7.6. Газонаполненные пластики
Газонаполненные пластики (ГНП) представляют собой композиционные материалы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Структура ГНП образована полимером, который образуют стенки элементарных ячеек с распределенной в нем газовой фазой. Ячейки могут иметь форму сфер, многогранников, вытянутых капилляров и т.п. с размерами от нескольких микрон до нескольких миллиметров.
Для характеристики ГНП часто используют понятие «газоструктурный элемент», под которым подразумевают элементарный объем газовой и твердой фаз, повторяющийся с определенной периодичностью во всем объеме материала. Это понятие характеризует не только форму и размеры ячейки, но и морфологическую структуру материала, а именно размеры и конфигурацию пространства между ячейками, т.е. стенок и ребер ячеек. По этому признаку ГНП подразделяются на ячеистые (пенопласты); пористые (поропласты); синтактные, сотовые и смешанные.
В ячеистых материалах газообразные наполнители изолированы друг от друга и окружающей среды тонким слоем полимера. В пористых материалах газообразные наполнители сообщаются между собой и с окружающей средой. В синтактных материалах газовая фаза заключена в сферической оболочке из монолитного материала (микросферы из стекла, керамики, полимеров или других материалов), а твердая фаза состоит из этой оболочки и межсферического пространства, заполненного полимером. Сотовые материалы состоят из газовой фазы, заключенной в объем многогранника, а твердая фаза представлена или двумя материалами, например гранями из бумаги и полимера, или только полимером. Смешанные материалы характеризуются смешанным типом «газоструктурных элементов».
ГНП классифицируются также по другим признакам:
– по соотношению твердой и газовой фаз (кажущейся плотности): легчайшие, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые;
– по размерам и распределению ячеек: равномерные и интегральные;
– по отношению к напряжению сжатия при 50 % – ной деформации: эластичные, жесткие и полужесткие;
– по химической природе полимера: термопластичные и термореактивные.
В производстве ГНП используются преимущественно следующие термопластичные полимеры: полистирол, поливинилхлорид, полиолефины, поликарбонат, а в качестве термореактивных полимеров: эпоксидные, фенолоформальдегидные, уретановые и др.
В состав ГНП кроме основных компонентов могут входить модифицирующие целевые добавки в виде катализаторов, инициаторов, эмульгаторов, стабилизаторов, пластификаторов, наполнителей, красителей и др., соотношение которых меняется в широком диапазоне.
Введение газовой фазы в полимерную матрицу осуществляется двумя методами, первый из которых проводится путем вспенивания, а второй – без вспенивания.
Получение газонаполненных пластиков с помощью вспенивания происходит за счет: газов, выделяющихся в результате химического взаимодействия компонентов полимерной композиции; газов, выделяющихся при термическом разложении твердых веществ; паров, выделяющихся при испарении легкокипящих жидкостей, введенных в композицию; газов, выделяющихся в результате снятия повышенного давления, при котором происходило насыщение газом композиции в вязкотекучем состоянии; механического диспергирования газа в полимерной композиции.
По второму методу введение газов осуществляется: введением в жидкую композицию полых наполнителей в виде микросфер, содержащих газ; удалением частиц твердого компонента, введенного в композицию, путем вымывания, выжигания и т.п.; спеканием неуплотненных пористых или монолитных гранул; соединением заранее приготовленных гофрированных листовых материалов.
Технология получения ГНП включает следующие стадии: приготовление композиции; введение газовой фазы в полимерную матрицу; фиксацию структуры материала физическими или химическими способами.
Физическая фиксация структуры предполагает охлаждение термопластичного расплава, а химическая осуществляется путем образования пространственной структуры термореактивного полимера при его отверждении.
Быстрый рост производства и применения ГНП обусловлен комплексом ценных свойств: легкостью, высокой удельной прочностью, тепло, электро - и звукоизоляционными свойствами, малым водо - и влагопоглощением, низкой полимероемкостью, возможностью получать изделия любых форм и размеров в стационарных и нестационарных условиях различными методами.
