Научные основы создания пенопластов второго поколения (стр. 2 )

Именно эти направления определяют в конечном итоге создание научных основ технологии изготовления пенопластов второго поколения. Поэтому основной целью данной монографии является освещение именно этих сторон проблемы интегральных пенотермопластов.

Глава 1. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПЕНОИЗДЕЛИЯ

НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТОВ

1.1.  Теоретические аспекты и способы получения интегральных пенопластов литьем под давлением

и экструзией

Классификация методов получения интегральных пенопластов литьем под давлением основана на величине давления в форме в процессе получения изделия.

Метод высокого давления. Сущность метода заключается в следующем. Расплав, под большим давлением впрыскиваемый в холодную форму, заполняет весь ее объем. После образования глянцевой корки нужной толщины объем формы увеличивается и происходит вспенивание внутренних слоев.

Изготовление структурных пенопластов методом высокого давления обеспечивает получение изделий с ровной глянцевой поверхностью. Так, если методом низкого давления получают изделия с глубиной шероховатости 60 – 80 микрон, то применение метода высокого давления позволяет снизить шероховатость до 10 – 20 микрон [3]. Кажущаяся плотность изделий составляет 600 кг/м3 и выше.

Известно множество способов получения структурных пенопластов, основанных на методе высокого давления, которые отличаются в основном условиями для вспенивания внутренних слоев [4 – 8].

Так, в процессе “USM Corp” применяется частично раскрывающаяся форма [6]. Возможно использование удаляемых из формы вкладышей или специальных вставок. Вспенивание сердцевины за счет перетекания избытка материала в цилиндр литьевой машины происхо­дит в процессе “Cellied Chemicals”. В методе “Celuka” используется головка с дорном, образующим узкий канал, расширяющийся к выходу. При заполнении формы наружная поверхность охлаждается, а сердцевина после удаления дорна вспенивается, заполняя весь свободный объем [4]. В патенте США [5] описан способ изготовления структурных пенопластов, при котором увеличение объема полости формы происходит за счет наличия гибкой мембраны. Кроме этого есть много методов, которые со всей строгостью нельзя отнести к методу ТАF, но в которых так же создается противодавление, препятствующее преждевременному вспениванию материала. Так,  в [9] противодавление создается движущейся перего-родкой. Постепенное выдвижение движущейся перегородки происходит благодаря давлению части вспенивающегося полимера, впрыскиваемого в форму во время непрерывного процесса инжекции. Обогреваемый мундштук находится во время инжекции в своем переднем положении, при котором он занимает всю длину пресс-формы в осевом направлении. После завершения инжекции обогреваемый мундштук выдвигается из пресс-формы для осуществления вспенивания невспененной части полимера, находящейся в центральной части пресс-формы, ограниченной ранее мундштуком.

Продолжаются работы по дальнейшему совершенствованию этого метода. Так, фирмой “USM Corp” разработан новый процесс литья под высоким давлением, позволяющий получать вспененные изделия с высоким качеством поверхности и однородной ячеистой структурой. Для достижения этого применен пластикатор специальной конструкции, обеспечивающий тщательный температурный контроль и гомогенность перерабатываемого расплава. В работе [8] в результате проведенного анализа многочисленных данных отмечается, что трудность изготовления изделий сложной формы остается основным недостатком литья под высоким давлением.

Метод литья при средних давлениях, позволяет получать пеноизделия с высоким качеством поверхности [10 – 15]. Большой вклад в разработку этого метода внесли болгарские ученые [10, 11, 16, 17].

Отличительный признак литья при среднем давлении – наличие газового противодавления в форме перед ее заполнением расплавом. Газовое противодавление позволяет осуществить процесс впрыска без вспенивания расплава. Только после образования компактной корки с желаемой толщиной стенок и качеством поверхности давление снимается и происходит вспенивание материала. Отмечается, что чистота поверх-ности изделия может быть даже выше, чем чистота поверхности формы.

Существует несколько разновидностей литья при среднем давлении, отличающихся самим процессом вспенивания. В способе, разработанном болгарскими учеными [11] , при вспенивании часть массы выводится через литниковый канал в боковой цилиндр, откуда в конце следующего цикла вновь вводится в форму. В работах [12, 13] предусмотрено увеличение объема формы.

В других способах [14, 15] форму заполняют материалом на 50 – 90%. При снижении давления газа в форме происходит одновременное регулируемое вспенивание всей полимерной массы.

В настоящее время ведутся работы по совершенствованию этого метода. В частности, идут поиски оптимального состава газообразователя. В ряде работ рекомендуется использовать смесь физического  и хими-ческого газообразователей [18, 20]. Проводятся работы по применению наполненных полимеров [14].

Широкому распространению этого метода мешают, на наш взгляд, необходимость наличия специальных литьевых машин, герметизация литьевых форм и устройств, обеспечивающих регулирование давления в этих формах.

