СОСТАВ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ ЧАСТИЦ ПЕНОПЛАСТА
COMPOSITION FOR COATING FOAM PARTICLES

Изобретение относится к способам получения пенопластовых формованных изделий из предварительно вспененных частиц пенопластов с полимерным покрытием в виде полимерной пленки.
В настоящее время широко применяются два основных вида пенополистирола - гранульный и экструзионный. Экструзионный пенополистирол, как правило, обладает лучшими прочностными характеристиками, однако процесс его производства сопряжен с использованием сложного дорогостоящего оборудования, что сказывается на цене продукта. Поэтому большое количество исследований направлено на разработку новых способов получения и новых составов гранульного пенополистирола, обладающих повышенной прочностью, низкой горючестью и низкой теплопроводностью.
Известен способ получения самозатухающего пенополистирола (патент RU 2595676 C2, опубл. 27.08.2016. Бюл. № 24) за счет введения в полимер галогенорганического антипирена (в качестве галогена может использоваться как хлор, так и бром) при одновременном введении в полимер смеси гидроксида магния и карбоната кальция. При этом наблюдается более высокая огнестойкость изделия и снижение выделения токсичных галогенорганических соединений при горении. В то же время, обработка пенополистирольных гранул суспензией, содержащей смесь гидроксида магния и карбоната кальция (1:1 - 1:3) приводит к худшему сцеплению гранул между собой при термоформировании плиты, т.е. прочностные характеристики продукта будут снижаться.
Описан самозатухающий пенополистирол с пониженным содержанием бромированного антипирена (патент RU 2407760 C2, опубл. 27.12.2010. Бюл. № 36), полученный из предвспененного или вспенивающегося стирольного полимера, включающего бромированный антипирен и фосфорное соединение. В качестве фосфорного соединения он содержит продукт взаимодействия моно- или диаммонийфосфата с мочевиной, взятых в соотношении фосфат:мочевина, равном (1,0-2,3):(1-3) соответственно, при следующем соотношении компонентов (мас.ч.): стирольный полимер - 100, бромированный антипирен 1,0-1,5, продукт взаимодействия моно- или диаммонийфосфата с мочевиной 4,0-8,0. Поскольку используемое фосфорное соединение хорошо растворимо в воде, а гранульный пенополистирол является паропроницаемым материалом, поэтому при эксплуатации таких плит во влажных условиях могут наблюдаться высолы используемого фосфорного антипирена. Кроме того, он не способствует более прочному соединению гранул между собой.
Известен способ модификации пенополистирола (патент RU 2504562 C2, опубл. 20.01.2014. Бюл. № 2) путем пропитки модификатором и последующей термообработки. В качестве пенополистирола используют пенополистирол ПСБ-С М50, а в качестве модификатора - продукт эмульсионной сополимеризации акриловых мономеров Эмукрил М или сополимер стирола, бутилакрилата и акриловой кислоты, полученный эмульсионной сополимеризацией - Акратам AS. Пропитку осуществляют при температуре 18÷22°С в течение 24 часов, а термообработку - при температуре 80°С в течение 10 ч. Однако при этом возрастает плотность получаемого пенополистирола, а, следовательно, снижаются его теплоизоляционные характеристики. Кроме того, процесс пропитки и термообработки длительный, что негативно скажется на цене продукта.
2
Известен пенопласт (RU 2096427 C1, опубл. 20.11.1997), выполненный из смеси термопластичного полимера и углеродной сажи, содержит 1,5-20% от массы полимера углеродной сажи с размером частиц 15-74 Нм и площадью их поверхности 25-1475 м/г, в качестве полимера содержит полистирол; при этом закрытая ячеистая структура пенопласта составляет не менее 95%. Пенопласт может быть в виде микрочастиц (в таком виде он обычно используется для формования) или экструдированном состоянии. Данное изобретение позволяет уменьшить К-фактор (теплопроводность), что в свою очередь ведет к увеличению значения R (термическое сопротивление) пенопластов, состоящих в основном из закрытых ячеек, из полистирола и сополимеров, содержащих по меньшей мере 60% полимеризованного стирола в расчете на массу сополимера. В тоже время, полученный при формовании данной смеси пенопласт не обладает пониженной горючестью и повышенной прочностью.
