книги из ГПНТБ / Павлов В.А. Пенополистирол

Днамид азодикарбоновой кислоты (азодикарбопамид) — кристаллическое вещество лимонно-желтого цвета плотностью 1,66 г/см3, не растворимое в холодной и трудно растворимое в горячей воде. Температура раз­ ложения —170° С; может быть снижена со 170 до 140° С добавлением карбамида. При разложении выделяются азот, аммоний и оксампд в виде твердого остатка.

1,4 г/см3, слабо растворимое в органических растворйтелях (лучше растворяется в горячем спирте и ацетоне) и практически не растворимое в бензине. Под действием концентрированных минеральных кислот он разлагается со вспышкой. Для снижения чувствительности к механи­ ческим воздействиям и повышения стойкости при хране­ нии его стабилизируют маслами, пластификаторами или полимерами. Разложение этого газообразователя про­ исходит при 150—180° С (рис. 1.3). Наиболее равномер­ ное газовыделение происходит при 160° С. Температура разложения снижается при добавлении органических кислот (салициловой или стеариновой). При разложе­ нии выделяется азот, появляются следы формальдегида и метиламина, который придает изделиям характерный запах, остающийся после вспенивания; его молено устра­ нить добавлением карбамида (с глицерином).

20

Правильный подбор газообразователя влияет на ка­ жущуюся плотность пенополистирола. Так, используя динитрил азо-бис-изомасляной кислоты, получают пено­ пласт с кажущейся плотностью ^0,06 г/см3. При ис­ пользовании смеси порофора ЧХЗ-57 с карбонатом аммония и добавкой этилового спирта получают пено­ пласт с кажущейся плотностью ^0,04 г/см3, однако структура такого пенопласта зачастую неоднородна.

Для получения по прессовому методу пенополистиро­ ла с равномерной ячеистой структурой необходимо, чтобы температура плавления полимера была ниже тем­ пературы, при которой происходит разложение газооб­ разователя. Сплавление эмульсионного полистирола в монолитную массу под давлением происходит при 90— 100° С, а при температурах выше 170° С полимер приоб­ ретает высокую пластичность и не удерживает газ.

Рис. 1.3. Кинетика разложения М.М'-дииитрозоментамелнтен- тетрамина.

В 30 70 НО WO 190 Время, мин

Поэтому необходимо, чтобы температура разложения газообразователей для пенополистирола лежала в ин­ тервале ПО—170° С.

Применение газообразных и жидких вспенивающих веществ

Применение газообразных веществ позволяет значи­ тельно упростить технологию получения пенопластов, а также улучшить водостойкость, диэлектрические и теп­ лоизоляционные свойства вспененных материалов. В большинстве случаев принцип получения пенопластов с применением газов состоит в следующем: размягчен­ ное высокомолекулярное, вещество насыщают инертным

21

газом при повышенном давлении, после чего материал вспенивают,-повышая температуру • и снижая давление. Образующаяся при этом пористая структура фикси­ руется при отверждении.

Ые меньшее значение в технологии пенопластов при­ обрел метод вспенивания воздухом или каким-либо дру­ гим газом водного раствора, эмульсии или суспензии полимера с последующим отверждением вспененного материала.

На процесс вспенивания размягченных полимеров и устойчивость образовавшейся структуры в первую очередь влияют следующие факторы:

растворимость газа в размягченном полимере при соответствующих температуре и давлении;

разность между давлением газа, заполняющего ячейки материала, и давлением окружающей среды;

скорости диффузии газа через стенки ячеек полиме­ ра и десорбции газообразных веществ с поверхности материала при вспенивании и эксплуатации.

Чем больше растворимость газа и чем меньше ско­ рость диффузии его через пленки полимера при вспени­ вании, тем условия более благоприятны для образования равномерной микроячеистой структуры, содержащей минимальное количество открытых пор. Проницаемость газа через полимерные пленки зависит от его раствори­ мости и коэффициента диффузии. С повышением тем­ пературы проницаемость и диффузия ускоряются.

Форма цепей, размеры и полярность боковых групп, прочность межмолекулярных связей влияют на прони­ цаемость полимера больше, чем длина цепей 128. Так, уменьшение плотности упаковки (у разветвленных поли­ меров) приводит к увеличению проницаемости и диф­ фузии вследствие ослабления межмолекулярного вза­ имодействия. Большие межмолекулярные расстояния благоприятствуют сорбции, а большая свобода колеба­ тельных движений отдельных участков цепей увеличи­ вает проницаемость и ускоряет диффузию сорбирован­ ного' газа в высокомолекулярном соединении 129.

На рис. 1.4 показано изменение растворимости в по­ листироле азота, двуокиси углерода, водорода и этиле­ на в зависимости от давления, а на рис. 1.5 — зависи­ мость диффузии этих газов в полистироле от темпера­ туры 127. Коэффициент диффузии D связан с температу-

22

Использование легкокипящих жидкостей для вспе­ нивания высокомолекулярных веществ при изготовлении изделий ответственного назначения менее перспективно, чем применение твердых газообразователей. При ис­ пользовании, например, воды или спирта не удается по­ лучить материал с достаточно равномерной пористой структурой потому, что полимер плохо смешивается со вспенивателем. Кроме того, наличие в композиции воды или спирта в большинстве случаев ухудшает водостой­ кость и диэлектрические свойства материала; также снижаются теплостойкость, твердость и другие показа­ тели механических свойств, так как большинство при­ меняемых жидкостей в той или иной степени пластифи­ цируют полимер 127.

