Применение пенополистирола

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

В общем случае в исходный олигомер или полимер вводят обыч­но несколько добавок, способствующих получению пенопласта задан­ного качества. Это может быть: жидкий, твёрдый и (или) газообразный порообразователъ (вспенивающий агент), ПАВ, катализатор, ускори­тель или ингибитор протекающих химических реакций, сшивающий агент, антиоксидант, светостабилизатор, антистатик, наполнитель (усиливающий, токопроводящий или др.), пластификатор, разбавитель, краситель или пигмент, мономерный или полимерный модификатор и др. Создаются комбинированные пенопласты из смесей полимеров, в том числе с керамическим порошком, цементом, растворимым стек­лом, измельчёнными отходами древесины.

Основные принципы переработки пластмасс в изделия (формова­ние изделий) достаточно просты. В подавляющем большинстве случа­ев это подача расплава в форму, где расплав затвердевает либо в ре­зультате охлаждения (термопласты), либо в результате химического сшивания (реактопласты). Подача расплава в форму может быть пе­риодической (литьё, прессование и т. п.) либо непрерывной (экструзия, каландрование и т. п.). В первом случае материал формуется, находясь в форме, а во втором - проходя через форму.

При производстве вспенивающегося полистирола (ВПС) основ­ными являются способы суспензионной полимеризации и полимериза­ции в массе. Наиболее современным и эффективным является второй способ получения ВПС. Помимо того, что полимеризация в массе яв­ляется более экономичным способом производства, качество конечной продукции очень сильно отличается. Вспенивающий полистирол, про­изведенный методом полимеризации в массе, позволяет изготавливать более качественную и сложную продукцию [25, 55, 62].

Полимеризация в массе. Метод производства полистиролов по­лимеризацией в массе с неполной конверсией мономеров является в настоящее время одним из наиболее распространённых в силу высоких технико-экономических показателей. В отечественной промышленно­сти метод полимеризации в массе был выбран в качестве преимущест­венного в 1970-х гг., и в настоящее время по этому методу выпускает­ся около 50% продукции. Этот метод имеет оптимальную схему тех­нологического процесса. Процесс осуществляется по непрерывной схеме в системе последовательно соединенных 2-3 аппаратов с ме­шалками; заключительную стадию процесса часто проводят в аппарате колонного типа. Начальная температура реакции 80 ... 100 °С, конеч­ная 200 ... 220 °С. Полимеризацию прерывают при степени превраще­ния стирола 80 ... 90%. Непрореагировавший мономер удаляют из расплава полистирола под вакуумом, а затем водяным паром до со­держания стирола в полимере 0,01 ... 0,05%. В полистирол вводят ста­билизаторы, красители, антипирены и другие добавки и гранулируют. Блочный полистирол отличается высокой чистотой. Эта технология наиболее экономична (в ней отсутствуют операции промывки, обезво­живания и сушки мелкодисперсных продуктов) и практически безот­ходна (непрореагировавший стирол возвращается на полимеризацию). Проведение процесса до неполной конверсии мономера (80 ... 90%) позволяет использовать высокие скорости полимеризации, контроли­ровать температурные параметры, обеспечивать допустимые вязкости полимеризуемой среды. При проведении процесса до более глубоких степеней превращения мономера затрудняется отвод тепла от высоко­вязкой реакционной массы, становится невозможным вести полимери­зацию в изотермическом режиме. Эта особенность процесса полиме­ризации в массе привела к тому, что все большее внимание уделяется другим способам производства, и, в первую очередь, суспензионному методу [25, 29, 34, 36, 55, 79, 88].

Суспензионная полимеризация. Полимеризация в суспензии - конкурирующий технологический процесс, который развивается па­раллельно с полимеризацией в массе, основан на малой растворимости виниловых мономеров в воде и на нейтральности последней в реакци­ях радикальной полимеризации. Процесс используется для получения продукта специальных марок пенополистирола. Суспензионный метод производства - полунепрерывный процесс - характеризуется наличи­ем дополнительных технологических стадий (создание реакционной системы, выделение полученного полимера) и периодическим исполь­зованием оборудования на стадии полимеризации. Процесс проводит­ся в реакторах объёмом 10 ... 50 м3, снабжённых мешалкой и рубаш­кой. Стирол суспендируют в деминерализованной воде, используя ста­билизаторы эмульсии; инициатор полимеризации (органические пе­роксиды) растворяют в каплях мономера, где и происходит полимери­зация. В результате образуются крупные гранулы в суспезии полимера в воде. Полимеризацию ведут при постепенном повышении темпера­туры от 40 до 130°С под давлением в течение 8 ... 14 часов. Из полу­ченной суспензии полимер выделяют центрифугированием, после чего его промывают и сушат. Закономерности суспензионной полимериза­ции близки к закономерностям полимеризации в массе мономера, но существенно облегчены теплоотвод и перемешивание компонентов системы [55, 79, 88, 89].

