СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРУДИРОВАННОГО ПЕНОПОЛИМЕРА ПРИ ПОЭТАПНОМ ФОРМОВАНИИ
METHOD OF OBTAINING EXTRUDED FOAM POLYMER IN STAGE-BY-STAGE MOULDING

Данная заявка имеет приоритет на основании предварительной заявки США № 61/157217, поданной 4 марта 2009 года, которая полностью включена в данное описание в качестве ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу получения экструдированного пенополимера.
Уровень техники
Способы экструдирования для получения пенополимера включают три основных стадии: (1) получение вспениваемой полимерной композиции при начальных давлении и температуре в экструдере; (2) вытеснение вспениваемой полимерной композиции в зону меньшего давления; и (3) расширение вспениваемой полимерной композиции для получения пенополимера. Третья стадия может протекать при наличии или в отсутствие ограничения для расширяющейся вспениваемой полимерной композиции. Такой общий способ хорошо работает для множества типов экструдированных пенополимеров, но демонстрирует малую степень контроля расширения пеноматериала. Следовательно, в случае получения экструдированных пенополимеров, требующих больших степеней расширения по толщине, будут развиваться негомогенные свойства пеноматериала. При получении обычным способом экструдирования по направлению размера толщины для экструдированного пенополимера зачастую возникают важные негомогенности по плотности и пределу прочности при сжатии. Данные негомогенности становятся очевидными, когда расширяющийся пеноматериал претерпевает воздействие степени расширения, равной 30:1 и более, по направлению его размера толщины. Тем не менее, степени расширения, равные 30:1 и более, являются желательными при получении пенополимера низкой плотности и/или толстого пенополимера, такого как пенополимер, имеющий толщину, равную 100 миллиметрам и более.
Является желательным и позволило бы продвинуть вперед современный уровень техники в области экструдированного пенополимера создание способа непосредственного получения пенополимера, характеризующегося степенью расширения по толщине, превышающей 30:1, при наличии также в основном однородной плотности и предела прочности при сжатии по направлению размера толщины.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение позволяет продвинуть вперед современный уровень техники в области экструдированного пенополимера путем решения задач, которые неизбежно возникают при осуществлении способа непосредственного получения пенополимера, характеризующегося степенью расширения по толщине, превышающей 30 к одному, при наличии также профиля в основном однородной плотности и предела прочности при сжатии по направлению размера толщины для пеноматериала.
В первом аспекте настоящее изобретение заключается в способе экструдирования пенополимера, включающем следующие далее стадии: (а) получение вспениваемой полимерной композиции в экструдере при начальной температуре и начальном давлении, при этом вспениваемая полимерная композиция содержит пенообразователь и полимерную матрицу, которая содержит полимерный компонент, имеющий температуру размягчения, причем начальная температура превышает температуру размягчения полимерного компонента, а начальное давление является достаточно высоким для исключения вспенивания вспениваемой полимерной композиции; и (b) экструдирование вспениваемой полимерной композиции по направлению экструдирования в атмосферу при давлении, меньшем, чем начальное давление, и расширение вспениваемой полимерной композиции для получения пенополимера перед охлаждением до температуры, ниже, чем температура размягчения вспениваемой полимерной композиции; где перед охлаждением до температуры, меньшей, чем температура размягчения на стадии (b), вспениваемая полимерная композиция расширяется при степени расширения по толщине, равной, по меньшей мере, 30:1, при одновременном прохождении через и контактировании с противолежащими формующими пластинами, где данные пластины образуют, по меньшей мере, две последовательные ограничивающие секции по направлению экструдирования, при этом формующие пластины в каждой ограничивающей секции включают по существу параллельные ограничивающие стенки, которые сдерживают расширение вспениваемой полимерной композиции по направлению размера толщины, и где ограничивающая секция, наиболее близкая к экструдеру, имеет по существу параллельные стенки, определяющие зазор по направлению размера толщины, который является меньшим, чем зазор между параллельными стенками, определяющими вторую ограничивающую секцию.
Варианты осуществления настоящего изобретения могут дополнительно включать любую одну или любую комбинацию из более чем одной из следующих далее характеристик: наибольший зазор между формующими стенками любых из формующих пластин составляет, по меньшей мере, десять сантиметров; полимерная матрица содержит, по меньшей мере, один полимер, и более чем 80 массовых процентов полимеров в полимерной матрице выбирают из группы, состоящей из полистирольных гомополимеров и полистирольных сополимеров; более чем 80 массовых процентов полимера в полимерной матрице выбирают из группы, состоящей из полистирольного гомополимера и стирол-акрилонитрильного сополимера; более чем 50 массовых процентов полимера в полимерной матрице представляют собой полистирольный гомополимер; пенообразователь содержит диоксид углерода; пенообразователь содержит диоксид углерода и, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из изобутана и воды; по меньшей мере, одна ограничивающая стенка одной ограничивающей секции является непрерывно соединяющейся с ограничивающей стенкой последующей ограничивающей секции; ограничивающие стенки одной ограничивающей секции отличаются от ограничивающих стенок последующей ограничивающей секции; и, по меньшей мере, одну ограничивающую стенку, по меньшей мере, одной из ограничивающих секций контролируют по температуре.
Способ настоящего изобретения является подходящим для использования при эффективном получении экструдированных пенополимеров низкой плотности и толстых экструдированных пенополимеров, которые характеризуются однородными плотностью и пределом прочности при сжатии.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Все диапазоны включают граничные точки, если только не будет указано другого.
