EA016792B1

EA016792B1 - Способ получения пенопласта с графитовым наполнителем и теплоизоляционное изделие на его основе

Info

Publication number: EA016792B1
Application number: EA200900668A
Authority: EA
Inventors: Сергей Валерьевич Кажуро; Дмитрий Борисович КРЮКОВ; Богуслав Валэк
Original assignee: Сергей Валерьевич Кажуро; Дмитрий Борисович КРЮКОВ
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2012-07-30
Also published as: EA200900668A1

Abstract

Изобретение относится к области строительного производства и предназначено для устройства систем утепления строительных ограждающих конструкций из пенопласта. Технические результаты: повышение теплозащитных свойств пенопласта и снижение трудозатрат при изготовлении теплоизоляционных изделий из пенопласта, содержащего частицы графита. Способ включает дозирование гранул вспенивающегося полимера стирола и вспенивание его в присутствии частиц графита и вспенивающего агента. Гранулы вспенивающегося полимера стирола предварительно смешивают с порошкообразными графитом с фракцией частиц 10-20 нм с удельной поверхностью 260-320 м/г, взятым в количестве 0,5-5,0 кг на 1 т готового продукта, в течение 25-35 мин, вспенивание проводят в две стадии в среде паровоздушной смеси с температурой 100-110°С, при этом в качестве вспенивающего агента используют изопентан и пентан, выделяющиеся под избыточным давлением из гранул полимера стирола в процессе обработки паровоздушной смесью, проводят выдержку вспененных гранул полимера стирола в течение 2-24 ч с последующей сушкой при температуре 65-75°С, затем их формуют в пенопластовые блоки путем вакуумирования при давлении не более 0,08 МПа и спекают тепловым ударом под действием пара при давлении 0,8-1 МПа в течение 2-5 с. Теплоизоляционное изделие представляет собой теплоизоляционную плиту, которая содержит графит в виде порошка с фракцией частиц 10-20 нм и удельной поверхностью 260-320 м/г в количестве 0,5-5,0 кг/т готового продукта и характеризуется теплопроводностью в сухом состоянии при 25±5°С в интервале 0,035-0,039 Вт/(м∙К).

Description

Изобретение относится к области строительного производства и предназначено для устройства систем утепления строительных ограждающих конструкций из пенопласта.

Известен способ получения полимерной композиции пенопласта [1]. Пенопласт содержит непрерывную фазу фенолоальдегидного или фуранового полимера и дисперсную фазу вспененного полистирола. Композицию получают катализом жидкой вспениваемой композиции, ее состав включает 5-50% мас./мас. вспениваемого нерасширенного гранулированного полистирола и 50-95% фенолоальдегидной/фурановой смолы. Температура катализированной вспениваемой композиции в процессе синтеза достигает значений, достаточных для полимеризации фенолоальдегидного или фуранового полимера, при этом обеспечивается вспенивание полистирола без применения внешних источников тепла или энергии. В патенте [2] описан способ получения пенопласта из формуемых гранул вспененного термопластичного полимера. Технологический процесс включает стадии смешения термопластичного полимера и вспенивающего агента, плавления смеси, экструдирование расплава в зону повышенного давления. Величина давления достаточна для предотвращения заметного вспенивания расплава с образованием способного к вспениванию экструдата. Одновременно осуществляют регулирование температуры до величины, обеспечивающей вспенивание, затем производят выгрузку экструдата из зоны повышенного давления для его последующего вспенивания.

Недостатками известных способов и материалов с использованием пенопласта являются сложность приготовления и относительно невысокие теплоизоляционные характеристики.

Известен способ получения расширяющегося полистирола, содержащего частицы графита, который и выбран в качестве прототипа [3]. Полистирольный пенопласт хорошо известен и широко применяется во многих областях, в том числе в строительной индустрии. Подобные пенопласты получают путем вспенивания импрегнированных вспенивающим агентом частиц полистирола и последующим свариванием полученных таким образом пенистых частиц в формный элемент. Теплопроводность пенопластов может снижаться за счет таких материалов, как сажа, окиси металлов, металлический порошок или красящие пигменты. Способ заключается в полимеризации стирола или его смеси с сомономерами в количестве 20% его веса в водной суспензии в присутствии вспенивающего агента и вспученного соединения графита. Частицы из вспученного, порообразующего графита имеют плотность менее 1,5 г/см³.