Метод низкого давления. В настоящее время примерно 90 % всех изделий из структурных пенопластов получают этим методом [21, 22]. Сущность его заключается в следующем. Расплав материала, насыщенный газом, под давлением подают в форму, где он заполняет только часть полости. Окончательное оформление изделия происходит за счет избыточного давления газа, находящегося в расплаве. Основные величины, влияющие на качество изделия: давление, температура и скорость сдвига – во время процесса формования непрерывно меняются. Давление и температура вдоль всего пути течения уменьшаются, а скорость сдвига возрастает. Из-за снижения давления в форме по всему фронту течения расплава газовые пузырьки лопаются и застывают на холодных стенках формы. Большой сдвиг вдоль стенок формы ведет к дальнейшей потере газа. Растущие ячейки разрушаются, структура по краям делается компактней. Различная скорость сдвига в середине изделия и по краям также влияет на структуру. Форма ячеек более растянута по краям, чем в середине. Результатом всех этих неконтролируемых процессов являются известная шероховатость поверхности с полосами и линиями течения и неравномерность пенистой структуры [23]. Высокая скорость впрыска и низкая величина скорости сдвига могут частично способствовать устранению недостатков.

Примером может служить метод низкого давления, используемый в процессе, разработанном американской фирмой “Union Carbide”. Процесс формования изделий состоит в расплавлении гранул термопласта в экструдере, насыщении расплава газом (обычно азотом), который подается через стенки цилиндра экструдера в конце 2-й зоны. После этого расплав переводят в поршневой аккумулятор, откуда поршнем по обогреваемым каналам нагнетают в холодную форму. Аналогичный процесс, но с применением твердых вспенивателей разработан фирмами “Phillips Perroleum Eagelirt”, “Shell” и “Мицубиси Юка” [3, 6, 24, 25].

В нашей стране разработан способ литья под низким давлением изделий из полистирола марки ПСВ [26,27]. Малая молекулярная масса полистирола этой марки (60000 – 140000) позволяет получать пеноизделия с кажущейся плотностью до 180 кг/м3, но низкой прочности. Основные области применения этого материала – неответственные изделия и литьевые модели [28]. Для повышения качества пеноизделий рекомендуется вводить инициаторы вспенивания и пластификаторы.

Основное преимущество метода литья при низком давлении – возможность использования обычного оборудования. Этим методом можно получить изделия минимальной по сравнению с другими способами плотности, практически любой конфигурации.

Основной недостаток – неконтролируемый процесс образования корки и вспененной сердцевины, приводящий, во-первых, к определенной шероховатости поверхности и, во-вторых, к трудно предсказуемым прочностным свойствам, в сильной степени зависящим от распределения плотности.

Для устранения шероховатости существует множество различных способов [4, 29 – 35]. Качество поверхности улучшается при повышении температуры формы [36, 37] или текучести расплава [38]. В работе [39] с целью улучшения качества поверхности пеноизделий предложено на формующую поверхность формы наносить теплоизолирующий слой. При контакте расплава с изолирующим слоем на поверхности соприкосновения возникает такая высокая температура, при которой возникающая в результате разрушения пузырей и складок шероховатость не фиксируется мгновенно, так как затвердевание расплава происходит позднее. В целях избежания газовых включений между поверхностью формы и поверхностью расплава и обеспечения гладкой поверхности детали на теплоизоляционный слой наносят тон­кий слой (0,5мм) алюминия.

Для улучшения качества поверхности может применяться и после-дующая обработка, например лакировка, окраска и т. п. [40]. Но часто, особенно при имитации дерева, поверхность не требует дополнительных затрат на свое улучшение.

В настоящее время установлено, что уникальные свойства инте-гральных пенопластов определяются своеобразием их макроструктуры. Поэтому второй недостаток литья при низком давлении - невозможность контроля образования структуры – представляется  нам более сущест-венным. Учитывая, что формирование структуры в процессе получения пеноизделия контролировать не представляется возможным, важное значение приобретают технологические параметры, такие как температура расплава, давление литья, состав композиции и ее свойства. Определение оптимальных технологических параметров и состава композиции требует знания теоретических аспектов пенообразования.

Технологические процессы экструзии пенотермопластов, разрабо-танные к настоящему времени (не считая соэкструзии), по принципу вспенивания можно разделить на два основных: со свободным вспениванием и вспениванием "внутрь" [41, 42]. При первом – все поперечное сечение имеет равномерную плотность  и  тонкую поверх-ностную невспененную корку. Жесткости поверхности у таких профилей нет, или она оценивается как средняя [43 – 46]. При втором – получают интегральные пенотермопласты путем создания условий во время фор-мования и калибрования профиля для вспенивания внутренних слоев от корки к сердцевине, что обеспечивают различными конструкциями го-ловок и калибраторов [47 – 51]. Материал имеет монолитную толстую корку.