Новый способ вспенивания, предназначенный для получения пеноматериалов

Изобретение относится к области полимерных технологий и касается нового способа получения пеноматериалов из полимерных композиций. Способ включает стадию предварительного нагревания при вспенивании полимеров, содержащих вспенивающие агенты, и последующее вспенивание путем проведения термической реакции при содействии микроволнового излучения. Изобретение обеспечивает разработку эффективного способа вспенивания с получением жестких пеноматериалов, который одновременно обеспечивает получение продукта, обладающего чрезвычайно однородной пористой структурой. 10 з.п. ф-лы.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к новому способу получения пеноматериалов из полимерных композиций, где этот новый способ включает стадию предварительного нагревания при вспенивании полимеров, содержащих вспенивающие агенты, и последующее вспенивание путем проведения термической реакции при содействии микроволнового излучения.

Уровень техники

Способы вспенивания полимеров, предназначенные для получения (жестких) пеноматериалов, являются общеизвестными. Известные способы включают способы проводимой в непрерывном режиме экструзии, в которых полимеры расплавляют в экструдере и к ним добавляют вспенивающие агенты, в этом случае они вспениваются вследствие падения давления на выходе из сопла, способы вспенивания гранул, в которых содержащие вспенивающий агент пеллеты полимера вспенивают в форме путем подачи энергии (подача тепла, пара), проводимые в периодическом режиме способы, в которых к полимерам под давлением добавляют СО₂ или N₂, например, при надкритических условиях, и они вспениваются вследствие падения давления, или другие способы получения блоков пеноматериалов, в которых полимеры, содержащие вспенивающие агенты, размягчают путем проводимого в печи нагревания до температуры, превышающей температуру стеклования, и они вспениваются вследствие наличия вспенивающего агента.

Указанные выше способы получения блоков пеноматериалов, в которых полимерный лист, содержащий вспенивающие агенты, нагревают до температуры, превышающей T_g (температура стеклования) полимера, используют, в частности для получения жестких пеноматериалов на основе ПМИ (полиметакрилимид) или ПММА (полиметилметакрилат) (DE 2726259, DE 1817156, ЕР 3277748). Одной причиной использования этого способа является возможность хорошего регулирования плотности пеноматериалов, обеспеченной изменением температуры вспенивания/продолжительности вспенивания. Кроме того, указанные выше жесткие пеноматериалы на основе ПМИ или ПММА невозможно экономичным образом получить с помощью других способов, поскольку их высокие молекулярные массы, являющиеся важные для обеспечения механических характеристик, означают, что их невозможно получить путем экструзии.

Микроволновые технологии находят чрезвычайно ограниченное применение для получения пеноматериалов. Так, например, в ЕР 0037470 описано получение эластичных пеноматериалов из меламина. Методика включает нагревание и последующие вспенивание и сшивку жидкого предварительного конденсата меламин-формальдегид с помощью микроволнового излучения.

В ЕР 259706 раскрывается способ изготовления панели из жесткого пеноматериала, в котором панель из вспениваемого при нагревании органического пластика предварительно нагревают до тех пор, пока, по крайней мере, некоторая часть поверхности не достигнет температуры размягчения. Как только часть поверхности достигает температуры размягчения, можно использовать микроволновое поле, подходящее для запуска процесса вспенивания. В этом способе нагревается не сердцевина пластиковой панели, что приводит к неоднородному процессу вспенивания.

В ЕР 3277748 приведено неподробное описание того, что можно провести вспенивание содержащих вспенивающий агент литьевых полимеров из ПММА с использованием комбинации подачи энергии в виде тепла вместе с микроволновым излучением. Однако не приведены более точные данные ни о параметрах проведения способа, ни о предшествующей стадии предварительного нагревания.

Блоки жестких пеноматериалов предпочтительно получают из полимерных листов, полученных путем полимеризации в блоке, при проведении которой вспенивающий агент добавляют к раствору мономера до полимеризации. Для вспенивания этих содержащих вспенивающий агент полимерных листов их необходимо нагреть до температуры, превышающей температуру кипения/температуру разложения содержащихся вспенивающих агентов, и одновременно до температуры, превышающей температуру стеклования полимера. Проведение только нагревания в печи обладает тем недостатком, что подача энергии в полимер происходит только путем конвекции и передачи тепловой энергии. Эта процедура может занять 2-3 ч, поскольку пластмассы сами по себе являются плохими проводниками тепла и, таким образом, необходимая для вспенивания температура в центре полимерных листов обеспечивается лишь медленно. Кроме того, вспенивающийся полимер изолирует сам себя от нагревания в печи.