Получение пенополистирола непрерывным методом непосредственно из мономера

Пенополистирол получают непосредственно из моно­ мера непрерывным методом, в котором совмещены про­ цессы полимеризации стирола и вспенивания полисти­ рола. В этом методе используется динитрил азо-бис­ изомасляной кислоты (порофор ЧХЗ-57), являющийся

24

одновременно инициатором полимеризации2’132’133 й газообразователем.

Технологическая схема получения пенополистирола непрерывным методом130 непосредственно из стирола представлена на рис. 1.6. Стирол из дозатора подается

Стирол

Рис. 1.6. Технологическая схема получения пенополисти­ рола непрерывным методом:

в смесители, где в нем растворяется порофор в коли­ честве 3—7% от массы стирола (в зависимости от тре­ буемой кажущейся плотности). Из смесителей стирол с растворенным в нем порофором подается в расходную емкость, подогревается там до 60—75° С и затем под давлением до 10 кгс/см2 насосом нагнетается в полиме­ ризатор. Полимеризатор представляет собой секционную трубу (типа змеевика), производительность которой (в т/ч) рассчитывается по формуле:

щаяся плотность пенополистирола, г/м3; т — продолжительность

полимеризации, ч.

В качестве полимеризатора используют и полимеризационную башню, применяемую для блочной полимери­ зации стирола.

Из полимеризатора полистирол с растворенным в нем порофором и газами, образующимися вследствие

25

частичного разложения порофора, поступает в червяч­ ный пресс, в котором нагревается до 120—140° С. При этой температуре лорофор полностью разлагается, и газ равномерно распределяется в материале. Назначе­ ние червячного пресса состоит также в том, чтобы ре­ гулировать подачу материала в постепенно расширяю­ щийся мундштук, где происходит вспенивание. Без этой регулировки пенополистирол получается крупнопори­ стый, неравномерной структуры, низкой кажущейся плотности (до 0,015 г/см3), с большим разбросом проч­ ностных показателей по сечению и длине изделия. Схе­ ма червячного пресса с расширяющимся мундштуком показана на рис. 1.7.

При переходе материала из круглого сечения червяка в плоское наблюдается разность давления по сечению, что приводит к неравномерности структуры материала. Поэтому при изготовлении плоских изделий (плит, бру­ сков и т. д.) необходимо между червячным прессом и мундштуком устанавливать выравнивающую головку для равномерного распределения усилия выдавливания материала по сечению мундштука.

При равномерном выдавливании материала непре­ рывной струей через постепенно расширяющийся на­ гретый мундштук получают пенопласт мелкопористой

26

Г Л А В А I I

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ПРЕССОВЫМ МЕТОДОМ

Прессовым методом получают пенополистирол на ос­ нове эмульсионного полистирола и различных газообразователей. Основные марки прессового пенополистиро­ ла — ПС-1, ПС-2 и ПС-4. Рецептуры пресс-компози­ ций (в вес. ч.) для получения этих пенопластов приведены ниже:

На основе эмульсионного полистирола и органиче­ ских газообразователей — порофора 5, 18, 254 и БСГ (см. стр. 18) разработаны следующие марки пено­ пластов:

Содержание компонентов, вес. ч.

Технологический процесс 14>134 получения пенопластов прессовым методом включает три основные операции:

28

смешение полимера с газообразователями и другими компонентами, входящими в композицию; прессование композиции; вспенивание заготовок.

Смешение полимера с газообразователями и други­ ми компонентами проводят в шаровых мельницах, снаб­ женных рубашками для охлаждения, в течение 12—24 ч 1 до получения однородной мелкодисперсной массы. От однородности композиции в большой степени зависит качество изделий. Увеличение продолжительности сме­ шения приводит к чрезмерному разогреву смеси, обра­ зованию чешуек, состав которых обычно не совпадает с составом основной массы вследствие различной тем­ пературы размягчения веществ, входящих в компо­ зицию.

Прессование композиции проводят на гидравличе­ ских прессах в пресс-формах закрытого типа (рис. II.1).

Рис. II.1. Схема прессования

композиция.

Частицы полимера в процессе прессования сплавляют­ ся в монолитную массу, затем разлагается газообразователь, и выделившиеся газы частично растворяются в полимере, образуя насыщенный раствор. Избыток газа равномерно распределяется в нем в виде мельчайших ячеек.

Прессование проводят под давлением 100— 150 кгс/ем2, температура зависит от того, проводят ли прессование с последующей выдержкой или без нее.

При прессовании с выдержкой форму нагревают до 120—150° С, без выдержки — до 160—180° С. Нагревают пресс-форму до требуемой температуры в обоих слу­ чаях за 15—20 мин. Продолжительность выдержки за­

29