Знайте свои варианты для пенообразования

Тандемная экструзия PS по-прежнему является стандартной технологией, но появляются новые варианты материалов и технологии оборудования.

Пены низкой плотности, изготовленные из товарных полимеров, имеют бесчисленное множество применений, и большинство переработчиков производят вспененный лист из тандемных экструзионных линий. Но многие задаются вопросом, почему в первую очередь необходимы тандемные пенные линии. Эти линии сложнее и сложнее в эксплуатации, не говоря уже о более дорогих, чем система пенообразования с одним экструдером.

Более того, в некоторых случаях тандемная экструзионная линия совершенно не нужна для экструзии пенопластов низкой плотности. Например, лист пенополистирола низкой плотности (PS) может быть изготовлен на одном экструдере пены со скоростью около 600 фунтов / час. Итак, почему это возможно для PS, и почему другие термопласты не могут вспениваться аналогичным образом? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо рассмотреть два вопроса.

Прежде всего, наиболее важным фактором, влияющим на стабильный процесс пенообразования для получения высококачественных пен с низкой плотностью, являются реологические характеристики используемых полимеров. Реология связана с кристаллизационным поведением, молекулярной структурой и молекулярной массой. PS представляет собой полимер с превосходными пенообразующими характеристиками по нескольким причинам. Это аморфная смола, вязкость расплава которой относительно менее чувствительна к температуре расплава, чем в случае с полукристаллическими полимерами. Это означает, что распределение прочности расплава не может быть таким широким, как распределение температуры расплава.

PS основан на аддитивной полимеризации стирольного мономера, и в результате он имеет среднемассовую молекулярную массу в диапазоне от 150000 до 400000 г / моль (выше, чем у конденсационных полимеров, таких как ПЭТ или PLA). Это означает, что PS имеет относительно более высокую вязкость и прочность расплава при нормальной температуре обработки (230 ° С, 446 ° F) и температуре вспенивания (120-140 ° С, 248-284 ° F). Более того, PS имеет объемное бензольное кольцо как ответвление от основной цепи молекулы полимера, что благоприятно для формирования более высокой плотности переплетения молекулярных цепей даже при высокой температуре. Считается также, что эта особенность способствует деформации упрочнения при двухосном удлинении.

Поскольку ПС не кристаллизуется, не стоит беспокоиться о резком повышении вязкости, особенно когда расплав охлаждается для достижения оптимальной температуры расплава для получения пены самого высокого качества.

Из-за этих характеристик материала PS можно вспенивать относительно легко, даже на бесхитростном одношнековом экструдере, который обеспечивает менее равномерное распределение температуры расплава на конце вторичного экструдера. Учитывая, что PS дает относительно более высокое содержание закрытых ячеек, чем у других обычных полимеров (независимо от уровня сложности пенообразующего оборудования), можно с уверенностью сказать, что PS является одним из лучших полимеров для различных процессов вспенивания.

Тем не менее, несмотря на простоту обработки, тандемные экструзионные линии по-прежнему предпочтительны для переработки пенополиуретана, поскольку они обеспечивают очень высокую производительность и более желательную структуру ячеек (см. Рис. 1). С одним экструдером очень трудно достичь высокой охлаждающей способности из-за значительно ограниченного времени пребывания.

Вторым критическим фактором, влияющим на качество конечной пены, является пенообразующее оборудование. В типовой тандемной линии экструзии пены низкой плотности (рис. 2) два подключенных экструдера выполняют совершенно разные функции. Первичный экструдер работает для плавления и гомогенного перемешивания материалов, включая добавки и регенерированные гранулы. Кроме того, поскольку физический вспенивающий агент впрыскивается в первичный экструдер, шнек в экструдере играет важную роль в диспергировании вспенивающего агента в чрезвычайно мелкие капли.

Эти капли должны быть диспергированы в расплаве таким образом, чтобы площадь поверхности раздела была максимизирована, чтобы гомогенная фаза раствора пенообразователя / полимера была получена в кратчайшие сроки. В первичном экструдере часто используется секция для смешивания ананасов или миксер Saxton (рис. 3) для улучшения распределительного перемешивания.