Задача

Задачей настоящего изобретения являлась разработка экономически эффективного способа вспенивания с получением (жестких) пеноматериалов, который одновременно обеспечивает получение продукта, обладающего чрезвычайно однородной пористой структурой.

В частности, было необходимо разработать экономически эффективный способ вспенивания, предназначенный для получения блоков жестких пеноматериалов, таких как пеноматериалов на основе ПМИ и ПММА, которые невозможно получить по методикам экструзии, например, вследствие высоких молекулярных масс полимерной матрицы.

Другой задачей являлось существенное уменьшение продолжительности способа получения листов жестких пеноматериалов и, таким образом, повышение экономической эффективности способа вспенивания.

Другие задачи, явно не описанные на данном этапе, могут стать понятными из приведенных ниже в настоящем изобретении уровня техники, описания, формулы изобретения или рабочих примеров.

Решение

Задачи решены с помощью способа получения пеноматериалов, отличающегося тем, что в этом способе полимерные композиции, содержащие вспенивающий агент, вспенивают в аппарате, и тем, что вспениваемые полимерные композиции до проведения вспенивания предварительно нагревают. Указанный аппарат имеет нагревательное устройство, предназначенное для нагревания до обеспечения внутренней температуры аппарата T_S, и по меньшей мере один источник микроволнового излучения, с помощью которого одновременно облучают полимерные композиции.

Предпочтительно, если полимерная композиция включает материал, который после вспенивания образует жесткий пеноматериал. Более предпочтительно, если она включает П(М)И (поли(мет)акрилимид), ПММА, сополимер на основе метакрилата, ПВХ (поливинилхлорид), ПП (полипропилен), ПУ (полиуретан), в особенности, обладающий высокой степенью сшивки ПУ, полисульфон или простой полиэфиримид.

На стадии предварительного нагревания до вспенивания, проводимого в аппарате, вспениваемые полимеры предварительно нагревают при температуре T_V, находящейся в диапазоне от минимальной, равной на 80°С ниже, до максимальной, равной на 10°С выше, чем внутренняя температура аппарата T_g. Предпочтительно, если T_V как минимум на 60°С, более предпочтительно как минимум на 40°С, особенно предпочтительно как минимум на 20°С ниже внутренней температуры аппарата. Кроме того, предпочтительно, если T_V не выше, чем T_S, и более предпочтительно, если она по меньшей мере на 10°С ниже, чем T_S.

Предварительное нагревание и фактическое вспенивание можно провести в одном и том же аппарате, например, путем необязательного изменения температуры и включения источника микроволнового излучения после предварительного нагревания. Однако предпочтение отдается проведению двух стадий в отдельных аппаратах. Так, например, можно провести одновременно предварительное нагревание множества заготовок в большой печи. Затем отдельные заготовки извлекают из печи для проведения вспенивания.

Согласно изобретению было установлено, что особенно предпочтительно проводить предварительное нагревание таким образом, что разница температур самой холодной и самой горячей точки в полимерных композициях после предварительного нагревания равна не более 15°С, предпочтительно не более 10°С. В равной степени предпочтительно, если предварительно нагретую полимерную композицию напрямую направляют в аппарат для проведения вспенивания.

Особенно предпочтительно, если до проведения вспенивания полимерную композицию предварительно нагревают до температуры предварительного нагревания T_V, превышающей температуру стеклования T_g полимерной композиции. В идеальном случае в начале фактического вспенивания полимерная композиция является эластичной.

Установлено, что в случае многих материалов, даже обладающих высоким содержанием кристаллического компонента, например, ПП, в упрощенном варианте, предпочтительной является температура предварительного нагревания T_V, равная от 110 до 190°С. Продолжительность предварительного нагревания обычно равна не менее 60 мин, предпочтительно не менее 100 мин.

Предпочтение отдается использованию микроволнового излучения, обладающего частотой, равной от 0,85 до 6,0 ГГц. Установлено, что в качестве полимерной композиции предпочтительно использовать полимерные листы, обладающих толщиной, равной от 10 до 30 мм, предпочтительно от 20 до 25 мм.

