Способ сухого формования непрерывной ленты пенополистирола

 

Изобретение относится к технологии изготовления теплоизоляционного пенополистирола для строительства и машиностроения. В способе осуществляют сухой прогрев горячим воздухом пенополистирольных гранул, поперечное обжатие объема прогретых гранул и выдержку в обжатом состоянии до сварки гранул между собой в формованное изделие. Формование изделия выполняют поэлементно последовательным приформовыванием каждого очередного сформованного элемента к предыдущему. Для этого дополняют порцией прогретых гранул короткую проходящую обогреваемую формовочную ячейку с формующими пуансонами, соединенную с емкостью прогретых гранул. Запирают ячейку. Отделяют ее от емкости. Подвергают продольному одностороннему обжатию с прижимом этой порции к торцу предыдущей посредством формующего пуансона. Выполняют операции поперечного обжатия и дополнительной выдержки. Раздвигают стенки ячейки, уменьшая усилие поперечного обжатия. Проталкивают сформованный элемент и всю сформованную из элементов ленту пенополистирола на величину протяженности сформованного элемента. Затормаживают ленту пенополистирола. Возвращают формующие пуансоны в исходные положения. Освобождают формовочную ячейку для следующей порции прогретых гранул. Затем повторяют все предыдущие операции. Способ прост в реализации, имеет непрерывный процесс, прост в обслуживании. 6 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологии изготовления теплоизоляционного пенополистирола для строительства и машиностроения.

Известен конвейерный способ сухого формования непрерывной ленты пенополистирола из гранул пенополистирола /1/, где через слой гранул, зажатых между движущимися перфорированными лентами конвейера, прокачивается горячий воздух; прогретые гранулы продвигаются далее лентами конвейера в зону обжатия, где слой разогретых гранул обжимается на 50% для спекания гранул в ленту пенополистирола. Процесс непрерывен и поэтому прогрессивен, в принципе, хотя нет сведений о его практической реализации, что свидетельствует о непреодолимых недостатках способа. Главный, органический, недостаток - малая теплоемкость горячего воздуха-теплоносителя, что вызывает необходимость подачи его большого количества. Но при прокачке горячего воздуха через слой гранул большая доля тепла "перехватывается" ближайшим слоем гранул, который вспучивается раньше глубинных слоев и перекрывает каналы прохода горячего воздуха вглубь слоя гранул. Это приводит к неравномерному по толщине качеству спекания гранул, вплоть до осыпания гранул с плохо спеченной поверхности. Недостатком способа является также необходимость крупногабаритного по длине и сложного по конструкции конвейера, что объясняется необходимостью мощной и габаритной системы прокачки горячего воздуха через слой гранул большой площади и необходимостью обжимать большой по площади и движущийся слой гранул. Для размещения установки требуются большие производственные площади, причем теплого цеха, т.к. такое сложное оборудование не может работать в примитивных условиях, например на строительной базе. Технология по этому способу требует большого количества высококвалифицированных работников.

За прототип взят более простой способ изготовления отдельных плит пенополистирола /2/, по которому гранулы пенополистирола прогревают в форме, в режиме кипящего слоя, а затем весь объем гранул подвергают поперечному обжатию прямо в той же форме и выдержке до спекания гранул в формованное изделие с последующим охлаждением формы с изделием и извлечением охлажденного изделия. В этом способе гранулы хорошо (быстро и равномерно) прогреваются в кипящем слое, что предопределяет равномерное по объему спекание гранул даже в толстом слое при экономичном расходе тепловой энергии на прогрев гранул и при сравнительно небольших габаритах системы прокачки горячего воздуха. Способ не требует крупногабаритного по длине и сложного по конструкции технологического оборудования. Недостатком способа является необходимость весьма высокого усилия обжатия, около 200 кН (20 тс) на 1 м² площади изделия, что требует мощных габаритных форм и довольно дорогого и требовательного в обслуживании гидравлического оборудования. Поэтому при внешней простоте способа его реализация будет непростой и недешевой, малоприменимой в условиях строительной базы, а тем более - стройплощадки. Кроме того, изделия получаются строго определенных размеров (по размерам форм), а процесс прерывистый и малопроизводительный, трудоемкий. Он неэкономичен и по расходу тепловой энергии, т.к. тепло бесполезно выбрасывается при каждом охлаждении формы с изделием, которое необходимо для извлечения изделия, и повторно тратится на нагрев формы и воздушного тракта.

