СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTINUOUS PRODUCTION OF PRODUCTS FROM FOAMED POLYSTYRENE AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к технологии изготовления изделий из пенополистирола и устройству для получения этих изделий непрерывным методом.
Область применения пенопластов, в частности пенополистирола, обусловлена его потребительскими свойствами. Низкая кажущаяся плотность в сочетании с относительно высокими прочностными показателями, малая теплопроводность, а также наличие в России развитой сырьевой базы и относительно невысокая стоимость исходного сырья определяют широкое применение пенопластов в качестве теплоизоляционного и звукоизоляционного материала в строительстве, судо-, вагоно-, и авиастроении. Значительное количество пенополистирола расходуется для упаковки электронных и оптических приборов, товаров народного потребления, а также для изготовления специальных сортов бумаги, деталей мебели, литья по выплавляемым моделям и т.д.
Известен способ, согласно которому вначале производят полимеризацию стирола (например, суспензионную) в присутствии углеводорода, растворимого в стироле и нерастворимого в полистироле (в частности, изопентана, метиленхлорида и т.д.) (Берлин А.А. Основы производства газонаполненных пластмасс и эластомеров. М., 1954, 286 с). Затем осуществляют предварительное вспенивание гранул путем нагревания горячей водой, водяным паром или горячим воздухом до температуры 90-120°С. В результате объем гранул увеличивается в 10-30 раз.
После этого гранулы высушиваются и выдерживаются при комнатной температуре в течение 6-24 часов с тем, чтобы частичное разрежение в полостях гранул, вызванное изменением объема порообразующей жидкости в них при охлаждении, было скомпенсировано в результате проникновения воздуха внутрь гранул. Последующее формование изделий осуществляется с одновременным спеканием гранул на оборудовании периодического или полунепрерывного действия. На этой стадии в качестве теплоносителя используют как водяной пар, так и токи высокой частоты, а также инфракрасное облучение. При нагреве до 100-120°С полистирол переходит в высокоэластичное состояние, а в гранулах создается давление паров порообразующей жидкости и воздуха, в результате чего происходит дальнейшее "распухание" гранул и заполнение формообразователя. Затем изделие быстро охлаждают непосредственно в формах до 40-50°С, фиксируя тем самым структуру пены и форму изделия.
2
Кроме того, известен широко распространенный промышленный способ изготовления изделий из пенополистирола, заключающийся в следующем: мелкодисперсный полистирол, полученный эмульсионным способом, газообразователь (2,2-азо-бис-изобутиронитрил, диазоаминобензол, углекислый аммоний, бикарбонат натрия и др.), в некоторых случаях пластификатор, антипирен (например, тетрабромпараксилол, 1,2-дибромэтилбензол, соединения сурьмы и фосфора), краситель, наполнитель и т.д. тщательно перемешивают в течение 10-14 часов в шаровых мельницах, лопастных мешалках или ротационных аппаратах (Павлов В.А. Пенополистирол. - М., 1973 г.). Из полученной смеси формуют заготовки в пресс-формах закрытого типа при 140-170°С и давлении 150-200 кг/см. Эти "заготовки" вспенивают в ограничительных формах с одновременным масштабным формованием (или самоформованием) изделий при 110-140°С. Если заготовка изготовляется заливкой массы в форму, то смесевой композиции придают текучесть, добавляя в нее стирол или метилметакрилат, а также инициатор и газообразователь, и перемешивают в смесителе или на вальцах. Полученную полимер-мономерную пасту заливают в формообразователи, затем дополимеризуют при температурах ниже температуры разложения газообразователя (40-80°С). После этого температуру повышают до 100-140°С, при которой происходит вспенивание полимера. Если вспенивание сочетается с формованием изделий литьем под давлением или экструзией, смесь эмульсионного полистирола и газообразователя помещается в обогреваемую емкость, где происходит размягчение полистирола, разложение газообразователя и насыщение газом расплава. Насыщенная газом масса впрыскивается в холодную литьевую форму или выдавливается из головки экструдера.
Общими недостатками этих двух промышленных способов являются большие энергозатраты, малопроизводительное громоздкое оборудование, многостадийность процесса, трудности механизации и автоматизации, обуславливающие ручной труд и экологическую вредность производства.