Фактическое вспенивание в аппарате можно провести, например, в течение от 2 до 30 мин, предпочтительно в течение от 5 до 20 мин.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения полимерная композиция включает ПМИ. В этом варианте осуществления предпочтительно, если температура предварительного нагревания T_V равна от 120 до 190°С и внутренняя температура аппарата T_S равна от 180 до 240°С.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения полимерная композиция включает ПММА или сополимер на основе метакрилата. В этом варианте осуществления предпочтительно, если температура предварительного нагревания T_V равна от 110 до 140°С и внутренняя температура аппарата T_S равна от 120 до 190°С.

Основным преимуществом способа, предлагаемого в настоящем изобретении, является то, что его можно провести экологически приемлемым образом и с использованием чрезвычайно небольшой продолжительности циклов, и одновременно с экономией материалов. В частности, с помощью способа, предлагаемого в настоящем изобретении, во всем вспененном изделии неожиданно обеспечиваются однородные размер пор и распределение пор по размерам.

Дополнительно обрабатываемым жестким пеноматериалом является пеноматериал из ПВХ. Это жесткий пеноматериал широко известен в технологии изготовления волоконных композиционных материалов и изготовления многослойных материалов для автомобильных конструкций, и для производства ветряных турбин и в судостроении. Готовые листы пеноматериала можно обработать по аналогии с листами пеноматериала из ПМИ.

Это относится и к жестким пеноматериалам из ПП. В особенности известно использование пеноматериалов из ПП в качестве изоляционного материала, для изготовления транспортировочных контейнеров и в качестве многослойного материала. Пеноматериалы из ПП могут содержать наполнители и они имеются в продаже, в основном обладающие плотностью, находящейся в диапазоне от 20 до 200 кг/м³.

В отличие от гибких пеноматериалов из ПУ особенностями жестких пеноматериалов из ПУ являются структура с более закрытыми порами и более высокая степень сшивки. Жесткие пеноматериалы из ПУ также могут содержать сравнительно большие количества неорганических наполнителей.

Плотность жесткого пеноматериала может находиться в сравнительно широких пределах. Можно использовать пеноматериалы, обладающие плотностью, например, находящейся в диапазоне от 25 до 220 кг/м³.

В принципе, изделия, предлагаемые в настоящем изобретении, изготовленные из жестких пеноматериалов, находят самое широкое применение.

1. Способ получения пеноматерилов, отличающийся тем, что полимерные композиции, содержащие вспенивающий агент, вспенивают в аппарате, имеющем нагревательное устройство, предназначенное для нагревания до обеспечения внутренней температуры аппарата T_S, и по меньшей мере один источник микроволнового излучения, с помощью которого одновременно облучают полимерные композиции, и вспениваемые полимерные композиции до проведения вспенивания предварительно нагревают, причем продолжительность предварительного нагревания равна не менее 60 мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, то продолжительность предварительного нагревания равна не менее 100 мин и фазовый переход не происходит.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вспениваемые полимеры до проведения вспенивания предварительно нагревают в аппарате при температуре, находящейся в диапазоне от минимальной, равной на 80°С ниже, до максимальной, равной на 10°С выше, чем внутренняя температура аппарата T_S.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что разница температур самой холодной точки и самой горячей точки в полимерных композициях после предварительного нагревания равна не более 15°С.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что предварительно нагретую полимерную композицию поставляют напрямую в аппарат для проведения вспенивания.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что полимерная композиция включает материал, который после вспенивания образует жесткий пеноматериал, предпочтительно П(М)И (поли(мет)акрилимид), ПММА (полиметилметакрилат), сополимер на основе метакрилата, ПВХ (поливинилхлорид), ПП (полипропилен), ПУ (полиуретан), полисульфон или простой полиэфиримид.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что до проведения вспенивания полимерную композицию предварительно нагревают до температуры предварительного нагревания T_V, превышающей температуру стеклования T_g полимерной композиции.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что температура предварительного нагревания T_V равна от 110 до 190°С, и тем, что продолжительность предварительного нагревания равна не менее 60 мин, предпочтительно не менее 100 мин.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что микроволновое излучение обладает частотой, равной от 0,85 до 6,0 ГГц.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что полимерная композиция включает ПМИ (полиметакрилимид), тем, что температура предварительного нагревания T_V равна от 120 до 190°С, и тем, что внутренняя температура аппарата T_S равна от 180 до 240°С.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что полимерная композиция включает ПММА или сополимер на основе метакрилата, тем, что температура предварительного нагревания T_V равна от 110 до 140°С, и тем, что внутренняя температура аппарата T_S равна от 120 до 190°С.