СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА С ДОБАВЛЕНИЕМ АЭРОГЕЛЯ
METHOD OF PRODUCING FOAMED POLYETHYLENE WITH ADDITION OF AIRGEL

Изобретение относится к химии, а именно к способам получения вспененного полиэтилена с добавлением аэрогеля.
Введение аэрогеля во вспененный полиэтилен преследует следующие цели:
- улучшение теплофизических характеристик вспененного полиэтилена, что дает возможность уменьшить толщину тепловой изоляции;
- снижение температуры стеклования вспененного полиэтилена, что дает возможность монтировать материал при низких температурах;
- улучшение процесса вспенивания, так как частицы аэрогеля выступают в роли нуклеатора, что позволяет получить гомогенную пену.
Из уровня техники известны следующие решения.
3
3
Известен способ получения вспененного полистирола с добавлением аэрогеля, в котором мелкодисперсные частицы вспененного полистирола и частицы аэрогеля гидрофобизированного диоксида кремния тщательно перемешивают и вводят в форму. Форму промывают паром (1 бар, 100°C) в течение 15 секунд. Через 10 минут смесь удаляют и затем сушат при 40°C в течение 24 часов. Готовая композиция содержит 20-80% по объему частиц аэрогеля кремнезема, имеющих средний диаметр от 0,1 до 20 мм и плотность от 0,08 до 0,40 г / см, 20-80% по объему пенополистирольного полимера, который окружает частицы аэрогеля и связывает их друг с другом и имеет плотность от 0,01 до 0,15 г / см и добавки (патент США №5137927, дата публикации 11.08.1992).
Также известен способ получения пористого полимерного материала, содержащего аэрогель. Аэрогель смешивают с активатором и диспергирующим агентом, добавляют гранулы ПЭТ и равномерно перемешивают, высушивают смесь при температуре 120°С, далее полученную смесь гранулируют в шнековом экструдере с частотой 32,5-35,5 Гц (патент Китая № 106633691, дата публикации 10.05.2017).
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является способ получения вспененного полиэтилена с добавлением аэрогеля, в котором аэрогель обрабатывается супергидрофобизатором на основе силанов для того, чтобы предотвратить его разрушение при контакте с жидкой средой. Полученный аэрогель перерабатывается в порошок с размером частиц 50 мкм, с полученным порошком делают суспензию, которой обрабатывают смесь из полиэтиленовых волокон. При этом объем аэрогеля в полученной смеси составляет не менее 10%. Далее полиэтиленовая смесь с аэрогелем поступает в смеситель с композицией для вспенивания и на выходе получается вспененный полиэтилен с аэрогелем, встроенным в полиэтиленовую матрицу (заявка на изобретение США №2018009969, дата публикации 11.01.2018).
Недостаток известного способа заключается в затруднительности качественного распределения аэрогеля в массе полимера.
Предлагаемый метод решает эту проблему и дополнительно решает проблему придания противопожарных свойств получаемому материалу, а также увеличения прочностных характеристик за счет «связывания» участков полимера частицами аэрогеля.
Поставленная задача решается введением этапов способа, обеспечивающих равномерное распределение частиц аэрогеля в материале и добавление антипиренов, придавая теплоизоляционному материалу усиление противопожарных свойств.
Техническим результатом предлагаемого решения является равномерное распределение аэрогеля в экструдате полиэтилена при физическом вспенивании с одновременным приданием противопожарных свойств конечному продукту по всему его объему.
Заявленный технический результат достигается за счет осуществления способа получения вспененного полиэтилена с добавлением аэрогеля, включающий этапы, на которых, обрабатывают аэрогель супергидрофобизатором на основе силан-силоксана посредством газового осаждения,
полученный гидрофобный аэрогель перерабатывают в порошок с размером частиц 50±5 мкм и далее гранулируют в присутствии водного раствора полиоксиэтилена, этиленгликоля, сополимера винилацетата в виде редиспергируемого в воде порошка при соотношении порошка и воды 1:3, с частицами полиэтилена высокого давления под воздействием нагрева и электрического поля для получения гранул пригодных для использования в экструдерах в присутствии антипирена на основе галогенов брома,
при этом содержание компонентов гранулируемой смеси по массе составляет:
аэрогель – 10±2%
полиоксиэтилен  - 0,5±0,05%,
этиленгликоль -  0,5±0,05%
сополимер винилацетата в виде редиспергируемого в воде порошка - 2,5±0,05%,
антипирен -3,5  ±0,05%
частицы полиэтилена высокого давления – остальное,
гранулы полиэтилена с аэрогелем подают в смеситель с композицией для вспенивания в присутствии газообразователя и на выходе получают вспененный полиэтилен с аэрогелем.
Воздействие электрического поля необходимо для обеспечения равномерного смешивания гранул и предотвращения агломераций (к которой стремятся частицы за счет статики) частиц аэрогеля, сохраняя пространственное положение частиц. Равномерное спешивание частиц также способствует равномерному распределению частиц антипирена, что придает противопожарные свойства готовому материалу на всем его объеме.
Далее решение описывается более подробно с приведением примеров осуществления.
Силикатный аэрогель обрабатывают супергидрофобизатором на основе силан-силоксана (на изобутиловом производном с олигомерным силаксаном) с образованием мономолекулярного слоя для того, чтобы предотвратить его разрушение аэрогеля при контакте с жидкой средой. Метод нанесения гидрофобизатора – газовое осаждение, так как аэрогель имеет огромную площадь поверхности.
