Методы вспенивания полимеров газом, образующимися непосредственно в объеме композиции

Вспенивание газом, растворенным в полимере под давлением. Сущность метода состоит в том, что жидкий (расплавленный) полимер предварительно насыщается газом за счет создания высокого давления. Для ускорения растворения газа процесс ведут при перемешивании полимера. Низковязкие олигомеры и форполимеры перемешивают в автоклавном реакторе, а высоковязкие полимеры насыщают газом в шнековых смесителях (экструдерах). Количество растворенного газа регулируют давлением и температурой. Затем насыщенный газом полимер вспенивают за счет снижения давления. Вспенивание можно производить непосредственно в автоклаве или в отдельном объеме (в форме), после передавливания туда полимера. Затем или одновременно с формированием пены ее фиксируют путем охлаждения полимера о стенки формы (для термопластов), либо отверждением олигомера химическим путем (для реактопластов) за счет выдержки в нагретом состоянии.

В качестве вспенивающего газа по этому методу может использоваться любой относительно безопасный газ или пары любой жидкости, ограниченно растворимой под давлением в полимере. В качестве газа чаще всего используют безопасный азот или хладоны.

Степень вспенивания (плотность пенопласта) регулируют количеством растворенного газа или величиной перепада давления. При передавливании расплава в форму степень вспенивания можно регулировать еще и путем изменения соотношения объемов загружаемого в форму расплава и формующей полости. Размер газовых ячеек регулируют скоростью сброса давления.

Вспенивание за счет растворенной в полимере легколетучей жидкости. По этому методу в полимере предварительно растворяют несколько процентов низкомолекулярной легколетучей жидкости. Температура кипения жидкости должна быть немного ниже температуры перехода полимера в вязкотекучее состояние. Растворение проводят либо путем набухания твердого полимера (порошка или гранул) в жидкости, либо жидкость вводят в мономер на стадии получения полимера. При последующем нагревании полимера, согласно закону Генри, растворимость жидкости в полимере снижается, в результате чего образуется пересыщенный раствор. Пересыщенный раствор существует до температуры перехода полимера в вязкотекучее состояние. При достижении этой температуры происходит расслоение раствора на газ и жидкость с выделением пузырьков газовой фазы. Происходит вспенивание полимера. Затем вспененный полимер отверждают охлаждением или "сшивания" макромолекул.

Наиболее широкое промышленное использование этот метод нашел для получения пенополистирола. В качестве легколетучей жидкости для вспенивания ПС чаще всего используется изопентановая углеводородная фракция.

Вспенивание за счет термического разложения специально вводимых в полимер твердых газообразователей. В качестве газообразователей в этом методе используются термически неустойчивые твердые химические соединения, которые при нагревании разлагаются с образованием инертных газообразных продуктов. Эти вещества получили название химические газообразователи (ХГО). Температура разложения этих веществ близка к температуре текучести или отверждения полимера. Для получения вспенивающейся композиции ХГО в виде высокодисперсного порошка распределяют равномерно в объеме полимера, олигомера или форполимера путем смешивания или перетирания компонентов. При нагревании такой композиции происходит разложение частиц газообразователя с выделением газа. Образующийся газ растворяется в полимере с образованием пересыщенного раствора, а затем начинает выделяться в газовую фазу. В результате происходит вспенивание олигомера или вязкотекучего полимера. Затем или одновременно полученную пену фиксируют (отверждают) одним из известных методов.

Рис. Зависимость плотности пенопласта от количества газообразователя.

При таком способе вспенивания твердые частичка газообразователя могут являться одновременно и центрами зарождения новой газовой фазы. В этом случае образующийся газ может попадать в растущую газовую ячейку, минуя стадию растворения в полимере. Степень вспенивания полимера определяется количеством газообразователя (рис.).

Этот метод вспенивания является сравнительно дорогостоящим из-за высокой стоимости вспенивающих агентов. Но вместе с тем он является наиболее универсальным, пригодным для очень широкого класса полимеров, олигомеров и формолимеров. Кроме того, его достоинствами являются: большие возможности по регулированию структуры пенопласта, сравнительно несложное аппаратурное оформление процесса. Благодаря этому он нашел наиболее широкое промышленное применение из всех перечисленных методов получения газонаполненных полимеров.

Технологические приемы введения газообразователя в полимер и вспенивания композиции весьма разнообразны и будут рассмотрены ниже.

Вспенивание за счет газов, выделяющихся при взаимодействии компонентов полимерной композиции. Этот метод нашел применение при вспенивании полимеров или полимерных композиций, получаемых смешением нескольких компонентов. Газообразование и вспенивание идет непосредственно в процессе полимерообразования или получения композиции. Например, при синтезе поликонденсационных полимеров (полиуретанов, карбамидоформальдегидных или фенолформальдегидных смол), при отверждении олигомеров (эпоксидных, кремнийорганических), при введении пластификатора в полимер (ПВХ пластикаты, этролы). При таком методе получения полимеров имеется возможность получения газа за счет химической реакции двух веществ, например, металла и кислоты, или воды и изоцианата. Эти вещества предварительно вводят в компоненты, образующие полимер или композицию. При последующем смешении компонентов эти вещества реагируют с образованием газа, который вспенивает образующийся полимер или композицию. Газообразующими компонентами могут быть и мономерные компоненты полимера, если при их взаимодействии образуется газ.

Наиболее широкое промышленное применение этот метод нашел для различных пенополиуретанов, получаемых взаимодействием диизоцианатов с полиэфирдиолами. Для этого в полиэфир предварительно вводят небольшое количество воды. При последующем смешении полиэфира с диизоцианатом одновременно идет образование полиуретана и выделение газа за счет реакции изоцианатных групп с водой:

R – N=C=O + H₂O = R-NH₂ + CO₂

В результате образуется вспененный пенополиуретан. Степень вспенивания регулируется количеством компонентов газообразования. В этом случае очень важно согласование скоростей полимеризации (возрастания вязкости) и газообразования.