Формование изделий из ГНП в зависимости от способа его получения и типа используемого полимера проводится следующими методами: прессовым и беспрессовым, литьем под давлением, экструзией, заливкой и напылением.
Прессовый метод состоит из трех основных стадий: приготовление композиции, прессование композиции в монолитные заготовки, свободное вспенивание заготовок в ограничительной форме.
Приготовление композиции заключается в смешении порошкообразного термопласта или полимер - мономерной пасты с твердым газообразователем и другими добавками до получения однородной смеси. Полученную смесь загружают в обогреваемую пресс - форму закрытого типа и проводят прессование под давлением и заданной температуре до получения монолитного блока заданной конфигурации. Затем пресс - форма охлаждается, из нее извлекается заготовка и помещается в ограничительную форму, в которой путем повторного нагревания происходит вспенивание массы. Фиксация формы изделия осуществляется последующим охлаждением.
Беспрессовый метод включает три стадии: предварительное вспенивание композиции, вылеживание вспененных гранул, спекание гранул с одновременным формованием изделия.
Литьем под давлением получают интегральные ГНП, имеющие плотную корку и пористую сердцевину. Смесь гранул термопластичного полимера с газообразователем и другими целевыми добавками подается в материальный цилиндр, в котором происходит одновременно пластикация полимера и насыщение расплава газом, образующимся при разложении газообразователя. Затем расплав под давлением впрыскивается в холодную форму, при этом происходит резкое снижение давления, уменьшается растворимость газа, он выделяется в виде множества мелких пузырьков, что и приводит к вспениванию расплава полимерной композиции.
Экструзионный метод заключается в непрерывном выдавливании расплава термопласта, насыщенного газом, через формующую головку и калибрующее устройство (рис. 7.10). Вспенивание получаемых профилей может происходить на выходе из головки или вне экструзионной установки.
По первому способу насыщенный газом расплав из материального цилиндра 1 поступает в головку 2, в которой установлена торпеда 3. Расплав обтекает торпеду и отжимается к стенкам головки, высвобождая пространство в виде полости 4 в калибрующем устройстве 5, где происходит снижение давления и вспенивание композиции с образованием интегральной структуры.
Рис.7.10.Формующая головка:
1 – материальный цилиндр; 2 – головка; 3 – торпеда; 4 – полость;
5 – калибрующее устройство.
Метод заливки используется для получения блочных и формованных пенополиуретанов (ППУ).
Блочные ППУ получают путем смешения в смесительных головках компонентов композиции с последующей подачей смеси на конвейерную ленту, снабженную боковыми передвижными стенками. По мере продвижения ленты композиция вспенивается и попадает для последующего отверждения в камеру. Промышленные линии для получения блочного эластичного ППУ имеют длину от 60 до 120 м, ширина получаемых блоков до 2 м, а высота – от 1 до 1,5 м.
Формованные эластичные и жесткие ППУ получают путем заливки смеси компонентов в форму. Для получения эластичных материалов из ППУ применяют заливочные машины низкого и высокого давления. Формование изделий проводится путем смешения двух компонентов в смесительной головке и впрыском композиции в металлическую форму. Форма закрывается крышкой и проводится холодное или горячее отверждение композиции. Затем изделие извлекают из формы и подвергают обжиму на валках для открытия пор. Формование жестких материалов на основе ППУ проводят путем заливки композиции на месте применения в полость изделия, где одновременно происходят процессы вспенивания и отверждения.
Метод напыления предназначен для получения более тонких слоев, чем при заливке. Вспениваемую композицию наносят на различные поверхности с помощью распылительного устройства.
Газонаполненные пластики находят широкое применение для набивки и декоративной облицовки сидений, дверей, салона, пультов управления автомобилей, изоляции кабин, полов, крыш, стен пассажирских и изотермических вагонов и т.п.