«И/или» обозначает «и или в качестве альтернативы».
ASTM обозначает Американское общество по испытанию материалов. ISO обозначает Международную организацию по стандартизации. EN обозначает Европейский стандарт. Методы испытаний согласно ASTM, ISO и EN относятся к методу от года приведенного через дефис индекса номера метода или в случае отсутствия приведенного через дефис индекса к самому последнему методу, опубликованному до даты приоритета настоящего документа.
Экструдированные пенополимеры имеют, по меньшей мере, одну основную поверхность. Основной поверхностью экструдированного пенополимера является поверхность экструдированного пенополимера, которая имеет площадь плоской поверхности, равную наибольшей площади плоской поверхности для любой поверхности пеноматериала. Площадью плоской поверхности является площадь поверхности, проецируемая на плоскость для пренебрежения пиками-впадинами на поверхности. Пенополимер может иметь более чем одну основную поверхность. Экструдированные пенополимеры, имеющие круглое или овальное поперечные сечения, имеют только одну поверхность, которая по умолчанию является основной поверхностью пеноматериала.
Толщина, ширина и длина при обращении к экструдированному пенополимеру относятся к трем взаимно перпендикулярным размерам экструдированного пенополимера. Экструдированные пенополимеры покидают экструдер через вспенивающую головку (экструзионную головку) по направлению экструдирования. Длина представляет собой размер экструдированного пенополимера, который простирается параллельно направлению экструдирования пеноматериала. Толщина и ширина простираются перпендикулярно одна другой и взаимно перпендикулярно длине. Толщина является равной или меньшей размера ширина. Толщина пеноматериала простирается перпендикулярно основной поверхности пеноматериала.
Настоящее изобретение предлагает экструдированный пенополимер, который характеризуется профилями по существу однородной плотности и по существу однородного предела прочности при сжатии по направлению размера толщины для пеноматериала. Профиль плотности экструдированного пенополимера по направлению размера толщины для пеноматериала определяют в результате разрезания на слои, имеющие толщину 10-12 миллиметров, перпендикулярно размеру толщина (то есть при сохранении в каждом слое размеров длины и ширины). Плотность каждого слоя измеряют в соответствии с методом публикации ISO 845-95. Комбинация из значений плотности для всех слоев представляет собой профиль плотности по направлению размера толщины для пеноматериала. Отклонения по плотности между слоями представляют отклонения по направлению размера толщины. Экструдированный пенополимер будет характеризоваться профилем по существу однородной плотности по направлению его размера толщины в случае различия между плотностью любого одного слоя и средней плотностью для максимальной и минимальной плотностей, меньшего, чем 5%, предпочтительно равного 4% и менее, еще более предпочтительно 3% и менее, от средней плотности для максимальной и минимальной плотностей.
Предел прочности при сжатии по направлению размера толщины определяют способом, подобным тому, что и для профиля плотности, за исключением использования слоев, имеющих 15-миллиметровую толщину, и измерения предела прочности при сжатии по направлению размера толщины (размер в 15 миллиметров) в соответствии с методом публикации EN-826 для каждого слоя. Комбинация из значений предела прочности при сжатии для всех слоев представляет собой профиль предела прочности при сжатии по направлению размера толщины для пеноматериала. Отклонения по пределу прочности при сжатии между слоями представляют отклонения по направлению размера толщины. Экструдированный пенополимер будет характеризоваться профилем по существу однородного предела прочности при сжатии по направлению его размера толщины в случае различия между пределом прочности при сжатии любого одного слоя и средним пределом прочности при сжатии для слоев, характеризующихся наибольшим и наименьшим пределами прочности при сжатии, меньшего, чем 10%, предпочтительно равного 9% и менее, еще более предпочтительно меньшего, чем 9%, от среднего предела прочности при сжатии для максимального и минимального пределов прочности при сжатии.
Способом настоящего изобретения является способ экструдирования, который включает общие стадии способа экструдирования для получения экструдированного пенополимера: (1) получение вспениваемой полимерной композиции, содержащей полимерную матрицу и пенообразователь, при начальных давлении и температуре в экструдере; (2) вытеснение вспениваемой полимерной композиции в зону давления, меньшего, чем начальное давление; и (3) обеспечение расширения вспениваемой полимерной композиции для получения пенополимера. В настоящем способе вспениваемая полимерная композиция расширяется на стадии (3) до степени расширения по толщине, равной, по меньшей мере, 30 к одному. Расширение на стадии (3) происходит в пределах ограничений формующих пластин, которые имеют специфическую конфигурацию для удивительного получения пенополимера, характеризующегося низкой плотностью, а также по существу однородной плотностью и по существу однородным пределом прочности при сжатии по всей толщине пенополимера.
Полимерная матрица вспениваемой полимерной композиции содержит полимерный компонент, содержащий все полимеры во вспениваемой полимерной композиции. Полимерный компонент может содержать один тип полимера или комбинацию из более чем одного типа полимера. В желательном варианте алкенилароматические полимеры составляют 80 массовых процентов (% (масс.)) и более и могут составлять 90% (масс.) и более и даже 100% (масс.) от совокупной массы полимерного компонента. Предпочтительно алкенилароматические полимеры выбирают из группы, состоящей из стирольных гомополимеров и сополимеров. В особенности желательные стирольные сополимеры включают стирол-акрилонитрильный сополимер. В одном в особенности желательном варианте осуществления стирольный гомополимер составляет 50% (масс.) и более, предпочтительно 75% (масс.) и более, еще более предпочтительно 85% (масс.) и более, и может составлять вплоть до и с включением 100% (масс.) от совокупной массы полимеров в полимерной матрице (то есть от полимерного компонента).
