Способ, состав и установка для изготовления листового органического стекла

 

Использование: изготовление органического стекла путем блочной полимеризации акриловых мономеров Сущность изобретения: для получения высококачественного ориентированного органического стекла используют состав, содержащий, мас.%: метилметакрилат 85-99,4, метакриловая кислота 0,1-15, радикальный инициатор - азодинитрил изомасляной кислоты 0,005-0,1, в качестве стабилизатора фенилсалицилат 0,2. Состав подвергают блочной полимеризации сначала при температуре теплоносителя 65-70^oС в течение 30-40 мин, а затем при температуре теплоносителя 20-45^oС до конверсии мономера 80-85%. После проводят дополимеризацию при температуре теплоносителя 75-80^oС до конверсии мономера 92-96%. Окончательная полимеразация остаточного мономера происходит при ориентировании листов. Установка содержит блок 1, включающий вертикальные теплопроводящие плиты с каналами для прохода теплоносителя и укрепленные на них формующие листы 3 из силикатного стекла или полированного металла. Над блоком 1 расположены горизонтальные направляющие 17 и способные перемещаться вдоль них ролики 16. Ролики 16 связаны с охватывающими плиты скобами 15. Концы скоб 15 шарнирно связаны с боковыми торцами плит в их средней части. 3 с.п. ф-лы, 1 табл, 3 ил.

Изобретение относится к способам, составам и аппаратуре для изготовления органического стекла путем блочной полимеризации акриловых мономеров, преимущественно для получения ориентированного органического стекла.

Наиболее близким к предлагаемому является известный способ изготовления листового органического стекла в вертикально расположенных формах путем блочной полимеризации метилметакрилата или его смеси с другими мономерами в присутствии радикального инициатора и органических добавок и в условиях теплообмена с теплоносителем, включающий подготовку форм, заливку и вакуумирование исходной смеси, полимеризацию, дополимеризацию, охлаждение и извлечение листов из форм [1] По этому способу смесь металметакрилата с инициатором и добавками заливают в подготовленные вертикальные формы, образованные листами силикатного стекла, вакуумируют при около 60^oС для дегазирования мономера, полимеризуют при 20-80^oС и дополимеризуют при 110-120^oС, получая листовое органическое стекло, практически не содержащее остаточного мономера (конверсия мономера 99-100%).

В случае необходимости последующего получения ориентированного органического стекла листы, полученные по этому известному способу и защищенные после получения бумажным протектором, освобождают от протектора, промывают соответствующими средствами, обдувают воздухом и подвергают нагреву до температуры, превышающей, как правило, на 15-35^oС температуру перехода в высокоэластичное состояние (температуру стеклования) в течение времени, определяемого из расчета 0,5- 3 мин на 1 мм толщины листа, подвергают при этой температуре одноосной или двуосной вытяжке до расчетной толщины и охлаждают до 45-50^oС в растянутом состоянии. Изготовление листов по известному способу с последующим ориентированием сопровождается значительными затратами сырья, вспомогательных материалов и энергетических средств и приводит к образованию большого количества отходов.

Наиболее близким к описываемому является известный состав для изготовления листового органического стекла, включающий метилметакрилат, метакриловую кислоту, радикальный инициатор (дициклогексилпероксидикарбонат) и фенилсалицилат в качестве стабилизатора [2] Состав позволяет получать путем блочной полимеризации листовое органическое стекло хорошего качества, однако обладает невысокой жизнеспособностью (от 1 до 4 сут при обычной температуре и в затемненном месте), вследствие чего требует по возможности быстрой переработки после приготовления и весьма оперативного управления температурой процесса полимеризации и дополимеризации.

Наиболее близкой к описываемой является известная установка для изготовления листового органического стекла путем блочной полимеризации мономеров в вертикально расположенных формах, содержащая блок, состоящий из теплопроводящих плит с каналами для прохода теплоносителя и укрепленных на них формующих листов, уплотняющих прокладок и запирающих средств, расположенные над блоком горизонтальные направляющие и способные перемещаться вдоль них ролики, связанные с охватывающими плиты рамами, систему нагрева и охлаждения с трубопроводами и насосами, вакуумную систему [3] При изготовлении листового органического стекла на такой установке блок собирают вручную, что при значительных габаритах и массах плит и формующих листов затрудняет обеспечение заданного постоянства толщины получаемого листа органического стекла по всей его площади.

Целью изобретения в части способа является упрощение процесса получения органического стекла, предназначенного для последующей ориентации, повышение качества ориентированного органического стекла при одновременном снижении материальных и энергетических затрат.

