Непрерывный способ изготовления сплошных, полых и открытых профилей (варианты) - RU2339514C2

Описание

Настоящее изобретение относится к способу непрерывного изготовления сплошных, полых или открытых профилей, в частности профилей с острыми краями, путем экструзии термопластиков, в частности полистиролов.

Полистирольные профили, обладающие плотностью более 400 кг/м³, много лет выпускаются для наружной и внутренней отделки домов. Эти профили различной формы обладают хорошими декоративными характеристиками и часто используются для замены или имитации декоративной лепной отделки потолков. Кроме того, вследствие высокой плотности они являются ударопрочными, что позволяет использовать их в местах перемещения людей и подвижных объектов, которые могут ударяться об них. Поскольку полистирол практически не впитывает воду, такие профили можно использовать на уровне пола в качестве плинтусов.

Для возможности изготовления сложных декоративных профилей высокого качества с приемлемым внешним видом необходимо, чтобы профиль обладал регулярной структурой, т.е. мелкими и однородными ячейками. Если ячейки неоднородны, то на поверхности видны дефекты и профили непригодны для продажи.

Несмотря на многочисленные попытки, не удается изготовить такие полистирольные профили, обладающие плотностью более 400 кг/м³. Фактически при попытках изготовления профилей, обладающих меньшей плотностью, получаются продукты, которые не являются достаточно однородными для изготовления профилей без неприемлемых дефектов поверхности.

В US 5753717 описан реализующийся с помощью СО₂ способ экструзии пенополистирола, обладающего повышенной механической прочностью, который получают путем использования для выходного отверстия экструдера температуры, которая ниже критической. Изобретатель подчеркивает, что для эффективного охлаждения смеси полимер+СО₂ до температуры, которая ниже этой критической, необходимо совместно инжектировать более значительную долю вспенивающего агента. Вследствие этого понижается плотность, газ снижает вязкость вследствие пластификации, что уменьшает вязкое трение и количество тепла, образующегося вследствие этого трения. Описанные полученные продукты находятся в форме листов, предназначенных для термического формования, и обладают особенно мелкими ячейками (размер <25 мкм) с толщиной стенок ячеек от 1 до 2 мкм. Плотность пеноматериала составляет менее 4 фунт/фут³ (64 кг/м³].

Кроме того, в US 5753717 подчеркнуто, что ранее невозможно было получить пенополистиролы, обладающие высокой плотностью И ОДНОВРЕМЕННО очень мелкими ячейками: при снижении содержания агента, вызывающего набухание, плотность увеличивалась, но ячейки становились крупными и обладали большой толщиной стенок. В US 5753717 также указано, что при использовании обычного способа предшествующего уровня техники в случае температуры головки экструдера, равной от не менее 140 до 155°С, можно получить только листовой пеноматериал с довольно крупными и обладающими большой толщиной стенок ячейками.

В US 2002/0169224 описан непрерывный способ изготовления пеноматериалов, обладающих уменьшенными и/или однородными ячейками, путем приготовления однородной смеси полимера со вспенивающим агентом, путем снижения температуры смеси на выходе и при давлении, достаточном для удерживания вспенивающего агента в растворе, и последующего пропускания смеси через выходное отверстие до ее расширения. Температура экструзии превышает температуру стеклования полимера не более, чем на 30°С, и количество использующегося СО₂ составляет не менее 4,4% от массы полимера. Утверждается, что размер ячеек составляет от 2 до 200 мкм и плотность - от 100 до 300 кг/м³.

Задачей настоящего изобретения является разработка нового способа изготовления профилей, состоящих из пенополистирола плотностью от 200 до 350 кг/м³ с мелкими ячейками размером от 25 до 100 мкм, которые являются однородными по размеру.

Эта задача решается с помощью способа изготовления сплошных, полых или открытых профилей, в частности профилей с острыми краями, на основе полистирола.

