книги из ГПНТБ / Павлов В.А. Пенополистирол

Изготовление деталей из пенополистирола литьем под давлением

Для переработки полистирола, способного к вспени­ ванию, в детали литьем под давлением можно использо­ вать поршневые машины. Принципиальная схема маши­ ны для литья под давлением деталей из пенополистирола показана на рис. .111.24. В процессе работы такой маши-

ны необходимо следить за тем, чтобы загрузочное окно нагревательного цилиндра было плотно закрыто, чтобы предотвратить возвращение материала, увеличивающего­ ся в объеме под воздействием порообразующего веще­ ства. Время, в течение которого в цилиндр загружается новая порция материала, должно быть как можно мень­ ше и поршень должен немедленно закрыть загрузочное отверстие. Пенополистирол не должен слишком долго находиться в нагревательном цилиндре, чтобы не прои­ зошло избыточное газообразование. Температура литье­ вого цилиндра составляет 200—250°С, при более высо­ ких температурах может образоваться утолщенная плот­ ная корка на поверхности детали. Температура формы должна поддерживаться между 40 и 60° С. При слишком низкой температуре формы происходит конденсация порообразующих веществ и появляется пленка на стенках формы, что затрудняет извлечение детали.

Для получения пенополистирола равномерной кажу­ щейся плотности он должен при литье равномерно вспе­ ниваться. Для этого в. форме должны быть воздухоотвод­ ные каналы, которые конструируют с учетом длины лить­ евого пути н с наименьшим поперечным сечением. Глуби­

80

■соотношениях, а также смесь карбоната аммония и ли­ монной кислоты. Лучшие результаты получаются при использовании бикарбоната натрия и лимонной кислоты (1:1) 197. Кроме инициатора вспенивания в материал вводят также пластификаторы —■вазелиновое масло, бутилстеарат и смесь их в соотношении 1:1. Введение в материал до 1,0% смеси вазелинового масла и бутилстеарата в соотношении 1 : 1 позволяет получить изделие с кажущейся плотностью 0,18—0,2 г/см3.

Для придания изделиям желаемой окраски в мате­ риал добавляют различные жирорастворимые термо­ стойкие красители в количестве 0,01—0,06%. Все до­ бавки в материал вводят путем сухого смешения в те­ чение 15—20 мин.

. При литье под давлением вспенивающегося полисти­ рола на формующую полость литьевой формы наносят

и низкомолекулярных фракций полистирола, которая препятствует удалению изделия из формы. Поэтому после 5—6 отливок форму протирают растворителями и вновь наносят слой жидкости № 5.

Критериями выбора оптимальных параметров про­ цесса служат: средняя кажущаяся плотность всего из­ делия, кажущаяся плотность элементов изделия (корки и сердцевины), физико-механические показатели (пре­ дел прочности при растяжении, предел прочности при изгибе, ударная вязкость) и внешний вид изделий. Для определения средней кажущейся плотности отдельных участков изделий на различном расстоянии от литника вырезают квадраты со стороной 3X30 мм и, отделив корку от сердцевины квадратов, определяют кажущую­ ся плотность этих элементов изделия197. Кажущаяся плотность изделия не одинакова в его различных точках. Правда, средняя кажущаяся плотность изделия в тем­ пературном интервале ПО—160°С незначительно колеб­ лется в различных точках (0,459—0,472 г/см3). В то же время следует отметить, что центральная часть изделия, расположенная непосредственно у литника, имеет мак­ симальную кажущуюся плотность.

В работе 199 сообщается о способе, при котором пено­ полистирол нагревают в цилиндре червячного экструде­

82

ра при 90—190° С до образования расплава, вводят в

расплав пента« и 0,5% карбоната или бикарбоната ще­ лочного или щелочноземельного металла, после чего расплав экструдируют непосредственно в ванну дляохлаждения. Вторую порцию экструдата готовят анало­ гичным способом, Лно с заменой вещества, способного выделить С02, на Н3В03 в количестве ^ 0 ,4 % или ли­ монную кислоту. Обе порции смешивают в таких соот­ ношениях, чтобы полученный материал содержал 4— 12% легкокишящего углеводорода, а количество С02 и воды, выделившихся при реакции между кислотой и ве­ ществом, способным выделять С02, составило 0,2—6% от массы пенополистирола. При таком способе получают изделия с плотностью 6,6 кг/м3.

Необходимо отметить, что метод литья под давле­ нием пенополистирола имеет ограниченное применение.