Среди многообразия способов переработки полистирола в пено - пласты можно выделить следующие основные [20, 25, 29, 34, 36, 37, 44, 50, 55, 60, 61].

Прессование - это пластическая деформация материала при дей­ствии на него давления и последующей фиксации формы изделия.

Прессовым методом пенополистирол изготавливают на основе эмульсионного полистирола. В качестве порообразователя применяют порофор. На 100 частей полистирола берут 2 - 5 частей (по массе) порофора. Производство пенополистирола прессовым методом начина­ют смешивая полимер с газообразователем в шаровой мельнице, снаб­жённой рубашкой охлаждения, в течение 12 ... 24 ч до получения одно­родной смеси. Приготовленную композицию прессуют на гидравличе­ских прессах в закрытых пресс-формах при температуре 120 ... 180 °С и давлении 12 ... 20 МПа. При этом частицы полимера сплавляются в монолитную массу, а газообразователь разлагается.

Выделяющиеся газы частично растворяются в полимере, образуя насыщенный раствор, а избыток газа распределяется равномерно в нём в виде мельчайших ячеек. После выдержки заготовку охлаждают и извлекают из пресс-формы. Опрессованные заготовки вспенивают при температуре 100 . 105 °С в среде насыщенного водяного пара. Состав

Композиции для производства прессового пеноплистирола приведён в табл. 1 [36].

Пенопласт можно получать с различной плотностью в зависимо­сти от количества вводимого в смесь газообразователя.

Различают следующие виды прессования:

- холодное прессование (процесс идёт без нагревания);

- компрессионное (прямое) прессование осуществляется в пресс-формах, конфигурация полости которых соответствует форме изделия. Для снижения вязкости материала перед подачей давления или осуществления фиксации формы изделия за счёт реакции отвер­ждения необходим нагрев;

- литьё под давлением заключается в нагревании материала до вязкотекучего состояния и передавливании его в закрытую литьевую форму, где материал приобретает конфигурацию внутренней полости формы и затвердевает.

Прессовым методом получают пенополистирол на основе эмуль­сионного полистирола и различных органических газообразователей (порофора). На их основе разработаны следующие типы пенопластов: ПС-1, ПС-2, ПС-4, ПС-5, ПС-18, ПС-254 и ПС-БСГ [12, 25, 34, 36, 55].

Беспрессовый метод получения пенополистирола заключается в вспенивании не отдельного блока (заготовки), а небольших гранул с последующим их спеканием (склеиванием). Технологический процесс производства осуществляется в следующем порядке. Пенистый поли­стирол, полученный полимеризацией стирола суспензионным спосо­бом в присутствии инициатора и легколетучего порообразователя, подвергают предварительному вспениванию путём нагрева гранул до 100°С в кипящей воде, паром или смесью пара с воздухом. Следующим этапом получения пенополистирола является подсушива­ние вспененных гранул на открытом воздухе и выдерживание их в те­чение 24 ч. Окончательное вспенивание производят несколькими спо­собами: в формах при действии пара; в автоклавах; в формах, которые проходят через посты загрузки, прогрева, остывания и извлечения из­делий; между движущимися непрерывными лентами, образующими прямоугольный канал для вспенивания; методом совмещённого фор­мования в массивной форме, в которую подают острый пар. Рецептура получения беспрессового пенополистирола приведена в табл. 2 [36].

2. Состав реакционной смеси гранул для получения беспрессового пенополистирола ПСБ-С

Экструзия (от позднелат. вх^ияю - выталкивание) - это техноло­гический процесс получения изделий неограниченной длины продавли - ванием расплава полимера через формующую головку с каналами необ­ходимого профиля с последующим охлаждением, калиброванием и т. д. Основным технологическим оборудованием для переработки полимеров в изделия методом экструзии являются одночервячные, многочервяч­ные, поршневые и дисковые экструдеры [6, 22, 31, 55, 86, 95].

