СПОСОБ СУХОГО ВСПЕНИВАНИЯ ПОЛИСТИРОЛА
METHOD OF DRY FOAMING OF POLYSTYRENE

Способ сухого вспенивания полистирола ПСВ относится к технологии получения гранулированного пенополистирола для строительства.
Гранулы пенополистирола получают из сырьевых гранул полистирола ПСВ (полистирол суспензионный вспенивающийся), выпускаемого химической промышленностью. Сырьевые гранулы насыщены молекулами легкокипящего продукта изопентан с температурой кипения 28°С. При нагревании гранул полистирол гранул переходит постепенно в вязкотекучее состояние, а изопентан вскипает и давлением своих паров расширяет материал гранул; происходит вспенивание (вспучивание) полистирола. В технологии применяется температура около 100°С; это - естественная привязка к температуре кипения воды и к температуре водяного пара при нормальном атмосферном давлении. Сырьевые гранулы имеют малые размеры: в основном от 0,5 до 2,0 мм и при вспенивании многократно увеличиваются в объеме. Из вспененных гранул изготавливают формованные теплоизоляционные изделия в виде плит и сегментов, а также гранулы добавляют в бетон в качестве легкого заполнителя с получением полистиролбетона - малотеплопроводного, легкого и достаточно прочного материала для строительства домов.
3
Известен способ вспенивания полистирола горячей водой [А.с. 1578020 А1, кл. В29С 67/22, опубл. 15.07.90]. Этот способ дает хороший результат по кратности вспенивания гранул. Способ прост, несложно и технологическое оборудование. Преимуществом способа является возможность получения низкой скорости вспенивания полистирола при температуре воды ниже 100°С с контролируемым получением плотностей продукта в интервале от 200 до 20 кг/м. Недостатком способа является так называемые «мокрые процессы» (применение воды, испарение воды, необходимость сушки гранул). Кроме того, гранулы, получаемые этим способом, необходимо не только высушить, но и выдержать после сушки до 24 часов в воздушной среде нормальной температуры и влажности для снятия вакуума в них, иначе они легко сплющиваются при механических воздействиях. До сих пор не удалось создать высокопроизводительное технологическое оборудование, реализующее этот способ, поэтому способ в настоящее время в производстве не применяется.
3
Известен способ вспенивания полистирола ПСВ в среде горячего водяного пара [А.с. 1458244 А1, кл. В29С 67/20, опубл. 15.02.89]; этот способ повсеместно применяется в строительном производстве. По этому способу получают вспененные гранулы пенополистирола с насыпной плотностью от 8 кг/м и выше. Промышленностью выпускаются вспениватели малой и большой производительности. Недостатком способа является так называемые «мокрые процессы» (применение воды, генерация из нее пара, необходимость сушки полученного материала). Кроме того, гранулы, получаемые этим способом, необходимо не только высушить, но и выдержать после сушки до 24 часов в воздушной среде при нормальных температуре и влажности для снятия вакуума в них, иначе они легко сплющиваются при механических воздействиях. Ведение процесса требует генерации значительного количества горячего водяного пара, на что затрачивается большое количество тепловой энергии.
3
Реальным недостатком способа является очень быстрое вспенивание в зоне плотностей продукта от 200 до 20 кг/м, что затрудняет получение продукта с заданной плотностью в этом интервале. Это усугубляется невозможностью быстро определить плотность получаемого продукта по ходу этого быстрого процесса вспенивания, исчисляемого секундами, так как для определения плотности мокрого продукта требуется сначала высушивать его пробу в течение нескольких часов.
В связи с тем, что значительное количество гранулированного пенополистирола применяется в качестве легкого заполнителя бетона, в технологии полистиролбетона актуально упрощение и удешевление технологии, снижение энергозатрат, снижение насыпной плотности гранулированного пенополистирола для удешевления изделий из полистиролбетона.
3
3
Известен способ, взятый за прототип изобретения, А.С. 680628, МКИ В29D 27/00, опубл. 25.08.79, и устройство сухого вспенивания полистирола горячим воздухом. При этом не требуется ни горячая вода, ни горячий водяной пар, не требуются сушка вспененных гранул и длительная выдержка, т.к. вакуум в них снимается по ходу процесса вспенивания. Соответственно, требуется меньше технологического оборудования, снижаются энергозатраты, экономятся производственные площади и пр. Вспенивание происходит более плавно, чем при вспенивании водяным паром, и это полезно при получении продукта повышенной плотности. Снизить скорость вспенивания легко за счет снижения температуры воздуха. Сухое вспенивание позволяет оперативно контролировать текущую плотность продукта по ходу процесса и своевременно регулировать его. Однако при сухом вспенивании затрачивается в 3-4 раза больше времени, чем при мокром вспенивании, а повышение температуры воздуха приводит к оплавлению гранул. Также не удается изготовить гранулированный пенополистирол плотностью ниже 16 кг/м.