Из соображений безопасности первичный винт должен иметь блистерное кольцо, которое действует как уплотнение расплава, прямо перед отверстием для впрыска вспенивающего агента. Это предотвращает попадание горючего углеводородного вспенивающего агента обратно в бункер или зону подачи. Расплав, заполненный вспенивающим агентом, будет проходить через поперечную трубу расплава от первичного к вторичному экструдеру.

Вторичный экструдер обычно называют охлаждающим экструдером, потому что это его основная функция в процессе. Расплав охлаждают до оптимальной температуры, чтобы максимизировать прочность расплава и деформационное упрочнение на стадии расширения пены. Оптимальная температура расплава изменяется в зависимости от содержания вспенивающего агента, растворенного в расплаве, и начальной температуры начала кристаллизации или затвердевания во время охлаждения.

Например, PS, растворенный с 5% изобутана, должен быть охлажден с 220 ° C (428 ° F) до примерно 135 ° C (275 ° F). Это типичное условие для производства вспененного листа PS, используемого для одноразовой упаковки для пищевых продуктов, такой как мясные лотки и раскладушки. Во время резкого снижения температуры расплава вязкость расплава существенно увеличивается, особенно в конце вторичного экструдера. Довольно сложно добиться равномерного распределения температуры расплава, что напрямую влияет на однородность прочности расплава.

В случае полукристаллических полимеров может происходить кристаллизация в цилиндре охлаждающего экструдера, что может вызвать скачок давления в расплаве, особенно когда температура расплава понижается слишком сильно, что делает процесс пенообразования намного сложнее контролировать. В зависимости от растворимости используемого вспенивающего агента давление расплава должно поддерживаться выше давления растворимости вспенивающего агента таким образом, чтобы вспенивающий агент мог оставаться полностью растворенным в расплаве. Когда охлажденный расплавленный полимер, растворенный с помощью вспенивающих агентов, приближается к выходу из фильеры, происходит зародышеобразование клеток из-за термодинамической нестабильности, вызванной пониженным давлением.

В основном плотность клеточной популяции пропорциональна количеству примесей, включенных в расплав. Тальк является наиболее часто используемым агентом нуклеации клеток для различных процессов пенообразования. Типичный диапазон содержания талька составляет 0,3-2% по массе для оптимальной клеточной структуры и степени расширения. Добавление слишком большого количества талька может привести к высокому содержанию открытых клеток из-за чрезвычайно низкой толщины клеточных стенок, что объясняется чрезмерно высокой плотностью клеточных популяций. Скорость падения давления также играет важную роль в определении плотности клеточной популяции (рис. 4).

Как только клетки генерируются на стадии нуклеации, они продолжают расти до тех пор, пока клеточное давление не снизится и не достигнет давления окружающей среды. Это называется стадией роста клеток, где растворимость и скорость диффузии вспенивающего агента влияют на скорость роста клеток в расширяющейся пене. Например, только диоксид углерода (CO2) практически невозможно использовать для производства вспененного листа низкой плотности с использованием кольцевой матрицы из-за сильного гофрирования на поверхности вспененного листа. Вот почему бутан или пентан часто используются для производства листов из вспененного полистирола или полипропилена. CO2 является более подходящим для пены высокой плотности или средней плотности, имеющей множество мелких ячеек, учитывая его более высокую способность к зародышеобразованию, чем углеводородные пенообразователи.

На стадии роста клеток пена подвергается резкому гашению из-за адиабатического расширения и быстрого поглощения тепла при испарении вспенивающего агента. Для максимизации степени расширения пены очень важен контроль температуры расплава, потому что слишком высокая температура расплава может привести к значительным потерям газа из-за разрыва и слияния ячеек, а слишком низкая температура расплава может привести к кристаллизации или затвердеванию расплава перед достаточным расширением, как указано на рис. 5.

Охлаждающий воздух часто наносят на поверхность пены, выходящую из матрицы, которая предназначена для формирования очень тонкого твердого слоя кожи на поверхности пены для повышения блеска, поскольку внешний вид пены является коммерчески важным.

