7.6 Характеристика твердых газообразователей

Как уже отмечалось, наиболее широкое применение нашел метод вспенивания за счет введенных в полимер твердых веществ – химических газообразователей (ХГО). Для получения пенопласта газообразователь должен отвечать ряду требований. Идеальным можно считать газообразователь, отвечающий следующим требованиям:

1. Газ должен выделяться в определенном узком интервале температур, близком к температуре плавления или отверждения полимера.

2. Выделение газа должно идти с определенной скоростью и достаточно легко поддаваться регулированию (температурой, давлением).

3. Выделяющийся газ должен быть неактивным, инертным.

4. Выделяющийся газ должен иметь низкую растворимость в полимере.

5. Газообразователь должен хорошо диспергироваться в полимере.

6. Г азообразователь должен быть дешевым и устойчивым при хранении и транспортировке.

Однако такой идеальный ХГО пока не создан, все имеющиеся газообразователи имеют те или иные недостатки.

Рис. 7.4 Давление, создаваемое ХГО при различной температуре, диазоаминобензол (1), карбонат аммония (2), бикарбонат натрия (3).

Рис. 7.5 Кинетика газовыделения диамида азодикарбоновой кислоты при различных температурах

Важнейшими характеристиками ХГО являются:

1. газовое число, или количество миллилитров газа, выделяющихся из 1 г ХГО;

2. начальная температура разложения;

3. скорость или кинетика газовыделения;

4. максимальное давление газа.

Указанные характеристики определяют экспериментально при термическом разложении ХГО в жидкой среде (масле, глицерине, дибутилфталате и др.).

Газовое число наиболее распространенных ХГО лежит в пределах 100 – 200 см³/г. Начальная температура разложения должна быть в переделах 100 – 200 С. В зависимости от температурных характеристик полимера используют тот или иной ХГО.

Требования к давлению, развиваемому ХГО, определяются вязкостью вспениваемого полимера (рис. 7.4). Скорость газовыделения определяет скорость вспенивания и регулируется скоростью нагрева композиции при вспенивании (рис. 7.4, 7.5).

Наиболее распространенными газообразователями являются:

1. Азосоединения R – N = N – R` .

2. Сульфонилгидразиды R – SO₂NHNH₂.

3. Нитрозосоединения R – N – R .

NO

4. Азиды кислот R – CON₃.

5 . Производные гуанидина NH = C – R .

NH₂

Из неорганических соединений применяют карбонат аммония (NH₄)₂CO₃ и иногда бикарбонат натрия NaHCO₃.

7.7 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.