Известен способ получения пенопластовых плит из предварительно вспененных гранульных пенопластов с полимерным покрытием (патент RU 2417238 C9, опубл. 27.04.2011. Бюл. № 12). Способ получения пенопластовых формованных изделий включает стадии: а) предварительное вспенивание пенообразующих полистиролов в гранульный пенопласт, b) покрытие пенопластовых гранул смесью, получаемой смешиванием раствора жидкого стекла, порошкообразного жидкого стекла и полимерной дисперсии, с) загрузку покрытых пенопластовых гранул в форму и их агломерацию под давлением в отсутствие паров воды. Использование водорастворимого жидкого стекла в качестве компонента связующего уменьшает водостойкость полученных изделий.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу получения является способ получения пенопластовых плит (патент RU 2425847 C2, опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22) из предварительно вспененных частиц пенопластов с полимерным покрытием в виде полимерной пленки, с точкой стеклования от -60 до +60°С. Способ включает предварительное вспенивание пенообразующих стирольных полимеров с образованием частиц пенопласта. Покрытие частиц пенопласта водной полиакрилатной дисперсией и сажей, коксом, алюминиевым порошком или графитом в качестве атермического соединения. После чего осуществляют загрузку в форму покрытых частиц пенопласта и агломерацию под давлением в отсутствие паров воды. При этом предпочтительное полимерное покрытие можно получить смешиванием от 40 до 80, предпочтительно от 50 до 70 мас. частей раствора жидкого стекла с содержанием воды от 40 до 90, предпочтительно от 50 до 70 мас.%, от 20 до 60, предпочтительно от 30 до 50 мас. частей порошкообразного жидкого стекла с содержанием воды от 0 до 30, предпочтительно от 1 до 25 мас.%, и от 5 до 40, предпочтительно от 10 до 30 мас. частей полимерной дисперсии, с содержанием твердого вещества от 10 до 60, предпочтительно от 20 до 50 мас.%, или смешиванием от 20 до 95, предпочтительно от 40 до 90 мас. частей суспензии гидроксида алюминия с содержанием гидроксида алюминия от 10 до 90, предпочтительно от 20 до 70 мас.%, от 5 до 40, предпочтительно от 10 до 30 мас. частей полимерной дисперсии с содержанием твердого вещества от 10 до 60, предпочтительно от 20 до 50 мас.%. Недостатком данного технического решения является низкая водостойкость изделий за счет использования водорастворимого жидкого стекла в качестве компонента связующего, а также делает невозможным агломерацию гранул под давлением в присутствии паров воды, а требует специального оборудования.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка строительных плит, обладающих повышенным эксплуатационными характеристиками.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение прочности, огнестойкости, водостойкости и снижение теплопроводности пенопластовых формованных изделий.
Для достижения технического результата предлагается проводить покрытие частиц пенопласта составом на водной основе, содержащем акриловую дисперсию, поливинилацетатную дисперсию, сажу, полифосфат аммония, меламин, углеродные нанотрубки и поверхностно-активное вещество (ПАВ) при следующем соотношении компонентов (мас.%):
акриловая дисперсия
10-30
поливинилацетатная дисперсия
5-15
сажа
2-15
полифосфат аммония
2-20
меламин
2-20
углеродные нанотрубки
0,005-0,1
ПАВ
0,1
вода
остальное
Перемешивание состава на водной основе осуществляется при линейной скорости диспергирующего диска не менее 15 м/с и ультразвуковой обработке мощностью 500 Вт в течение 20 минут, а массовое соотношение пенополистирольных гранул с составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул составляет от 1:1 до 1:3.