Получение и свойства сверхлегкого пенополистирола

Для получения пенополистирола низкой кажущейся плотности предложено 200 после предварительного вспе­ нивания гранул оставлять их для дозревания при высо­ ком давлении'. При этом можно получить пенополисти­ рол, кажущаяся плотность блоков из которого равна 6 «г/м3. Для получения материала с еще более низкой кажущейся плотностью необходимо, чтобы гранулы созрели после предварительного вспенивания, а затем снова были подвергнуты вспениванию. Созревание гра­ нул должно включать выдержку на воздухе в течение 2 ч и выдержку под давлением 2—6 кпс/м2 (тоже на воздухе) в течение 8—12 ч.

Окончательное формирование изделий из обработан­ ного таким образом пенополистирола должно быть произведено как можно быстрее после снятия давления. Время, в продолжении которого гранулы не теряют способности к дальнейшему использованию, обычно составляет 0,5—1,5 ч.

Свойства пенополистирола с малой кажущейся плот­ ностью отличаются от свойств пенополистирола с кажу­ щейся плотностью 25—30 кг/м3. Так, например, тепло­ проводность пенополистирола с кажущейся плотностью 16 кг/м3 на 10% больше, чем теплопроводность пено­

83

полистирола с кажущейся плотностью 32 кг/м5, а при кажущейся плотности 8 кг/м3 теплопроводность увели­ чивается еще на 10—15%. Проницаемость водяного па­ ра в пенополистироле с малой кажущейся плотностью более низкая. Относительное удлинение при разрывы не зависит от кажущейся плотности, а предел прочности при растяжении уменьшается с 2 кгс/см2 при кажущей­ ся плотности 16 г/л до 1 кгс/см2 при кажущейся плот­ ности 8 г/л.

ВСССР проводились исследования20 по получению

иизучению свойств пенополистирола с кажущейся плотностью до 10—15 кг/м3. При получении такого пе­ нополистирола предварительно вспененные гранулы так­ же подвергали дозреванию. При охлаждении предвари­ тельно вспененных гранул в результате конденсации оставшихся в ячейках паров вспенивающего агента в них образуется вакуум. На стадии созревания воздух проникает через стенки ячеек, и в них устанавливается атмосферное давление. При формовании гранул, про­ шедших стадию созревания, абсорбированный воздух играет роль дополнительного расширяющего агента. Внутреннее давление в этом случае будет вкладываться из давления паров вспенивающего агента и давления поглощенного воздуха.

Продолжительность созревания гранул определяется скоростью абсорбции воздуха ячейками гранул и ско­

ростью выделения из них вспенивающего агента. Ско­ рость абсорбции воздуха в зависимости от продолжи­ тельности созревания возрастает по экспоненциальному закону, а продолжительность созревания резко умень­ шается с повышением температуры. Однако при повы­ шении температуры усиливается диффузия вспениваю­ щего агента в атмосферу, поэтому оптимальная темпе­ ратура созревания должна находиться в интервале 22—26° С, а продолжительность составлять 20—24 ч.

Большое значение при получений материала малой кажущейся плотности имеет выбор теплоносителя. В .ка­ честве теплоносителя для предварительного вспенивания и формования при получении сверхлегкого пено­

84

Г Л А В А I V

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА * ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

Структура пенополистирола

Пенополистирол представляет собой особый вид ма­ териала, отличающийся явно выраженной физической неоднородностью, своеобразием микроструктуры, напо­ минающей структуру застывшей иены (рис. IV. 1). Он

Рис. IV. 1. Структура пенополистирола.

состоит из более или менее правильно чередующихся слоев полимерной основы, образующей стенки ячеек, заполненных газом. Физическая неоднородность, чередо­ вание твердой и газообразной фаз обусловливают спе­ цифические свойства материала.

Из числа факторов, характеризующих структуру пе­ нополистирола и определяющих его свойства, основ­ ными являются: геометрическая форма и размеры ячеек, свобода перемещения •газообразной фазы, относи­ тельное содержание полимерной и газообразной фаз.

Структура пенополистирола представляет собой со­ вокупность полых тонкостенных ячеек разнообразной формы (в зависимости от технологии производства).

* О методах испытания свойств пенополистирола см. 4’7'47.

