СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕДВСПЕНЕННОГО ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА И КОМПОЗИЦИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD OF PRODUCING PRE-FOAMED DISPERSED MATERIAL AND COMPOSITIONS BASED ON SAID MATERIAL

Изобретение относится к химии полимеров, а именно к области получения предвспененного дисперсного материала с целью получения полуфабриката, предназначенного для последующего формования, готовых изделий.
2
Из уровня техники известны различные решения, направленные на производство гранул вспененного полистирола - патент SU 1496237 - или касающиеся технологии термической обработки гранул полиэтилентерефталата, и устройство для ее осуществления, описанные в патенте RU 2292362. Согласно этому изобретению расплав полиэтилентерефталата подают в подводный гранулятор горячей резки и гранулируют, полученный гранулят коротким транспортным путем подают из подводного гранулятора горячей резки в устройство, разделяющее воду и твердое вещество, где начинается кристаллизация, и осушенный гранулят затем, без подвода внешней энергии или теплоты, с температурой гранулята более 100°С направляют на транспортер, причем термическая обработка, приводящая к частичной кристаллизации, происходит за счет теплоемкости гранулята. В другом патенте RU 2340634 описана технология обработки полимерных гранул, особенностью которой является то, что водный поток, содержащий полиолефиновые гранулы в массовом отношении НО/гранулы в интервале от 40 до 70, получают на стадии гранулирования и подают в нижнюю часть башни (стадия а). Температура водного потока, поступающего в башню, обычно в интервале от 30 до 60°С.
3
Охлаждающим агентом, использованным в способе настоящего изобретения, может быть вода или любой альтернативный охлаждающий агент, имеющий плотность выше, чем плотность обработанных гранул. Предпочтительно плотность указанных охлаждающих агентов должна быть выше чем 950 кг/м.
Воду предпочтительно используют в качестве охлаждающего агента. Соответственно, водный поток, содержащий охлажденные гранулы, собирают из верхней части башни на стадии (с). Выгрузка указанного водного потока не требует использования никакого нагнетающего устройства, и преимущественно ее осуществляют перетеканием гранул через верх колонны. Известное изобретение направлено на минимизацию липкости полимерных гранул, образующихся при полимеризации олефинов с последующим гранулированием полученных полимеров.
Из уровня техники выявлены также изобретения по патентам DE 19819058, US 6461575, DE 102004053929, по международным заявкам WO 2008071023, WO 03068849 и WO 20070686647, в которых описаны подобные технические решения, касающиеся технологии обработки полимерных гранул.
Известно также изобретение по патенту RU 2283228, направленное на решение аналогичной задачи, согласно которому раскрыта конструкция устройства для вспенивания пенополистирола. Устройство содержит камеру вспенивания с окнами загрузки и выгрузки пенополистирола и вращающейся мешалкой с лопастями, вводы подачи пара, один из которых расположен в дне камеры. При этом устройство снабжено сетчатым поддоном и двумя дополнительными окнами, расположенными на боковой поверхности камеры, одно из которых предназначено для очистки сетчатого поддона, а второе - для очистки дна камеры вспенивания, мешалка снабжена связанными между собой центральным и распределительными каналами для подачи пара в полость камеры.
С целью упрощения конструкции центральный канал расположен в оси мешалки, распределительные - в лопастях, которые снабжены инжекционными отверстиями, один из вводов подачи пара, расположенный в дне камеры, соединен с центральным каналом мешалки, другие вводы расположены на боковой поверхности нижней части камеры.
К недостаткам известного решения относится относительно невысокие эксплуатационные показатели технологии, а также параметры получаемого по данной технологии вспененного материала.
Ближайший аналог заявленного решения не выявлен.
Задачей, на решение которой, направлено настоящее изобретение является разработка технологии получения предвспененного дисперсного материала, предназначенного для использования в качестве полуфабриката для последующего формования готовых изделий, прежде всего, для радиоволнового формования изделий, с возможностью одновременного импрегнирования композиционными составами, с улучшенными свойствами получаемого предвспененного дисперсного материала. Кроме этого, данный способ обработки гранул позволяет ускорить технологические процессы, сократить и упростить парк технологического оборудования, достичь стабильности процесса вспенивания и импрегнирования, а также обеспечить повышение уровня влагонасыщения и однородного размера предвспененного дисперсного материала.