2
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ, описанный в (Benning C.J., Plastics foams, v.1-2, N.Y. 1969). Согласно этому способу полимеризация и вспенивание полученного полимера совмещены. Порообразователь (например, 2,2'-азо-бис-изобутиронитрил или циклогексиловый эфир азодикарбоновой кислоты) одновременно является инициатором полимеризации. Этим способом получают пенопласты с ограниченной, относительно высокой кажущейся плотностью, имеющие большую цену и относительно небольшую область применения. По этой технологии получают низкомолекулярный полимер с невысокими механическими свойствами. Так, например, прочность при сжатии составляет менее 0.5 кгс/см, а прочность при статическом изгибе - 0.15 кгс/см. Кроме того, наличие большого количества отходов производства не позволяет обеспечить экологическую чистоту производства и комфортные условия для технического персонала.
2
2
Насыщение расплава полимерной композиции непосредственно газом (СО, N) с последующим сбросом давления не нашло широкого распространения, поскольку газ не растворяется в полимере и для сколько-нибудь значительного насыщения расплава требуется сложное, энергоемкое и дорогостоящее оборудование, способное выдерживать высокое давление.
В части устройства наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является установка, описанная в (Бутаков А.А. Метод фронтальной полимеризации как основа новой технологии получения высокочистых полимеров, полимерных композиций и изделий оптического назначения. Машиностроитель, 1997, 45 с.) Установка содержит реактор с радиально-симметричной подачей исходного реагента или реактор трубчатого типа. Кроме того, она содержит емкость с мономером, емкость с инертным газом, два смесителя, формооборазователь и систему сбора и обработки данных. Установка фронтальной полимеризации непрерывного действия позволяет получать гранулят, пенополимер в виде конкретных изделий и блочные изделия оптического назначения.
3
Недостатком известной установки является, то что она позволяет получать пенополистирол ограниченной (высокой) плотности, более 200 кг/м при использовании дорогостоящего взрывоопасного инициатора полимеризации, добавляемого в исходный мономер (перекись бензоила, перекись третбутила).
Задачей технического решения является создание высокопроизводительного энергосберегающего экологически чистого непрерывного производства изделий из пенополистирола.
Поставленная задача решается предлагаемым способом непрерывного получения изделий из пенополистирола, включающим смешение мономера с порообразователем и функциональными добавками, полимеризацию реакционной смеси, в которой мономер стирола предварительно смешивают с порообразователем - двуокисью углерода, взятой в жидкофазном сверхкритическом состоянии, затем проводят полимеризацию во фронтальном режиме, а полученную газонасыщенную полимерную массу инжектируют в формообразователь изделия с последующим его охлаждением.
Процесс ведут в автотермическом тепловом режиме при регулируемом перепаде давления между реактором и формообразователем.
Также задача решается установкой непрерывного получения изделий из пенополистирола, содержащей емкость с мономером, емкость с инертным газом, смесители, плунжерный насос, реактор фронтального типа, формообразователь, вентиль тонкой регулировки, конденсатор, которая дополнительно снабжена сатуратором, криостатом, компрессором, а также емкостью для двуокиси углерода и расходомером двуокиси углерода.
2
2
2
В заявляемом способе получения пенополистирола использована в качестве порообразователя непосредственно двуокись углерода, поскольку в этом случае газом насыщается не полимерная композиция, а исходный мономер с введенными в него функциональными добавками (инициатором, пластификатором, антипиреном, красителем и т.д.). При этом степень насыщения мономера СО может быть практически любой, поскольку при нормальных условиях (20°С и 1 атм.) растворимость СО в стироле достигает 5% по весу. При условиях, соответствующих сверхкритическому жидкофазному состоянию СО, взаиморастворимость мономера и двуокиси углерода практически не ограничена.
В заявляемом способе получения пенополистирола в режиме фронтальной полимеризации порообразователь - двуокись углерода берут в сверхкритическом (жидкофазном) состоянии.
