Производство пенопластов и деталей из них

Технология производства пенопластов состоит из операций приготовления композиции, введения газовой фазы в полимерную среду (чаще всего путем вспенивания), придания вспененной массе необходимой формы с последующей ее фиксацией. Операция формообразования может предшествовать процессу вспенивания.

Приготовление композиции заключается в смешивании компонентов. В состав пенопластов могут входить полимеры или олигомеры, отвердители, катализаторы, пластификаторы, красители, стабилизаторы, наполнители, газообразователи и др.

Рассмотрим основные способы введения газовой фазы в полимерную среду при производстве пенопластов.

1. Смешивание композиции, находящейся в вязкотекучем состоянии, с газом при нормальном давлении (механическое вспенивание).

Механическое вспенивание проводится в вертикальных цилиндрических аппаратах, снабженных многолопастными мешалками. В аппарат заливаются растворы полимеров или олигомеров. В нижнюю часть аппарата при работающей мешалке подается сжатый воздух. Взбитая пена через отверстия в днище аппарата сливается в формы, в которых происходит сушка и отверждение блоков полимера. Данным методом получают материалы, имеющие преимущественно открытую структуру ячеек, так как растворители, которые удаляются в процессе сушки и отверждения из стенок ячеек, разрушают их. Таким способом получают пенополивинилхлорид и пенопласты на основе карбамидных смол (мипора).

2. Насыщение композиций, находящихся в вязкотекучем состоянии (расплавы полимеров, олигомеры, пасты, сырые резиновые смеси), газом при высоком давлении.

Газом при высоком давлении насыщают расплавы полимеров, полимерные пасты и резиновые смеси. Насыщение газами (N₂, СО₂) проводится в автоклавах при давлении от 2 (20 ) до 30 МН/м² (300 кгс/см²). Под давлением происходит растворение газа в композиции и образование насыщенного раствора. При последующем сбросе давления растворимость газа в композиции резко снижается и он начинает выделяться в виде газовых пузырьков, равномерно распределенных в объеме композиции. Путем последующего нагрева можно увеличить степень вспенивания и уменьшить кажущуюся плотность пенопласта. В зависимости от степени насыщения полимерных композиций газом и режима вспенивания можно получить пенопласты как с закрытой, так и с открытой структурой ячеек.

3. Насыщение полимерных композиций легкокипящими жидкостями, которые при нагревании превращаются в пар.

Насыщение термопластичных полимеров легкокипящими жидкостями осуществляется в процессе их получения, например при суспензионной полимеризации. Мономер и легкокипящую жидкость (изопентан, метиленхлорид) подбирают так, чтобы легкокипящая жидкость растворялась в мономере, но не растворялась в полимере. Выделение легкокипящей жидкости в виде отдельной фазы происходит в момент превращения капелек мономера в полимер, поэтому в образующихся гранулах полимера появляются вкрапления равномерно распределенных капелек легкокипящей жидкости. Кажущаяся плотность получаемого пенопласта или детали из него регулируется степенью заполнения формы гранулами или содержанием низкокипящей жидкости в гранулах.

Для получения пенопластов с более равномерной структурой во всем объеме материала или детали гранулы подвергают предварительному вспениванию. Насыпная плотность предварительно вспененных гранул должна быть равна кажущейся плотности пенопласта. Предварительно вспененными гранулами полностью заполняется форма и проводится окончательное вспенивание. Так как степень окончательного вспенивания ограничивается объемом формы, то внутри формы развивается давление 0,3…0,5 МН/м²

(3…5 кгс/см²). Формы должны быть достаточно прочными и жесткими и не должны раскрываться в процессе окончательного вспенивания.

4. Введение в композицию веществ (газообразователей или порофоров), разлагающихся при нагревании с выделением большого количества газообразных продуктов.

С помощью газообразователей получают пенопласты из термопластичных и термореактивных полимерных материалов. Газообразователи обычно растворяют в мономерах или полимер-мономерных пастах. Полученный компаунд заливают в форму и проводят его полимеризацию при температуре ниже температуры разложения газообразователя. После этого блок полимера, являющийся по форме миниатюрой будущей детали или изделия, извлекают из формы и нагревают до температуры выше температуры стеклования полимера и температуры разложения газообразователя. Под действием выделяющихся газов блок высокоэластичного полимера равномерно увеличивается во всех направлениях. В нужный момент заготовка охлаждается и процесс вспенивания прекращается. Такой способ изготовления изделий из пенопластов называется масштабным формованием.

Термореактивные полимеры смешивают с газообразователями на вальцах или в шнековых смесителях. При использовании вязких компонентов (эпоксидные смолы с отвердителями) применяют лопастные смесители. Пенопластовые полуфабрикаты получают, проводя окончательное вспенивание в замкнутых формах. Кажущаяся плотность готовых пенопластовых полуфабрикатов или деталей, как и в предыдущем способе, регулируется насыпной массой компаунда, засыпаемого в форму заданного объема.

Формы в процессе производства жестких пенопластов из термореактивных смол или из отверждающихся с помощью отвердителей полимеров сначала нагреваются до температуры перехода полуфабриката в вязкотекучее состояние и далее до температуры разложения газообразователя. После необходимой степени вспенивания нагревание продолжается до температуры отверждения смолы. Этот способ позволяет получать пенопласты с преимущественно закрытой структурой ячеек.

5. Совмещение компонентов, взаимодействующих между собой с выделением большого количества газообразных продуктов.

Этим способом получают пенополиуретаны, пенофенопласты, пенополивинилхлорид и др. Суть его состоит в том, что при смешивании компонентов некоторых заливочных компаундов, находящихся в вязкотекучем состоянии, или полимерных паст происходит выделение газообразных продуктов реакции (например СО₂, Н₂), вспенивающих массу. Процесс производства пенопластов из таких композиций может быть одно- и двухстадийным. Одностадийный способ предусматривает одновременное смешивание всех компонентов в смесителе и последующее вспенивание, которое начинается через 10  15 секунд после смешивания и длится 1  2 минуты. Длительность отверждения пены зависит от ее массы, химического состава, температуры и других факторов и может колебаться от нескольких часов до нескольких суток. Вспенивание и отверждение могут происходить при обычной и повышенной температуре.

При двухстадийном способе сначала изготавливают форполимер, а затем проводят вспенивание в результате взаимодействия компонентов композиции с некоторыми низкомолекулярными веществами, например с водой, и отверждение.

6. Получение заготовок прессованием из композиций, наполненных растворимыми в воде веществами, которые далее вымываются.

При этом способе можно получить заготовки или детали из термопластов и реактопластов. Сначала тщательно смешивают порошкообразный полимер с порошком растворимого вещества. Затем полученную композицию спрессовывают в монолитный блок в пресс-формах, нагреваемых до температуры плавления полимера или отверждения смолы. Блок охлаждают до комнатной температуры и помещают в нагретую воду, которая вымывает находящиеся в полимере водорастворимые вещества. После этого блок поропласта высушивают.

7. Спекание неуплотненных порошкообразных или пористых заготовок, полученных из порошков прессованием в холодных формах.

Методом спекания пористых заготовок получают поропласты из полимеров, температура плавления которых выше температуры их деструкции (например из фторопласта-4). В этом случае порошкообразный полимер уплотняют в холодных формах в таблетки определенной конфигурации и плотности. Затем таблетки спекают в печах в пористые заготовки. Порошкообразные частицы полимера соединяются друг с другом в процессе спекания только в местах их контакта.

Рассмотрим подробнее полимеры, на основе которых изготавливают пенопласты, маркировку и свойства некоторых пенопластов.