Использование пенообразующих гранулированных добавок при производстве изделий из пластмасс

14 Декабря 2012

Резкое увеличение цен на полимерные материалы (ПМ) в 2004 году активизировало производителей продукции на поиски путей снижения затрат по этой статье. Решение этой проблемы возможно несколькими способами, основные из которых - снижение брака при производстве и непосредственное снижение расхода ПМ. В свою очередь, оптимальным решением как одной, так и другой задачи является создание микроячеистой структуры ПМ.
Изделия с микроячеистой структурой получили достаточно широкое распространение. Общая технология производства вспененных изделий путем насыщения их инертным газом в процессе переработки более подробно описана в ИБ ПМ № 5 (60) и 8 (63), 2004 г. (технологии MuCell и ErgoCell).
Преимущества использования технологии вспенивания для получения полимерных изделий состоят, в основном, в уменьшении количества дефектов и снижении массы. Недостатки такого метода - невозможность формования прозрачных деталей и некоторое снижение - по сравнению с монолитными изделиями - прочности, которая уменьшается при возрастании степени вспенивании.
Технология физического вспенивания ПМ при переработке имеет ряд преимуществ перед использованием химических вспенивателей, основные из которых - универсальность по отношению к сырью и более широкий диапазон плотностей получаемых вспененных композиций.
Необходимо отметить, что наряду с несомненными преимуществами этой технологии использование физического вспенивания не позволяет на существующем оборудовании обеспечить получение изделий с микроячеистой структурой. Для ее внедрения требуются дополнительные затраты на технологическое переоснащение и приобретение лицензии. Достаточно быстрый переход на производство высококачественных и облегченных изделий могут обеспечить только химические вспениватели, которые могут быть жидкими или гранулированными.
Жидкие вспениватели, ввиду сложности их применения, мало используются в производстве изделий из ПМ. Наибольшее распространение получили гранулированные вспенивающие концентраты. Их преимущества заключаются, прежде всего, в простоте дозирования, удобстве хранения, а также в том, что их можно вводить на стадии смешения ПМ с другими гранулированными функциональными добавками. Особенность их применения состоит в том, что для каждого вида ПМ необходимо использование специального гранулированного пенообразователя (порофора).
Концентрат вспенивающийся полиэтиленовый используется для снижения брака, для устранения усадки и утяжек при литье под давлением изделий из полиэтилена и полипропилена, что особенно эффективно при производстве крупногабаритных изделий. Для этих целей рекомендуется введение 0,5-1,2% концентрата, при этом параметры технологического режима и прочностные характеристики изделия практически не изменяются, хотя при этом уменьшается плотность ПМ.
Для получения облегченных изделий, при котором расход сырья снижается на 20-25%, необходимо вводить 3-5% пенообразователя, но при этом требуются некоторые изменения в технологическом режиме:

• увеличение времени охлаждения изделия, так как с увеличением газовой фазы в материале его теплопроводность уменьшается;
• температура первой зоны материального цилиндра не должна быть выше температуры разложения порофора, чтобы не произошло преждевременного вспенивания материала;
• уменьшение дозы впрыска, которая зависит от требуемой плотности изделия и в каждом конкретном случае подбирается опытным путем;
• уменьшение давления впрыска.

При изготовлении изделий с незначительным изменением плотности по сравнению с монолитными, невспененными ПМ, в конструкции литьевой машины и пресс-формы изменений не требуется, единственное желательное условие - сопло должно быть самозапирающимся.
В ряде случаев при получении изделий с более высокой степенью вспенивания необходимы машины с увеличенной скоростью впрыска. Конструкция литьевых пресс-форм в этом случае имеет ряд специфических особенностей:

• подводящие литники должны быть расположены в тонкостенных частях отливок, а не в толстостенных, как при литье монолитных изделий из ПМ;
• выталкиватели большей площади должны быть установлены также в тонкостенных местах изделий;
• объем оформляющей полости пресс-формы в большинстве случаев может превосходить номинальный объем впрыска литьевой машины;
• оформляющая полость пресс- формы, удаленные от литника зоны и «глухие» места должны иметь развитую вентиляционную систему.

При использовании химических пенообразователей может возникнуть ряд проблем. Так, при недостаточном охлаждении изделия на его поверхности возникают бугорки из-за вздутия под действием давления газа, содержащегося в материале, особенно в местах обрыва литников. Если велика доза впрыска и недостаточна температура расплава на выходе из материального цилиндра литьевой машины, получается недостаточно вспененное изделие. Неравномерно окрашенная поверхность изделия с типичными следами потоков расплава и газовых пузырей возникает при передозировке пенообразователей.
Отечественная промышленность выпускает вспенивающие добавки марки «Пенокон», которые на протяжении 5 лет успешно используются при производстве изделий из ПМ. Концентрат представляет собой гранулы желтого цвета размером 2-5 мм.
«Пенокон» выпускается двух модификаций - для вспенивания полиолефинов и для вспенивания поливинилхлорида и пластикатов. «Пенокон» содержит в своем составе химический газообразователь, активаторы его разложения, структурообразователь и антикоррозионные добавки. В качестве химического газообразователя используется азодикарбонамид (порофор с температурой разложения 160-170 °С). При достижении температуры расплава выше температуры разложения порофора выделяется значительное количество газов, которые и вспенивают композицию.
Типовой режим получения облегченных вспененных изделий из полиолефинов (на примере ПЭВП) выглядит следующим образом. «Пенокон» для полиолефинов смешивается с ПЭВП из расчета 2,7 масс, частей пенообразующей добавки на 100 масс, частей ПЭВП. Эта смесь загружается в бункер литьевой машины, при этом доза загружаемой композиции в материальный цилиндр для впрыска лимитируется на заданном уровне. Температурный режим литья под давлением, начиная с зоны загрузки, следующий:

• 1 зона: (170 ±5)°С;
• 2 зона: (190 ±5)°С;
• 3 зона: (210±5)°С;
• сопло: (200 +5)°С.

Температура пресс-формы должна быть равна (25-35)°С, время выдержки под давлением - (20-30) с, время охлаждения - (90-120) с, пауза между циклами - не более (15-20) с. При этом плотность получаемого вспененного образца составляет не более 700 кг/м³.
В настоящее время концентрат вспенивающийся полиолефиновый используется при производстве широкого ассортимента изделий - от малогабаритных изделий сложной конфигурации, в которых требуется соблюдение высокой размерной точности, до крупногабаритных облегченных изделий, таких как сиденья для стадионов и офисные кресла.
Концентрат вспенивающийся поливинилхлоридный («Пенокон-ПВХ») используется для изготовления вспененных изоляций и оболочек, а также для внутреннего заполнения кабелей. Имеется положительный опыт использования этой добавки при производстве профилей из ПВХ.
Типовой процесс изготовления экструзией вспененных изделий на основе ПВХ выглядит следующим образом.
Перед экструзией добавляют «Пенокон-ПВХ» к базовой марке пластиката в количестве 1-4% (в зависимости от требуемой степени вспенивания). Температурный режим экструзии, начиная с зоны загрузки экструдера, следующий:

• 1 зона: (125 ±10) °С;
• 2 зона: (135 ±10) °С;
• 3 зона: (150 ±10) °С;
• головка: (165 ±10) °С.

Накопленный опыт использования «Пеноконов» позволяет сделать вывод о возможности применения этих материалов при производстве значительно большего ассортимента литьевых и экструзионных изделий. И как было отмечено, практическое использование для этих целей химического вспенивания с помощью гранулированных вспенивающих концентратов не требует вложения значительных средств в переоборудование производства, что является особенно привлекательным в условиях мало- и среднесерийного производства изделий из ПМ.

М.С. Краснов, к.т.н.
Журнал «Полимерные материалы», №2 (69) 2005 г.