В первом, базовом, варианте осуществления предлагаемый в изобретении способ включает следующие стадии:

- дозирование полимеров, включающих полистирол,

- пластификацию компонентов в экструдере для получения однородной смеси,

- подачу сжатого газа через входное отверстие в количестве, составляющем от 0,2 до 0,4 мас.% в пересчете на полимеры, включающие полистирол,

- размешивание указанной однородной смеси и газа и создание давления до полного растворения газа для получения однофазной смеси,

- постепенное охлаждение указанной смеси при поддержании давления, необходимого для солюбилизации газа, до температуры выше 135°С, что приводит к заданной плотности и размерам пор, и для сведения к минимуму разностей температур между центром и периферией полимера и растворенного газового потока предпочтительно, чтобы по сечению, перпендикулярному потоку, указанная температура была насколько возможно одинаковой,

- подачу указанной смеси в виде однофазной смеси в формующее устройство для формирования пеноматериала,

- пропускание сформованного таким образом пеноматериала через калибровочную систему,

- извлечение калиброванного пеноматериала с помощью электродвигателя.

Таким способом можно получить пеноматериалы на основе полистирола, обладающие плотностью от 200 до 350 кг/м³ и гладкой поверхностью без каких-либо видимых дефектов.

С помощью регулирования эффективности и равномерности создаваемого охлаждения способ позволяет повысить производительность при изготовлении профилей и обеспечить весьма однородное качество ячеек.

Согласно изобретению неожиданно было обнаружено, что с помощью способа, разработанного в соответствии с объемом настоящего изобретения, даже при минимальной температуре вспенивания, превышающей 135°С, можно получить пеноматериалы, обладающие плотностью от 200 до 350 кг/м³ и мелкими ячейками размером от 25 до 100 мкм, обладающими однородным размером.

Поскольку в настоящем изобретении заданные плотности намного выше, чем предполагаемые в US 5753717, толщина стенок неизбежно будет большей. Однако получение достаточно мелких ячеек для изготовления предлагаемых в настоящем изобретении пеноматериалов, обладающих приемлемым качеством поверхности, остается важным и это представляется затруднительным или даже невозможным в рамках US 5753717. Анализ возможных причин этих затруднений привел нас к необходимости рассмотрения не только подаваемой энергии и устанавливаемой температуры головки экструдера, но и однородности этой температуры по сечению, перпендикулярному потоку. Чем большую плотность необходимо достичь, тем больше должна быть эффективность охлаждения, но при этом тем более затруднительно уменьшить разность температур в центре и на краях потока. Это приводит к тому, что слишком горячий центр потока обладает меньшей вязкостью, что приводит к меньшему сопротивлению по отношению к расширению пузырьков газа, а это приводит к увеличению среднего размера ячеек пеноматериала и тем самым ухудшает его внешний вид и качество.

Во втором варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа дозируемые полимеры включают в себя помимо полистирола и другие добавки и вспомогательные вещества. В третьем варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа используют калибровочную систему с регулированием температуры.

Оптимальная температура, при которой пеноматериал приобретает наиболее благоприятное качество (плотность - размер ячеек), также является критически важной и для ее обеспечения система охлаждения должна быть достаточно мощной и одновременно постепенной и хорошо регулируемой.

Постепенное охлаждение смеси целесообразно регулировать таким образом, чтобы обеспечить однородный профиль температуры по сечению, перпендикулярному потоку, пока не будет достигнута оптимальная температура вспенивания.

Применяемый полимер предпочтительно выбирают из группы, включающей полистирол, сополимеры акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), стирол-бутадиен-стирол (СБС), стирол-этилен-бутадиен-стирол (СЭБС) и их смеси.

Различные типы полистиролов, которые различаются по вязкости и поэтому по молекулярной массе, можно применять по отдельности или в смесях с другими сополимерами стирола и диенового мономера. Подходящими сополимерами являются, например, сополимеры акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), стирол-бутадиен-стирол (СБС), стирол-этилен-бутадиен-стирол (СЭБС) и их смеси.