Объектом упомянутого выше известного изобретения является также гранулированный, расширяющийся полистирол, содержащий от 0,05 до 25 мас.% гомогенно распределенного, вспученного, порообразующего графита с плотностью от 0,1 до 1,2 г/см³. Средний диаметр гранул составляет предпочтительно от 1 до 200 мкм, в частности от 2 до 50 мкм. При суспензионной полимеризации получаются в основном круглые гранулы со средним диаметром от 0,2 до 2 мм, в которых гомогенно распределены частицы порообразующего графита. Они могут покрываться обычными покрытиями, например стеаратами металлов, глицериновым эфиром и силикатами. Содержащий вспученный порообразующий графит полистирол может перерабатываться в полистирольный пенопласт с плотностью от 5 до 35 г/см³, предпочтительно от 8 до 25 г/см³ и особенно предпочтительно от 10 до 15 г/см³. Для этого гранулят предварительно вспенивается нагреванием в водяной ванне в так называемых предварительных пенообразователях. Далее предварительно вспененный гранулят подают в негерметично закрываемые для газа формы и обрабатывают водяным паром. После охлаждения сформованные элементы извлекаются из форм. Полученные из расширяющегося полистирола пенопласты отличаются высокой теплоизоляцией. Этот эффект проявляется особенно четко при низкой плотности. Добавкой 2 мас.% вспученного парообразующего графита к полистиролу при плотности пенопласта в 10 г/см исходная теплопроводимость в 44 мВт/(м-К) может быть снижена до 35 мВт/(м-К).

Недостатками известного способа являются сложность приготовления и как следствие высокая стоимость конечного продукта - теплоизоляционных изделий из пенопласта, содержащего частицы графита.

Известна изоляционная панель из плакированной стали [1]. Панель содержит остов из полимерного композиционного пенопласта, включающего непрерывную фазу фенолоальдегидного/фуранового полимера и дисперсную фазу вспененного полистирола. Массовое соотношение фенолоальдегидного/фуранового полимера и полистирола равно по меньшей мере единице. Фенолоальдегидный/фурановый полимер, входящий в состав панели, является вспененным.

Известны также плиты теплоизоляции из изоляции Ыеорог - вспененного полистирола производства ВЛ8Р, выбранные в качестве прототипа [4]. В состав исходного сырья входят специальные графитовые частицы, которые, как зеркало, отражают тепло и способствуют снижению тепловых потерь. При этом более тонкие плиты на базе №орог обеспечивают аналогичный эффект изоляции, как и плиты на основе традиционного материала 81угорог. Изделия из Ыеорог - плиты, блоки различных размеров и формы применяют для изоляции наружных поверхностей зданий, конструкций кровли и основания. Элементы опалубки также могут быть изготовлены из Ыеорог - гранулята.

Экологически безопасные утеплители из Ыеорог не содержат фреона, гидрохлорфторуглеродов, хлорфторуглеводородов и иных галогенированных газов. Поры утеплителя заполнены воздухом. За счет этого теплопроводные свойства материала сохраняются в течение всего срока службы здания.

Недостатками известных изделий являются высокая трудоемкость процесса получения материала с

- 1 016792 гомогенным распределением частиц графита по объему пенопласта, а также недостаточно высокая теплоизоляционная способность.

Задачей изобретения является повышение теплозащитных свойств пенопласта и снижение трудозатрат при изготовлении теплоизоляционных изделий из пенопласта, содержащего частицы графита.

Поставленная задача решена тем, что в способе получения пенопласта с графитовым наполнителем, включающим дозирование гранул вспенивающегося полимера стирола и вспенивание его в присутствии частиц графита и вспенивающего агента, согласно изобретению гранулы вспенивающегося полимера стирола предварительно смешивают с порошкообразными графитом с фракцией частиц 10-20 нм с удельной поверхностью 260-320 м²/г, взятым в количестве 0,5-5,0 кг на 1 т готового продукта, в течение 25-35 мин, вспенивание проводят в две стадии в среде паровоздушной смеси с температурой 100-110°С, при этом в качестве вспенивающего агента используют изопентан и пентан, выделяющиеся под избыточным давлением из гранул полимера стирола в процессе обработки паровоздушной смесью, проводят выдержку вспененных гранул полимера стирола в течение 2-24 ч с последующей сушкой при температуре 6575°С, затем их формуют в пенопластовые блоки путем вакуумирования при давлении не более 0,08 МПа и спекают тепловым ударом под действием пара при давлении 0,8-1 МПа в течение 2-5 с.

В качестве порошкообразного графита используют угольную чернь серого цвета, например, марки Принтэкс 90, а гранулы полимера стирола используют предпочтительно в виде частиц сферической, рисообразной или чечевицеобразной формы.

