Гранулы полистирола предварительно вспенивают путем тепловой обработки в скобочном состоянии с целью получения нужного насыпною веса.
В процессе тепловой обработки материал, будучи нагретым до температуры, превышающей температуру стеклования полимера, переходит в эластичное состояние, а вспенивающий агент испаряется, что приводит к расширению гранул. При нагреве в грануле образуются несообщающиеся между собой ячейки, отделенные одна от другой тонкими стенками. Форма ячеек довольно сложная. В основном это неправильные, приблизительно сферические многогранники со средним диаметром около 50—150 мк. Толщина полимерных стенок в материале с очень низким насыпным весом составляет 1 — 5 мк, что примерно соответствует размеру молекулы полистирола [17]. Молекулы в стенках ячеек находятся в ориентированном состоянии. Степки ячеек представляют собой анизотропные мембраны, обладающие релаксационными свойствами. Этим обусловливается упругость пенополистирола и сопротивление ею растягивающим усилиям во время расширения газообразных продуктов в ячейке.
Хотя температура стеклования полистирола, не содержащего вспенивающий агент, несколько выше 100°С, полистирол начинает вспениваться примерно при 80°С, что объясняется влиянием изопентана. Изопентан значительно снижает температуру стеклования полимера, а также влияет на его релаксационные свойства. Выше отмечалось, что расширение гранул полистирола при нагревании происходит вследствие испарения вспенивающего агента. Предполагаемое расширение гранул с достаточной точностью может быть вычислено теоретически, однако сравнение этих данных с экспериментальными показывает, что действительный объем расширившихся гранул значительно превышает расчетный. Например, согласно расчету [17], при тепловой обработке полуфабриката, содержащего 6% вспенивающего агента, минимальный насыпной вес вспененных гранул полистирола даже без учета растворимости вспеннивателя в полимере, потерь вследствие диффузии через стенки ячеек и сопротивления стенок растяжению может составить около 24 кг/м3. Фактически же при вспенивании получается материал с насыпным весом 12—14 кг/м3. Исходя из этого можно сделать вывод, что лишь около 50% расширения гранул обеспечивается за счет испарения вспенивающего агента, а остальное расширение происходит вследствие влияния других факторов. Считают, что одним из таких факторов является проникание в ячейки гранул теплоносителя — водяного пара или воздуха (при вспенивании горячим воздухом). При этом проникание теплоносителя в ячейки, несмотря на некоторое избыточное давление в них, происходит значительно быстрее, чем улетучивание паров вспенивающего агента из ячеек.
Стенки ячеек в этом случае можно рассматривать как разновидность полунепроницаемых мембран, позволяющих повышать давление в ячейках, что способствует дополнительному расширению гранул. I А. А. Берлин [1] рассматривает проницаемость газов через пленки органических высокомолекулярных соединений как процесс, слагаемый из трех последовательных стадий: 1) поглощение (сорбции) пленкой газов; 2) диффузия газа через толщу пленки; 3) десорбция продиффундировавших газов с поверхности противоположной стороны пленки. Количественно газопроницаемость характеризуется коэффициентом проницаемости Р:
Р = — Dσdp/dx
где D — коэффициент диффузии; с—коэффициент сорбции (растворимости), dp/dx —градиент давления газа в пленке полимера. Если значение градиента давления газа равно единице, то коэффициент проницаемости представляет собой произведение коэффициентов диффузии и сорбции
Р = Dσ.
Коэффициент диффузии в основном зависит от структуры и химического строения полимера, а также от молекулярного веса газа, а коэффициент сорбции - от природы диффундирующего газа. Исследованиями установлено, что при увеличении молекулярного веса газов одинакового химического состава растворимость увеличивается, а коэффициент диффузии уменьшается. Однако D уменьшается обычно быстрее, чем повышается растворимость, поэтому в к печном итоге с увеличением молекулярного веса коэффициент проницаемости, как правило, уменьшаете. Для газов различного химического типа эта закономерность не выдерживается. Водяные же пары являют исключением. Известно, что проницаемость через полистирол водяных паров выше: в 4100 раз, чем азота; в 1100 раз, чем кислорода, и в 130 раз, чем углекислого газа. Для полимерных пленок другого химического состава и структуры абсолютные цифры проницаемости водяных паров и других газов (N2, 02, С02) и их отношения изменяются в весьма широких пределах. Причины различий и значительных изменений проницаемости в зависимости от типа пленки полимера, а также причины аномального поведения водяных паров при вспенивании полистирола еще не полностью изучены.
Эти вопросы должны явиться предметом дальнейших исследований. При тепловой обработке полуфабриката применяют различные теплоносители: водяной пар, горячую воду, воздух. Можно также использовать инфракрасное излучение. Изучение особенностей процесса предварительного вспенивания при помощи различных теплоносителей позволило установить зависимость кинетики вспенивания, степени расширения гранул и их качества от вида теплоносителя. Выбор типа теплоносителя зависит от объема и условий производства и характера изделий.
Горячую воду используют в качестве теплоносителя в лабораторных установках и небольших производствах. Оборудование, применяемое для предварительного вспенивания в горячей воде, весьма несложно — обычно это ванны с механическим или ручным перемешиванием, в которых температура воды поддерживается в пределах 85—98°С. Поскольку процесс вспенивания протекает при относительно низкой температуре и сравнительно медленно, упрощается контроль за ходом процесса, особенно при высоком насыпном весе гранул (70—80кг/м3).
Для предварительного вспенивания полуфабрикат засыпают в ванну и перемешивают в течение всею процесса обработки для обеспечения постоянного контакта гранул с водой. В зависимости от требуемого насыпного веса гранул на каждом квадратном метре водного зеркала может вспениваться от 500 до 1000 г полуфабриката. Предварительно вспененные гранулы имеют очень высокую влажность (до 60% по весу). Перед загрузкой в бункеры запаса влага должна быть удалена. Для этого обычно гранулы центрифугируют и затем сушат в сушильных установках.