Также можно изменить часть или всю поверхность затвердевшего первичного профиля из пеноматериала путем добавления к нему дополнительного слоя материала с помощью совместной экструзии. Этот совместно экструдированный материал может находиться во вспененном или плотном состоянии.

В качестве вспенивающего газа предпочтительно применять СО₂.

Предлагаемый в изобретении способ также может предусматривать добавление соединений, облегчающих экструзию содержащей полистирол смеси, причем указанные соединения выбирают из группы, включающей сложные эфиры С₄-С₂₀-одноатомных спиртов, амиды жирных кислот, полиэтиленовые воски, окисленные полиэтиленовые воски, стирольные воски, С₁-С₄-спирты, силиконизированные соединения и их смеси. В этом случае соединения, облегчающие экструзию содержащей полистирол смеси, целесообразно периодически и точно вводить на подходящем участке экструзионной установки с помощью распределительного кольца, чтобы точно и регулярно создавать покрытие канала потока в головке экструдера.

Другие особенности и характеристики настоящего изобретения станут понятными из подробного описания нескольких предпочтительных вариантов выполнения, приведенных ниже в качестве иллюстраций.

1. Способ изготовления.

1.1. Дозировка компонентов.

Для получения композиции заданного состава компоненты композиции дозируются по отдельности с помощью дозирующей установки объемного или гравиметрического типа. Предпочтительно, чтобы сырье находилось в форме стандартных гранул и по возможности гранулы разных компонентов обладали одинаковой формой и размером. Для предотвращения преждевременного расслоения смеси также предпочтительно, чтобы значения насыпных плотностей разных компонентов находились в узком диапазоне.

1.2. Экструдер.

Дозированные таким образом компоненты направляются в загрузчик пластифицирующего экструдера. Предпочтительно, чтобы этот экструдер включал два вращающихся в одном или противоположных направлениях шнека, которые являются или не являются самоочищающимися. Цилиндр включает несколько зон нагрева. Первая часть цилиндра нагревается до высокой температуры с целью пластификации твердых компонентов, дозированных в загрузчик, и проводится перемешивание для гомогенизации содержимого. На наиболее благоприятном с точки зрения вязкости и давления участке цилиндра через просверленное в цилиндре входное отверстие подается сжатый газ. Газ поддерживается в конденсированном состоянии, в частности, в случае СО₂ - в надкритическом состоянии (см. раздел 2.2). Смесь компонентов с газом перемешивается и в ней создается давление для обеспечения хорошей однородности и оптимального растворения газа в расплавленной смеси, так чтобы образовалась одна фаза. Далее зоны цилиндра постепенно становятся все более холодными, чтобы поддерживалось давление, необходимое для растворения газа.

1.3. Охлаждение.

Его можно проводить, применяя два типа установок:

i) "Динамический" теплообменник с использованием конфигурации с длинными шнеками: первая часть цилиндра используется для пластификации и гомогенизации твердых компонентов с газом, как это описано в предыдущем разделе, а вторая часть шнека, зоны которого охлаждаются потоком охлаждающей жидкости, обеспечивает охлаждение однофазной смеси. Конструкция этой последней части шнека специально приспособлена к тому, чтобы при сдвиговом воздействии выделялось наименьшее возможное количество тепла, что улучшает возможную эффективность охлаждения и поэтому повышает производительность. Конструкция охлаждающей части шнека приспособлена к тому, чтобы на выходе из экструдера устанавливалась оптимальная температура, однородная по сечению, перпендикулярном потоку, вследствие чего можно обеспечить заявленную предпочтительную комбинацию плотности и размера ячеек.

ii) "Статический" теплообменник: однородная смесь пластифицированных компонентов с газом выходит из цилиндра экструдера и проходит через теплообменник, через который протекает охлаждающая жидкость, причем его конструкция должна обеспечивать регулирование температуры смешивания с точностью до десятых долей градуса, так чтобы на головке экструдера с необходимой точностью и постепенностью могла быть установлена оптимальная температура вспенивания. Кроме того, конструкция теплообменника должна обеспечивать сглаживание профиля температуры по сечению, перпендикулярному потоку, так чтобы профиль температуры на выходе из этого теплообменника был как можно более плоским. Путем установки статического теплообменника после цилиндра экструдера также можно увеличить допустимую скорость потока.