Первую стадию вспенивания проводят до получения гранул с насыпной массой не более 34 г/л с последующей выдержкой в течение не менее 12 ч.

Вторую стадию вспенивания проводят до получения гранул с насыпной массой не более 15 г/л с последующей выдержкой в течение не менее 2 ч.

Задача решена также тем, что теплоизоляционное изделие из пенопласта, полученного выше описанным способом, согласно изобретению представляет собой теплоизоляционную плиту, которая содержит графит в виде порошка с фракцией частиц 10-20 нм и удельной поверхностью 260-320 м²/г в количестве 0,5-5,0 кг/т готового продукта и характеризуется теплопроводностью в сухом состоянии при 25±5°С в интервале 0,035-0,039 Вт/(м-К).

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена принципиальная схема технологической линии для производства вспененных гранул изготовления пенопласта, содержащего графит, теплоизоляционных изделий по предлагаемому способу.

Технологическая линия содержит смеситель 1 с приемным бункером, оснащенный дозатором (на чертеже не показано) экспандер 2 с бункером-накопителем (на чертеже не показано) для вспенивания сырьевой смеси; сушильную камеру 3, элеватор с бункерами 4 для выдержки вспененных гранул полимер стирола с частицами графита, парогенератор 12 и паровой аккумулятор 11; блок-форму 5 для формования блоков-заготовок из пенопласта 7; машина для резки 6 блоков из пенопласта 7, которая включает станок поперечного раскроя 8 и станок продольного раскроя 9, установку для измельчения отходов пенопласта 10, образующихся в процессе раскроя, и упаковщик готовых изделий в форме плит (на чертеже не показано). Все агрегаты технологической линии функционально связаны пневмотранспортерами 13, 14, 15, 16, 17, 18, 21; парогенератор 12 соединен паропроводом 19 с экспандером 2, паровой аккумулятор 11 паропроводом 20 соединен с блок-формой 5.

Способ реализуют следующим образом. В смеситель 1 через приемный бункер с дозатором (на чертеже не показано) засыпают исходное сырье - гранулы вспенивающегося полимера стирола и частицы графита и проводят их предварительное смешивание. Расход графита составляет 0,5-5,0 кг на 1 т готового продукта, в зависимости от формы и удельной поверхности исходных гранул полимера стирола, предпочтительно 2,7 кг/т. Для целей изобретения используют гранулированный полимер стирола суспензионный вспенивающийся типа ПСВ-С (ЕР8-Е) с антипереном. Гранулы полимер стирола предпочтительно применять в виде частиц сферической формы, допускается наличие частиц рисообразной и чечевицеобразной формы. В качестве графита применяют порошкообразный графит (угольную чернь) серого цвета, например, марки Принтэкс 90. Частицы графита выбирают с характерным размером 10-20 нм, предпочтительно 14 нм, с удельной поверхностью 260-320 м²/г. В процессе смешивания двух компонентов осуществляют равномерное покрытие гранул полимера стирола графитом. Продолжительность смешивания составляет 25-35 мин. Затем покрытые графитом гранулы полимера стирола из смесителя 1 транспортером 13 подают в бункер-накопитель экспандера 3, где производят вспенивание полимер стирола в водной среде. В качестве водной среды используют пары воды в смеси с воздухом (паровоздушную смесь) с температурой 100-110°С, предпочтительно 105°С. Пар из парогенератора 12 по паропроводу 19 под давлением 0,6-0,8 МПа подают одновременно с исходным сырьем в нижнюю часть рабочего объема экспандера 3. Расход пара задают не более 380 кг/ч. При заданных параметрах вспенивания гранулы, покрытые графитом, под действием теплоносителя (паровоздушной смеси) размягчаются, а содержащийся в них порообразователь (изопентан, пентан) переходит в газообразное состояние, что создает избыточное внутреннее давление и вызывает расширение и вспенивание гранул равномерно по всему объему. Вспененные гранулы поднимаются в верхнюю зону экспандера 3, вследствие вытеснения их непрерывно поступающими снизу более тяжелыми, еще не вспененными свежими гранулами поступающего сырья. В

- 2 016792 процессе вспенивания осуществляют непрерывное перемешивание гранул в каждом сечении барабана экспандера 3 и выравнивают температурное поле во всем объеме, предотвращая тем самым слипание гранул при транспортировке их в верхнюю зону экспандера 3 к разгрузочному окну (на чертеже не показано).

Вспенивания осуществляют в две стадии. На первой стадии процесс ведут до получения гранул с насыпной массой не более 34 г/л с последующей выдержкой в течение не менее 12 ч.

