Горячий воздух является малоэффективным теплоносителем из-за незначительного теплосодержания и низкого коэффициента теплоотдачи, поэтому длительность предварительного вспенивания этим теплоносителем примерно в 4—5 раз больше, чем при вспенивании паром. Кроме того, в процессе предварительного вспенивания полистирола горячим воздухом теряется много вспенивающего агента, а также наблюдается оплавление поверхности и образование поверхностной стекловидной пленки. Положительной стороной вспенивания горячим воздухом является то, что гранулы получаются совершенно сухими и ячейки их достаточно заполнены воздухом, поэтому материал сразу после предварительного вспенивания без промежуточной выдержки может быть использован для формования изделий. Этот способ предварительного вспенивания иногда применяют в производстве специальных изделий объемным весом 60 кг/м3 и более.
Предварительное вспенивание гранул путем нагрева их инфракрасными лучами немногим отличается от вспенивания горячим воздухом. При этом способе наблюдаются значительная неравномерность расширения отдельных гранул (поскольку обычно начинает расширяться та сторона гранулы, которая подвергается облучению), большие потери вспенивающего агента и образование стекловидной оболочки. Скорость вспенивания гранул примерно та же, что и при вспенивании горячим воздухом.
По сравнению с перечисленными теплоносителями водяной пар оказался наиболее экономичным и удобным для предварительного вспенивания полуфабриката. Преимущества пара заключаются в том, что он аккумулирует относительно большое количество тепловой энергии, имеет высокий коэффициент теплоотдачи, благодаря чему гранулы быстро и равномерно нагреваются. Как указывалось, водяной пар, обладая уникальной способностью диффундировать через полистирольные пленки, быстро проникает в ячейки гранул, обеспечивая дополнительное расширение последних. В производстве пенополистирола и, в частности, для предварительного вспенивания полистирольного полуфабриката преимущественно применяют водяной пар. В дальнейшем при описании технологического процесса и оборудования будет подразумеваться только этот теплоноситель.
Степень расширения гранул полистирола зависит от гранулометрического состава, содержания вспенивающего агента, вида и температуры теплоносителя и длительности его воздействия.
Показателем степени расширения является коэффициент вспенивания К, определяемый из отношения объема предварительно вспененных гранул V1 к исходному объему полуфабриката V0.
К = V1/V0
Зависимость насыпного веса гранул от длительности тепловой обработки горячим воздухом и водяным паром характеризуется кривыми, приведенными на рис. 5.
Рис 5. Зависимость насыпного веса гранул пенополистирола от длительности обработки паром и воздухом температурой
1 — 105°С; 2 — 110°С; 3 — 120°С (воздух:пар)
Как видно из графика, насыпной вес гранул снижается во времени до определенного минимума, после которого он снова несколько увеличивается. Снижение насыпного веса продолжается, по всей вероятности, до тех пор, пока газ диффундирует в ячейки гранул. Экстремальная точка соответствует моменту установления равновесия парциального давления внутри ячеек с атмосферным. При дальнейшем воздействии температуры пары изопентана медленно диффундируют из ячеек, внутреннее давление становится ниже атмосферного, что приводит к деформации (усадке) гранул и, следовательно, к повышению их насыпного веса.
Характер кривой, определяющей кинетику вспенивания, и положение экстремальной точки, соответствующее моменту восстановления равновесия парциального давления в ячейках и атмосферного давления, действительны для проведения процесса предварительного вспенивания при определенной температуре в изотермических условиях. Изменение температуры теплоносителя влечет за собой изменение характера кривой и положения экстремальной точки. При повышении температуры увеличивается объем газовой смеси в ячейках, снижаются вязкость и релаксационные свойства полимера, что ведет к сокращению длительности процесса вспенивания, снижению минимального насыпного веса, и наоборот. Однако повышать температуру теплоносителя можно только до определенного предела, при котором напряжение в полимерных стенках ячеек остается ниже временного сопротивления их. Иногда может возникнуть значительная неравномерность структуры гранулы, что приведет к разрушению ячеек, расположенных у наружной поверхности гранулы, и к ее усадке. Минимальная температура теплоносителя должна быть несколько выше температуры стеклования полимера, т. е. перехода его из стеклообразного состояния в эластичное. Практически предварительное вспенивание проводят при температуре от 95 до 110°С.
|