1.4. Гомогенизация.

Затем охлажденную смесь необязательно подвергают повторной гомогенизации, направляя ее в статический смеситель, разделяющий поток на несколько "каналов", которые пересекаются и перераспределяются для того, чтобы сделать профиль температуры по сечению, перпендикулярному потоку, как можно более плоским.

1.5. Релаксация.

Необязательно можно добавить секцию релаксации потока, поместив пустую трубу подходящей длины. Это позволяет снять внутренние напряжения, обусловленные сдвигом, а также устранить эффекты вязкоупругой "памяти" и обеспечить более равномерное течение потока.

1.6. Вспенивающая головка.

Однородная по составу и температуре однофазная смесь пластифицированных компонентов с газом теперь будет направляться в формующее устройство, включающее головку, направляющую поток в необходимую форму для вспенивания. Падение давления в смеси после выхода из цилиндра постоянно снижает давление в смеси; в определенный момент давление падает ниже критического порога, когда смесь перенасыщается ранее солюбилизированным газом, и начинается образование пузырьков газа с формированием второй дискретной фазы. Идеально, если смесь не слишком рано проходит через зону, в которой формируются эти первичные пузырьки, т.к. в противном случае может произойти преждевременное вспенивание с образованием деформированного и нестабильного пеноматериала с не очень привлекательным видом поверхности. Регулировать положение, в котором протекает эта критическая стадия расслоения, можно путем изменения многих параметров: вязкости компонентов, температуры устройства, содержания газа, формы устройства, производительности экструдера... для каждого необходимого профиля вспенивания необходимо оптимизировать все эти параметры.

1.7. Формование.

Пеноматериал выходит в атмосферу при высокой температуре и свободно расширяется. При охлаждении вязкость стенок ячеек увеличивается и происходит миграция газа в ячейки, пока ячеистая структура не затвердеет. Однако этот процесс требует времени и форма пеноматериала не сразу становится стабильной. Для регулирования размеров пеноматериала его пропускают через калибровочную систему, извлекая его с помощью электродвигателя, расположенного в конце линии экструзии. Калибраторы, возможно калибраторы с регулированием температуры для более эффективного регулирования формы, в особенности вначале, когда пеноматериал является наиболее горячим, постепенно придают вспененной массе определенную форму.

1.8. Включенная в технологическую линию совместная экструзия (необязательная). Также можно изменить часть или всю поверхность затвердевшего первичного профиля из пеноматериала путем добавления к нему дополнительного слоя материала с помощью совместной экструзии. Этот второй слой, который для обеспечения хорошей адгезии должен быть совместим с первым, может быть предназначен для улучшения механических характеристик, создания декоративного эффекта, ... второй слой может быть плотным или вспененным.

1.9. Включенная в технологическую линию декоративная отделка (необязательная).

Можно нанести декоративный узор на выбранный участок профиля, например, с помощью нагреваемого валика, прижатого к предварительно нагретому на участке пеноматериалу, или с помощью прессующей системы, воздействующей на профиль, или любым другим способом, известным специалисту в данной области техники.

1.10. Операция извлечения и резки.

Затем профиль извлекается с помощью машины с ординарным или двойным приводом в соответствии с количеством параллельно экструдируемых профилей. Затем профиль нарезается на куски пилой, обеспечивающей строго перпендикулярный разрез.

1.11. Автономная декоративная отделка (необязательная).

Можно нанести декоративный узор на выбранный участок отрезанного профиля, например, с помощью нагреваемого валика, прижатого к предварительно нагретому на участке пеноматериалу, или с помощью прессующей системы, воздействующей на профиль, или любым другим способом, известным специалисту в данной области техники.

