Уже долгие годы вспененный полистирол широко применяется для производства разнообразных теплоизоляционных и декоративных деталей для строительной индустрии, ударо/виброзащитных элементов упаковки, водоизмещающих деталей для спасательных средств и спортивного инвентаря.
В дополнение к вспененному полистиролу в последнее время все активнее в производстве пенопластовых деталей используется пенополипропилен и пенополиэтилен. Рассмотрим современные технологии производства изделий из пенопластов на основе полистирола и производственное оборудование.
Материал
В качестве исходного полимерного материала для производства деталей из пенополистирола применяются различные марки полимерного гранулята сферической формы. Процесс полимеризации стирола осуществляется с добавлением естественного газа - пентана (иногда СО2), а также прочих стабилизирующих добавок. Пентан является экологически безопасным природным газом, поэтому его присутствие в полимерном материале не налагает каких-то специальных требований на производственный процесс. Пентан выступает в качестве вспенивающего агента. Концентрация пентана в гранулах пенополистирола обычно не превышает 3-6%. Диаметр гранул исходного полимерного материала зависит от конкретной марки материала и обычно лежит в диапазоне от 0,5-1,3 мм.
Предварительное вспенивание материала
Процесс производства изделий из вспененного полистирола состоит из нескольких самостоятельных фаз. Первая - предварительное вспенивание материала. Сначала необходимо осуществить первичное вспенивание шариков полистирола путем экспансии содержащегося в них пентана. Степень уменьшения плотности материала в процессе первичного вспенивания зависит от необходимой плотности готовых изделий. Обычно средняя величина уменьшения плотности в процессе первичного вспенивания составляет 40-50 раз от начального показателя плотности исходного материала.
Для вспенивания исходный материал подвергается тепловому воздействию насыщенного водяного пара, находящегося при температуре 90-110°С. Предварительное вспенивание осуществляется в специальных агрегатах - предвспенивателях. Предвспениватель представляет собой вертикальный цилиндрический бак из нержавеющей стали. Внутри бака имеется агитатор (ворошитель), который перемешивает материал в двух направлениях относительно подвижных и неподвижных лопастей.
Исходный материал из накопительного бункера шнековым транспортером или гребенчатым элеватором направляется в приемный бункер дозатора. Из дозатора исходный материал продвигается шнеком в рабочую камеру предвспенивателя. Свежий материал вводится в камеру предвспенивателя в области днища. Нагрев исходного пеноматериала осуществляется путем воздействия водяного пара, который под давлением подается в камеру предвспенивателя со стороны днища и направляется через толщу материала в верхние слои камеры. Вращающийся агитатор непрерывно перемешивает шарики материала, пока идет его обработка паром. Постоянное перемешивание материала и равномерное паровое воздействие исключает вероятность образования агломератов шариков материала с разной степенью готовности. В результате теплового воздействия пара полимерный материал приобретает пластичность, пентан увеличивается в объеме, что приводит к увеличению размеров шариков - они начинают раздуваться, а плотность материала падать. Образующийся в результате парового воздействия конденсат оседает на шариках пенополистирола и стенках паровой камеры. Для вывода конденсата из установки в нижней части паровой камеры предусмотрена магистраль для забора конденсата.
Непрерывный и циклический типы
Существуют два типа предвспенивателей пенополистирола - непрерывного и циклического действия.
Устройства непрерывного типа имеют негерметичное открытое исполнение паровой камеры. Вспененные до необходимого уровня плотности шарики пенополистирола, достигая выгрузного окна, по отводу выводятся из установки. Питающий шнек работает непрерывно, подавая в камеру свежие порции материала. Скорость подачи материала - один из определяющих параметров процесса. Другой важный параметр, определяющий процесс непрерывного предварительного вспенивания, - паровая производительность. Эти параметры определяют степень увеличения объема пенополистирола и длительность процесса вспенивания.
В зависимости от параметров удельного веса готового изделия предвспенивание может осуществляться в одну, две или даже три стадии. Для повторного вспенивания материал просушивается в установке с "кипящим слоем", вылеживается в матерчатых бункерах и снова подается в установку для предварительного вспенивания.
Из-за открытой конструкции предвспенивателя невозможно добиваться высокого давления пара в рабочей камере. Существует лишь возможность снижения давления пара путем подмешивания воздуха. Это требуется для достижения небольшой степени вспенивания, когда материл готовится для формовки изделий большей плотности.
Предвспениватели циклического действия имеют герметичную конструкцию. Материал в них загружается порциями в соответствии с существующими нормативами, учитывающими марку материала и плотность готовых изделий. Для более точного формирования порций материала для каждого рабочего цикла применяются гравиметрические дозаторы. Давление пара в камере предвспенивателя циклического действия может достигать нескольких атмосфер. Кроме того, наличие фотодатчиков в верхней части рабочей камеры циклического предвспенивателя позволяет более точно контролировать длительность теплового воздействия при достижении заданной степени вспенивания. Обеспечение более высокого давления пара в предвспенивателях циклического действия позволяет более рационально использовать пар, уменьшать потребление электроэнергии, улучшать эффективность теплового воздействия, что позволяет достигать большего эффекта вспенивания за более короткое время по сравнению с установками непрерывного типа. Вместе с тем установки циклического действия стоят существенно дороже.
Для подготовки материала низкой плотности (для получения пенопласта плотностью менее 5 кг/куб. м) могут использоваться сразу оба типа предвспенивателей. В этом случае первое точное вспенивание осуществляется в циклической установке, второе - в установке непрерывного типа.
