Углеводородный вспенивающий агент
HYDROCARBON FOAMING AGENT

Изобретение относится к органической химии, а именно к области получения углеводородных вспенивающих агентов для производства жестких пенополиуретанов (ППУ), применяемых в качестве теплоизоляционных материалов в различных отраслях промышленности.
Жесткие пенополиуретаны используют преимущественно для теплоизоляции, например в холодильной технике, и в производстве строительных панелей.
Жесткие ППУ получают с использованием вспенивающего агента, который дозируют посредством смесителя и вводят непосредственно перед вспениванием в композицию, включающую полиол (см., например, патенты РФ №2352593 и №2632198,).
Одним из основных требований к вспенивающим агентам является то, что вещество должно быть жидкостью при комнатной температуре, предпочтительно температура кипения при комнатной температуре должна находиться в пределах 25-45°С.
От состава вспенивающего агента существенно зависят требуемые свойства готового ППУ.
В настоящее время многие производители пенополиуретана перешли на использование углеводородных вспенивающих агентов, представляющих собой смесь циклопентана с изопентантаном, что позволяет снизить затраты, связанные с увеличением плотности ППУ, а теплопроводность его при этом не увеличивается.
Известен целый ряд углеводородных вспенивающих агентов для производства жестких пенополиуретанов, представляющих собой смесь н-пентана, изопентана и циклопентан (см., например, патенты РФ №2195467, №2418810 и №2467025).
Известен углеводородный вспенивающий агент, представляющий собой одно или более из веществ: изопентана, н-пентана, циклопентана, циклогексана и н-гексана (см. патент RU 2662523).
Известен углеводородный вспениватель, включающий одно или несколько веществ, представляющих собой изопентан, н-пентан, циклопентан, циклогексан, н-гексан (см. патент RU 2702357).
Углеводородный вспениватель может включать, например, по меньшей мере, один циклопентан.
В патентах 2662523 и 2702357 не представлен количественный состав составляющих углеводородного вспенивающий агента.
Известен также способ получения жестких полиуретановых пен, в котором используется углеводородный вспенивающий агент, включающий н-пентан, изопентан и циклопентан (заявка на изобретение RU 2000124331), являющийся наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению.
Вспенивающий агент содержит от 50 до 90 масс. % циклопентана и от 10 до 50 масс. % смеси изопентана и н-пентана.
Количественный состав отдельно изопентана и отдельно н-пентана, содержащихся в смеси, входящей в вспенивающий агент, не определен.
Известные вспенивающие агенты, в том числе включающие н-пентан, изопентан и циклопентан, позволяют получать пенополиуретан с низкими показателями коэффициента теплопроводности.
Однако, известные вспенивающие агенты сложны, затратны и в силу этого малопригодны для построения на их основе технологического процесса, производство конечного продукта в промышленных масштабах проблематично без проведения дополнительных исследований и экспериментов, так как результаты в основном получены в лабораторных условиях.
Известные вспенивающие агенты, в том числе и наиболее близкий аналог, содержат либо только один компонент, либо содержат неоправданно большое количество различных компонентов.
Кроме того количественный состав компонентов, входящих в состав вспенивающего агента, как правило, приведен в необоснованно большом диапазоне, что усложняет практическое использование вспенивающего агента.
Качественный и количественный состав известных углеводородных вспенивающих агентов не позволяют достичь достаточно высокой прочности на сжатие готовой пены, хорошей совместимости к полиолам и повышенной растворимости вспенивающего агента в компонентах при получении пенополиуретана.
Указанные недостатки приводят к снижению качества углеводородных вспенивающих агентов.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретения, является разработка простого по составу компонентов и экономичного по получению углеводородного вспенивающего агента для изготовления жестких пенополиуретанов теплоизоляционного назначения.
При разработке изобретения решалась также техническая проблема по расширению арсенала вспенивающих агентов, используемых для получения пенополиуретанов.
Технический результат заключается в повышении прочности на сжатие готовой пены при сохранении требуемой теплопроводности и обеспечении стабильности линейных размеров, что позволяет получать высококачественные жесткие пенополиуретаны теплоизоляционного назначения в полупромышленных масштабах.
Технический результат достигается тем, что углеводородный вспенивающий агент, предназначенный для получения жестких пенополиуретанов теплоизоляционного назначения, содержит н-пентан в количестве 72-78 масс. %, изопентан в количестве 15-21 масс. % и циклопентан в количестве 4-10 масс. %.
