книги из ГПНТБ / Павлов В.А. Пенополистирол

Г Л А В А I I I

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА БЕСПРЕССОВЫМ МЕТОДОМ

Сырьем для получения пенопластов беспрессовым ме­ тодом служит суспензионный вспенивающийся полисти­ рол ПСБ и самозатухающий вспенивающийся полистирол ПСБ-с (МРТУ 6-05-1019—66). Требования, которым дол­ жен удовлетворять полистирол этих марок, приведены в табл. III.1.

Технологический процесс изготовления беспрессового' пенополистирола включает следующие стадии: предвари­ тельное вспенивание гранул, сушка и выдержка на воз­ духе предварительно вспененных гранул и окончательное вспенивание.'

Предварительное вспенивание гранул полистирола

Предварительное вспенивание гранул полистирола проводят с помощью тепловой обработки с целью полу­ чения материала требуемой насыпной плотности. В про­ цессе тепловой обработки при нагревании до температу­ ры, превышающей температуру стеклования, полимер переходит в эластичное состояние, а вспенивающий агент испаряется, что приводит к расширению гранул^Лишь 50% расширения гранул обеспечивается за счет испаре­ ния вспенивающего агента, а остальное расширение про­ исходит вследствие проникновения в ячейки гранул теп­ лоносителя — водяного пара или воздуха24. Причем проникновение теплоносителя в ячейки, несмотря на не­ которое избыточное давление в них, происходит значи­ тельно быстрее, чем улетучивание паров вспенивающего агента из ячеек.

Степень расширения гранул зависит от гранулометри­ ческого состава полистирола, содержания вспенивающего

41

42

агента, вида и температуры теплоносителя и продолжи­ тельности его воздействия.

Показателем степени расширения является коэффи­ циент вспенивания К, определяемый отношением объема предварительно вспененных гранул к исходному объему гранул. С увеличением продолжительности вспенивания коэффициент вспенивания увеличивается. Наиболее ин­ тенсивное вспенивание происходит в первые 5 мин. (рис. III.1).

Рис. III. 1. Зависимость коэффи­ циента вспенивания суспензион­ ного полистирола ПСБ марки В от продолжительности предва­ рительного вспенивания.

Зависимость деформации гранул полистирола от на­ пряжения при различных температурах является одним из основных факторов, влияющих на процесс предвари­ тельного вспенивания130.

Основными задачами при разработке технологии предварительного вспенивания является подбор опти­ мальных температуры, скорости и продолжительности нагревания, выбор теплоносителя и газообразователя І37. На рис: III.2 приведена зависимость насыпной плотности

Рис. Ш.2. Зависимость насыпной плотности гранул полистирола для вспенивания от продоложительности обработки паром (сплошные кривые) и воздухом (пунктирные кривые) различной температуры:

/ —105°С; 2— І10°С; 3— І20°С.

гранул от продолжительности тепловой обработки горя­ чим воздухом и паром. Как видно из рисунка, насыпная

43

плотность гранул снижаётся до определенного минимума, после достижения которого несколько увеличивается. Снижение насыпной плотности продолжается, по всей ве­ роятности, до тех пор, пока газ диффундирует в ячейки гранул. Экстремальная точка соответствует моменту ус­ тановления равновесия между парциальным давлением внутри ячеек и атмосферным. При дальнейшем нагрева­ нии пары изопентана медленно диффундируют из ячеек, внутреннее давление становится ниже атмосферного, что приводит к деформации (усадке) гранул и, следователь­ но, к 'повышению их насыпной плотности. Минимальная температура теплоносителя должна быть несколько вы­ ше температуры стеклования полимера. Обычно предва­ рительное вспенивание проводят при температуре 95— 110°С. На рис. III.3 приведены данные о кинетике пред­ варительного вспенивания.

Рис. III.3 Кинетика предварительного вспенивания гра­ нул пенополистирола при 105 °С (1) и 115°С (2).

Предварительное вспенивание гранул, к-акг уже~поворилось, проводят в горячей воде, с помощью пара и дру­ гих теплоносителей. Гранулы помещают в горячую воду с температурой 95—100°С и выдерживают их в течение определенного времени при постоянном перемешивании.

Процесс вспенивания проводят до получения материа­ ла требуемой насыпной плотности, после чего гранулы удаляют из водылОбычно гранулы погружают в воду в ситовых ящиках на глубину около 50 см. Съем вспенен­ ного материала с 1 м2 поверхности воды составляет 0,5—

44

1 кт. Ниже показано, как изменяются размеры пор в про­ цессе предварительного вспенивания в горячей воде:

В 'настоящее время вспенивание полистирола в горя­ чей воде проводят обычно лишь на небольших предприя­ тиях. Этот метод значительно уступает методу вспенива­ ния паром, однако он имеет преимущество, заключаю­ щееся в том, что процесс протекает медленнее и легче

,получить материал с точным значением насыпной плот­ ности.

Предварительное вспенивание паром проводят при 95—105°С. В табл. III.2 показано, как изменяются разме­ ры пор 'пенополистирола в зависимости от значения коэф­ фициента вспенивания при предварительном вспенивании паром 138.