3
3
3
Автор предлагаемого изобретения длительное время занимается исследованием способа сухого вспучивания полистирола, разработкой и изготовлением суховоздушных вспучивателей, научно-технические отчеты имеют государственную регистрацию, получены патенты на суховоздушные вспучиватели. Вспучиватели, изготовляемые предприятием автора, более совершенны, минимальная плотность вспученного продукта, получаемого на этих вспучивателях в процессе однократного непрерывного вспучивания, достигает 10 кг/м. Термины вспенивание и вспучивание в настоящее время, по последним публикациям, считаются однозначными. Более распространен термин вспенивание, поэтому далее применяется именно он. В процессе исследований попутно изучены и процессы вспенивания полистирола горячей водой и горячим водяным паром. Выявлено, что вспенивания горячей водой и горячим водяным паром дают продукт минимальной плотности, равной 15 кг/м. И только вторичное вспенивание уже вспененного продукта после его сушки и суточной вылежки позволяет достичь плотности 8 кг/м.
Это объясняется следующим. Давление паров изопентана при 20°С (293 К) равно 79 кПа, что меньше давления окружающего воздуха (техническая атмосфера 98 кПа, физическая атмосфера 101 кПа). За счет нагрева до 100°С давление паров несколько увеличится. К сожалению, отсутствуют данные о давлении паров изопентана при температуре около 100°С. Если бы изопентан был при этой температуре газом, то давление его повысилось бы при нагреве от 20°С (293К) до 100°С (373°С) в 373/293=1,27 раза и достигло 79 1,27=100,33 кПа. Это близко к атмосферному давлению, т.е. распирающее избыточное давление не преодолело бы сопротивление полимера. Вероятно, давление паров изопентана все же несколько выше атмосферного давления, поэтому в действительности гранулы все же вспениваются, хотя и не очень активно в конце процесса - в области низких плотностей продукта.
Цель изобретения - создать технологию изготовления гранулированного пенополистирола способом сухого вспенивания с получением продукта минимальной плотности при минимальной длительности процесса, что соответствует максимальной производительности технологии.
Поставленная цель достигается тем, что в способе сухого вспенивания полистирол ПСВ нагревают кратковременно и затем кратковременно воздействуют на него вакуумом, после чего охлаждают, не снимая вакуум, а после охлаждения гранул ниже температур вязкотекучего состояния полистирола снимают вакуум.
Сухой нагрев гранул осуществляют в герметичной емкости, заполненной горячим воздухом, а вакуум создают откачкой воздуха из емкости.
Охлаждение гранул осуществляют преимущественно за счет излучения тепловой энергии гранул.
В результате устранения наружного атмосферного противодавления давление паров изопентана реализуется в максимально возможной мере - в максимальной кратности и максимальной скорости вспенивания гранул. Увеличение (вспенивание) гранул продолжается до тех пор, пока давление паров изопентана, уменьшающееся из-за его расширения и частичной диффузии из гранул, не уравновесится упругими противодействующими напряжениями материала гранул. При этом минимальная длительность процесса вспенивания способствует снижению потерь изопентана, соответственно - максимальной кратности вспенивания. Кроме того, сохранение максимально возможного количества изопентана существенно для технологии формования пенополистирольных изделий, где формование изделий осуществляется путем вторичного вспенивания пенополистирольных гранул за счет остаточного изопентана и проникшего в гранулы воздуха.
Охлаждение гранул фиксирует структуру материала гранул, а действие вакуума во время охлаждения гранул не позволяет им сжаться, благодаря этому увеличенные размеры гранул сохраняются и после снятия вакуума.
Снижение плотности продукта и повышение производительности процесса приведет к снижению стоимости гранулированного пенополистирола и к реализации в полной мере всех указанных преимуществ процесса сухого вспенивания ПСВ.
На фигуре 1 представлена фотография гранул, полученных различными способами:
- верхний ряд гранул получен традиционным способом вспенивания сырьевых гранул полистирола в среде горячего водяного пара (над зеркалом кипящей воды);
- средний ряд гранул получен вспениванием сырьевых гранул полистирола в кипящей воде;
- нижний ряд гранул получен предлагаемым способом сухого вспенивания сырьевых гранул полистирола (сухой нагрев в среде горячего воздуха с последующим вакуумированием).