Для достижения технического результата при решении поставленной задачи способ получения предвспененного дисперсного материала и композиций на его основе заключается в том, что гранулят вспенивающегося материала подают в жидкую среду, имеющую температуру ниже точки пластификации указанного выше материала с возможностью образования оседающей дисперсной смеси, смешивают полученную смесь с жидкой средой, имеющей температуру выше точки пластификации вспенивающегося материала, с возможностью обеспечения вспенивания гранулята и выдерживают в течение 3,0-150,0 с при температуре, определяемой из диапазона от 80°С до 170°С, и давлении не более 8 бар.
С целью расширения технических возможностей целесообразно в жидкую среду обработки гранулята вспенивающегося материала или композиций на их основе введение растворимых или мелкодисперсных нерастворимых компонентов, образующих композиционный состав за счет импрегнирования данных компонентов в открытые поры получаемого бисера, с последующей активацией таких компонентов.
Целесообразно при реализации способа, чтобы дисперсная смесь гранулята вспенивающегося материала оседала бы в неподвижной жидкой среде, температура которой нарастает по мере оседания, при этом в нижних слоях жидкой среды формируется ее движение по направлению к устройству смешения.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения указанного технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным представленным на чертеже примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью признаков заданного технического результата.
Способ получения предвспененного дисперсного материала и композиций на его основе согласно изобретению заключается в следующем.
Гранулят вспенивающегося материала подают в жидкую среду, имеющую температуру ниже точки пластификации вспенивающегося материала с возможностью образования оседающей дисперсной смеси, далее полученную смесь смешивают с жидкой средой, температура которой выше точки пластификации вспенивающегося материала, с возможностью обеспечения вспенивания гранулята и выдерживания его в течение 3,0-150,0 с при температуре, определяемой из диапазона от 80°С до 170°С, и давлении не более 8 бар.
При этом нижний предел ограничения минимального временного интервала обработки гранул в размере 3 с обусловлен тем, что за этот временной интервал проходит равномерный прогрев исходных гранул дисперсного материала. Дальнейшее ускорение процесса теплообмена и снижение временного интервала обработки менее 3 с возможно только при использовании температур обработки, существенно превышающих точку пластификации материала, что неизбежно приведет к его перегреву и деформации гранул, а также к полной потере вспенивающего газа внутри данных гранул.
Верхний предел временной обработки гранул в размере 150 с обусловлен тем, что за данный временной интервал вспенивающий газ полностью покидает гранулы дисперсного материала. Поскольку полученные гранулы предназначаются для последующего объемного формования готовых изделий, вспенивающий газ должен обязательно оставаться в полученных гранулах, поскольку без его наличия получить однородную поверхность и структуру изделий невозможно.
Время обработки гранул дисперсного материала свыше 150 с характерно только для целей наращивания толщины слоя композиционных составов на поверхности полученных гранул. При этом само формирование геометрии гранул через 150 с обработки является полностью завершенным, и добавочное время способно повлиять только на толщину указанного наращиваемого слоя. Такой слой может быть необходим для получения полуфабриката готовых изделий, например пустотелых шариков, или для объемной фиксации таких наращенных слоев в процессе последующего формования готовых изделий из полученных гранул дисперсного материала.
С целью расширения технических возможностей целесообразно в жидкую среду обработки гранулята вспенивающегося материала или композиций на их основе введение растворимых или мелкодисперсных нерастворимых компонентов, образующих композиционный состав за счет импрегнирования данных компонентов в открытые поры получаемого бисера, с последующей активацией таких компонентов.
Целесообразно при реализации способа, чтобы дисперсная смесь гранулята вспенивающегося материала оседала бы в неподвижной жидкой среде, температура которой нарастает по мере оседания, при этом в нижних слоях жидкой среды формируется ее движение по направлению к устройству смешения.
На чертеже представлено устройство, предназначенное для реализации способа, где в бункер 1 подается гранулят вспенивающегося материала, например вспенивающегося полистирола, который через шнековый дозатор 2 поступает в емкость 3 смешения гранулята с жидкой средой. Жидкость, находящаяся при температуре порядка 70°С, выступает средой отделения гранулята вспенивающегося материала от воздуха. При этом температура данного жидкого носителя находится ниже точки пластификации вспенивающегося материала.
Уровень жидкости в емкости 3 поддерживается за счет подачи жидкости из термостата 4, который задает указанную температуру. В термостат 4 жидкость подается через фильтр 5 из магистрали 6. Емкость 3 имеет контур термостабилизации, а также трубку 7 «слив-перелив» для пополнения содержимого емкости рециркулирующей жидкостью.