ПЛА АЛЬТЕРНАТИВА
В то время как вспенивание ПС широко использовалось в течение десятилетий, в последнее время оно было помещено под экологический микроскоп. Вопрос о том, основаны ли утверждения, предъявляемые защитниками окружающей среды, и запреты, которые последовали во многих городах, на «здравой науке», не имеет значения. По правде говоря, многие переработчики ищут более «экологически чистые» варианты, причем полимолочная кислота (PLA) является самой высокой в ​​списке.

Поскольку это полимер на биологической основе, PLA является компостируемым, и его стоимость составляет менее 1 долл. США за фунт в Северной Америке на момент написания этой статьи и считается одной из наиболее разумных альтернатив пеноматериалу PS. Но вспенивание PLA - это не просто подвиг обработки. Как уже отмечалось, PLA является конденсационным полимером с более низкой молекулярной массой, чем PS, поэтому он обладает по своей природе более низкой вязкостью и прочностью расплава. Это делает реологические свойства PLA весьма чувствительными к температуре расплава.

В результате для вспенивания PLA необходимо добавлять удлинители цепей для увеличения молекулярной массы, чтобы повысить вязкость и прочность расплава. Несмотря на то, что удлинитель цепи состоит из PLA, все еще трудно получить высококачественную пену PLA с высокой степенью расширения, а также с высоким содержанием закрытых ячеек, используя обычные экструдеры из вспененного полистирола PS. Это связано с тем, что в большинстве случаев традиционные тандемные пенные экструдеры для PS не способны обеспечить превосходную однородность температуры расплава. В частности, открытие клеток на клеточных стенках может происходить из-за локальных слабых точек в растяжимой вязкости, поскольку толщина клеточной стенки становится все меньше и меньше на стадии роста клеток.

Поскольку PLA является полукристаллическим полимером, а его вязкость достаточно низкая и чувствительна к температуре расплава, чрезвычайно трудно правильно вспенить PLA для продуктов с низкой плотностью. Более того, вызванное кристаллизацией повышение вязкости в области низких температур играет роль в сужении окна процесса пенообразования. Таким образом, эти несовместимые свойства смолы PLA неизбежно требуют более совершенного тандемного экструдера пены, который имеет инновационные конструкции шнека и экструдера для процесса реактивной экструзии для вспенивания PLA. По этой причине во всем мире только несколько компаний-производителей пенопластов смогли бы коммерциализировать пенопласт PLA низкой плотности для одноразовой упаковки.

В настоящее время коммерческая пена PLA все еще имеет несколько ограничений в реальных применениях. Во-первых, PLA-пенопласт низкой плотности обладает недостаточной термостойкостью для высокотемпературных применений. Пена PLA значительно деформируется при контакте с кипящей водой или горячей пищей. Во-вторых, FDA не одобрило использование пены PLA, имеющей удлинитель цепи в прямом контакте с горячей пищей или водой. Это связано с опасениями, что молекулы-удлинители на основе эпоксидной смолы могут выщелачиваться в горячее наполненное содержимое.

В результате, применение текущего листа пенопласта PLA ограничивается только низкотемпературной упаковкой, такой как лотки для мяса, рыбы, овощей и фруктов. Эти два недостатка задерживают практическую замену традиционной пены PS компостируемой пеной PLA.

Недавно Macro Engineering and Technology Inc. запустила инновационную линию тандемной экструзии пены, которая способна производить вспененный лист PLA в 16 раз с помощью усовершенствованного шнека и конструкции оборудования. Кроме того, Macro изобрел запатентованную новую технологию для преодоления двух критических недостатков обычной пены PLA. На рисунке 6 показаны результаты экспериментов, сравнивающих устойчивость к кипящей воде между обычной пеной PLA и термостойкой пеной Macro. Ясно, что для термостойкого вспененного листа PLA не наблюдается значительных деформаций пены.

Учитывая все вышесказанное, компостируемая пена PLA в качестве возобновляемой альтернативной упаковки, по прогнозам, будет постепенно привлекать все больше внимания на рынках пенной упаковки во всем мире.


Время публикации: июнь-24-2010