Описанное сочетание компонентов обеспечивает прочное соединение гранул между собой, что приводит к увеличению прочности формованных изделий. Кроме того, оно обеспечивает увеличение огнестойкости, водостойкости и снижение теплопроводности пенопластовых формованных изделий.
Получение пенопластовых формованных изделий проводится по следующим стадиям:
1) предварительное вспенивание пенообразующих полистиролов в гранульный пенопласт,
2) покрытие гранульного пенопласта составом на водной основе,
3) загрузка покрытого гранульного пенопласта в форму и термоформование.
При этом за счет отсутствия водорастворимых компонентов, термоформование может происходить как под действием водяного пара в закрытых формах, так и под давлением в отсутствие паров воды.
Для нанесения покрытия на пенопластовые гранулы можно использовать обычные методы, как например опрыскивание, погружение или пропитка частиц пенопласта составом на водной основе.
2
Согласно проведенным исследования, результаты которых указаны в таблице №2 установлено, что введение нанотрубок с внешним диаметром 10-30 нм, длиной ≥ 2 мкм, удельной поверхностью ≥ 270 м/г, например, Таунит-М или аналогичных по характеристикам, в состав для обработки гранул приводит к увеличению прочностных характеристик пенопластовых формованных изделий на 10-30%.
ПАВ позволяет стабилизировать состав для обработки гранул, причем предпочтительно применение неионогенных ПАВ, в частности оксиэтилированных спиртов и фенолов, например, АФ-9-12, ОП-10, Синтанол ДС, Neodol 457 и др.
Наилучшие результаты по увеличению огнестойкости получены при соотношении полифосфат аммония:меламин - 1:1.
Сочетание акриловой и поливинилацетатной дисперсии приводит к наилучшему соединению гранул, а, следовательно, максимальному увеличению прочности. Полимерные дисперсии используются с содержанием твердого вещества от 30 до 60, предпочтительно от 40 до 50 мас.%, например, Акратам AS 01, homacryl 910 B, novopol 001А, ARAKRIL STA 565SL и др.
В качестве гранульного пенопласта могут быть использованы как обычные, предпочтительно самозатухающие гранулы, например, ПСВ-с, так и содержащие атермические твердые компоненты, например, гранулы Neopor.
Ниже приведены составы и примеры, иллюстрирующие изобретение.
Приготовление состава на водной основе для обработки пенополистирольных гранул осуществляется следующим образом. В колбу помещали 39,9 г воды и при перемешивании добавляли 20 г акриловой дисперсии, 10 г поливинилацетатной дисперсии, 10 г сажи, 10 г полифосфата аммония, 10 г меламина, 0,1 г и 0,01 г углеродных нанотрубок. Состав перемешивали в течение 10 минут при линейной скорости диспергирующего диска не менее 15 м/с, после чего подвергали ультразвуковой обработке мощностью 500 Вт в течение 20 минут. Полученный таким образом состав устойчив, как минимум, в течение 3 часов. Все примеры указаны в таблице №1. Вышеуказанный пример указан под №2. Аналогичным образом получали составы на водной основе для обработки пенополистирольных гранул (составы №3-5), но другого количественного состава. Состав под №1 указан без применения углеродных нанотрубок.
Для составов № 1-4 в таблице № 1 использовали акриловую дисперсию Акратам AS 01, ПАВ - АФ-9-12, сажу П-803, углеродные нанотрубки Таунит-М. Для примеров №6 и 7 использовали другие вещества.
Таблица 1. Составы на водной основе для обработки пенополистирольных гранул
Составы №Компонент
1
2
3
4
5
6
7
Акриловая дисперсия
20
20
30
10
20
20
20
Поливинилацетатная дисперсия
10
10
15
5
15
10
10
Сажа
10
10
2
5
15
10
10
Полифосфат аммония
10
10
2
20
10
10
5
Меламин
10
10
2
20
10
5
10
Углеродные нанотрубки
-
0,01
0,01
0,005
0,1
0,01
0,01
ПАВ
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
Вода
до 100%
до 100%
до 100%
до 100%
до 100%
до 100%
до 100%
На основе приведенных составов получали пенопластовые формованные изделия следующим образом.