Полученный гидрофобный аэрогель перерабатывается в порошок с размером частиц 50±5 мкм, куда вводится антипирен на основе галогенов брома (гексабромциклододекан). и далее гранулируется в присутствии полиоксиэтилена 0,5±0,05% по массе, этиленгликоля 0,5±0,05% по массе, оба в водном растворе, сополимера винилацетата в виде редиспергируемого в воде порошка 2,5±0,05% по массе, с аналогичным по размерам частиц полиэтиленом высокого давления для получения гранул пригодных для использования в экструдерах. Гранулирование производится под действием электрического поля при температуре от 85° С до 220º С, при этом напряженность электрического поля составляет от 1,26·10 до 1,40·10 В/м. При этом объем аэрогеля в полученных гранулах составляет не менее 10 %-  и не более 10,5 %
Малые размеры частиц аэрогеля необходимы для равномерного распределения аэрогеля в грануле.
Далее гранулы с аэрогелем подают в смеситель с композицией для вспенивания, содержащей:
- полиэтилен высокого давления до 64% по массе
- Тальк гранулированного в ПВД  – до 4% по массе
- Моностеарат глицерина – до 3% по массе
- Краситель до 0,5% по массе (в случае цветного красителя масса добавки может быть больше)
- Регранулят до 5% по массе
- Антипирен до 10% по массе
- Гранулы с аэрогелем до 10% по массе
- Сополимеры винилацетата – до 2%
- Сополимеры изобутилена- до 1,5%
На выходе получают вспененный полиэтилен с аэрогелем. Вспенивание осуществляется физическим методом за счет подачи в экструдер газа изобутана. При вспенивании обязательно вводится газообразователь – гидроцерол до 2% по массе от ПВД.
Пример осуществления.
Гидрофобизированный аэрогель в виде порошка с размерном частиц 50 мкм, внесли в шнековый дозатор №1 с ленточным питателем шириной 1,5 см. В другой дозатор №2 с зубчатым сплошным одноходовым шнеком шагом винта равным диаметру шнека, внесли композицию TOSAF  гексабромциклододекан в смеси с полиэтиленом 1:50, в дозатор №3 с ленточным питателем шириной 3,5 см внесли  сополимер винилацетата в виде редиспергируемого в воде порошка 2,5% по массе, в жидкостной дозатор напорный №1 внесли  водный раствор  полиоксиэтилена 0,5%, в жидкостной дозатор смачивающий №2 внесли этиленгликоля водный раствор 0,5% по массе по массе смачивается из водного дозатора, в питатель с сушильной камерой и пневматической подачей в основной шнековый дозатор№4 внесли гранулы полиэтилена размером 5 мм для получения гранул пригодных для использования в экструдерах. Гранулирование производится в грануляторах PS-95 с параллельными шнеками и отношением длины шнеков к диаметру 40 под действием нагрева при температуре от 180º С и электрического поля с напряженностью Е =1,35·10 В/м, созданного с помощью индуктивно- емкостного электромеханического преобразователя.  При этом получаем количество аэрогеля в полученной смеси 10% по массе.
Далее в экструдер с помощью дозаторов загружают композицию составленную из полиэтилена высокого давления (ПВД далее) производства «Полимир» Беларусь  64% по массе, талька гранулированного в ПВД «Plastic international” Россия –  4% по массе, моностеарат глицерина «Plastic international” Россия  –  3% по массе, краситель черный  0,5% по массе производства «Полиэксим» Россия, антипирен на основе галогенов брома  10% по массе производства TOSAF Израиль, подготовленные гранулы с аэрогелем  10% по массе собственного изготовления, гранулы сополимеров винилацетата производства «Сибур» Россия  –  2%, гранулы сополимеров изобутилена производства «Сибур» Россия  -1,5%, регранулят из переработанной собственной продукции из вспененного полиэтилена – 5%. Смесь нагревали до 220º С с воздействием электрического поля напряженностью 1,34·10 В/м и экструдировали с помощью экструдера Myung IL 120, диаметр шнека 120мм, массовая скорость выхода экструдата 250 кг/час. Вспенивание осуществлялось методом физического вспенивания впрыска газа изобутан в экструдат в 6-ой зоне нагрева экструдера. Введение гидроцерола (2% по массе от ПВД) обусловлено необходимостью получения однородной пены. Вышедшую трубку диаметром 52мм и толщиной 13мм охлаждали воздушным способом и резали на отрезки по 2 метра. Измеренные через 14 суток теплотехнические и физико-механические показатели приведены в таблице ниже:
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
28
Теплопроводность при температуре 283±2 К (10±2°С) Вт/м*К, не более
0,035
Теплопроводность при температуре 298±2 К (25±2°С) Вт/м*К, не более
0,037
Теплопроводность при температуре 313±2 К (40±2°С) Вт/м*К, не более
0,040
Сорбционная влажность за 24 часа, % по массе, не более
0,55
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа, не менее
0,30
Паропроницаемость, мг*ч*па, не более
0,002
Водопоглощение за 28 суток, %, не более
2,5
Группа горючести
Г1
Группа воспламеняемости
В2
Группа дымообразующей способности
Д3
Группа токсичности
Т3
Максимальная рабочая температура, ºС
105
Коэффициент линейного термического расширения, %, не более
0,55
Таким образом, данная технология обеспечивает равномерное распределение аэрогеля в экструдате полиэтилена при физическом вспенивании с одновременным приданием противопожарных свойств конечному продукту по всему объему.