Это достигается тем, что в способе изготовления листового органического стекла в вертикально расположенных формах путем блочной полимеризации метилметакрилата или его смеси с другими мономерами в присутствии радикального инициатора и органических добавок и в условиях теплообмена с теплоносителем, включающем подготовку форм, заливку и вакуумирование исходной смеси, полимеризацию, дополимеризацию, охлаждение и извлечение листов из форм, полимеризацию проводят сначала при температуре теплоносителя 65-70^oС в течение 30-40 мин, а затем при температуре теплоносителя 20-45^oС до конверсии мономера 80-85% а дополимеризацию проводят при температуре теплоносителя 75-80^oС до конверсии мономера 92-96% Для достижения указанного технического результата состав для получения листового органического стекла, включающий метилметакрилат, метакриловую кислоту, радикальный инициатор и фенилсалицилат в качестве стабилизатора, содержит в качестве радикального инициатора азодинитрил изомасляной кислоты при следующем соотношении компонентов, мас. метакриловая кислота 0,1-15; фенилсалицилат 0,2; азодинитрил изомасляной кислоты 0,005-0,1; метилметакрилат остальное.

Для достижения указанного технического результата в установке для изготовления листового органического стекла путем блочной полимеризации мономеров в вертикально расположенных формах, содержащей блок, состоящий из теплопроводящих плит с каналами для прохода теплоносителя и укрепленных на плитах формующих листов, уплотняющих прокладок и запирающих средств, расположенные над блоком горизонтальные направляющие и способные перемещаться вдоль них ролики, связанные с охватывающими плиты рамами, систему нагрева и охлаждения с трубопроводами и насосами, вакуумную систему, рамы, охватывающие плиты, выполнены в виде скоб, концы которых шарнирно связаны с боковыми торцами плит в их средней части.

Техническим результатом предложенной установки является легкость сборки блока и установления строгой параллельности формующих листов при минимальных затратах ручного труда. Это обеспечивает минимальную разнотолщинность получаемого по предложенному способу листового органического стекла, что, в свою очередь, является необходимым условием достижения высокого качества ориентированного органического стекла, получаемого по предложенному способу.

На фиг. 1 схематично изображен общий вид установки, на фиг. 2 вид сбоку на блок, на фиг. 3 продольный вертикальный разрез блока теплопроводящих плит и формующих листов в собранном виде.

Установка для изготовления листового органического стекла содержит блок 1, состоящий из теплопроводящих плит 2 с каналами для прохода теплоносителя, укрепленных на плитах 2 формующих листов 3 из силикатного стекла или полированного металла, уплотняющих прокладок 4, герметизирующих пространство между соседними формующими листами, запирающих средств 5, соединяющих плиты 2 между собой, и сменных калибров 6, размещенных между соседними формующими листами 3. Формующие листы 3 прикреплены к плитам 2 с помощью прижимных накладок 7 (с обеих сторон каждой плиты, кроме крайних, к которым листы 3 прикреплены только с одной стороны). Собранные вместе плиты 2 дополнительно скреплены стягивающими штангами 8. Каналы для прохода теплоносителя в плитах 2 присоединены к трубопроводам для подвода и отвода теплоносителя 9 и 10, которые соединены с насосом 11 и системой подогрева и охлаждения теплоносителя 12 со змеевиком 13 для подвода греющего или охлаждающего агента. Охватывающие плиты 2 рамы выполнены в виде П-образных скоб 15. Концы последних посредством роликов 14 шарнирно связаны с боковыми торцами плит 2 в их средней части. На перекладине каждой скобы 15 установлены в обоймах с подшипниками два ролика 16, опирающиеся на горизонтальные направляющие 17, установленные над блоком 1 на вертикальных опорах 18. В нижней части каждой плиты 2 имеются ограничители поворота 19.

Через каждую уплотняющую прокладку 4 введены иглы-штуцеры 20 для ввода мономера при промывке и заливке, 21 для выхода воздуха, 22 для слива мономера при промывке и визуального контроля конверсии с помощью подсоединенной к игле-штуцеру 22 прозрачной трубки 23.

Установка содержит также реактор 24 для приготовления исходной смеси мономеров с добавками, снабженный мешалкой, емкость 25 для мономера, заливочный коллектор 26, соединенный с реактором 24, емкостью 25 и иглами-штуцерами 20, фильтр 27, расположенный между реактором 24 и коллектором 26, воздушный фильтр 28 и вакуумную систему (на чертежах не показана).

Состав и способ согласно изобретению реализуют на установке следующим образом.