Полимерная матрица может дополнительно содержать добавки. Такие как те, которые являются обычными для пенополимеров. Примеры подходящих добавок включают любую одну или любую комбинацию из более чем одной из следующих далее: добавки, ослабляющие инфракрасное излучение (например, технический углерод, графит, металлические пластинки, диоксид титана); глины, такие как природные глинистые абсорбенты (например, каолинит и монтмориллонит) и синтетические глины; зародышеобразователи (например, тальк и силикат магния); антипирены (например, бромированные антипирены, такие как гексабромциклододекан и бромированные полимеры, фосфорсодержащие антипирены, такие как трифенилфосфат, и пакеты антипиренов, которые могут включать синергисты, такие как, например, дикумил и поликумил); смазки (например, стеарат кальция, стеарат бария и жирнокислотные сложные эфиры); и акцепторы кислоты (например, оксид магния и тетрапирофосфат натрия).
Пенообразователь вспениваемой полимерной композиции может представлять собой любую известную в настоящее время или еще подлежащую открытию композицию пенообразователей, подходящую для использования при получении пенополимера способом экструдирования. Подходящие пенообразователи включают любой один или любую комбинацию из более чем одного из следующих далее: неорганические газы, такие как диоксид углерода, аргон, азот и воздух; органические пенообразователи, такие как вода, алифатические и циклические углеводороды, содержащие от одного до девяти атомов углерода, в том числе метан, этан, пропан, н-бутан, изобутан, н-пентан, изопентан, неопентан, циклобутан и циклопентан; полностью и частично галогенированные алканы и алкены, содержащие от одного до пяти атомов углерода, предпочтительно те, которые не содержат хлора (например, дифторметан (HFC-32), перфторметан, этилфторид (HFC-161), 1,1-дифторэтан (HFC-152a), 1,1,1-трифторэтан (HFC-143a), 1,1,2,2-тетрафторэтан (HFC-134), 1,1,1,2-тетрафторэтан (HFC-134a), пентафторэтан (HFC-125), перфторэтан, 2,2-дифторпропан (HFC-272fb), 1,1,1-трифторпропан (HFC-263fb), 1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан (HFC-227ea), 1,1,1,3,3-пентафторпропан (HFC-245fa) и 1,1,1,3,3-пентафторбутан (HFC-365mfc)); алифатические спирты, содержащие от одного до пяти атомов углерода, такие как метанол, этанол, н-пропанол и изопропанол; карбонилсодержащие соединения, такие как ацетон, 2-бутанон и ацетальдегид; соединения, включающие звено простого эфира, такие как диметиловый эфир, диэтиловый эфир, метилэтиловый эфир; карбоксилатные соединения, такие как метилформиат, метилацетат, этилацетат; карбоновая кислота и химические пенообразователи, такие как азодикарбонамид, азодиизобутиронитрил, бензолсульфогидразид, 4,4-оксибензолсульфонилсемикарбазид, п-толуолсульфонилсемикарбазид, азодикарбоксилат бария, N,N'-диметил-N,N'-динитрозотерефталамид, тригидразинотриазин и бикарбонат натрия.
Один в особенности желательный пенообразователь представляет собой диоксид углерода, который присутствует необязательно в комбинации с изобутаном, водой или как с изобутаном, так и с водой. Предпочтительно данный пенообразователь содержит диоксид углерода в количестве в диапазоне 40-100% (масс.), изобутан в диапазоне 0-60% (масс.) и воду в диапазоне 0-20% (масс.), при этом % (масс.) получают в расчете на совокупную массу пенообразователя.
Полимерный компонент вспениваемой полимерной композиции имеет температуру размягчения.
s
m
m
m
m
m
m
m
m
«Температурой размягчения» (T) для полимерного компонента, у которого все полимеры являются полукристаллическими, является температура плавления полимерного компонента. «Температурой плавления» (T) для полукристаллического полимера является температура на полпути по ходу фазового изменения с переходом от кристаллов к расплаву согласно определению по методу дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) при нагревании закристаллизованного полимера при специфической скорости нагревания. Значение T для полукристаллического полимера определяют в соответствии с методикой ДСК в соответствии с публикацией ASTM method E794-06. Значение T определяют при использовании скорости нагревания 10 градусов Цельсия (°С) в минуту. В случае содержания в полимерном компоненте только смешиваемых полимеров и очевидного наблюдения на его кривой ДСК только одного фазового изменения с переходом от кристаллов к расплаву значение T для полимерного компонента будет представлять собой температуру на полпути при прохождении фазового изменения. В случае очевидного наблюдения на кривой ДСК нескольких фазовых изменений с переходом от кристаллов к расплаву вследствие присутствия несмешиваемых полимеров значение T для полимерного компонента будет значением T для полимера непрерывной фазы. В случае непрерывности более чем одного полимера и их несмешиваемости значение T для полимерного компонента будет наивысшим значением T для полимеров непрерывных фаз.
g
g
g
g
g
g
Температурой размягчения полимерного компонента, у которого полимеры являются аморфными, является температура стеклования полимерного компонента. «Температуру стеклования» (T) для полимерного компонента определяют методом ДСК в соответствии с методикой публикации ASTM method E1356-03. В случае содержания в полимерном компоненте только смешиваемых полимеров и очевидном наблюдении на кривой ДСК только одного фазового изменения в виде стеклования значение T для полимерного компонента будет представлять собой температуру на полпути при прохождении фазового изменения. В случае очевидного наблюдения на кривой ДСК нескольких фазовых изменений в виде стеклования вследствие присутствия несмешиваемых аморфных полимеров значение T для полимерного компонента будет значением T для полимера непрерывной фазы. В случае непрерывности более чем одного аморфного полимера и их несмешиваемости значение T для полимерного компонента будет наивысшим значением T для полимеров непрерывных фаз.
