Методы получения изделий из вспененных полимеров

Одним из достоинств полимеров является простота их переработки в изделия. Поэтому невыгодно отдельно получать пенопласт, а затем из него изготавливать изделие, целесообразнее вспенивать изделие при его получении.

Существует большое количество методов и разновидностей получения пенопластовых изделий. Из них можно выделить три наиболее распространенных:

1) экструзия,

2) литье при низком давлении,

3) вспенивание в форме.

Экструзионный метод. Сущность метода заключается в том, что вспенивание происходит за счет снижения давления при выходе полимера из головки экструдера. В качестве источников вспенивающего газа при таком методе могут использоваться сжатый газ, легкокипящая жидкость и ХГО.

По этому методу гранулы полимера подают в бункер червячного экструдера. Сюда же подается газообразователь (ГО). Метод подачи ГО зависит от его типа.

ХГО в виде высокодисперсного порошка дозируют в бункер экструдера вместе с гранулами полимера, где он нагревается, диспергируется в расплаве полимера и частично разлагается. Под давлением, создаваемым экструдером, выделяющийся газ растворяется в полимере. Может произойти незначительное вспенивание полимера. При выходе из головки экструдера в атмосферу давление расплава резко снижается, из-за чего растворимость газа падает, и он вспенивает полимер. Скорость разложения ХГО с уменьшением давления увеличивается. Поэтому при вспенивании идет образование новых количеств газа за счет продолжающегося разложения оставшегося ХГО. На выходе из экструдера, как правило, устанавливается холодная калибрующая головка, ограничивающая степень вспенивания и придающая форму вспененному профилю. Поверхность расплава, соприкасающаяся с холодными стенками калибрующей головки, затвердевает, сохраняя тем самым форму профиля. Дальнейшее охлаждение профиля и фиксацию ячеистой структуры производят холодной водой или воздухом. Получаемый профиль отводится от экструдера при помощи тянущего устройства. Таким методом получают листы, жгуты, трубы и другие профильные вспененные изделия.

По аналогичному механизму происходит вспенивание полимера и в случае использования в качестве газообразователей растворенного под давлением газа или легкокипящей жидкости. Легкокипящую жидкость (как правило, хлорорганическое соединение, хладоны) или газ (азот) подают в экструдер под давлением в ту зону экструдера, где полимер уже находится в вязкотекучем состоянии. Газ или испарившаяся жидкость растворяются в расплаве полимера под давлением, создаваемым экструдером. При выходе из экструдера давление снижается, происходит зарождение и рост газовой фазы, и вспенивание расплава полимера. Далее следует калибровка и охлаждение (фиксация) вспененного изделия.

Литье при низком давлении. Сущность метода заключается в том, что в форму впрыскивают определенную порцию разогретого, насыщенного газом и сжатого до определенного давления полимера. В результате происходящего при этом снижении давления полимер вспенивается, вследствие чего заполняет форму до создания в ней небольшого давления. В форме происходит фиксация пены и конфигурации изделия за счет охлаждения ниже температуры текучести или за счет химического сшивания. Для этого термопласты впрыскивают в холодную форму, а реактопласты – в горячую.

Газообразователями в этом методе могут служить ХГО, легкокипящие жидкости и газ, растворенный под давлением. Подготовку полимера к впрыску (его разогрев, насыщение газом, сжатие), чаще всего производят в экструдере, так как это описано выше. Происходящие при этом процессы описаны ранее. Впрыск расплава в форму осуществляется за счет поступательного движения шнека в материальном цилиндре экструдера, или за счет вращения шнека.

При невысокой вязкости расплава полимера его подготовка (насыщение газом) может быть осуществлено и в реакторе с мешалкой. Впрыск расплава в формующую полость, в этом случае, может быть осуществлен передавливанием полимера давлением газа.

Вспенивание в форме. Это наиболее универсальный, но низкопроизводительный метод изготовления вспененных изделий. По этому методу в форму помещают гранулы, или порошок полимера, или олигомер, или форполимер, содержащий газообразующие добавки. Газообразующими веществами могут быть: легколетучая жидкость, растворенная в полимере, или ХГО, или двухкомпонентный газообразователь. Газообразующие добавки предварительно вводят в полимеры на смесителях различного типа (вальцах, роторных или червячных смесителях, шаровых мельницах и т.д.). При дальнейшем разогреве композиции о стенки формы происходит выделение газа и вспенивание полимера. В результате вспененная композиция расширяется и заполняет форму. Если полимер реактопластичный, то в следствие нагрева происходит его отверждение по поликонденсационному, либо по радикальному механизму. Термопластичные полимеры после вспенивания охлаждают вместе с формой. Затем извлекают изделие из формы.

Получившие широкое применение в строительстве плиты из пенополистирола и полуформы для упаковки электронного оборудования изготавливают по такой технологии. Вспениванию подвергают гранулы полистирола, содержащие в качестве вспенивающего агента легколетучую жидкость (изопентановую углеводородную фракцию).

Похожим образом заполняют пенопластом пустоты в различных строительных или других конструкциях. Обычно для этого используют низковязкие олигомерные композиции, способные заполнять емкость за счет течения под действием силы тяжести. Если вспенивание и отверждение композиции должно происходить без изменения температуры и давления (при атмосферном давлении и комнатной температуре), то используют двухкомпонентные вспенивающие добавки. Время жизни таких композиций невелико, поэтому смешение компонентов ведут непосредственно перед заливкой в специальных смесительных головках. Смешение компонентов в таких головках происходит за счет турбулентного течения подаваемых жидкостей. Для предотвращения вспенивания вне формы приготовление композиции часто ведут в автоклаве при небольшом давлении.