СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРНОГО ПОЛИКАРБОНАТНОГО ЛИСТА
METHOD OF PRODUCING STRUCTURAL POLYCARBONATE SHEET

Изобретение относится к способам получения термопластичных формуемых материалов из поликарбоната, а именно к способам получения структурного поликарбонатного листа, сотового или ячеистого, который может быть использован для облицовки стен, потолков, для устройства перегородок, перекрытий, автобусных остановок, для изготовления подвесных потолков, остекления теплиц, зимних садов и т.п.
2
Известен способ получения полимерного комбинированного материала, который состоит из поликарбонатного слоя и других слоев, которые наносят поверх поликарбонатного слоя (см. Описание к патенту РФ №2245793, МПК7 В32В 27/08, 31/00, опубл. 10.02.2005). Получаемый материал является многослойным, слои монолитные, которые производятся с использованием валов каландров. Такой монолитный лист имеет значительный удельный вес 4,8 кг/м при его толщине 4 мм. Использование валов каландров позволяет регулировать толщину монолитного листа в широких пределах 300 микрометров - 12 мм. Прочность такого листа достаточно высока, но при его производстве имеет место большой расход исходных компонентов. Способ не позволяет получить структурный поликарбонатный лист малой толщины с малым расходом исходных материалов, имеющий достаточную прочность для указанного выше применения с экономией исходных компонентов.
2
Известен способ получения структурного поликарбонатного листа с удельным весом 0,8 кг/м при его толщине 3,5-4,5 мм, который включает экструзию расплава исходных компонентов с использованием формующей головки, которая формирует структуру листа и выполнена с отверстиями для прохождения воздуха, содержит систему подачи воздуха в камеры профиля, имеет на конце прорези - каналы для расплава, формирующие сотовую структуру. Расплав под давлением заполняет каналы и соединяется в единый поток (см. технологию получения структурного поликарбонатного листа сотовой структуры с использованием линии на базе экструдера ОМ 120 или ОМ 150 с диаметром шнека 120 мм или 150 мм соответственно предприятия ООО «СафПласт», Республика Татарстан, Россия, www.novattro.ru). Возможность получения листа сотовой структуры резко уменьшает его удельный вес при такой же толщине и обеспечивает приемлемые прочностные эксплуатационные характеристики листа при значительном уменьшении потребления исходных компонентов. Тем не менее проблема уменьшения расхода исходных компонентов остается актуальной для уменьшения затрат при производстве указанных материалов. Указанный способ является наиболее близким аналогом.
Задачей изобретения является уменьшение расхода исходных компонентов для получения структурного листа путем дальнейшего уменьшения его удельного веса при заданной толщине листа.
2
Задача решается способом получения структурного поликарбонатного листа экструзионным методом, при котором проводят дозирование исходных сырьевых компонентов, подачу их на экструдер, где производят их сжатие, плавление, декомпрессию, дегазацию, повторное сжатие, фильтрацию, перекачивание шестеренчатым насосом расплава, гомогенизацию, перемешивание, его распределение и формирование с помощью формующей головки экструдера. После формующей головки расплав подают на плиты калибратора, перемещают его между ними с помощью тянущих устройств, установленных после калибратора. При прохождении сформованного расплава через калибратор его охлаждают. При этом образуется лист сотовой структуры с толщиной листа, зависящей от выставленного зазора между плитами калибратора. При скорости протяжки тянущих устройств 3,1-7,25 м/мин по сравнению с обычной скоростью 3 м/мин обеспечивается удельный вес структурного поликарбонатного листа в диапазоне 0,6-0,79 кг/м при его толщине в 3,5-4,5 мм.
2
При такой толщине сотового поликарбонатного листа с указанным удельным весом лист длиной 12 м весит в среднем 17,64 кг, а лист той же толщины в 4 мм с удельным весом 0,8 кг/м - 20,16 кг, определяя экономию исходных материалов. При этом сохраняются физико-механические показатели листа (изгибающее напряжение при изгибе и нагрузка при изгибе).
В качестве исходного сырья для получения сотового поликарбонатного листа использовали разветвленные и линейные марки поликарбоната, гранулированного на основе бисфенола А, а также их смеси; использовали первичный поликарбонат или вторичный; в частности, использовались следующие марки ведущих производителей:
- Lexan Resin EX1472T компании SABIC Innovative Plastics;
- Lexan 103 R-l11 Natural компании SABIC Innovative Plastics;
- M.PC-007 U ОАО «Казаньоргсинтез»;
- PC-005 U ОАО «Казаньоргсинтез»;
- Makrolon 1243 компании Bayer MaterialScience;
- Makrolon 1883 компании Bayer MaterialScience;
- INFINO SC-1060U компании Samsung.
Вторичный поликарбонат - это передробленные листы после экструзии или регранулят поликарбоната (гранулы, полученные после экструзии дробленки поликарбоната).
Смешивание компонентов проводили на коническом смесителе.
При экструзии проводили сжатие, уплотнение поступившего на экструдер сырья, в котором шнек выполнен с уменьшением свободного сечения профиля по ходу движения материала.
Плавление для перехода материала из твердого в высокопластичное и затем в текучее состояние проводили за счет нагревания стенок цилиндра со смесью и трения гранул друг о друга за счет уменьшения свободного сечения профиля шнека. Плавление осуществляли за счет совмещения операций нагревания нагревателями омического сопротивления и охлаждения с помощью вентиляторов. Нагрев-охлаждение осуществляли по восьми зонам для управления процессом экструзии за счет изменения вязкости расплава полимера в зонах.
Процесс перемешивания сжимаемого расплава при его перемещении происходит за счет интенсивных течений в витке шнека, возникающих с направлением их под углом к общему направлению перемещения расплава.
Декомпрессию проводили за счет обеспечения большего свободного объема для прохождения расплава в канале экструдера за счет наличия отверстия в нем, в его зоне декомпрессии. При этом в зоне декомпрессии экструдера давление расплава уменьшалось до нуля, а летучие компоненты расплава (пары воды, летучие компоненты органической природы) переходили в газообразную форму вследствие высокой температуры расплава в 260°С.
Дегазация обеспечивалась за счет перехода летучих компонентов в газообразную форму, наличия отверстия в канале декомпрессии экструдера и соединения отверстия зоны дегазации в канале декомпрессии экструдера с водокольцевым вакуумнасосом с обеспечением разряжения 0,8-0,9 бар. При этом летучие вещества, в том числе низкомолекулярные органические, легко испарялись, попадали в отделительные бачки, находящиеся между камерой дегазации экструдера и вакуумнасосом, где охлаждались и оседали в виде жидких и твердых продуктов.
Повторное сжатие проводили в материальном цилиндре со шнеком за счет увеличения скорости течения расплава путем изменения глубины и шага винтовой нарезки шнека по ходу движения расплава. Температура сжатия составляла 260-290°С.
Фильтрацию проводили в камере перед устройством смены сит фильтра расплава, где проводили измерение давления расплава. Фильтрацию проводили через двойное сито: первое с крупными ячейками, второе по ходу движения расплава с мелкими ячейками. Фильтровались посторонние твердые частицы, загрязнения, непроплавленные гранулы. При этом осуществлялась дополнительная гомогенизация расплава. Смена загрязненных фильтров на чистые проводилась при остановке линии при условии повышенного давления в камере перед фильтром, между устройством смены фильтров и насосом расплава, за счет перекрытия ячеек сетки твердыми частицами загрязнений с использованием двухпозиционных гидравлических устройств.
Перекачивание расплава насосами к головке экструдера с наиболее точным объемным дозированием проводилось с использованием шестеренчатого насоса для перекачки вязкой неньютоновской жидкости при высокой температуре и высоком давлении с обогреваемым корпусом патронными нагревателями омического сопротивления. Кроме подачи расплава насос за счет точного дозирования расплава снимает негативный эффект шнековой пульсации на головку экструдера. При этом происходила и гомогенизация расплава. Перемешивание расплава проводили в статическом миксере - обогреваемом канале для расплава, установленном после насоса, где в потоке расплава установлены металлические плоскости для перемешивания, с одновременным измерением давления и температуры расплава (термопара, установленная в расплав). Далее проводили распределение расплава и формирование его формующей плоскощелевой головкой коллекторного типа с плоским профилем эллипсоидной формы. Коллектор головки выполнен в виде камер круглого сечения с множеством отверстий разного диаметра для более равномерной подачи материала из коллектора в щель головки. Коллектор снабжен регулируемыми губками, со схемой зонального по ширине обогрева, предусматривающей 11 зон для равномерной подачи материала из коллектора в щель. Коллектор снабжен декельными пластинами, изменяющими ширину экструдата и распределяющими поток расплава по необходимой ширине профильного листа. Коллекторы перпендикулярны направлению экструзии и вытянуты на всю ширину головки. Хромированные стенки регулируемых губок и формообразующий элемент образуют щель, куда перетекает поток расплава. Формообразующий элемент формирует структуру листа и выполнен с отверстиями для прохождения воздуха, содержит систему подачи воздуха в камеры профиля, имеет на конце прорези - каналы для расплава, формирующие сотовую структуру. Расплав под давлением заполняет каналы и соединяется в единый поток.
После головки экструдера сформованный поток расплава подавали на калибратор с калибровочными плитами, между которыми выставлен зазор, определяющий толщину формируемого структурного листа. К плитам калибратора подведен сжатый воздух, вакуум и вода. Распределение сжатого воздуха, вакуума и воды в плитах калибратора осуществлялось за счет системы взаимно не связанных каналов, просверленных в плитах. Выходящий из головки сформованный расплав перемещался по плитам, контактируя с ними, охлаждался до температуры ниже стеклования и застывал с образованием листа сотовой структуры.