На фигуре 2 представлена фотография лабораторного устройства для реализации предлагаемого способа на одиночной грануле, которая отмечена позицией 1, в положении, когда гранула находится в зоне нагрева.
На фигуре 3 представлена фотография лабораторного устройства для реализации предлагаемого способа на одиночной грануле, которая отмечена позицией 1, когда гранула выведена из зоны нагрева для охлаждения.
3
Устройство позволяет нагревать отдельную гранулу ПСВ, находящуюся на выдвижном поддончике, в среде горячего сухого воздуха. Нагреватель выполнен в виде скобы, охватывающей некоторое пространство объемом около 50 см вокруг поддончика с гранулой.
Нагреватель гранулы размещен в съемном стеклянном колпаке, как это видно на фотографиях, устройство выполнено герметичным с подводкой к вакуум-насосу. Нагреватель управляется автоматически электронным прибором, позволяющим задавать и удерживать заданную температуру нагревателя в определенных пределах.
Пробными экспериментами в интервале температур 100…125°С установлена оптимальная для эксперимента температура задатчика нагревателя 115°С, это соответствует температуре воздуха в зоне размещения гранулы примерно 105°С (измерено другим прибором). После прогрева устройства на выдвинутый поддончик укладывалась гранула ПСВ диаметром 1,6 мм, устанавливался стеклянный колпак. Поддончик с гранулой вдвигался в нагреватель на определенное время, исчисляемое в целых минутах. По прошествии заданного времени, например, одной минуты, включался вакуум-насос на 20 секунд, затем поддончик с гранулой выдвигался из нагревателя для охлаждения на 10 секунд без снятия вакуума, после чего вакуум-насос отключался. Через 20 секунд вакуум самопроизвольно снижался, стеклянный колпак снимался, гранула снималась с поддончика и ее диаметр измерялся на оптическом микроскопе с двадцатикратным увеличением, с мерной шкалой.
Охлаждение гранулы в вакууме происходит за счет излучения тепловой энергии, т.к. теплоноситель отсутствует. Поэтому и охлаждение происходит быстро, без теплоизолирующего влияния воздуха. Дополнительными экспериментами ранее было установлено, что структура гранул полистирола становится достаточно жесткой уже при 80°С.
Следующая гранула ПСВ такого же диаметра проходила такой же цикл со временем нагрева на одну минуту больше, с теми же параметрами процесса. Все данные и результаты экспериментов записывались в журнал.
Для сравнения, в таком же процессе, с единичными гранулами того же размера, из той же пробы ПСВ, проводилось вспенивание в среде горячего сухого воздуха без применения вакуума на том же лабораторном устройстве и вспенивание гранул на сетчатом поддончике над зеркалом кипящей воды в емкости, прикрытой крышкой (что соответствовало традиционному вспучиванию паром).
Исходные и вспененные гранулы были выложены рядами и сфотографированы вместе с линейкой с миллиметровой шкалой, фигура 1, что позволяет визуально оценить результаты и даже измерить диаметры гранул. Но и без измерений достаточно ясно виден получаемый положительный эффект.
На верхнем ряду представлены гранулы вспененные паром; ясно, как очень быстро вспениваются гранулы ПСВ в первую минуту. Затем их размер увеличивается медленно, достигая максимума на 4-ю минуту. Далее происходит уменьшение диаметра гранул - деструкция. Это происходит из-за потери гранулами вспучивающего агента - изопентана - за счет диффузии.
В среднем ряду расположены гранулы, вспененные в среде горячего сухого воздуха без применения вакуума. Видно, что гранулы вспениваются медленнее, чем в среде пара, на 5-ю минуту достигают максимального размера, но меньшего, чем максимальный размер гранул в случае вспенивания паром, затем размеры гранул уменьшаются из-за потери изопентана. Уместно сказать, что снижение скорости вспенивания гранул легко и в широких пределах достигается снижением температуры нагревателя.
На нижнем ряду расположены гранулы после вспенивания с помощью того же устройства в горячей воздушной среде, при той же температурой задатчика, с применением вакуума. Видно, что вспенивание в этом случае происходит быстрее и в большей степени. Естественно, что скорость и кратность вспенивания в этом случае легко и в широких пределах регулируется температурой нагрева и степенью вакуумирования.
Приведенные сведения доказывают осуществимость способа и возможность достижения поставленной цели.