Приведенные сведения проясняют причину производства пенополистирольных плит исключительно традиционным способом "мокрого" формования с помощью горячего водяного пара на крупных стационарных предприятиях с неизбежными дальними неэкономичными перевозками легчайшей объемистой продукции (перевозят "воздух").

Целью предлагаемого изобретения является создание простого в реализации способа сухого формования непрерывной ленты пенополистирола, в котором, однако, не требовалось бы больших усилий формования и габаритного технологического оборудования, с возможностью реализации способа в условиях строительной базы или на стройплощадке с помощью компактного мобильного оборудования, с исключением неэкономичной дальней транспортировки пенополистирольных плит. В этом случае экономичными будут и малогабаритные установки небольшой производительности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем сухой прогрев горячим воздухом вспученных гранул пенополистирола в емкости, поперечное обжатие объема прогретых гранул и выдержку в обжатом состоянии до сварки гранул между собой в формованное изделие, формование изделия выполняют поэлементно последовательным приформовыванием каждого очередного элемента к предыдущему, для чего заполняют порцией прогретых гранул короткую проходную обогреваемую формовочную ячейку, соединенную с емкостью прогретых гранул, запирают ячейку, отделяя ее от емкости, подвергают запертую порцию гранул продольному одностороннему обжатию с одновременным прижатием этой порции к торцу предыдущего сформованного элемента, выполняют известные операции поперечного обжатия и выдержки дополнительно и вслед за продольным обжатием, после чего быстро уменьшают усилие поперечного обжатия раздвижкой стенок формовочной ячейки и проталкивают сформованный элемент и всю сформованную ленту на величину протяженности сформованного элемента, затормаживают ленту пенополистирола, возвращают формующие пуансоны в исходное положение, освобождая таким образом формовочную ячейку для следующей порции прогретых гранул, отпирают формовочную ячейку, соединяя ее с емкостью прогретых гранул, и повторяют операции формовки.

В короткой (малопротяженной в направлении продольного перемещения ленты изделия) формовочной ячейке даже для широкой ленты изделия площади и продольного, и поперечного обжатия невелики (на порядок меньше, чем по прототипу), и большого усилия обжатия не потребуется. Поэтому обжатие пенополистирольных гранул можно осуществить простейшим механическим устройством, не потребуется мощной формы, и, в целом, конструкция технологического оборудования будет простейшей и малогабаритной, в частности не потребуется гидравлического оборудования. Таким образом, предлагаемый способ можно будет реализовать в простейшем оборудовании, способном работать и на стройплощадке.

Для устойчивости процесса прогрева гранул и минимизации мощности установки предлагается реализовать принцип виброкипящего слоя /3/.

Для уменьшения вредного влияния пристенного трения на равномерность по объему обжатия гранул можно применить двустороннее поперечное обжатие (по пластям элемента), а для обеспечения достаточной плотности и по бокам изделия - обжатие еще по двум сторонам его, всего - четырехстороннее обжатие (многостороннее обжатие).

Для снижения плотности изделия без потери его сплошности можно после достаточно большого поперечного обжатия и раздвижки стенок формовочной ячейки сделать выдержку, чтобы разогретая вязкоупругая пенополистирольная масса, насыщенная сжатыми газами (воздухом, изопентаном), могла расшириться. Одновременно это приведет к быстрому охлаждению пенополистирола по всему объему за счет эффекта адиабатического (возможно, политропного) расширения газов порового пространства.

Сформованную ленту можно подвергнуть дополнительному поверхностному горячему обжатию, что будет способствовать повышению поверхностной плотности материала, повышению его влагонепроницаемости, увеличению прочности на изгиб при небольшом увеличении средней (усредненной) плотности изделия.

Можно формовать продольно изогнутую ленту пенополистирола, в т.ч. в виде кольцевых сегмента, полуцилиндра, цилиндра.