В результате многочисленных опытов, при проведении которых использовались известные компоненты, массовое соотношение которых варьировалось, разработан углеводородный вспенивающий агент с оптимальными значениями компонентов, позволяющий получать высококачественные жесткие пенополиуретаны теплоизоляционного назначения.
Экспериментально установлено, что введение в углеводородный вспенивающий агент циклопентана в количестве 4-10 масс. % позволяет повысить растворимость вспенивающего агента в компонентах при получении пенополиуретана и пенополиизоцианурата.
Полученный жесткий пенополиуретан обладает при сохранении требуемой теплопроводности увеличенной прочностью на сжатие готовой пены, что подтверждено при практическом применении изобретения в соответствии со специально разработанным технологическим процессом.
Исследования показали, что оптимальным с точки зрения получения высокого качества конечного продукта является использование углеводородного вспенивающего агента, содержащего н-пентан в количестве 72-78 масс. %, изопентан в количестве 15-21 масс. % и циклопентан в количестве 4-10 масс. %.
Экспериментально подтверждено, что количественные значения компонентов вспенивающего агента в предлагаемых пределах соотношений, способствуют повышению прочности на сжатие вспененного пенополиуретана.
Применение вспенивающего агента с предлагаемым количественным соотношением составляющих компонентов позволяет сохранить требуемую теплопроводность и обеспечить стабильность линейных размеров жестких пенополиуретанов.
Важным является также то, что предлагаемый вспенивающий агент состоит из сравнительно дешевых и доступных компонентов.
Кроме того, получение и использование предлагаемого вспенивающего агента не требует разработки сложного технологического процесса и позволяет использовать типовое оборудование.
Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом.
Вспенивающий агент готовят путем последовательного смешивания всех необходимых составляющих жидкостей: н-пентан в количестве 72-78 масс. %, изопентан в количестве 15-21 масс. % и циклопентан в количестве 4-10 масс. %.
При этом сначала смешивают н-пентан и изопентан и перемешивают в течение 20-30 секунд с применением высокоскоростной мешалки, число оборотов которой составляет 1500-3000 об/мин.
Затем добавляют циклопентан и, снижая число оборотов мешалки до 1000 об/мин., перемешивают полученную смесь в течение 10-15 секунд.
Получаемый вспенивающий агент (компонент С) представляет собой прозрачную и однородную жидкость, не содержащую механических примесей.
Вспенивающий агент по настоящему изобретению имеет хорошую совместимость к полиолам.
Показатель преломления вспенивающего агента при 20°С составляет 1,348-1,368.
В лабораторных условиях композицию для получения жесткого пенополиуретана готовят из смеси компонентов А (полиол) и С (вспенивающий агент) с компонентом В (изоцианат) в полипропиленовом стакане с применением высокоскоростной мешалки в течение 7-10 секунд при скорости мешалки 2500-3000 об/мин.
Образцы ППУ изготавливают из компонентов А, В, С в соотношении 100:140:14.
При этом сначала в первом стакане готовят композицию, состоящую из компонента А в количестве 125 г и компонента С в количестве 17,5 г.
Интенсивно перемешивают композицию с помощью мешалки до однородного состояния.
Во второй стакан помещают компонент В в количестве 193 г.
Не прекращая перемешивание, быстро вливают компонент В из второго стакана в первый стакан.
Интенсивно перемешивают в течение 5 секунд до начала подъема пены.
Затем выливают полученную композицию из первого стакана в форму, закрывают форму и производят отверждение в течение не менее 30 минут.
После чего достают полученный образец из формы для последующего проведения испытаний.
Полученный жесткий пенополиуретан обладает при сохранении теплопроводности увеличенной до 180 кПа прочностью на сжатие и повышенной стабильностью линейных размеров, что обусловлено применением вспенивающего компонента разработанного состава в исходной композиции для получения ППУ.
В промышленных условиях композицию для получения жесткого пенополиуретана готовят из смеси компонентов А и С с компонентом В, с помощью машин высокого или низкого давления в течение 1-3 секунд, в зависимости от конструкции оборудования.
При этом исходные компоненты смешивают при температуре от 20 до 35°С.
Поставленная изобретением техническая проблема решается заявляемым количественным соотношением компонентов углеводородного вспенивающего агента, подобранным таким образом, чтобы обеспечить оптимальные параметры вспенивания и отверждения композиции, а также получить необходимые физико-механические свойства и структуру образующегося пенополиуретана.
Использование изобретения позволяет получать высококачественные жесткие пенополиуретаны теплоизоляционного назначения в полупромышленных масштабах, что подтверждено при практическом применении.