +10,7^оС. При помещении датчика в пенопластовый контейнер толщиной 2 см и внесении в камеру на это же время показания термометра изменились от +22 до +8^оС. При помещении датчика в контейнер из пены толщиной 2см [фото 9] изменения температуры составили от +22 до +8^оС. По результатам проведенного исследования можно сделать вывод: МП по своей теплопроводности аналогична пенопласту и близка ватину, то есть является хорошим теплоизолирующим материалом.

2.7 Исследование электропроводности. При подведении к электродам, помещенным в пену на расстоянии 1 мм друг от друга, постоянного напряжения в 24В, показания миллиамперметра, включенного в цепь были равны нулю. Следовательно, МП электропроводностью не обладает, является диэлектриком.

2.8 Исследование электростатических свойств. При электризации трением о шерсть МП приобретает положительный электрический заряд.

2.9 Определение альдегида. К выжимке из образца пены прибавили гидроксид меди (II) и нагрели, но не увидели ни желтого, ни красного осадка, доказывающего наличие альдегида [4] в данной пене [фото 10]. Значит, в состав монтажной пены альдегиды не входят.

2.10 Исследование механических свойств. Взят образец пены призматической формы толщиной 1,7см и площадью верхней поверхности 35см² [фото 11]. При воздействии на него нагрузки ~ 40[Н] заметной деформации не наблюдается. При нагрузке 80[Н] деформация составила 1мм. При нагрузке ~ 500[Н] и давлении соответственно 143[кН/м²] относительная деформация составила 0,06 или 6% [фото 16]. При испытании образца призматической формы размерами 6х6х9 см в школьном гидравлическом прессе [фото 12]. выяснилось, что потеря упругости пены происходит при давлении 7 кгс/см² (0,7 МПа). Вывод: МП обладает сравнительно хорошей упругостью и значительной механической прочностью для теплоизоляционного материала.

2.11 Определение фенола.

Наличие фенола определяется добавлением к выжимке из образца пены раствора хлорида железа (III), Если бы в составе пены был фенол, то раствор стал бы фиолетовым[5]. Эту окраску мы увидели, проводя опыт с таблеткой «парацетамола». Кусочек монтажной пены на сутки поместили в воду, после чего из образца сделали выжимку, к которой затем прилили раствор хлорида железа (III), и характерного фиолетового окрашивания не обнаружили [фото 13]. Далее на предметное стекло налили раствор хлорида железа (III). Сверху на этот раствор выпустили немного свежей пены из баллона. Характерного изменения окраски не наблюдали. Это доказывает, что в данном образце пены нет фенола – вещества, вредного для человека.

2.12 Исследование адгезионных свойств МП.

Для проведения исследования на деревянную, чугунную и полиэтиленовую поверхности, одни из которых были сухими, а другие смоченными водой, были выпущены из баллона небольшие шарики пены примерно одинакового объема . Через 3 часа к этим шарикам была приложена статическая нагрузка на отрыв [фото 14]. Результаты исследования приведены в таблице

Выводы: адгезионная способность МП на смоченных поверхностях гораздо выше, чем на сухих; на поверхностях из разных веществ адгезионная способность пены разная; на полиэтиленовой поверхности адгезионные свойства пены практически не проявляются.

Еще одно важное замечание: МП боится воздействия ультрафиолетовых лучей. При длительном нахождении в открытом виде на свету изменяется цвет, структура и свойства пены [фото 15].

2.13 Исследование воздействия условий окружающей среды на свойства МП.

Образец монтажной пены сразу после выхода из баллона имеет чисто белый цвет. На открытом воздухе через несколько суток цвет пены уже заметно изменяется – становится сначала бледно – желтым, а затем все более темным.

На фото 16 представлен образец пены, в течение двух лет находившейся под воздействием прямых солнечных лучей. Поверхность такой пены начинает самопроизвольно крошиться, превращаясь в пыль коричневого цвета. Но меняется не только поверхность. По всей толщине образца пена становится хрупкой, ломкой, в отличие от пены, находящейся в течение двух лет в тени.

Мы обследовали образец МП, покрашенный 2 года назад масляной краской. Поверхность образца не выкрашивается, и по толщине образца пена сохранила свои упругие свойства.

Следовательно, солнечный свет, в составе которого есть УФИ, оказывает разрушительное воздействие на МП. Для увеличения долговечности пены ее поверхность необходимо покрывать каким-либо защитным слоем, не пропускающим солнечный свет (краской, штукатуркой, замазкой) [7].

2.14 Исследование продуктов горения.

При сжигании образца пены в пламени спиртовой горелки образуется удушливый дым. Собрав часть образовавшегося дыма в перевернутую колбу, мы прилили в нее водный раствор нитрата серебра для обнаружения в продуктах горения ионов хлора. Так как молочного окрашивания мы не обнаружили, делаем вывод: в составе продуктов горения, образовавшихся из монтажной пены, ионов хлора нет. При изучении запаха остаточных продуктов горения пены мы почувствовали запах миндаля, что характерно для цианистой кислоты и ее производных. Следовательно, продукты горения монтажной пены являются ядовитыми для человека.

После данных исследований с образцом пены BAUMASTER мы повторили опыты с образцом МП PENOSIL. Проведя исследования аналогичные приведенным выше, мы выяснили, что физические и химические свойства данной пены аналогичны свойствам пены BAUMASTER.

3.Заключение

Существует несколько подвидов монтажной пены: профессиональная, полупрофессиональная, бытовая в двух вариантах – зимняя и летняя. Исследованная нами МП является летней профессиональной. Физические и химические свойства МП других подвидов могут несколько отличатся от свойств данной пены. При наличии финансовых возможностей изучение свойств пены других подвидов будут продолжены.

Пена монтажная имеет перспективы использования благодаря малой горючести (пожарная безопасность), экологически (отсутствие в составе фенолов, альдегидов), кислотоупорности (противодействие агрессивным средам). Низкая теплопроводность позволяет добиться экономии топлива при обогреве зданий. Сравнительно высокая механическая прочность дает возможность введения пены в строительные конструкции без потери их надежности. Низкая стоимость (~ 6 руб./дм³) обеспечивает экономию денежных средств при проведении строительства и ремонта зданий. Простота в использовании позволяет экономить время работы. Вполне возможно, полезные свойства монтажной пены используются человеком не в полной мере. Дальнейшее изучение свойств МП может позволить человеку полнее использовать этот перспективный материал.

4.Литература

1. abakandialstroy.ru/Montachnai_pena/BAUMASTER_montagh_/

2. blog. i. uauser/3435771/57515/.

3. element – pena, ruvse – o – montazhnoy – pene.

4. www.astraunion.com/продукция/пены/bau-master/

5. www.baumaster.su/pages/foams/montage_foams_profy_win_pistol.htm

6. www vashdom. ru/articles/m_pena. htm.

7. Саундерс Дж. Х., Фриш К. К., Химия полиуретанов, пер. с. англ., М., 1968

8. Современные методы синтеза мономеров для гетероцепных волокнообразующих полимеров. Сб. ст. под ред. Л. И. Кнунянца, М., 1961.

8