В случае содержания в полимерном компоненте комбинации из полукристаллических и аморфных полимеров температурой размягчения полимерного компонента будет температура размягчения полимерного компонента непрерывной фазы. В случае совместной непрерывности фаз полукристаллического и аморфного полимера температурой размягчения комбинации будет более высокая температура размягчения двух фаз.
Вспениваемую полимерную композицию получают в экструдере при начальной температуре, которая превышает температуру размягчения полимерного компонента, и при начальном давлении, которое исключает вспенивание. В широком смысле настоящее изобретение не зависит от того, как получать вспениваемую полимерную композицию в экструдере. Способы получения вспениваемой полимерной композиции в экструдере могут представлять собой часть предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Подходящим для использования при включении в настоящее изобретение является любой способ экструдирования, который может включать в себя использование специфических формующих пластин, описывающихся ниже. Поэтому существует множество возможных способов получения вспениваемой полимерной композиции в экструдере при начальной температуре и начальном давлении. Одна обычная методика заключается в подаче полимера в гранулированной форме в экструдер, который находится при температуре, достаточной для размягчения полимерных гранул в степени, достаточной для перемешивания полимера в экструдере. Добавки могут быть включены в полимерные гранулы, добавлены к гранулам в экструдер или добавлены в экструдер по ходу технологического потока после добавления полимерных гранул. Обычным является добавление пенообразователя к размягченному полимеру по ходу технологического потока после добавления полимера в результате нагнетания одного или более чем одного пенообразователя в размягченный полимер в экструдере при давлении, которое является равным или превышающим начальное давление. После этого экструдер может примешивать пенообразователь (пенообразователи) к размягченному полимеру. Пенообразователь также может находиться в полимерных гранулах и перед добавлением гранул в экструдер. Обычно таким пенообразователем является химический пенообразователь, находящийся в полимере.
Настоящий способ требует вытеснения вспениваемой полимерной композиции из экструдера в среду меньшего давления, чем начальное давление, а после этого обеспечения расширения вспениваемой полимерной композиции для получения пенополимера. Вспениваемая полимерная композиция остается при температуре, большей, чем температура размягчения полимерного компонента, вплоть до вытеснения в среду меньшего давления, но может быть и нагрета или охлаждена перед вытеснением. Обычным является вытеснение вспениваемой полимерной композиции из экструдера через вспенивающую головку в среду атмосферного давления. Вспенивающая головка имеет выходное отверстие, через которое проходит пеноматериал и которое определяет общую форму получающегося в результате пенополимера. Выходное отверстие вспенивающей головки может иметь любую форму, в том числе прямоугольную, квадратную, круглую, овальную или даже несимметричную форму. Вспенивающая головка может иметь несколько выходных отверстий, для того чтобы вспениваемая полимерная композиция покидала бы вспенивающую головку в виде нескольких прядей, нескольких листов или любой комбинации форм.
Вспениваемая композиция по мере своего расширения охлаждается. Охлаждение может происходить при наличии или в отсутствие позитивного применения охлаждающей среды (например, в случае охлажденного воздуха или введения в контакт с охлажденными пластинами) или отжигающей среды (например, в случае нагретого воздуха или введения в контакт с нагретыми пластинами). Зачастую охлаждение происходит и в отсутствие позитивного применения охлаждающей среды. По мере охлаждения вспениваемой полимерной композиции она стабилизируется по своим геометрическим размерам с образованием конечного пенополимера.
Удивительный результат настоящего изобретения обуславливается использованием формующих пластин для контроля поэтапного или постадийного расширения вспениваемой полимерной композиции по направлению размера толщины для получающегося в результате пенополимера. При расширении вспениваемой полимерной композиции расширение первоначально ограничивают по направлению размера толщины начальными формующими пластинами на противолежащих сторонах расширяющейся вспениваемой композиции по направлению размера толщины. Начальные формующие пластины могут быть независимыми одна от другой или представлять собой часть единой или модульной структуры (например, труба, туннель или «С»-образный канал), через которую проходит расширяющаяся вспениваемая полимерная композиция при ее движении по направлению ее экструдирования. Начальные формующие пластины имеют противолежащие формующие стенки (начальные формующие стенки), которые находятся в контакте со вспениваемой полимерной композицией и которые являются по существу параллельными одна другой и по существу параллельными направлению экструдирования. Термин «по существу параллельный» обозначает либо равенство расстояния между двумя формующими стенками в любых двух точках на формующей стенке, либо нахождение меньшего расстояния в пределах 5% от большего расстояния. Начальные формующие стенки разнесены одна от другой по направлению размера толщины на начальное расстояние, которое соответствует высоте выходного отверстия вспенивающей головки с кратностью превышения в диапазоне от 10 до 40. Предпочтительно начальные формующие стенки остаются по существу параллельными одна другой на определенном расстоянии по направлению экструдирования, более предпочтительно на расстоянии в диапазоне от 50 миллиметров до 300 миллиметров.