К теплопроводящим плитам 2 с обеих сторон прижимными накладками 7 прикрепляют формующие листы 3 из силикатного стекла или полированного металла (на крайних плитах с одной стороны). В процессе прикрепления листов плиты, подвешенные в скобах 15, поворачивают в горизонтальное или наклонное положение с помощью роликов 14, а затем перемещают вместе со скобами с помощью роликов 16 по направляющим 17, приближая плиты друг к другу. Между каждой парой соседних плит устанавливают по периметру формующего листа уплотняющую прокладку 4, а также сменный калибр 6, и скрепляют соседние плиты запирающими средствами 5. Соседние формующие листы 3 образуют вместе с уплотняющей прокладкой 4 герметичную форму для заливки состава. Собранный таким образом блок 1 дополнительно скрепляют стягивающими штангами 8. Верхний край каждой уплотняющей прокладки 4 прокалывают иглой-штуцером 20, боковую сторону в верхней ее части иглой-штуцером 21, нижний край иглой-штуцером 22.

Одновременно со сборкой блока 1 в реакторе 24 приготавливают состав для получения органического стекла. В реактор дозируют метилметакрилат (ММА), метакриловую кислоту (МАК), фенилсалицилат (ФС) и азодинитрил изомасляной кислоты (АДН) в соотношениях, находящихся в указанных выше пределах. Соотношение между ММА и МАК выбирают в зависимости от сорта получаемого органического стекла. Содержание фенилсалицилата в составе является общепринятым в практике производства органического стекла. Содержание АДН выбирают также в зависимости от сорта получаемого стекла с учетом желательного режима полимеризации. При содержании инициатора, выходящем за пределы указанного выше интервала, оказывается невозможным получить качественное органическое стекло.

Компоненты состава перемешивают в реакторе 24 в течение 25-30 мин при обычной температуре с одновременным вакуумированием. Из емкости 25 мономера через коллектор 26 и иглы-штуцеры 20 заливают в формы чистый мономер для проверки форм на герметичность и одновременной их промывки с возвратом мономера через иглы-штуцеры 22 в емкость 25. Перед возвратом мономера иглы-штуцеры 20 и 21 соединяют с воздушным фильтром 28 во избежание попадания пыли в формы. Промытые формы подогревают до заданной температуры, подавая насосом 11 в каналы теплопроводящих плит теплоноситель, подогретый до температуры 65-70^oС в системе 12 путем подвода греющего агента в змеевик 13, и термостатируют их при этой температуре. После этого из реактора 24 через фильтр 27, коллектор 26 и иглы-штуцеры 20 подают в формы исходный состав, открыв для свободного выхода воздуха иглы-штуцеры 21. Состав заполняет форму и через иглу-штуцер 22 поступает в прозрачную трубку 23.

После заполнения форм их отключают от реактора и подают в формы нейтральный газ для компенсации усадки содержимого формы в результате полимеризации. В течение 30-40 мин в форме происходит естественное конвективное перемешивание содержимого, а затем начинается процесс полимеризации, сопровождающийся загустеванием массы и ее усадкой. В результате усадки начинает понижаться уровень массы в трубке 23, после чего температуру теплоносителя снижают до 20-45^oС, прекращая подачу греющего агента в змеевик 13 и начиная подачу охлаждающего агента. Температуру теплоносителя в этот период полимеризации выбирают в указанном интервале в зависимости от количества инициатора и толщины листа. В процессе полимеризации продолжают контролировать конверсию мономера по уровню массы в трубке 23. При достижении конверсии 30-40% из промежутков между формующими листами выводят калибры 6 и продолжают полимеризацию до достижения конверсии 80-85% Повышая температуру теплоносителя до 75-80^oС, проводят в течение 0,5-2 ч дополимеризацию до конверсии 92-96% затем охлаждают формы до 45-50^oС, освобождают стягивающие штанги 8, запирающие средства 5 и, раздвигая теплопроводящие плиты 2, извлекают готовые листы органического стекла, которые затем подвергают ориентированию. При ориентации листы нагревают до температуры, превышающей температуру стеклования, остаточный мономер практически полностью полимеризуется. В результате ориентации получают листы, однородные по внутренним напряжениям и, следовательно, по двулучепреломлению, со средней молекулярной массой (2,5-3,5)·10⁶, разнотолщинностью вдвое меньше допустимой, удовлетворяющие всем предъявляемым требованиям по внешнему виду, прочностным характеристикам (предел прочности, относительное удлинение, ударная вязкость), термостойкости, содержанию остаточного мономера.

Сущность изобретения иллюстрируется также приведенными ниже примерами (в примерах содержание компонентов в составе дано в массовых процентах), результаты испытаний полученного листового органического стекла приведены в таблице.

Пример 1. Состав, содержащий ММА 99,4, МАК 0,1, АДН 0,1 и ФС 0,2, полимеризуют согласно предложенному способу с использованием предложенной установки, используя в качестве формующих листов силикатные стекла. Получают листы органического стекла толщиной 5 мм с глянцевыми кромками и с содержанием остаточного мономера 6,4% (конверсия 93,6%). Из шести полученных листов пять соответствуют ГОСТ 10667-91. После ориентации листов, соответствующих ГОСТ 10667-91, получено ориентированное органическое стекло высокого качества (свойства материала, полученного по этому и последующим примерам, приведены в таблице).