После первичного вспенивания, в зависимости от требуемых марок изготавливаемых в последствии из пенопласта теплоизоляционных плит, сырье может быть повергнуто вторичному вспениванию, принцип которого аналогичен первичному вспениванию. На второй стадии, после первой выдержки, вспенивание проводят до получения гранул с насыпной массой не более 15 г/л с последующей выдержкой в течение не менее 2 ч.

Степень вспенивания полимера стирола с графитом регулируют содержанием в сырье парообразователя, количеством подаваемых гранул в экспандер 3 и параметрами паровоздушной смеси. Контроль степени вспенивания ведется периодически по насыпной объемной массе предварительно вспененного материала.

После вспенивания (в одну или две стадии) осуществляют сушку гранул полимера стирола, покрытого частицами графита, при температуре 65-75°С в сушильной камере 3, куда гранулы транспортером 14 подают из экспандера 3. Сушка заключается в снятии пленочной влаги с поверхности гранул. Стабильность параметров сушки поддерживается в автоматическом режиме системой автоматики.

После сушки гранулы по транспортеру 15 направляют в бункера элеватора 4 на выдержку (вылеживание). Выдержку осуществляют после каждой стадии вспенивания. Каркасы бункеров элеватора 4 обтянуты капроновой сеткой (на чертеже не показано) и объем каждого бункера свободно сообщается с внешней средой, при этом наружный воздух беспрепятственно проникает внутрь гранул и происходит выравнивание давления внутри гранул с атмосферным давлением. Продолжительность выдержки после первичного вспенивания гранул составляет не менее 12 ч, а после вторичного вспенивания не менее 2 ч.

После соответствующей выдержки вспененные гранулы полимера стирола, содержащего частицы графита, по транспортеру 16 направляют на формование в крупногабаритные пенопластовые блоки. Цикл формования осуществляют в следующей последовательности. Блок-форму 5 прогревают паром, который подают по паропроводу 20 из парового аккумулятора 11. Затем по транспортеру 16 наполняющим вентилятором (на чертеже не показано) вспененные гранулы загружают в блок-форму 5. Количество подаваемого сырья регулируют датчиком потока, установленным на входе вентилятора. Датчик (на чертеже не показано) измеряет величину воздушного потока и когда сопротивление воздуха падает, выдается сигнал на остановку вентилятора и подача сырья прекращается. После загрузки блок-форму 5 закрывают и вакуумируют для удаления воздуха. Предельно допустимая величина отрицательного давления при вакуумировании составляет не более 0,08 МПа. Далее блок-форму 5 продувают паром, который подают по паропроводу 20 и вытесняет остатки воздуха из внутреннего рабочего объема блок-формы 5. Затем производят спекание гранул полимера стирола, содержащего частицы графита, методом теплового удара, для чего в блок-форму 5 из парового аккумулятора 11, при максимально возможной скорости, подают пар в под давлением 0,8-1 МПа. При достижении давления 1,0 МПа осуществляют стабилизацию выдержку под давлением в течение 2-5 с и процесс спекания заканчивают. При спекании вспененные гранулы дополнительно расширяются, уплотняются и сплавляются между собой, образуя жесткий газонаполненный пластик с ячеистой микроструктурой - пенопласт. Расход пара составляет 120-170 кг/цикл при длительности цикла спекания 5-8 мин. Далее производят охлаждение под вакуумом до достижения остаточного давления изделия-пены на стенки блок-формы 5 в пределах 0,005-0,015 МПа с последующей выдержкой в форме течение 30-200 с для выравнивания температуры по всему объему блока пенопласта. По окончании выдержки блок 7 полученного пенопласта выталкивают из блок-формы 5 и перемещают на роликовый конвейер и цикл формования повторяют снова.

Блок пенопласта 7, предназначенный для резки на плиты для наружной тепловой изоляции, снимают с роликового конвейера и перемещают на площадку выдержки (на чертеже не показано), где выдерживают в течение 2 суток, а затем подают на машину для резки 6 блоков на плиты требуемых размеров. Резку осуществляют в автоматическом режиме последовательно в три этапа хромоникелевыми струнами диаметром 0,5-1,2 мм, разогретыми с помощью электропрогрева. На первом этапе блок разрезают на станке 9 в горизонтальном направлении с калибровкой верхней и нижней сторон, на втором этапе производят калибровку боковых сторон, на третьем этапе производят резку блока на станке 8 вертикальном направлении с одновременной калибровкой торцевых сторон. Готовые мелкоштучные плиты (размером 1000x1000 мм, 1000x500 мм, 500x500 мм) одного вида, марки, размера, с требуемыми маркировочными надписями, упаковывают в полиэтиленовую термоусадочную пленку на упаковочной машине (на чертеже не показано). Высота упаковочного пакета составляет не более 0,6 м. Плиты, превышающие указанные размеры, упаковывают вручную в полиэтиленовую термоусадочную пленку.

Отходы, образующиеся после сушки и в процессе резки блоков 7 на плиты, по пневмотранспортерам 17 и 21 поступают в дробилку 10, затем крошка пневмотранспортом 18 подается в бункер для отходов, а затем в раздаточный бункер (на чертеже не показано) для дробленых отходов, откуда дозируются в

- 3 016792 систему пневмотранспортеров 15, 16 для повторного использования совместно со вспененными гранулами полимера стирола для формования пенопластовых блоков 7.

Плиты пенополистирольные теплоизоляционные с частицами графа (ППТГ), изготовленные согласно изобретению, характеризуются следующими показателями (таблица).________________

№ п/п	Наименование показателя	ППТГ	Прототип
1.	Плотность, кг/м³, не более	10,6 - 36	12
2.	Влажность, %, не более	0,29 - 0,75	1,0
3.	Прочность на сжатие при 10% линейной деформации, МПа, не менее	0,054- 0,260	0,11
4.	Предел прочности при изгибе, МПа, не менее	0,109 - 0,359	0,20
5.	Предел прочности при разрыве в направлении перпендикулярном поверхности плиты, МПа, не менее	0,128-0,214	0,10
6.	Водопоглощение за 24 часа, %об., не более	1,06-1,15	1,2
7.	Теплопроводность в сухом состоянии при (25 ±5)°С	0,035 - 0,0390	0,0363
8.	Сорбционная влажность, %	0,43 - 0,46	0,5

Производство плит пенополистирольных теплоизоляционных в соответствии с заявленным способом освоено ООО Доминвестпро (Беларусь) под торговым наименованием Экоплэкс. Предприятием производится пять типов изделий - ППТЭ-10-А, ППТЭ-15Н-А, ППТЭ-20Н-А, ППТЭ-25Н-А и ППТЭ35Н-А согласно техническим условиям.

Источники информации.

1. АО 2002/064672, 2002.

2. Κϋ 2110543, 1998.

3. АО 00/06635, 2000 (прототип).

4. Теплоизоляция из Хеорог. ЕЦр://^^^.р1а811С8рог1а1.пе1, 2009 (прототип).

Claims

1. Способ получения пенопласта с графитовым наполнителем, включающий дозирование гранул вспенивающегося полимера стирола и вспенивание его в присутствии частиц графита и вспенивающего агента, отличающийся тем, что гранулы вспенивающегося полимера стирола предварительно смешивают с порошкообразным графитом с фракцией частиц 10-20 нм и удельной поверхностью 260-320 м²/г, взятым в количестве 0,5-5,0 кг на 1 т готового продукта, в течение 25-35 мин, вспенивание проводят в две стадии в среде паровоздушной смеси с температурой 100-110°С, при этом в качестве вспенивающего агента используют изопентан и пентан, выделяющиеся под избыточным давлением из гранул полимера стирола в процессе обработки паровоздушной смесью, проводят выдержку вспененных гранул полимера стирола в течение 2-24 ч с последующей сушкой при температуре 65-75°С, затем их формуют в пенопластовые блоки путем вакуумирования при давлении не более 0,08 МПа и спекают тепловым ударом под действием пара при давлении 0,8-1 МПа в течение 2-5 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного графита используют угольную чернь серого цвета, например, марки Принтэкс 90, а гранулы полимера стирола используют предпочтительно в виде частиц сферической, рисообразной или чечевицеобразной формы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую стадию вспенивания проводят до получения гранул с насыпной массой не более 34 г/л с последующей выдержкой в течение не менее 12 ч.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторую стадию вспенивания проводят до получения гранул с насыпной массой не более 15 г/л с последующей выдержкой в течение не менее 2 ч.

5. Теплоизоляционное изделие из пенопласта, полученное способом по п.1, отличающееся тем, что представляет собой теплоизоляционную плиту, которая содержит графит в виде порошка с фракцией частиц 10-20 нм и удельной поверхностью 260-320 м²/г в количестве 0,5-5,0 кг/т готового продукта и характеризуется теплопроводностью в сухом состоянии при 25±5°С в интервале 0,035-0,039 Вт/(м-К).