Продольное движение ленты пенополистирола можно использовать для перемещения материала на склад без каких-либо транспортных средств; при этом разрезку ленты на части нужной длины можно осуществить на складе или до склада. В последнем случае отрезки ленты будут проталкиваться по желобу, ведущему на склад.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим умозрительный пример реализации способа.

Предположим, что требуется изготавливать плиты пенополистирола сечением 100х500 мм, десяти типоразмеров по длине от 500 до 2200 мм. По прототипу потребовалось бы 10 непростых форм или меньшее количество, но более сложных перенастраиваемых форм. Гораздо рациональнее изготавливать непрерывную ленту материала и осуществлять поперечную (можно к тому же и продольную) разрезку на нужные части. Для этого по предлагаемому способу нужна емкость с горячим виброкипящим слоем пенополистирольных гранул и соединенная с ней проходная обогреваемая формовочная ячейка толщиной 130 мм (толщина ленты пенополистирола плюс величина поперечного обжатия) на ширину ленты (500 мм) и длиной (протяженностью) 100 мм в направлении перемещения изделия. Ячейка должна отделяться от емкости задвижкой и быть заглушенной с одной стороны уже сформованным и заторможенным элементом ленты пенополистирола, а с другой стороны - пуансоном продольного обжатия гранул; еще по крайней мере одна стенка ячейки должна играть роль пуансона поперечного обжатия гранул, предварительно обжатых продольным пуансоном. Процесс формования протекает следующим образом. Задвижка емкости открывается и порция прогретых гранул заполняет формовочную ячейку, задвижка закрывается. Запертая в ячейке порция гранул обжимается пунсоном продольного обжатия на 40 мм, при этом горячая, пластичная, упругая и клейкая пенополистирольная масса приваривается (приформовывается, припекается) к тоже еще горячему торцу сформованной части ленты пенополистирола, удлиняя ее на величину вновь сформованного элемента. Площадь пуансона продольного обжатия 130х500 мм или 650 см², для обжатия гранул таким пуансоном потребуется около 6,5 кН (650 кгс), т.е. совсем небольшое усилие. Затем продольно обжатая порция гранул подвергается дополнительному, поперечному, обжатию на 30 мм (до заданной толщины изделия 100 мм); площадь пуансона поперечного обжатия 60х500 мм, т.е. 300 см², но удельное усилие (давление) обжатия для уже уплотненной массы потребуется большее и усилие поперечного обжатия составит около 6 кН (600 кгс), т.е. тоже совсем небольшое усилие, легко создаваемое простейшим механическим устройством. Причем продольное и поперечное обжатия могут осуществляться и меньшим, и большим усилиями; это зависит от величины желаемой плотности пенополистирола. Следует отметить, что поперечное обжатие улучшает одновременно и приформовывание очередного элемента к предыдущему за счет увеличения распора пенополистирольной массы. Сочетание продольного и поперечного обжатий способствует наилучшему формованию материала, т. к. гранулы сохраняют эффективную с точки зрения плотности (минимальной) и прочности (максимальной) близкую к сферической форму в отличие от прототипа, где гранулы сильно уплощаются. Благодаря возможности применять многостороннее поперечное обжатие, осуществимо формование не только плоского, но и изогнутого изделия, например кольцевого сегмента, полуцилиндра, цилиндра.

Далее по способу: для проталкивания вновь сформованного элемента и всей ленты пенополистирола усилие поперечного обжатия резко уменьшают небольшим отведением соответствующего пуансона (пуансонов) и движением продольного пуансона лента пенополистирола перемещается на один шаг, равный в данном случае 60 мм. Затем ленту изделия затормаживают известным способом, продольный пуансон отводят на 100 мм в исходное положение, пуансоны поперечного обжатия тоже перемещают в исходное положение. Ячейка формовки таким образом освобождена для заполнения ее следующей порцией прогретых гранул, и цикл формовки повторяется. Лента пенополистирола постепенно охлаждается при движении по каналу торможения. В этом канале может быть устроен участок поверхностного горячего обжатия, где поверхность изделия станет более сплошной, прочной, непроницаемой.