Расширяющаяся вспениваемая полимерная композиция проходит по направлению экструдирования через начальные формующие пластины, а после этого через второй комплект формующих пластин (вторичные формующие пластины), которые имеют противолежащие формующие стенки (вторичные формующие стенки), которые ограничивают расширение вспениваемой полимерной композиции по направлению размера толщины для получающегося в результате пенополимера. Вторичные формующие стенки разнесены одна от другой больше, чем начальные формующие стенки, и в желательном варианте, хотя это и необязательно, являются по существу параллельными одна другой и направлению экструдирования. Вторичные формующие стенки предпочтительно имеют длину по направлению экструдирования, которая находится в диапазоне от 100 до 1500 миллиметров. Зазор между вторичными формующими стенками может различаться в любых двух точках с коэффициентом, равным 2,5 и менее, предпочтительно с коэффициентом, равным 2 и менее, еще более предпочтительно с коэффициентом, равным 1,5 и менее. В случае по существу непараллельности вторичных формующих стенок зазор между ними, где пенополимер покидает пространство между ними, должен быть большим, чем зазор, где пенополимер поступает в зазор между ними. Зазор между вторичными формующими стенками, где пенополимер поступает в пространство между ними, в желательном варианте соответствует наибольшему зазору между начальными формующими стенками с кратностью превышения в диапазоне от 1,01 до 2. Как и в случае начальных формующих пластин вторичные формующие пластины могут быть независимыми одна от другой или представлять собой часть единой или модульной структуры, через которую проходит расширяющаяся вспениваемая полимерная композиция по ходу ее движения по направлению ее экструдирования.
Одна или обе из вторичных формующих пластин могут составлять непрерывную структуру с одной или обеими из начальных формующих пластин таким образом, чтобы ограничивающая стенка у двух последовательных ограничивающих секций была бы непрерывной. Например, один плоский лист материала может простираться по направлению размера экструдирования и исполнять функцию одной из начальных и одной из вторичных формующих пластин. В еще одном варианте осуществления один материал может простираться в виде плоского листа материала на определенное расстояние по направлению размера экструдирования, а после этого иметь изгиб с последующей еще одной плоской секцией, простирающейся на еще одно определенное расстояние, при этом две плоские секции исполняют функцию начальных и вторичных формующих пластин. Формующие пластины последовательных ограничивающих секций также могут быть независимыми и отличными одна от другой. В объем настоящего изобретения попадают любые комбинация или способ конструирования двух формующих пластин и стенок формующих пластин по направлению экструдирования расширяющейся вспениваемой полимерной композиции, поскольку способ конструирования пластин является менее важным, чем простое присутствие и последовательность формующих пластин.
Каждый зазор между стенками формующих пластин исполняет функцию ограничивающей секции, которая сдерживает расширение вспениваемой полимерной композиции по направлению размера толщины для пенополимера. В целях эффективного ограничения расширения формующие стенки являются достаточно широкими для вхождения в контакт со всей шириной расширяющейся вспениваемой композиции.
Способ настоящего изобретения включает формующие пластины, которые образуют, по меньшей мере, две ограничивающие секции, тем не менее, способ может включать формующие пластины, которые образуют более чем две ограничивающие секции. Увеличение количества ограничивающих секций приводит к получению лучшего контроля расширения вспениваемой полимерной композиции и является желательным при увеличении желательной толщины пеноматериала, в частности при превышении желательной толщиной пеноматериала 140 миллиметров. Например, способ может включать формующие пластины, имеющие по существу параллельные формующие стенки, которые находятся между начальными и вторичными формующими пластинами. Формующие пластины, находящиеся между начальными формующими пластинами и вторичными формующими пластинами, имеют по существу параллельные формующие стенки, которые разнесены одна от другой на расстояние в пределах 5% от наибольшего расстояния между начальными формующими пластинами. Дополнительные формующие пластины могут находиться и после вторичных формующих пластин и могут быть по существу параллельными или непараллельными.
Начальные формующие пластины могут быть непосредственно примыкающими к вспенивающей головке и даже соприкасающимися с ней или могут быть удалены от вспенивающей головки. Начальные формующие пластины располагаются в пределах расстояния от вспенивающей головки, которое равно 25% от длины начальных формующих пластин. В случае удаления от вспенивающей головки в желательном варианте зазор между начальными формующими стенками будет большим, чем высота выходного отверстия вспенивающей головки. Если начальные формующие пластины не будут непосредственно примыкающими к вспенивающей головке и находящимися с нею в контакте, то в желательном варианте между вспенивающей головкой и начальными формующими пластинами будет располагаться короткая (от 10 до 100 миллиметров в длину) секция с непараллельными пластинами. Данные короткие секции с непараллельными пластинами являются соединительными секциями и вследствие своей короткой длины не считаются формующими пластинами. Данные соединительные секции в желательном варианте направляют расширяющуюся вспениваемую композицию от выходного отверстия головки в пространство между начальными ограничивающими стенками.
Любой комплект формующих пластин может быть непосредственно примыкающим к предшествующему, а также последующему комплекту формующих пластин, находящимся с ним в контакте или удаленным от него. В случае удаления одного комплекта формующих пластин от предшествующего или последующего комплекта формующих пластин будет иметь место соединительная секция с непараллельными пластинами, которая направляет вспениваемую полимерную композицию между двумя комплектами формующих пластин.