3
Пример 1. Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул составом №1 в массовом отношении 1:2. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 35 кг/м.
3
Пример 2. Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул состава №2 в массовом отношении 1:2. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 35 кг/м.
Пример 3. Получение пенопластовых формованных изделий
3
Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул составом №3 в массовом отношении 1:2. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 35 кг/м.
Пример 4. Получение пенопластовых формованных изделий
3
Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул состава №4 в массовом отношении 1:2. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 35 кг/м.
Пример 5. Получение пенопластовых формованных изделий
3
Гранулы полистирола Neopor предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул составом №5 в массовом отношении 1:2. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 35 кг/м.
Пример 6. Получение пенопластовых формованных изделий
3
Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул составом №2 в массовом отношении 1:1. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 25 кг/м.
Пример 7. Получение пенопластовых формованных изделий
3
Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул составом №2 в массовом отношении 1:1. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 20 кг/м.
Пример 8. Получение пенопластовых формованных изделий
3
Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул составом №2 в массовом отношении 1:3. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под давлением в отсутствие паров воды. Полученные плиты имели плотность 45 кг/м.
Пример 9. Испытание водостойкости полученных пенопластовых плит
Образец плиты, полученной в примере 8, помещали в воду, обеспечивая полное погружение. Выдерживали в воде в течение 24 часов, после чего извлекали, сушили и испытывали прочностные характеристики.
3
Пример 10. Получение пенопластовых формованных изделий без обработки гранул составом на водной основе. Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. Гранулы пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 35 кг/м.
Пример 11. Получение пенопластовых формованных изделий
3
Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул состава №6 в массовом отношении 1:2. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 35 кг/м.
Пример 12. Получение пенопластовых формованных изделий
3
Гранулы полистирола ПСВ-с предварительно вспенивали паром. После кондиционирования их обрабатывали составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул состава №7 в массовом отношении 1:2. Гранулы покрытого пенополистирола отправляли на термоформование под действием водяного пара. Полученные плиты имели плотность 35 кг/м.
Обобщенные характеристики полученных пенопластовых плит приведены в таблице 2.
Таблица 2. Обобщенные характеристики полученных пенопластовых плит
№ примера
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Прочность на сжатие при 10 % линейной деформации, МПа
Предел прочности при изгибе, МПа
Теплопроводность в сухом состоянии при (25±5)°С, Вт/(м·К)
Время самостоятельного горения плит, с
1
35
0,30
0,35
0,036
0,5
2
35
0,33
0,39
0,033
0,5
3
35
0,35
0,40
0,039
3
4
35
0,30
0,34
0,033
0,1
5
35
0,34
0,40
0,031
0,5
6
25
0,15
0,19
0,032
1
7
20
0,13
0,18
0,033
0,5
8
45
0,40
0,46
0,037
0,5
9
45
0,39
0,46
-
-
10
35
0,20
0,25
0,038
4
11
35
0,32
0,39
0,033
1
12
35
0,33
0,40
0,033
1
Приведенные выше примеры иллюстрируют возможность достижения заявленного технического результата. Перемешивание состава на водной основе при линейной скорости диспергирующего диска не менее 15 м/с и ультразвуковой обработке мощностью 500 Вт в течение 20 минут позволяет равномерно распределить компоненты состава. Массовое соотношение пенополистирольных гранул с составом на водной основе для обработки пенополистирольных гранул составляет от 1:1 до 1:3, предпочтительно 1:2. Использование меньших количеств состава на водной основе для обработки пенополистирольных гранул приводит к снижению прочностных характеристик, а при использовании больших количеств повышается плотность и снижаются теплоизоляционные характеристики. Полученные описанным способом материалы относится к горючим строительным материалам группы Г1.