Просушка материала
После выхода из предвспенивателя шарики пенополистирола имеют повышенное содержание остаточной влаги. Естественное испарение влаги с поверхности материала потребует слишком много времени. Поэтому для ускорения просушки гранул предназначены сушильные туннели. В них вспененные шарики транспортируются сетчатым транспортером через восходящие потоки сжатого воздуха и быстро подсушиваются в "кипящем слое". Использование сушки в "кипящем слое" позволяет значительно сократить время выдерживания предварительно вспененного материала в специальных силосах.
Релаксация вспененного материала
После предварительного вспенивания пенополистирола подготовленный материал транспортируется в матерчатые бункеры, где он отлеживается на протяжении нескольких часов (от 12 до 48). Это делается для того, чтобы осуществить постепенное выравнивание давления внутри вспененных шариков и атмосферного давления в производственном помещении. По завершении процесса предварительного вспенивания пентан частично покидает газопроницаемый материла, а частично конденсируется на поверхности сот. В результате внутри сот материала происходит разряжение, без устранения которого невозможно перейти к формованию готовых изделий. В процессе вылеживания в матерчатых бункерах шарики пенополистирола постепенно наполняются атмосферным воздухом и давление внутри них и снаружи выравнивается.
Формование
Формование готовых изделий осуществляется в специальных блокформах или формовочных автоматах. Блокформы позволяют получать блоки пенопласта стандартных размеров, которые далее нарезаются на готовые изделия необходимых размеров с помощью горячей нихромовой проволоки, либо с использованием различных видов деревообрабатывающих станков. Формовочные автоматы позволяют получать изделия произвольной формы без необходимости выполнения финишных операций. Для этого они оснащаются пресс-формой с формообразующими элементами из алюминия.
После смыкания пресс-формы предвспененный полистирол, поступая из пневмодозатора, полностью заполняет ее формообразующую полость. Далее вспененный материал снова подвергается тепловому воздействию насыщенного пара. Пар нагнетается из набора инжекторов, равномерно распределенных на всей формообразующей поверхности, как матрицы, так и пуансона пресс-формы. Подвод пара осуществляется при помощи специальных дюз, установленных на пресс-форме. Встречное воздействие потоков пара - инжекторы пуансона и матрицы разнесены относительно друг друга - позволяет в кротчайшее время разогреть материал до температуры переработки пенополистирола - около 100°С. Температурное воздействие вновь приводит к увеличению термопластичности полистирола с одновременным тепловым расширением газов внутри сот пенополистирольных шариков. Так как процесс происходит в ограниченном объеме пресс-формы, рост давления внутри каждого отдельного шарика пенополистирола приводит к нарастанию давления внутри пресс-формы. Разрастаясь, шарики пенополистирола спекаются друг с другом, образуя цельную структуру из многогранников. Увеличение давления материала внутри пресс-формы приводит к формированию монолитного изделия, форма и поверхность которого полностью соответствуют геометрии формообразующей поверхности пресс-формы. Однако процесс нарастания температуры и давления в замкнутом объеме гнезда пресс-формы инерционен, что не приводит к стабилизации давления после прекращения парового давления. Поэтому для легкого извлечения готовой детали из пресс-формы необходимо осуществить эффективное охлаждение полимерной детали. В современных условиях охлаждение осуществляется путем вакуумирования полсти пресс-формы и охлаждением стенок пресс-формы водой. По окончании фазы охлаждения готовое изделие извлекается из пресс-формы толкателем либо пневматически.
Конденсат, образующийся внутри пресс-формы, выводится в магистраль для забора конденсата.
Время цикла формования зависит от итоговой плотности изделия и его объема и может длиться несколько минут.
Готовое изделие обычно также выдерживается 5-6 часов для релаксации структуры пенопласта и поступает для финишной обработки (резка блоков, нанесение защитного лака, окрашивание, маркировка и т. д.).
Отходы после резки стандартных блоков измельчаются в специальной дробилке, полученные крупицы подмешиваются к предвспененному материалу перед формовкой в небольшом количестве (до 5-10%).
Производственное оборудование
Типовая линия для формовки изделий из пенополистирола (BASF Styropor/Neopor) обычно состоит из нескольких машин: парогенератора и паронакопителя, компрессора, силосов исходного материала, накопительного бункера материала, предвспенивателя, сушилки, бункеров для вылеживания, формовочного оборудования (блокформа, формовочный автомат), дробилки для отходов.
Собственно первый патент на процесс производства изделий из вспененных пластиков был зарегистрирован еще в 1949 году в Германии. С тех пор оборудование и технологии претерпели не такие уж значительные усовершенствования, поэтому производство различных агрегатов и вспомогательного оборудования для производства изделий из пенополистирола было развернуто в самых разных частях света, включая, естественно, Китай и Россию. При комплектовании производственного участка небольшой производительности (например, 100-150 т/ч) российским или китайским оборудованием вполне можно уложиться в 1-1,5 млн рублей, включая затраты на вспомогательное оборудование.
Немецкие и итальянские производители предлагают более дорогие и производительные машины. Европейское оборудование отличает высочайшее качество исполнения, повышенный контроль над всеми процессами, высокий уровень автоматизации, а также большая стабильность качественных показателей. Ведущими производителями оборудования для выпуска изделий из пенополистирола являются такие фирмы, как Erlenbach, Hirsch, Kurtz (Германия), Alessio (Италия) и др.
Лидеры рынка продолжают совершенствовать оборудование и технологии. В частности, сейчас все большее распространение получает процесс формования готовых изделий с так называемым глазированием одной или сразу двух поверхностей изделия. В процессе формования наружные слои вспененного полистирола спекаются вместе, образуя особую гладкую корку, которая, с одной стороны, призвана улучшить внешний вид изделия, с другой стороны - повысить физико-механические свойства готовых изделий - прочность, ударостойкость, влагонепроницаемость и т. д.
Евгений Дряхлов
Источник: журнал «Эксперт Оборудование»