Пример 2. Состав, содержащий ММА 90,095, МАК 9,7, АДН 0,005 и ФС 0,2, полимеризуют согласно предложенному способу с использованием предложенной установки, используя в качестве формующих листов полированные металлические листы. Получают листы органического стекла толщиной 30 мм с глянцевыми кромками и с содержанием остаточного мономера 5,7% (конверсия 94,3%). Все четыре полученных листа соответствуют ГОСТ 10667-91. После ориентации получено ориентированное органическое стекло высокого качества.

Пример 3. Состав, содержащий ММА 84,7, МАК 15,0, АДН 0,02 и ФС 0,2, полимеризуют согласно предложенному способу с использованием предложенной установки, используя в качестве формующих листов полированные металлические листы. Получают листы органического стекла толщиной 10 мм с глянцевыми кромками и с содержанием остаточного мономера 8% (конверсия 92%). Все четыре полученных листа соответствуют ГОСТ 10667-91. После ориентации получено ориентированное органическое стекло высокого качества.

Пример 4. Состав, содержащий ММА 85,0, МАК 14,77, АДН 0,03 и ФС 0,2, полимеризуют согласно предложенному способу с использованием предложенной установки, используя в качестве формующих листов полированные металлические листы. Получают листы органического стекла толщиной 10 мм с глянцевыми кромками и с содержанием остаточного мономера 6% (конверсия 94%). Все четыре полученных листа соответствуют ГОСТ 10667-74. После ориентации получено ориентированное органическое стекло высокого качества.

Пример 5. Состав, содержащий ММА 99,0, МАК 0,79, АДН 0,01 и ФС 0,2, полимеризуют согласно предложенному способу с использованием предложенной установки, используя в качестве формующих листов полированные металлические листы. Получают листы органического стекла толщиной 14 мм с глянцевыми кромками и с содержанием остаточного мономера 7% (конверсия 93%). Все три полученных листа соответствуют ГОСТ 10667-91. После ориентации получено ориентированное органическое стекло высокого качества.

Пример 6 (сравнительный). Состав, содержащий ММА 99,48, стеарин 0,3, дициклогексилпероксидикарбонат 0,04 и ФС 0,2, полимеризуют в вертикальных формах из силикатного стекла, погруженных в водную ванну в вертикальном положении, при температуре воды 21^oС до конверсии 90% Затем формы перемещают в воздушный термостат, где при температуре воздуха 120^oС проводят дополимеризацию до конверсии 99,5% (содержание остаточного мономера 0,05%). Получают листы органического стекла толщиной 10 мм с неровными кромками. Из шести полученных листов два соответствуют ГОСТ 10667-91, остальные забракованы по различным дефектам поверхности. После ориентации двух листов, соответствующих ГОСТ 10667-91, получен один лист ориентированного органического стекла высокого качества.

Формула изобретения

1. Способ изготовления листового органического стекла в вертикально расположенных формах путем блочной полимеризации метилметакрилата или его смеси с другими мономерами в присутствии радикального инициатора и органических добавок и в условиях теплообмена с теплоносителем, включающий подготовку форм, заливку и вакуумирование исходной смеси, полимеризацию, дополимеризацию, охлаждение и извлечение листов из форм, отличающийся тем, что полимеризацию проводят сначала при температуре теплоносителя 65 70^oC в течение 30 40 мин, а затем при температуре теплоносителя 20 45^oС до конверсии мономера 80 85% а деполимеризацию проводят при температуре теплоносителя 75 80^oС до конверсии мономера 92 96% 2. Состав для изготовления листового органического стекла, включающий метилметакрилат, метакриловую кислоту, радикальный инициатор и фенилсалицилат в качестве стабилизатора, отличающийся тем, что он содержит в качестве радикального инициатора азодинитрил изомасляной кислоты при следующем соотношении компонентов, маc.

Метакриловая кислота 0,1 15 Фенилсалицилат 0,2 Азодинитрил изомасляной кислоты 0,005 0,1 Метилметакрилат Остальное 3. Установка для изготовления листового органического стекла путем блочной полимеризации мономеров в вертикально расположенных формах, содержащая блок, состоящий из теплопроводящих плит с каналами для прохода теплоносителя и укрепленных на них формующих листов, уплотняющих прокладок и запирающих средств, расположенные над блоком горизонтальные направляющие и способные перемещаться вдоль них ролики, связанные с охватывающими плиты рамами, систему нагрева и охлаждения с трубопроводами и насосами, вакуумную систему, отличающаяся тем, что рамы, охватывающие плиты, выполнены в виде скоб, концы которых шарнирно связаны с боковыми торцами плит в их средней части.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4