Преимущества и технологии вспенивания полимерных материалов

Пены или пористые материалы (polymer foams) в природе встречаются везде — это древесина, пробковое дерево (balsa), кора древесная, морские раковины, кораллы. Если мы посмотрим на строение костей, тоже можем увидеть поры — ячейки в костной структуре.

Что дают поры растениям, древесине, костям? Прежде всего — меньший вес, возможность для транспорта жидкости и влаги, то есть для обмена веществами (если это открытые поры), а также теплоизолирующие свойства.

Для чего вспенивают полимерные материалы?

Люди, копируя природные структуры, стали вспенивать синтетические полимеры. Для вспенивания стали использовать различные газы. Сначала для вспенивания использовали (фреоны) хладоны, а после 90-х годов из-за экологических ограничений начали применять другие газы.

В первую очередь стали вспенивать каучук (резины). Природный каучук взбивали до появления пенистого состояния, потом вулканизовали, сохраняли это состояние и получали новые свойства: лёгкость, воздухопроницаемость и мягкость. Затем стали вспенивать полистирол (ПС) и другие полимеры.

Целью вспенивания полимера газом является получение внутри определенной структуры — сначала это пузырьки, потом поры, ячейки.

Преимущества вспенивания полимеров

1. Сильное снижение плотности и веса. Материал становится легче в 2–10 раз. Это главный драйвер в транспорте (самолеты, электромобили) и упаковке.
2. Экономия сырья. Меньше полимера на то же изделие → дешевле и экологичнее. Просто меньше пластика.
3. Улучшение теплоизоляции.
4. Улучшение звукоизоляции.
5. Механические свойства. Демпфирование (амортизация). Пена поглощает удары и вибрации — идеально для упаковки хрупких вещей и бамперов.
6. Создание «дышащих» структур. Открытые поры пропускают воздух/воду (фильтры, мембраны).
7. Изменение поверхности и эстетики. Получение «мягкого на ощупь» пластика, имитация кожи/дерева.
8. Изменение физико-механических свойств. Соотношение прочности, лёгкости, гибкости, жёсткости и так далее.

Вспениватели полимеров

Для вспенивания полимера (полиэтилен, полистирол, полипропилен и другие) необходим вспениватель, которые могут быть:

1. Химические вспениватели (вещества, которые разлагаются при определенной температуре и выделяют газы)
2. Физические вспениватели (инертные газы. Аргон, азот, СО2, воздух)
3. Углеводороды (алканы. Изобутан, пентан)
4. Расширяющиеся частицы
5. Гидрофторолефины. «Новые фреоны»

Также для получения пены необходимо применять:

6. Нуклеаторы
7. Стабилизаторы пены

В зависимости от применяемых вспенивателей, нуклеаторов, стабилизаторов можно получать разные по свойствам пены. Прежде всего, будет разная плотность, поскольку получается разная структура и размер ячеек.

Определенных свойств пены добиваются не только вспенивателем. Помимо этого, используются различные виды нуклеаторов — горячих точек, вокруг которых и образуются пузыри. В большей степени используют различные виды талька. Можно применять и другие неорганические наполнители.

На свойства пены также влияют: вид вспенивателя, вид нуклеатора, добавки органические, которые выступают в качестве стабилизаторов пены.

Классификация полимерных пен

Полимерные пены можно условно классифицировать на по размеру ячеек (микрон) и их количеству на см³:

Преимущества микроячеистой структуры

1. Высокая ударная прочность
2. Прочность на изгиб
3. Динамическая выносливость (может в 14 раз выше)
4. Высокая теплоизоляция
5. Меньше диэлектрические потери. Для сохранения волнового сопротивления.
6. Лучше отражение света
7. Лучше звукоизоляция (в зависимости от диапазона частоты)

Вспениваемые полимеры

Вспенивание сегодня применяется для полиэтилена (ПЭ), полистирола (ПС), полипропилена (ПП), полиэфира полиэтилентерефталата (ПЭТФ), этиленвинилацетата (ЭВА), а также полимеров молочной кислоты (полилактид, ПМК) и практически для всех видов термопластов. Также вспенивают поликарбонат (ПК), смеси ПК и АБС-пластика, полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) и полиамид (ПА).

Вес вспененных термопластов максимально уменьшается примерно на 25%. При этом сохраняются высокие эксплуатационные свойства материалов, включая химическую и термостойкость. Например, пена из ПЭЭК обладает низкой диэлектрической проницаемостью (для радарных частей) и сохраняет механические свойства до 200 °С. Однако из-за высокой кристалличности обычные методы вспенивания здесь не работают, так как необходим «сверхкритический СО2». Например, смесь ПК-АБС имеет плотность 1,1–1,18 г/см3, но возможно получить пену плотностью 0,9 г/см3.

Факторы для получения пены с определенными свойствами

1. Полимер, его кристалличность, аморфность.
2. Вспениватель, его природа, либо химическое вспенивание, либо газы.
3. Отдельный случай — вспениватели СО2, азот, воздух.
4. Нуклеатор.
5. Стабилизаторы, ПАВ.
6. Дополнительные вещества, спирты, эфиры.
7. Оборудование (производительность, схема вспенивания, один или два экструдера, наличие статических миксеров).

Получение полимерных пен в реальном производстве

Наиболее крупнотоннажные полимерные пены выпускаются из ПЭ и ПС, из которых производятся теплоизоляционные плиты (XPS-плиты, ПСВ-пены), листы для производства пищевых лотков, а также вспененные листы и трубы. Помимо этих полимеров применяются и многие другие термопласты.

Производители XPS-плит стремятся получить более легкие пены с низкой плотностью и наибольшей теплоизолирующими свойствами, которые нужны в строительстве. Более тяжелые вспененные изделия применяются также в строительстве, но больше в строительстве дорог или других объектов.

В большей степени ориентируются на прочность на сжатие плиты и теплопроводность, и в зависимости от этого могут применять в фасадах, промышленных полах, в фундаментах.

ПЭ-пены находят применение в тепло- и звукоизоляции полов, труб, кондиционеров, холодильного оборудования. Если ламинировать фольгой вспененный лист или трубу, то можно получить и теплоизоляцию, и гидроизоляцию.

ПЭ-пены могут иметь разную плотность. Очень лёгкие пены с низкой плотностью порядка 15–17 кг/м3 и до 200 кг/м3, если проводить вспенивание при определенных условиях, с добавлением других материалов или же применяя сшивание пены.

Поскольку ПС и ПЭ полимерные пены широко применяются в строительстве, они должны иметь определенный набор свойств в зависимости от конкретного применения, такие как теплопроводность, стойкость к грибкам, негорючесть, физико-механические свойства, а также прочность и так далее.

Одним из драйверов в этом направлении является получение негорючих пен. Это может серьёзно увеличить применение ПЭ и ПС пен в строительном секторе. Это нелёгкая задача, при этом она значима и актуальна, и сейчас появляется много новых решений.

Эдуард Замыслов, кандидат химических наук, технический директор «Интернешнл Пластик Гайд»