Устройство смешения жидкостей, в данном случае выполненное в виде инжектора 11, создает отрицательное давление в трубке 8 при работе центробежного насоса 14, что приводит к попаданию в нее гранул вспенивающегося материала и жидкости, учитывая дополнительное давление, создаваемое столбом жидкости в емкости 3.
Контур термостабилизации 10 имеет связывающий термозащищенный элемент 9 - прокладку для обеспечения экономии энергии. В емкости 12 поддерживается температура на уровне 95°С с помощью соответствующего контура термостабилизации 10.
Насос 14 направляет смесь гранул и жидкости в трубопровод 15, где происходит ограниченная по времени выдержка гранулята при температуре, превышающей точку пластификации вспенивающегося материала.
Вспененные гранулы, выходящие через форсунку 18, отделяются от жидкости с помощью сетчатого конвейера 16, который перемещает бисер к засасывающему воздуховоду 17, который, в свою очередь, перемещает бисер в приемный бункер. Жидкость поступает в приемный короб 19, откуда переливается в емкость 12.
Емкость 12 имеет трубку слив/перелив 13 сброса излишней жидкости. Для экономии энергии данный сброс производится в виде рециркуляции с подачей в емкость 3 через радиатор охлаждения 20.
3
Пример 1. Получение гранул из вспененного полистирола конечной насыпной плотностью порядка 45 кг/м. Гранулы вспенивающегося суспензионного полистирола обрабатывают без избыточного давления в воде при температуре +95°С в течение 28 с. Температура воды стабилизируется с помощью контура нагрева основного бака, время выдержки задается изменением производительности водяного насоса. Гранулят вспенивающегося полистирола с помощью дозатора 2 насыпают в воду, имеющую температуру 70°С, т.е. ниже точки пластификации вспенивающегося полистирола, которая равна 92°С. Гранулят образует оседающую дисперсную смесь, поскольку реальная начальная плотность гранул вспенивающегося полистирола больше плотности воды при данной температуре. Далее с помощью инжектора 11 смешивают полученную смесь с водой, имеющую температуру 95°С, т.е. выше точки пластификации вспенивающегося материала. Соответственно, при температуре, превышающей точку пластификации, обеспечивается возможность вспенивания данных гранул с достижением стабильных характеристик.
Пример 2. Получают гранулы вспененного полистирола по примеру 1, но обработку ведут при температуре 96°С в течение 150 с в растворе медного купороса и хлорида кальция, выступающих в роли композиционного состава. За данный временной интервал, при данной температуре, вспенивающий газ полностью диффундирует из гранул, как следствие завершается формирование окончательной геометрии гранул дисперсного вспенивающегося материала, а на их поверхности и в образовавшихся открытых порах, граничащих с поверхностью, импрегнируется слой композиционного состава толщиной в несколько десятков микрон. Дальнейшая выдержка гранул в таком растворе не приводит к изменению геометрии самих гранул вспенивающегося материала, а только увеличивает толщину образовавшегося слоя композиционного состава.
Пример 3. Получают гранулы вспененного полипропилена по примеру 1, но обработку ведут в 20% водном растворе хлорида кальция при температуре 130°С и избыточном давлении 1 бар в течение 40 с. По окончании процесса без понижения температуры сбрасывают избыточное давление обработки гранул до атмосферного, в результате чего полученные гранулы вспененного полипропилена дополнительно увеличиваются в размере.
Пример 4. Получают гранулы вспененного полистирола по примеру 1, но обработку ведут в воде при температуре 105°С и избыточном давлении 0,7 бар в течение 3 с. Данный процесс может быть использован в многостадийных процессах получения композиционных материалов, как первая стадия формирования предвспененных гранул, которые затем помещаются в композиционный состав при соответствующих температурах. Дальнейшее снижение временного интервала обработки не принесет положительного результата, поскольку гранулят не будет успевать прогреваться до нужных температур по всему объему.
Применение изобретения, предназначенного для получения предвспененного дисперсного материала, может быть использовано при подготовке полуфабриката, предназначенного для последующего производства готовых изделий, обеспечивает улучшение свойств получаемого предвспененного дисперсного материала, используемого преимущественно для радиоволнового формования изделий, с возможностью одновременного импрегнирования композиционными составами.