2. Сырье.

2.1. Полимеры.

В качестве базовой смолы применяют полистирол. Вязкость полистирола меняют в соответствии с профилем пеноматериала, давлением, необходимым для обеспечения хорошего качества, необходимой производительностью экструзии. Поодиночке или в смеси можно применять различные типы полистиролов, которые различаются по вязкости и поэтому по молекулярной массе, обладающие показателями текучести ("скоростями течения расплава", СТР), равными от 1 до 25 г (10 мин), в соответствии со стандартом ASTM D1238 измеренными при 200°С и при нагрузке, равной 5,0 кг. Также можно добавлять сополимеры стирола с диеновым мономером, которые обладают большей ударопрочностью и лучшей эластичностью. Можно, например, применять подходящие сополимеры акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), стирол-бутадиен-стирол (СБС), стирол-этилен-бутадиен-стирол (СЭБС), также обладающие различными показателями текучести ("скоростями течения расплава", СТР), в соответствии с пеноматериалом, который необходимо получить.

Также можно добавлять регенерированный материал, совместимый со всеми компонентами, например предварительно размолотые, дегазированные и уплотненные отходы вспененных профилей.

При наличии совместно экструдированного слоя на основном пеноматериале материалы выбираются в соответствии с их возможностью образовывать достаточно прочную связь с основным пеноматериалом. Ими могут быть термопластичные и термореактивные материалы.

2.2. Газ.

Предпочтительным применяющимся газом является СО₂, который хранят в баллоне под давлением и при температуре, таких, чтобы он находился в жидком состоянии. Температура ни в коем случае не должна превышать 31,1°С, поскольку при более высокой температуре СО₂ становится надкритическим и поэтому обладает значительно меньшей плотностью, чем жидкость, что делает затруднительным его перекачку. Перекачку СО₂ проводят по трубам, которые охлаждают до температуры ниже критической, чтобы жидкое состояние сохранялось вплоть до устройства, регулирующего скорость вводимого потока. Оно представляет собой расходомер, действующий на основе эффекта Кориолиса, который позволяет связать массу дозируемого за единицу времени газа с разностью частот колебаний, вызванных при прохождении жидкости через колебательный контур. Поскольку этот расходомер пригоден только для жидкостей, важно, чтобы СО₂ оставался в жидком состоянии. Затем жидкий СО₂вводят в цилиндр экструдера через отверстие для подачи, снабженное обратным клапаном.

2.3. Добавки.

а) Зародышеобразующий агент.

Ячейки пеноматериала упорядочивают с помощью соединения, которое стимулирует равномерное распределение ячеек в пеноматериале. Ими могут быть пассивные продукты, которые не вступают в химические реакции, такие как тальк, карбонат кальция, диоксид кремния. Также можно использовать так называемые "активные" продукты, которые разлагаются при воздействии тепла и создают газовую фазу. Реакция стимулирует однородное зародышеобразование, а также наличие областей тонкодиспергированного газа. Смесь лимонной кислоты с бикарбонатом натрия, азодикарбонамид, окси-бис-сульфогидразид являются хорошо известными.

б) Добавки, содействующие осуществлению технологии.

Имеются соединения, облегчающие экструзию содержащей полистирол смеси за счет внутреннего или внешнего смазывания. Обычно добавка представляет собой молекулу, обладающую низкой молекулярной массой. Из числа известных продуктов отметим сложные эфиры С₄-С₂₀-одноатомных спиртов, амиды жирных кислот, полиэтиленовые воски, окисленные полиэтиленовые воски, стирольные воски, С₁-С₄-спирты, силиконизированные соединения и т.п. Эти соединения можно прибавить к смеси, как только она поступит в экструдер, или в виде маточной смеси на основе полиэтилена, или подать в экструдер в виде жидкости, или даже периодически и точно вводить на подходящем участке экструзионной установки с помощью распределительного кольца, чтобы точно и регулярно покрывать канал потока в головке экструдера пленкой, обладающей очень низким коэффициентом трения.