Формующие пластины, формующие стенки и соединительные секции могут быть изготовлены из любого материала, но предпочтительно их изготавливают из материала и при придании текстуры, которые обеспечивают получение минимальной силы трения с расширяющейся вспениваемой полимерной композицией. Ограничивающие стенки могут содержать фторполимерную смолу, сталь, алюминий и могут включать текстуру, такую как в случае прорезания канавок, микронагартовки, травления и рифления. Ограничение также может быть создано и при использовании ограничивающих стенок, сдерживающих расширение вспениваемой полимерной композиции по другим размерам помимо желательного размера толщины и в любой желательной степени.
Одну или более чем одну ограничивающую стенку в одной или более, чем одной ограничивающей секции можно контролировать термически. Термически контролируемая ограничивающая стенка может быть нагрета, охлаждена или может иметь опцию по нагреванию или охлаждению до желательной температуры.
Формующие пластины и ограничивающие стенки в желательном варианте разрабатывают обеспечивающими расширение вспениваемой полимерной композиции для получения пенополимера, характеризующегося степенью расширения по толщине, равной 30 к одному (30:1) и более, предпочтительно 35:1 и более, еще более предпочтительно 40:1 и более. Степень расширения по толщине для пенополимера представляет собой толщину пенополимера, разделенную на размер выходного отверстия вспенивающей головки, соответствующий размеру толщина для пеноматериала (то есть на толщину вспениваемой полимерной композиции в момент покидания ею вспенивающей головки). Такая большая степень расширения по толщине соотносится со значительным уменьшением плотности и пенополимером низкой плотности.
Пеноматериалы, полученные при степени расширения по толщине, равной 30:1 и более, без использования способа настоящего изобретения, имеют тенденцию к демонстрации профилей неоднородной плотности по направлению их толщины, а также профилей неоднородного предела прочности при сжатии по направлению их толщины. Как можно сказать без связывания себя теорией, пеноматериалы, характеризующиеся степенью расширения по толщине, равной 30:1 и более, в настоящее время имеют тенденцию к демонстрации профилей неоднородной плотности и профилей неоднородного предела прочности при сжатии по направлению размера толщины вследствие развития градиента падения давления по направлению размера толщины для пеноматериала. Градиент падения давления вызывает неоднородное расширение пузырей, образующих ячейки пеноматериала. В результате части пеноматериала, соседствующие с поверхностью, расширяются больше, чем части пеноматериала, соседствующие с центром или сердцевиной пеноматериала.
Как это ни удивительно, но способ настоящего изобретения способен обеспечивать получение экструдированного пенополимера, который характеризуется профилями по существу однородных плотности и предела прочности при сжатии по направлению размера толщины при одновременной демонстрации степени расширения по толщине, равной 30:1 и более. Подобным образом настоящее изобретение может обеспечить получение экструдированного пенополимера, имеющего толщину, равную 10 сантиметрам и более, который характеризуется профилями по существу однородных плотности и предела прочности при сжатии по направлению размера толщины. Толщина экструдированного пенополимера, полученного по настоящему способу, является, по меньшей мере, настолько же большой, как и наибольший зазор формующих стенок, напоминая о том, что формующие стенки находятся в контакте со вспениваемой полимерной композицией и ограничивают расширение по направлению размера толщины при превращении вспениваемой полимерной композиции в экструдированный пенополимер. В одном желательном варианте осуществления для получения пенополимера, имеющего толщину, равную 10 сантиметрам и более, наибольший зазор между формующими стенками составляет 10 сантиметров и более.
Еще более удивительной является способность способа настоящего изобретения обеспечивать получение экструдированного пенополимера, характеризующегося степенью расширения по толщине, равной 30:1 и более, толщиной, равной 10 сантиметрам и более, или как степенью расширения по толщине, равной 30:1 и более, так и толщиной, равной 10 сантиметрам и более, при одновременной также демонстрации и высококачественного внешнего вида поверхности. Пеноматериал будет характеризоваться «высококачественным внешним видом поверхности» в случае отсутствия дефектов на 98% и более, предпочтительно 99% и более, наиболее предпочтительно 100%, от любого участка в 200 квадратных сантиметров любой основной поверхности пеноматериала, который центрируется на основной поверхности пеноматериала и простирается на 80% ширины пеноматериала. «Дефект» представляет собой разрыв непрерывности на полимере, который обеспечивает доступ к более чем одной ячейке пеноматериала через основную поверхность пенополимера. Дефекты наблюдаются непосредственно при покидании вспенивающей головки и отличаются от намеренно проточенных желобков или слоев, введенных в пеноматериал после вспенивающей головки.
Способ настоящего изобретения может приводить к получению экструдированного пенополимера, характеризующегося профилями по существу однородных плотности и предела прочности при сжатии по направлению размера толщины для пеноматериала практически при любой толщине при условии демонстрации экструдированным пенополимером степени расширения по толщине, равной 30:1 и более. Однако в особенности многообещающим является получение экструдированного пенополимера, имеющего толщину, равную 10 сантиметрам и более, который также характеризуется степенью расширения по толщине, равной 30:1 и более, чего способ настоящего изобретения также способен добиться.
Еще более многообещающим является получение экструдированных пенополимеров, характеризующихся профилями по существу однородных плотности и предела прочности при сжатии по направлению размера толщины для пеноматериала, когда площади поперечного сечения становятся большими. Способ настоящего изобретения способен обеспечить получение экструдированных пенополимеров, характеризующихся профилями по существу однородных плотности и предела прочности при сжатии по направлению размера толщины для пеноматериала, которые также характеризуются и площадями поперечного сечения, равными 300 квадратным сантиметрам и более.
Предпочтительные экструдированные пенополимеры, полученные в настоящем изобретении, характеризуются средним размером ячеек, согласно определению в соответствии с публикацией ASTM method D-3576 равным 0,1 миллиметра и более, более предпочтительно 0,25 миллиметра и более, еще более предпочтительно 0,5 миллиметра и более, а предпочтительно характеризуются размером ячеек, равным 1,5 миллиметра и менее.
Экструдированные пенополимеры, полученные по настоящему изобретению, могут характеризоваться унимодальным распределением ячеек по размерам или полимодальным (например, бимодальным) распределением ячеек по размерам. Для оптимизации теплоизолирующих свойств экструдированные пенополимеры по настоящему изобретению в желательном варианте характеризуются унимодальным распределением ячеек по размерам. Экструдированный пенополимер будет характеризоваться унимодальным распределением ячеек по размерам в случае демонстрации графиком зависимости между размером ячеек (округленным до ближайшей величины, кратной 0,02 миллиметра) и количеством ячеек одного пика. «Пик» представляет собой точку на графике, которая имеет, по меньшей мере, три точки, имеющие меньшее значение по оси у как до, так и после нее, по ходу оси х на графике до появления точки, имеющей большее значение по оси у. Пик может включать более чем одну точку с равными значениями по оси у (плато) при том условии, что точка на любой из сторон от плато (по ходу оси х на графике) будет иметь меньшее значение по оси у, чем точки, составляющие плато. График должен включать характеристики, по меньшей мере, для 100 ячеек, случайным образом выбранных из полного поперечного сечения экструдированного пенополимера. В качестве размера ячейки для заданной ячейки используют среднее значение для наибольшего и наименьшего диаметров ячейки.
Экструдированный пенополимер, который изготавливают при использовании способа настоящего изобретения, может включать почти сферические ячейки или даже сферические ячейки. Почти сферические ячейки характеризуются максимальным аспектным соотношением (то есть наибольшим диаметром, поделенным на наименьший диаметр), меньшим, чем 1,5. Сферические ячейки характеризуются максимальным аспектным соотношением в диапазоне от 0,9 до 1,0. То, имеет ли экструдированный пенополимер почти сферические или сферические ячейки, определяют в результате рассматривания изображений в поперечных сечениях, по меньшей мере, для 100 ячеек пенополимера. Пенополимеры, характеризующиеся унимодальным размером ячеек, у которых ячейки являются сферическими или почти сферическими, демонстрируют более значительные величины предела прочности при сжатии, которые имеют тенденцию к однородности или почти однородности вне зависимости от того, по какому размеру пеноматериала измеряют предел прочности при сжатии.
3
3
3
3
Пеноматериал, полученный в настоящем изобретении, в желательном варианте имеет плотность, равную 60 килограммам на один кубический метр (кг/м) и менее, предпочтительно 45 кг/м и менее, а еще более предпочтительно 36 кг/м и менее. Для достижения механический целостности, достаточной для удобства в работе, пеноматериал, полученный в настоящем изобретении, обычно имеет плотность, равную 10 кг/м и более.
Примеры
Следующий далее пример используется для дополнительного иллюстрирования вариантов осуществления настоящего изобретения.
Пример 1
Экструдированный пенополистирол из полистирольного гомополимера получают в результате получения в экструдере вспениваемой полимерной композиции, содержащей гомогенную смесь из полистирольного гомополимера (145000 граммов на моль, среднемассовая молекулярная масса), 3,6 массовой части диоксида углерода и 1,0 массовой части изобутана, при 215°С и 184 бар. Массовые части получают в расчете на 100 массовых частей полистирольного гомополимера. Вспениваемую полимерную композицию охлаждают до 117°С и экструдируют через вспенивающую головку при давлении 89 бар. Головка имеет размеры выходного отверстия 2,44 миллиметра в высоту на 245 миллиметров в ширину.
Вспениваемая полимерная композиция проходит через вспенивающую головку в первую ограничивающую секцию в начале своего расширения. Первую ограничивающую секцию определяют стенки противолежащих формующих пластин, разнесенных одна от другой на 47 миллиметров и простирающихся на 180 миллиметров по направлению экструдирования, параллельно направлению экструдирования и при равном удалении от расширяющейся вспениваемой полимерной композиции. Расширяющаяся вспениваемая полимерная композиция при покидании первой ограничивающей секции немедленно поступает во вторую ограничивающую секцию. Вторая ограничивающая секция имеет стенки противолежащих формующих пластин, разнесенные одна от другой на 67,2 миллиметра и простирающиеся на 850 миллиметров по направлению экструдирования и параллельно направлению экструдирования. Одна из стенок формующих пластин находится в одной плоскости со стенкой формующей пластины первой ограничивающей секции, в то время как стенка противолежащей формующей пластины (которая в общем случае располагается выше расширяющейся вспениваемой полимерной композиции) является параллельной, но не является компланарной для любой из вспенивающих пластин первой ограничивающей секции. Вспениваемая полимерная композиция покидает вторую ограничивающую секцию в виде конечного экструдированного пенополимера.