Т а б л и ц а III.2. Изменение размеров пор пенополистирола при предварительном вспенивании паром

Из данных, приведенных в таблице, видно, что предва­ рительное вспенивание в паровой ванне приводит к уменьшению диаметра пор на 5—7% по сравнению с вспениванием в горячей воде. При предварительном вспе­ нивании в паровой ванне наблюдается снижение потерь изопентана при всех значениях коэффициента вспенива­ ния.

45

Предварительное вспенивание полистирола с помо­ щью инфракрасного излучения показало24, что происхо­ дит неравномерный прогрев гранул (на поверхности го­ раздо интенсивнее, чем внутри). Этот недостаток может быть устранен путем перемешивания, однако при этом трудно избежать разрушения части гранул, обусловлен­ ного снижением содержания в них газообразователя.

Важным фактором при предварительном вспенивании является максимальное сохранение изопентана. Потере изопентана при вспенивании способствует его диффузия из гранул нри повышенной температуре, а также разрыв стенок пор и образование отверстий на поверхности гра­ нул. Совершенно очевидно, что с увеличением коэффици­ ента вспенивания увеличивается потеря изопентана в •результате увеличения диффузии его через возросшую поверхность пор, стенки которых стали тоньше. Данные

Т а б л и ц а III.3. Влияние коэффициента вспенивания на уменьшение содержания изопентана'

при предварительном вспенивании

46

о потерях порообразователя — изопентана при предвари­ тельном вспенивании в горячей воде и при помощи пара приведены в табл. III.3. Потеря изопентана составляет от 11,1 до 31,2% в зависимости от содержания изопен­

ных весах происходит слипание гранул, при больших— недостаточное вспенивание вследствие высокой темпера­ туры размягчения. Слипаемость гранул приводит к об­ разованию крупных комков. Их можно загружать в пресс-форму лишь после дробления, которое приводит к разрушению пор и частичной потере изопентана.

Исследование влияния коэффициента вспенивания на слипаемость гранул показало, что при небольших коэф­ фициентах вспенивания (до 15) слипаемость гранул ие происходит как в пределах молекулярного веса пенопо­ листирола ПСБ от 35 000 до 45 000, так и в пределах от 25 000 до 55 000. При коэффициентах вспенивания бо­ лее 20 слипаемость гранул не наблюдается лишь при молекулярных весах 35 000—45 000. Кроме того, при ко­ эффициенте вспенивания до 15 и молекулярном весе бо­ лее 45 000 недостаточное вспенивание не сказывается от­ рицательно на качестве пенопласта, отформованного из таких гранул. По числу образовавшихся (слипшихся), комков визуально определяют класс слипаемости гранул:

Класс

Для предотвращения слипания гранул полистирола в процессе предварительного вспенивания их обрабатыва­ ют 0,02—0,2%-ным раствором поверхностно-активного вещества, например стеарата натрия, в воде или посы­ пают тонко измельченной смесью 0,1 вес. ч. стеарата натрия и 10 вес. ч. винно-каменной кислоты, затем про­ мывают водой и сушат.

47

Еще один способ, предотвращающий слипание гранул при предварительном вспенивании, заключается в ис­ пользовании ленты транспортера97, которую пропускают через обогреваемую зону с температурой 90—110°С. Над лентой устанавливают вращающийся питатель с гранула­ ми, снабженный ситом с ячейками такого размера, чтобы через каждую могла одновременно проходить только од­ на гранула. Это позволяет располагать гранулы на леп­ те транспортера так, что они не касаются друг друга.

Оборудование для предварительного вспенивания гранул із, г-i, и, 7!

Нагревание воды при предварительном вспенивании может осуществляться следующими способами:

непосредственным вводом острого пара в воду через форсунку;

спомощью пара, пропускаемого через помещенный

вванне трубчатый змеевик;

спомощью трубчатых электронагревателей (ТЭН). Гранулы тонким слоем насыпают на сито с размером

гружают на сетчатые рамки и оставляют для сушки на 24 ч при 25—35°С. Известен способ перемешивания гра­ нул в кипящей воде паром, после чего охлажденные вспененные гранулы вымывают холодной водой на сито.

При использовании пара сито с гранулами устанавли­ вают в ванне над кипящей водой и ванну закрывают крышкой. Предварительное вспенивание паром можно проводить также в автоклавах (рис. ІП.4) или в специ­ альных камерах.

Предварительное вспенивание можно проводить в устройстве, в котором гранулы непрерывно подают в нижнюю часть камеры и нагревают паром с температу­ рой 110°С. Увеличиваясь в объеме, гранулы вытесняют уже вспененные через верхнюю часть камеры в трубопро­ вод, по которому пропускается сжатый воздух. Воздух захватывает гранулы и направляет их в сепаратор для отделения влаги и далее в бункер для хранения.

Предварительное вспенивание можно проводить так­ же в герметичной камере путем нагревания гранул до 100—105°С под вакуумом или путем продувки паром.

48

Рис. 111.4. Автоклав АГ-І:

Предварительное вспенивание гранул в потоке паро­ воздушной смеси проводят в установке, изображенной на - рис. III.5. Гранулы из бункера 1 поступают в инжек-

Рис. ІІІ.5. Установка для предварительного вспени­ вания гранул полисти­ рола в потоке паровоз­ душной смеси:

тор 2 и с помощью воздушного потока транспортируются по змеевику 3. В змеевик через патрубки 'подается пар и горячий воздух. Это обеспечивает подвспенивание гра­ нул и последующую их подсушку65. Для того, чтобы на

49