2
2
2
Установка работает следующим образом: мономер с введенным инициатором под давлением не менее 73 атм. смешивают в сатураторе с двуокисью углерода, после чего насыщенный СО мономер подают в реактор фронтальной полимеризации. Поскольку СО хорошо растворим в винилсодержащем мономере и не растворим в полимере, то по мере продвижения по реактору и превращения мономера в полимер реакционная смесь становится гетерофазной (сверхкритический CO и расплав полимера). В ходе экзотермической реакции полимеризации стирола во фронтальном режиме температура не должна превышать 200°С. Снижение давления на выходе из реактора после дроссельного вентиля до атмосферного приводит к вспениванию полимерной массы с быстрым "захолаживанием" вследствие резкого увеличения объема (адиабатического расширения). Подача вспененного полистирола в формообразователи с их периодической ("карусельной") заменой по мере заполнения обеспечивает непрерывность технологического процесса. Плотность пенопластовых изделий определяется начальным соотношением мономер - двуокись углерода, тепловым режимом процесса полимеризации и перепадом давления реактор - формообразователь.
На чертеже приведена установка непрерывного получения изделий из пенополистирола, включающая емкость с мономером стирола 1, емкость с двуокисью углерода 2, емкость с инертным газом 3, смесители 4 и 5, расходомер двуокиси углерода 6, компрессор 7, плунжерный насос 8, сатуратор 9, криостат 10, реактор фронтальной полимеризации 11, дроссельный вентиль тонкой регулировки 12, формообразователь 13, конденсатор 14.
Порядок работы установки: из резервуара 1 исходный мономер стирола поочередно поступает в смесители 4 и 5. В этих смесителях в мономер вводят функциональные добавки (инициаторы, пластификаторы, стабилизаторы, атипирены, красители и т.п.). Из смесителей 4 и 5 мономер стирола с введенными в него добавками подают плунжерным насосом 8 в сатуратор 9. В сатураторе 9 стирол смешивают с двуокисью углерода, поступающей из емкости 2 под давлением, обеспечиваемым компрессором 7. В сатураторе создаются условия, соответствующие жидкофазному состоянию двуокиси углерода (давление не менее 73 атм., температура не более 10°С). Из сатуратора 9 мономер, насыщенный двуокисью углерода, поступает в реактор фронтальной полимеризации 11, где происходит экзотермическая реакция превращения мономера в полимер. Поскольку двуокись углерода хорошо растворима в винильных мономерах и нерастворима в образовавшемся полимере, то по мере протекания экзотермической реакции полимеризации образуется гетерофазная смесь расплава полимера со сверхкритической двуокисью углерода. Далее проводят резкое снижение давления на выходе из реактора с помощью дроссельного вентиля тонкой регулировки 12, что приводит к вспениванию разогретой в результате реакции полимерной массы, поступающей в формообразователь 13. Избыточная двуокись углерода, образовавшаяся после вспенивания полимера, вместе с остаточным мономером поступает на рекуперацию для последующего использования по замкнутому циклу. Периодической заменой формообразователей по мере их заполнения обеспечивают непрерывность получения изделий.
Свойства полученного полистирола
Показатель
Значение
Кажущаяся плотность, кг/м<sup>3</sup>
15-200
Предельная температура применения, °С
60
Коэффициент теплопроводности (20°С), ккал/м·ч·К
0.024-0.045
Прочность, кгс/см<sup>2</sup>
при сжатии
0.5-30
при растяжении
7-42
Водопоглощение за 24 часа, кг/м<sup>3</sup>, не более
0.02-0.3
Систематические экспериментальные исследования на установке с целью нахождения оптимальных режимов проведения процесса с наработкой опытных партий материалов проводились на территории ФГУП НИИ Полимеров совместно с ИПХФ РАН. Предварительный технико-экономический анализ показал, что по сравнению с существующими технологиями производства изделий из пенополистирола заявляемый способ позволяет:
- увеличить производительность более чем в 100 раз;
- снизить энергозатраты не менее чем в 1000 раз;
- обеспечить полное отсутствие отходов;
- производить изделия больших размеров и сложной конфигурации;
- обеспечить экологическую чистоту производства и комфортные условия для технического персонала.
Кроме того, непрерывный процесс осуществляется в единой герметичной технологической цепи.
Таким образом, создан новый высокоэффективный способ получения изделий из пенополистирола.