3
Конечный экструдированный пенополимер имеет толщину 120 миллиметров и ширину 725 миллиметров. Степень расширения по толщине для экструдированного пенополимера составляет 49,2. Конечный экструдированный пенополимер имеет среднюю плотность 34,3 килограмма на один кубический метр (кг/м). Экструдированный пенополимер имеет определявшийся выше высококачественный внешний вид поверхности.
Сравнительный пример А
Сравнительный пример А (Сравн. пр. А) выполняют способом, подобным примеру 1, за исключением: (1) экструдирование проводят через вспенивающую головку, имеющую высоту выходного отверстия 2,66 миллиметра (размер для получения размера толщины для пеноматериала); и (2) используют только первую ограничивающую секцию после вспенивающей головки (то есть воздействие на вспениваемую полимерную композицию только первой ограничивающей секции и неиспользование второй ограничивающей секции).
3
Конечный экструдированный пенополимер имеет толщину 120 миллиметров и ширину 745 миллиметров. Степень расширения по толщине для экструдированного пенополимера составляет 45,1. Конечный экструдированный пенополимер имеет среднюю плотность 34,3 кг/м. Экструдированный пенополимер имеет определявшийся выше высококачественный внешний вид поверхности.
Профиль плотности по направлению размера толщины как в случае примера 1, так и в случае Сравн. пр. А определяют в результате расслаивания пеноматериалов на десять слоев, каждый из которых имеет толщину 10 миллиметров. Таблица 1 включает значения плотности для каждого слоя каждого пеноматериала, при этом слой 1 соответствует верху при последовательной нумерации вплоть до слоя 10, который соответствует низу пеноматериала.
Профиль предела прочности при сжатии по направлению размера толщины как в случае примера 1, так и в случае Сравн. пр. А определяют в результате удаления оболочек с основных поверхностей каждого пеноматериала, а после этого расслаивания пеноматериалов на семь слоев, каждый из которых имеет толщину 15 миллиметров. Таблица 1 включает значения предела прочности при сжатии для каждого слоя каждого пеноматериала, при этом слой 1 соответствует верху при последовательной нумерации по мере приближения слоев к низу пеноматериала.
Таблица 1
Слой
Плотность (кг/м<sup>3</sup>)
Предел прочности при сжатии (килопаскали)
Сравн. пр. А
Пример 1
Сравн. пр. А
Пример 1
1
30,4
35,2
269
363
2
34,9
35,2
342
368
3
35,6
34,2
343
344
4
35,2
34,4
347
329
5
35,1
34,2
346
347
6
35,3
33,9
348
360
7
35,6
34,5
255
378
8
35,4
34,4
9
34,3
34,5
10
30,1
34,7
Анализ плотности
3
3
В случае Сравн. пр. А ясно то, что пеноматериал имеет меньшую плотность поблизости от верхней и нижней поверхностей в сопоставлении с сердцевиной пеноматериала. Среднее значение для максимальной и минимальной плотностей составляет (35,6+30,1)/2 или 32,85 кг/м. Различие между плотностями слоя 10 и слоя 3 и средним значением для максимума и минимума составляет 2,75 кг/м или 8,4% от среднего значения для максимума и минимума. Поэтому Сравн. пр. А не квалифицируется как демонстрирующий профиль по существу однородной плотности по направлению размера толщины.
3
3
Пример 1 характеризуется профилем более однородной плотности. Среднее значение для максимальной и минимальной плотностей составляет 34,55 кг/м. Различие между плотностями слоев 1 и 2 (слои максимальной плотности) и плотностью слоя 6 (слой минимальной плотности) в сопоставлении со средним значением для максимума и минимума составляет 0,65 кг/м или 1,9%. Поэтому пример 1 квалифицируется как демонстрирующий профиль по существу однородной плотности по направлению размера толщины.
Анализ предела прочности при сжатии
В случае Сравн. пр. А ясно то, что пеноматериал характеризуется меньшим пределом прочности при сжатии поблизости от верхней и нижней поверхностей в сопоставлении с сердцевиной пеноматериала. Среднее значение для максимальной и минимальной плотностей составляет (348+255)/2 или 301,5 килопаскаля. Различие между пределами прочности при сжатии слоя 6 и слоя 7 и средним значением для максимума и минимума составляет 46,5 килопаскаля или 15% от среднего значения для максимума и минимума. Поэтому Сравн. пр. А не квалифицируется как демонстрирующий по существу однородный предел прочности при сжатии по направлению размера толщины.
Пример 1 характеризуется профилем более однородной плотности. Среднее значение для максимального и минимального пределов прочности при сжатии составляет 353,5 килопаскаля. Различие между пределами прочности при сжатии для максимума и минимума в сопоставлении со средним значением для максимума и минимума составляет 24,5 килопаскаля или 6,9%. Поэтому пример 1 квалифицируется как демонстрирующий по существу однородный предел прочности при сжатии по направлению размера толщины.
Сопоставление примера 1 и Сравн. пр. А иллюстрирует удивительный аспект настоящего изобретения - использование постадийного расширения при наличии, по меньшей мере, двух ограничивающих секций делает возможным непосредственное изготовление (то есть изготовление без переработки после формования или без модифицирования пеноматериала) экструдированного пенополимера, характеризующегося профилем по существу однородной плотности и профилем по существу однородного предела прочности при сжатии по направлению размера толщины.