в) Пигменты.

Вспененную массу можно равномерно окрасить с помощью пигментов, вносимых в устройство загрузки экструдера. Также можно окрасить под дерево путем объединения цветных пигментов, обладающих сильно различающимися вязкостями, например, объединяя ярко окрашенную маточную смесь на основе высоковязкого полимера с темноокрашенной маточной смесью на основе низковязкого полимера.

г) Другие добавки.

Дополнительно отметим, не налагая ограничений:

- Огнезащитные средства, галогенированные (хлорированные, бромированные, фторированные, ...)или негалогенированные (гидроксиды, фосфаты, расширяющийся графит, ...);

- УФ-стабилизаторы;

- Антиоксиданты;

- Различные минеральные наполнители;

- Упрочняющие волокна (стекловолокна, целлюлозные волокна, ...);

- Добавки, влияющие на вязкость расплава (высокомолекулярные акриловые сополимеры).

3. Типичные варианты выполнения.

Приведенные ниже примеры иллюстрируют условия получения типичных пеноматериалов, предлагаемых в настоящем изобретении, и их морфологические характеристики. Основные параметры экструзии, размеры профилей и количество тепла, отведенного при охлаждении, приведены в таблице.

Использованный полимер представляет собой кристаллический полистирол, индекс течения расплава=15. Для регулирования размеров ячеек прибавлен зародышеобразующий агент, лимонная кислота+бикарбонат натрия. Вспенивающим газом является 100% СО₂.

В случае применения теплообменника (примеры 1-5) количество отведенного тепла рассчитывается так, чтобы обеспечить оптимальную температуру головки экструдера. При отсутствии теплообменника (пример 6), когда до секции охлаждения температуру массы, находящейся в цилиндре, не меняют, это количество тепла рассчитать невозможно. Однако указана оптимальная температура экструзии.

Видно, что количество тепла согласуется с плотностями, размерами и скоростями экструзии. Однако примеры 2 и 3 показывают, что при экструзии оптимальная температура головки экструдера также зависит от сложности формы: несмотря на близкие объемы, форма в примере 3 является намного более извилистой, чем в примере 2, что увеличивает трение, но в каждом случае способ является достаточно адаптивным и гибким, так что можно получить пеноматериалы, обладающие регулярной и мелкой ячеистой структурой.

Реферат

Способ относится к изготовлению сплошных, полых или открытых профилей, в частности профилей, обладающих острыми краями и выполненных из полистирола. Способ включает следующие стадии: дозирование полимеров, включающих полистирол и другие добавки и вспомогательные вещества, пластификацию компонентов в экструдере для получения однородной смеси, подачу сжатого газа через входное отверстие, размешивание однородной смеси и газа и создание давления до полного растворения газа для получения однофазной смеси. Затем осуществляют постепенное охлаждение смеси при поддержании давления, необходимого для солюбилизации газа. Подачу смеси в виде однофазной смеси в формующее устройство для формирования пеноматериала и пропускание сформованного таким образом пеноматериала осуществляют через калибровочную систему. Она может быть снабжена средством регулирования температуры. Затем осуществляют извлечение калиброванного пеноматериала с помощью электродвигателя. Постепенное охлаждение регулируют таким образом, чтобы обеспечить однородный профиль температуры по сечению, перпендикулярному потоку, пока не будет достигнута оптимальная температура вспенивания. Применяемый полимер выбирают из группы, включающей полистирол, сополимеры акрилонитрил-бутадиена-стирол (АБС), стирол-бутадиена-стирол (СБС), стирол-этилен-бутадиен-стирол (СЭБС) и их смесей. Применяемый в способе вспенивающий газ - СО₂. Технический результат, достигаемый при использовании способа по изобретениям, заключается в изготовлении профилей, состоящих из пенополистирола плотностью от 200 до 350 кг/м³ с мелкими ячейками размером от 25 до 100 мкм, которые являются однородными по размеру. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула