СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОСЛОЙНОГО ПЕНОПЛАСТА
METHOD TO PRODUCE MULTI-LAYER FOAM PLASTIC

Данное изобретение относится к вспененным продуктам, в частности к вспененным полимерным материалам, содержащим по меньшей мере два слоя вспененной композиции, используемым в качестве легкого и теплостойкого заполнителя в производстве сэндвич-панелей.
В настоящее время в самолето- и вертолетостроении при изготовлении многослойных, а именно трехслойных, панелей конструкционного и радиотехнического назначения вместо сот широко применяют акрилимидные пенопласты, силовые профили с наполнителем из пенополиимида успешно используются в конструкциях самолета Boeing MD 1 (панели воздухозаборного канала хвостового двигателя), также заполненные пенопластом стрингер-профили используются при создании заднего гермошпангоута аэробусов А 340, А 340-600 и А 380.
При данном изготовлении панелей увеличивается устойчивость тонкостенных конструкций из углепластика и их сопротивления продольному изгибу и осевой нагрузке. Применение пенопласта полиимидного в качестве элемента жесткости позволяет толщину стенок конструкции ограничить одним-двумя слоями углепластика и, таким образом, получить выигрыш в весе.
Недостатками являются технологические сложности получения крупногабаритных монолитных листов, что существенно ограничивает их применение.
Известен способ производства многослойного пенопласта, содержащий множество слоев вспененного термопластичного продукта, имеющего низкую плотность, описанный в патенте RU 2205754, опубликованном 10.06.2003. Данный способ включает в себя следующие стадии: приготовление вспениваемой композиции, экструдирование этой композиции, вспенивание этой композиции, выдержка этого вспененного продукта при повышенной температуре до наступления адгезии между слоями и охлаждение полученного продукта.
Из уровня техники (см. патент США 4053341, дата публикации: 11.10.1977) известен также способ получения многослойного пенопласта. Согласно известному способу получения многослойного пенопласта на основе вспененного полиэтилена внутренний слой такой сэндвичевой структуры имеет плотность, отличную от плотности внешних слоев. Пенопласт получают из трех слоев полиэтилена, содержащих равное количество сшивающего агента (пероксидного) и различные количества химического вспенивающего агента. Многослойную структуру нагревают до температуры, при которой происходит сваривание листов (160°С), и далее температуру повышают для протекания реакции разложения вспенивающего агента и получения слоистого пенополиэтилена (190-250°С).
В рассмотренных патентах можно выделить следующие стадии получения многослойного полимерного или сополимерного пенопласта:
- изготовление по меньшей мере одной способности к вспениванию композиции;
- наличие в композиции вспенивающего агента и адгезионной добавки;
- экструзию композиции через головку, имеющую несколько отверстий;
- вспенивание экструдированной композиции при температуре пенообразования, которая выше температуры стеклования или температуры плавления полимерной композиции;
- выдерживание вспененного продукта при повышенной температуре в течение времени, достаточного для получения адгезии между отдельными слоями пены, необходимой для их соединения;
- охлаждение полученного многослойного продукта.
Однако данный метод не подходит для жестких пластиков, которые в процессе вспенивания образуют твердую корку. Ни один из рассмотренных способов не может быть использован для получения многослойного пенопласта на основе полиакрилимидного сополимера.
Известен способ получения многослойного пенопласта (см. GB 2489121, опубл. 26.09.2012 г.). В данном техническом решении предлагается использовать в качестве свариваемых поверхностей термопластичных пенопластов не плоские, а контурные поверхности, образующие линии сварки, имеющие выпуклые и вогнутые части. Это позволяет получать пенопласт с повышенной однородностью, улучшенными механическими свойствами, а также достигается снижение средней плотности по сравнению со слоистыми пенопластами, полученными с использованием известных процессов сварки. Однако данный способ получения слоистых пенопластов применим только для термопластичных матриц и не может быть применим к полиакрилимидам.
Получение многослойных пенопластов, применяемых в авиастроении, состоящих из соединенных вместе слоев вспененных листов, описан в патенте US 4687691 (опубл. 18.08.2008 г.). Данный аналог является наиболее близким.
В данном способе осуществляют:
синтез (приготовление) двух способных к вспениванию композиций, содержащих вспенивающий агент и сотовую конструкцию,
вспенивание слоев композиций,
соединение слоев композиций посредством клея,
охлаждение полученного многослойного продукта.
Усовершенствование включает в себя соединение слоев пенопласта за счет использования между ними слоя сотовой конструкции, что позволяет получить повышенную прочность при сдвиге. Усилие прикладывается перпендикулярно к слою листового пенопласта так, чтобы соты проникали вглубь. Также перед соединением двух пластин с образованием сэндвич-соты-пена конструкции наносится на поверхность пенопласта клей для упрочнения соединения, что неизбежно приводит к увеличению веса детали. К тому же технологически сложным является интегрировать слой сот в жесткий пенопласт, избегая при этом появления микротрещин, что может негативно сказаться на механических свойствах, теплопроводности конечной конструкции.
Технической задачей изобретения является разработка способа получения многослойного пенопласта на основе полиакрилимидного сополимера, не содержащего инородных уплотнений разной прочности и плотности. Получение сэндвичевой конструкции должно осуществляться без использования клеев.
3
Технический результат заключается в получении многослойного пенопласта без изменения плотности, уменьшении гидроскопичности, упрощении технологического процесса, с повышенными прочностными характеристиками: вспененного пластика с плотностью 50-100 кг/м, прочность на растяжение - 0,4-3,0 МПа.
Для достижения поставленного технического результата способ производства многослойного пенопласта, включающий следующие стадии:
приготовление по меньшей мере двух способных к вспениванию композиций, содержащих вспенивающий агент,
вспенивание слоев композиций,
соединение слоев композиций посредством сварки,
охлаждение полученного многослойного продукта,
отличается тем, что
в качестве исходной композиции используется акрилимидный сополимер,
причем соединение осуществляют одновременно со вспениванием с помощью диффузионной сварки.
Предпочтительно диффузионная сварка производится с использованием электрообогреваемых плит гидропресса или металлической оснастки, установленной в автоклаве или термопечи.
Предпочтительно расстояние между электрообогреваемыми плитами пресса или полками оснастки рассчитывается по формуле
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mn>2,0,</mn></mrow></mstyle></mrow>
где H - промежуток между плитами гидропресса или полками оснастки, мм;
i
t - толщина соответствующего i-слоя исходной композиции, мм;
i
k - коэффициент вспенивания соответствующего i-слоя исходной композиции,
n≥2 - количество слоев композиции, способных к вспениванию.
Предпочтительно использование в качестве вспенивающего агента третбутилового эфира.
Предпочтительно использование слоев композиции толщиной 4-15 мм.
Предпочтительно акрилимидный сополимер включает в себя акрилонитрил, акриловую кислоту либо метакрилонитрил.
Предпочтительно температура вспенивания от 190°C до 200°C.
Предпочтительно время вспенивания от 1 часа до 2 часов.
Предпочтительно охлаждение осуществляют при комнатной температуре.
Предпочтительно поверхность контакта исходного слоя композиции зашкуривают.
Примеры осуществления.
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mn>2,0</mn></mrow></mstyle><mo>=</mo><mn>20,4</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi><mo>.</mo></mrow>
Пример 1. Для производства многослойного пенопласта приготавливали две способных к вспениванию композиции (со вспенивающим агентом) на основе акрилимидного сополимера (два образца форполимера размером 10×10 см и толщиной 4 мм). Акрилимидный сополимер может включать в себя, например, акрилонитрил, акриловую кислоту либо метакрилонитрил. Для производства многослойного пенопласта поверхности образцов зашкуривают, обдувают воздухом, складывают (друг с другом) и помещают между плитами гидропресса, например гидропресса марки OMRA-5 (Италия). Также возможно проведение процесса вспенивания и сварки в термошкафу либо в автоклаве. Коэффициент вспенивания форполимера по сертификату качества k=2,8. В предпочтительном варианте осуществления расстояние между плитами пресса установили
Вспенивание композиций осуществлялось при температуре 190°C в течение 90 мин.
2
При вспенивании давление между образцами листового форполимера достигло значения 0,7 кг/см, что привело к диффузионной сварке вспененных образцов форполимера. Прочность сварного соединения достигает 70-75% прочности при разрыве вспененного пенопласта (таблица 1). Полученный пенопласт охлаждался при комнатной температуре (комнатной температурой считается ориентировочно температура до 35°C) в течение 4 часов.
Пример 2. Аналогично примеру 1, но зашкуривание не проводили, толщина слоев композиции составляла 10 мм. Вспенивание композиций осуществляли при температуре 200°C в течение 60 мин.
Пример 3. Аналогично примеру 1, при этом процесс вспенивания осуществляли в термошкафу, расстояние между металлическими листами оснастки устанавливали равным 26 мм.
Пример 4. Аналогично примеру 1, при этом процесс вспенивания осуществляли в термошкафу, расстояние между металлическими листами оснастки устанавливали равным 18 мм, а процесс диффузионной сварки проводили по режиму: при температуре 190°C в течение 30 мин, а затем поднимали температуру до 200°C и выдерживали 60 мин.
Пример 5. Аналогично примеру 1, но взято 3 образца сополимера размером 10×10 см и толщиной по 4 мм.
Пример 6. Аналогично примеру 1, но взяты 2 образца сополимера размером 10×10 см толщиной по 15 мм.
Свойства полученных многослойных образцов пенопластов из акрилимидного форполимера приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 (примеры 1-6) видно, что при диффузионной сварке прочность соединения листов пенопласта составляет 70-75% от прочности самого пенопласта. При диффузионной сварке плотность пеноблока многослойного не изменяется, прочность сварного шва в зависимости от плотности пенопласта составляет от 1,5 до 2,0 МПа.