2
Для равномерного транспортирования отверждающегося в калибраторе сотового листа в направлении экструзии использовали двенадцативалковое тянущее устройство, установленное в экструзионной линии за калибратором. Тянущее устройство представляет собой мощную сварную раму (станину), на которой горизонтально в ряд закреплены шесть обрезиненных валов. Оси валов опираются на подшипники, закрепленные на станине. Для прижатия листа сотового поликарбоната к синхронно вращающимся нижним валам имеются шесть верхних обрезиненных валов того же диаметра, что и нижние, оси которых находятся в подшипниках, соединенных со штоками пневмоцилиндров, закрепленных на станине тянущего устройства и обеспечивающих сильное прижатие листа к нижним валам. Скорость вращения валов регулировалась двигателем переменного тока. При увеличенной скорости тянущего устройства в 3,1-7,25 м/мин происходит вытягивание листа с уменьшением толщины стенок, что и является причиной снижения удельного веса поликарбонатного листа в целом до 0,6-0,79 кг/м при неизменности толщины листа, задаваемой выставленным зазором между калибровочными плитами калибратора.
Далее проводили снятие внутренних напряжений в листе путем нагревания листа до температур, близких для перехода поликарбоната в высокоэластичное состояние. При необходимости можно проводить нанесение покрытия на лист в виде защитной пленки.
Лист может быть выполнен с дополнительным УФ-защитным слоем.
Пример 1.
2
2
Поликарбонат марки Actual! получали из сырья PC-007U 100% вышеуказанным способом со скоростью тянущих 7,25 м/мин, при величине выставленного зазора между плитами калибратора 4 мм. При этом получали лист с удельным весом 0,6 кг/м с нагрузкой при изгибе 25,0 Н, с изгибающим напряжением 11,72 МПа, что достаточно для широкого ряда применения карбонатного сотового листа. При указанной толщине сотового поликарбонатного листа в 4 мм и удельном весе 0,6 кг/м вес листа длиной 12 м составил 15,12 кг.
Пример 2.
2
2
Поликарбонат марки Actual! получали из смеси сырья Makrolon 1883-50%, Makrolon 1243 - 20%, регранулят - 30% вышеуказанным способом со скоростью тянущих устройств 3,1 м/мин, при величине выставленного зазора между плитами калибратора 4 мм. При этом получали лист с удельным весом 0,79 кг/м с нагрузкой при изгибе 37,7 Н, с изгибающим напряжением 18,7 МПа, что достаточно для широкого ряда применения карбонатного сотового листа. При указанной толщине сотового поликарбонатного листа в 4 мм и удельном весе 0,79 кг/м вес такого листа длиной 12 м составил 19,91 кг.
Пример 3.
2
Поликарбонат марки Actual! получали из смеси сырья Makrolon 1883 - 65%, Makrolon 1243 - 20%, дробленка - 15% вышеуказанным способом со скоростью тянущих устройств 5,3 м/мин, при величине выставленного зазора между плитами калибратора 4 мм. При этом получали лист с удельным весом 0,72 кг/м с нагрузкой при изгибе 33,2 Н, с изгибающим напряжением 15,7 МПа, что достаточно для широкого ряда применения поликарбонатного сотового листа. При указанной толщине сотового поликарбонатного листа в 4 мм и удельном весе 0,72 кг/м вес такого листа длиной 12 м составил 18,14 кг.
Пример 4 (по прототипу).
2
Поликарбонат марки Actual! получали из сырья PC-007U 100% вышеуказанным способом со скоростью тянущих устройств 3,0 м/мин, при величине выставленного зазора между плитами калибратора 4 мм. При этом получали лист с удельным весом 0,8 кг/м с нагрузкой при изгибе 38,5 Н, с изгибающим напряжением 19,0 МПа, что достаточно для широкого ряда применения поликарбонатного сотового листа. При указанной толщине сотового поликарбонатного листа в 4 мм и удельном весе 0,8 кг/м вес такого листа длиной 12 м составил 20,16 кг.
Все результаты примеров сведены в Таблицу.
Из Таблицы видно, что при увеличении скорости тянущих с 3 м/мин по сравнению с прототипом до 3,1-7,25 м/мин удельный вес уменьшился так же, как и вес листа при прочих равных условиях, а нагрузка при изгибе и изгибающее напряжение при изгибе остались в допустимых пределах для практического применения структурного поликарбонатного листа.
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4 (прототип)
Исходное сырье
PC-007U 100%
смесь сырья Makrolon 1883 - 50%, Makrolon 1243 - 20%, регранулят - 30%
смесь сырья Makrolon 1883 - 65%, Makrolon 1243 - 20%, дробленка - 15%
PC-007U 100%
Толщина листа, мм
4
4
4
4
Скорость тянущих устройств, м/мин
7,25
3,1
5,3
3.0
Удельный вес структурного листа, кг/м<sup>2</sup>
0,6
0,79
0,72
0,8
Вес листа толщиной 4 мм, длиной 12 м, кг
15,12
19,91
18,14
20,16
Нагрузка при изгибе, Н
25,0
37,70
33,20
38,50
Изгибающее напряжение (прочность на изгиб), МПа
11,72
18,70
15,70
19,00