Проверка осуществимости способа проведена на экспериментальной автоматизированной установке; формовочный канал (формовочная обогреваемая ячейка плюс холодный тормозной канал) в сжатом состоянии имел сечение 65х80 мм при длине 500 мм. Формовочная проходная ячейка примыкала к емкости прогреваемых в виброкипящем слое гранул пенополистирола. Сечение емкости 300х300 мм, высота емкости 550 мм, скорость восходящего в емкости потока воздуха всего 0,3 м/с, слой гранул 300 мм. Толщина формовочной ячейки в разжатом состоянии была равна в среднем 100 мм, длина - 50 мм, в среднем, до продольного обжатия и 30 мм после продольного обжатия для проталкивания изделия, т.е. шаг формовки составлял 30 мм. Поперечное обжатие было односторонним. Механизмы обжатия были кулачково-рычажными с вращением кулачкового вала от электродвигателя с редуктором. В процессе экспериментов варьировались кратность продольного и поперечного обжатий и плотность загружаемых в емкость гранул пенополистирола; в результате получены ленты пенополистирола плотностями от 15 до 40 кг/м³, качество материала было близким к стандартному. Процесс шел устойчиво, в автоматическом режиме, установка обслуживалась одним человеком, установка потребляла один вид энергии - электроэнергию.

Таким образом, способ отличается простотой реализации, непрерывностью процесса, возможностью его простой автоматизации, компактностью необходимого оборудования, высоким уровнем автономности этого оборудования (используется только электроэнергия) и простотой его обслуживания. Поэтому предлагаемый способ можно охарактеризовать как перспективный для широкого применения, в т. ч. в условиях строительной базы или стройплощадки. Реализация изобретения позволит производить пенополистирол в местах его потребления, чему способствует удобная форма сырья - гранулы полистирола с изопентаном и возможность простого процесса сухого вспучивания их. Это исключает дорогую, неэффективную транспортировку плит пенополистирола на дальние расстояния: от завода-изготовителя к потребителям, резко снизит стоимость материала и конструкций с его применением.

Приведенные сведения доказывают осуществимость способа и возможность достижения поставленной цели.

Источники информации 1. Пат. 3832106 США, МКИ³ B 29 D 27/02. Установка для производства определенной формы изделий из свариваемых между собой вспененных гранул термопластичного материала, например полистирола. /Сент-Гобен (Франция). - N 67131156. Заявл. 06.12.67.

2. Пат. 3359353 США, МКИ³ B 29 D. Способ изготовления пористых вспененных термопластичных изделий. /П.Одди (Италия). - N 347384. Заявл. 26.02.64.

3. Членов В.А., Михайлов Н.В. Виброкипящий слой. - М.: Наука, 1972.

Формула изобретения

1. Способ сухого формования непрерывной ленты пенополистирола из пенополистирольных гранул, при котором осуществляют сухой прогрев горячим воздухом пенополистирольных гранул, поперечное обжатие объема прогретых гранул и выдержку в обжатом состоянии до сварки гранул между собой в формованное изделие, отличающийся тем, что формование изделия выполняют поэлементно последовательным приформовыванием каждого очередного сформованного элемента к предыдущему, для чего заполняют порцией прогретых гранул короткую проходную формовочную ячейку с формующими пуансонами, соединенную с емкостью прогретых гранул, запирают ячейку, отделяя ее от емкости, и подвергают продольному одностороннему обжатию с прижимом этой порции к торцу предыдущей посредством формующего пуансона, выполняют операции поперечного обжатия и дополнительной выдержки, раздвигают стенки ячейки, уменьшая усилие поперечного обжатия, проталкивают сформованный элемент и всю сформованную из элементов ленту пенополистирола на величину протяженности сформованного элемента, затормаживают ленту пенополистирола, возвращают формующие пуансоны в исходные положения, освобождая таким образом формовочную ячейку для следующей порции прогретых гранул, затем повторяют все предыдущие операции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулы в емкости прогревают в режиме виброкипящего слоя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что применяют многостороннее поперечное обжатие.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после снижения усилия поперечного обжатия раздвижкой стенок формовочной ячейки осуществляют выдержку.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что сформованную ленту пенополистирола подвергают дополнительному поверхностному горячему обжатию.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что ленту пенополистирола формуют с продольной изогнутостью.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что продольное движение ленты пенополистирола используют для транспортировки ее к месту разрезки ленты на части и складирования.