86

В случае монодиоперсной сферической ячеистой струк­ туры наиболее плотная упаковка ячеек имеет место, когда газообразная фаза занимает 74% объема пено­ пласта, причем каждая ячейка соприкасается с двенад­ цатью другими. В этом случае зависимость толщины полимерной пленки б, образующей стенки сферических ячеек, от диаметра ячеек d может быть представлена формулой

где р — кажущаяся плотность пенополистирола; р0 — плотность полимерной композиции.

В идеальном случае между сферами'имеются пленоч­ ные перегородки, толщина которых зависит от сил по­ верхностного натяжения, вязкости и механической проч­ ности полимера. Поскольку сферы деформируются в многогранники раньше, чем пузырьки газа займут 74% объема, структуру пенополистирола можно назвать псевдополиэдрической; форма, размеры ячеек, толщина полимерных пленок, образующих стенки ячеек, неоди­ наковы по объему материала. При d = 0,1—0,2 мм (та­ ков размер ячеек у пенополистирола «хорошей» струк­ туры) и кажущейся плотности до 0,1 г/см3 средняя толщина перегородок между ячейками составляет 5—10 мкм. Интегральное распределение функции F(S) радиуса окружностей сфер по поперечному сечению пенопласта может быть выражено в виде2

Пенополистирол ПСБ, который получается при теп­ ловой обработке гранул, состоит из мелкоячеистых сфе­ рических частиц (гранул) диаметром 3—10 мм, спек­ шихся между собой. Внутри каждой гранулы имеются микроячейки диаметром 40—150 мкм, а между грану­ лами — 'пустоты объемом 2—4%. Плотность вероят­ ности распределения размеров гранул в пенопласте до­ статочно близка к плотности нормального распределе-

87

ния (рис. IV.2). Структуры пенопластов ПСБ и ПСБ-с несколько различаются: для ПСБ-с характерно наличие несколько уплотненной оболочки, в то время как ПСБ имеет по объему более равномерную структуру.

Рис. IV.2. Гистограмма н плотность распределения размеров гранул в полисти­ роле для вспенивания ПСБ.

Ячейки в пенополистироле могут быть как изолиро­ ванными друг от друга, так и сообщающимися между собой и с атмосферой. Содержание закрытых ячеек в пенополистироле, изготовленном по прессовой техно­ логии, составляет 88—96%. Значительную часть объема открытых ячеек беспрессового пенополистирола ПСБ и ПСБ-с составляют пустоты и полости между гранулами. Введение антипиреновой добавки ухудшает опекаемость гранул в процессе формирования материала, обусловли­ вая тем самым повышенное содержание межгранульных пустот и полостей (в частности в ПСБ-с). Данные о со­ держании закрытых и открытых ячеек в пенопо­ листироле различных марок3 представлены в табл. IV. 1.

Т а б л и ц а [IV. 1. Структура'пенополистирола)

Основным показателем, характеризующим структуру пенополистирола, является кажущаяся плотность, кос­ венно выражающая соотношение твердой и газообраз-

98

пой фаз в материале. Кажущаяся плотность Пенополи­ стирола определяется истинной плотностью полимерной основы и газа, находящегося в ячейках, и зависит от пористости пены:

Р = Ри (1 — П) + р гП

где рп — истинная плотность полимерной основы, равная отноше­ нию массы материала к разности между объемом материала и объ­

быть определена микроскопическим анализом. Для этого из образцов пенополистирола вручную или на спе­ циальных микротомах изготавливают срезы толщиной 10—15 мкм, которые просматривают под микроскопом в проходящем свете. При изготовлении срезов вручную (при помощи лезвия) не требуется предварительной подготовки пенополистирола. При изготовлении срезов на микротоме образцы пенополистирола предваритель­ но обрабатывают для получения плотной, хорошо режущерлмаесьг: парафинируют или желатинизируют, после

При желатинизации образцы пропитывают раствором желатины различной концентрации при 37° С и охлаж­ дают4. Готовые срезы хорошо сохраняются в воде.

Для изготовления пенополистирола с заданными свойствами необходимо знать связь между кажущейся плотностью и структурой!'5. Были исследованы пено­ пласты ПСБ и ПСБ-с различной кажущейся плот­ ности6. При определении диаметра и толщины стенок ячеек был применен метод масштабной сетки, который основан на подсчете количества ячеек на выбранной площади среза образца пенополистирола. Путем после­ дующего расчета средней площади, занимаемой одной ячейкой, вычисляются ее усредненные линейные раз­ меры 7.

Беспрессовые полистирольные пенопласты, как уже было сказано, состоят из спекшихся гранул, внутри ко­ торых находятся ячейки, образующие достаточно одно­

89