Виды экструзии:

- холодная экструзия - возможны только механические измене­ния в материале вследствие медленного его перемещения под давлени­ем и формованием этого продукта с образованием заданных форм;

- тёплая экструзия - сухие компоненты сырья смешивают с определённым количеством воды и подают в экструдер, где, наряду с механическим, его подвергают ещё и тепловому воздействию (продукт нагревается извне), получаемый экструдат отличается небольшой плот­ностью, незначительным увеличением в объёме, пластичностью, а также ячеистым строением. Иногда экструдат необходимо подсушивать;

- горячая экструзия - процесс протекает при высоких скоростях и давлениях, значительном переходе механической энергии в тепло - вую, что приводит к различным по глубине изменениям в качествен­ных показателях материала. Кроме того, может иметь место регули­руемый подвод тепла как непосредственно к продукту, так и через на­ружные стенки эктрудера. Массовая доля влаги в сырье при горячей экструзии составляет 10 ... 20%, а температура превышает 120 °С. В таблице 3 приведён состав композиции для производства пенополи - стирола методом экструзии [85, 88].

Композицию экструдируют со скоростью 60 кг/ч, температура вспенивания 130 ... 140°C.

Применение экструзии позволяет нагревать, пластифицировать, гомогенизировать и придавать необходимую форму исходному сырью, химический состав конечного продукта при этом идентичен химиче­скому составу исходного сырья, что позволяет добиваться стабильного качества продукта, прибегая при этом к минимальному количеству настроек экструдера. Этим объясняется относительная простота ма­шин, работающих в химической промышленности. При этом, имея определённые фильеры, можно выпускать различной формы изделия неограниченной длины.

Пример такого пенополистирола: экструзионный пенополистирол Styrodur фирмы "BASF AG"; "ПЕНОПЛЕКС" - фирма "КИНЭКС СПб" (г. Санкт-Петербург); а также "ТЕХНОПЛЕКС", "ЭКСТРОЛ", "XPS URSA" и др., которые производят различные корпорации в нашей стране [79, 80, 86, 87, 93, 96].

Литьё без давления - это объединение в одном технологическом процессе синтеза полимера и его переработки при приложении незна­чительного давления, создаваемого насосами.

Пенопласты также можно получать вспениванием непосредст­венно в самих конструкциях (например, в конструкции несъёмной опалубки из пенополистирола). Для вспенивания материала использу­ются различные технологические методы перемешивания: механиче­ское перемешивание, барботирование с введением пенообразователей, наполнение исходной смеси материала газом под давлением, с даль­нейшим понижением давления [25, 36, 50, 62].

Ещё одним методом получения пористых материалов является вымывание из монолитного полимерного образца растворимого поли­мера. По своим свойствам похожи на пенопласт газонаполненные пла­стмассы, которые получают при применении полых наполнителей, таких, как заполненные газом сферические микрокапсы.

В качестве добавок к пенопластам используют многочисленную группу специальных веществ, существенно влияющих на свойства. Раз­личают светостабилизирующие добавки, антиоксиданты, огнезащитные добавки или антипирены, антистатики, антислипы, скользящие добавки, антиблоки, нуклеаты, модификаторы и др.

Антиоксиданты вводят в полимер во время экструзии или литья под давлением для предотвращения термоокисления в процессе пере­работки и для замедления деструкции во время хранения и эксплуата­ции изделия. Также данные добавки применяют и для защиты полиме­ра при работе в агрессивных средах. Действующее вещество - смесь соединений фенолов и фосфидов.

Антипирены делают полимеры негорючими. Специальные анти­пирены используют для производства негорючих плёнок, листов и литьевых изделий.

Скользящие добавки служат, своего рода, внутренней смазкой в полимере. Они уменьшают вязкость расплава, ощутимо повышают производительность экструзии. И в то же время делают поверхность плёнок и других полимерных изделий более гладкой, блестящей и глянцевой. Они уменьшают коэффициент трения готовых изделий. Действующие вещества - производные высших жирных кислот [25, 36, 50, 62].

При введении в пенополистирол различных наполнителей полу­чают следующие материалы: пенополистиролцемент - материал, раз­работанный фирмой "ВА8Р" в 1952 г., который на 70% состоит из гра­нул полистирола и на 30% из поризованного цемента; пенополисти - ролбетон - в состав входят пенополистирольные гранулы плотностью 25 ... 35 кг/м3 и пенобетон, включающий неорганическое вяжущее, мелкий заполнитель и пенообразующий компонент; композиционный пенопласт на основе битума и пенополистирола, который относится к вспенивающимся заливочным пенопластам, в его состав входят вспе­нивающийся полистирол марки ПСБ и нефтяные битумы БН-1У, БН-У [11, 12, 22, 62].