EA025190B1

EA025190B1 - Пенополистирол и способ формирования вспененных полистирольных изделий из указанного пенополистирола

Info

Publication number: EA025190B1
Application number: EA201270822A
Authority: EA
Inventors: Джоу Шалер; Джоуз М. Соса; Джон Типпет; Джон Гостэд
Original assignee: Файна Текнолоджи, Инк.
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2016-11-30
Also published as: WO2011156148A1; EP2580272A1; US20110306689A1; TW201213413A; EA201270822A1; TWI507455B; EP2580272A4

Abstract

В изобретении описан пенополистирол и способ формирования вспененных полистирольных изделий из указанного пенополистирола. Данный пенополистирол содержит полистирол, представляющий собой гомополимер и выбранный из вспенивающегося полистирола и экструзионного полистирола, причем полистирол имеет молекулярный вес Mот 130000 до 200000 Да; показатель текучести расплава от 25 до 30 г/10 мин, как измерено с помощью ASTMD 1238, условия 200°C/5кг и плотность от 0,0016 г/см(0,1 фунт/фут) до 0,16 г/см(10 фунт/фут), и где пенополистирол имеет плотность от 0,0016 г/см(0,1 фунт/фут) до 0,16 г/см(10 фунт/фут).

Description

Варианты осуществления настоящего изобретения в целом относятся к вспененным полистирольным изделиям и способам их формирования.

Предпосылки изобретения

Полистирольный пенопласт широко применяется как для теплоизоляции, так и защитной упаковки.

Например, в документе И8 5118718 описаны вспенивающиеся стирольные полимеры высокой расширяемости, содержащие: а) стирольный полимер, обладающий вязкостью, измеряемой в толуоле и составляющей от 55 до 80 мл/г, а также показателем текучести расплава от 7,5 до 30 г/10 мин, б) от 1 до 10 вес.% на основе а), С_3-6 углеводорода в качестве вспенивающего вещества и, при необходимости, в) обычные вспомогательные вещества в эффективных количествах.

В документе И8 6572800 описан способ получения полистирольной пены, включающий пластицирование полистирольной смеси с ядрообразующими агентами, пластификаторами и добавками при давлении выше атмосферного и температуре выше комнатной для образования расплава, резкое снижение давления и охлаждение расплава до атмосферного давления и комнатной температуры, экструдирование через плиту матрицы, введение вспенивающего вещества, содержащего только лишь СО₂, в расплав для получения желаемой пены, так что указанное вспенивающее вещество растворяется в расплаве, а также введение первого и второго регулирующего агентов в расплав.

В документе И8 6123881 описан способ получения пенокартона или листа из пены, включающий этапы, на которых формируют пенную смесь из значительного количества стирольного полимера, обладающего высоким показателем расплава, незначительного количества стирольного полимера, обладающего низким показателем расплава, и вспенивающего вещества, содержащего значительное количество диоксида углерода, под давлением, достаточным для предотвращения предвспенивания смеси, и вспенивание смеси в области пониженного давления для образования продукта из пены.

В документе И8 5525637 описаны вспенивающиеся стирольные полимеры для эластичных полистирольных пен, содержащие: а) от 50 до 90 вес.% полистирола и/или стирольного сополимера, содержащего по меньшей мере 50 вес.% сополимеризованного стирола, б) от 5 до 30 вес.% по меньшей мере одного растворимого в стироле эластомера, в) от 5 до 20 вес.% по меньшей мере одного блоксополимера, содержащего стирол в качестве одного компонента, г) от 1 до 15 вес.% на основе суммы а), б) и в) легкокипящего вспенивающего вещества и, при необходимости, д) обычные добавки в эффективных количествах.

Однако для существующих способов и полимеров возникают трудности при формировании пенополистирола, обладающего достаточным вспениванием для придания необходимых свойств формируемым изделиям. Следовательно, существует потребность в разработке полистирола, способного к повышенному вспениванию при сохранении полезных свойств, проявляемых существующими полимерами, и для применения в существующих способах.

Краткое описание изобретения

Варианты осуществления настоящего изобретения включают пенополистирол. Пенополистирол, как правило, включает полистирол, представляющий собой гомополимер и выбранный из вспенивающегося полистирола и экструзионного полистирола, причем полистирол имеет молекулярный вес М„ от 130000 до 200000 Да; показатель текучести расплава от 25 г/10 до 30 г/10 мин, как измерено с помощью А8ТМ Ό 1238, условия 200°С/5 кг и плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,16 г/см³ (10 фунт/фут³); и где пенополистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,16 г/см³ (10 фунт/фут³).

Один или несколько вариантов осуществления включают пенополистирол из любого предыдущего абзаца, где полистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,0128 г/см³ (0,8 фунт/фут³).

Один или несколько вариантов осуществления включают пенополистирол из любого предыдущего абзаца, где полистирол имеет молекулярный вес М„ от 145000 до 200000 Да.

Один или несколько вариантов осуществления включают пенополистирол из любого предыдущего абзаца, где пенополистирол сформирован посредством одного цикла вспенивания.

Один или несколько вариантов осуществления включают способ формирования вспененных полистирольных изделий, включающий этапы, на которых обеспечивают полистирол, представляющий собой гомополимер и выбранный из вспенивающегося полистирола и экструзионного полистирола, причем полистирол имеет молекулярный вес М„ от 130000 до 200000 Да; показатель текучести расплава от 25 до 30 г/10 мин, как измерено с помощью А8ТМ Ό 1238, условия 200°С/5 кг и плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,16 г/см³ (10 фунт/фут³); формируют полистирол в пенополистирол, где пенополистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,16 г/см³ (10 фунт/фут³); и формируют пенополистирол во вспененное изделие.

Один или несколько вариантов осуществления включают способ из любого предыдущего абзаца, где полистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,0128 г/см³ (0,8 фунт/фут³).

Один или несколько вариантов осуществления включают способ из любого предыдущего абзаца, где полистирол имеет молекулярный вес от 145000 до 200000 Да.

Один или несколько вариантов осуществления включают способ из любого предыдущего абзаца,

- 1 025190 где пенополистирол формируют посредством одного цикла вспенивания.

Один или несколько вариантов осуществления включают способ из любого предыдущего абзаца, где пенополистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,016 0,0016 г/см³ (1,0 фунт/фут³).

Один или несколько вариантов осуществления включают вспененное изделие, полученное из указанного пенополистирола и сформированное способом из любого предыдущего абзаца.

Краткое описание графических материалов

Фиг. 1 иллюстрирует плотность в зависимости от температуры у различных образцов полимеров.

Фиг. 2 иллюстрирует плотность в зависимости от ΜΡΊ (показатель текучести расплава) у различных образцов полимеров.

Фиг. 3 иллюстрирует диапазоны рабочих режимов для различных образцов полимеров.

Фиг. 4 иллюстрирует график зависимости для коэффициента вспенивания гранулы.

Подробное описание изобретения

Введение и определения.

Далее будет представлено подробное описание. Каждый пункт прилагаемой формулы изобретения определяет отдельное изобретение, которое с целью защиты от нарушений понимается как включающее эквиваленты различным элементам или пределам, определенным в формуле изобретения. В зависимости от контекста все нижеприведенные ссылки на настоящее изобретение могут в некоторых случаях относиться только к некоторым конкретным вариантам осуществления. В других случаях будет понятно, что ссылки на настоящее изобретение будут относиться к объекту изобретения, перечисленному в одном или нескольких, но не обязательно всех пунктах формулы изобретения. Каждое из настоящих изобретений будет описано ниже более подробно, включая конкретные варианты осуществления, варианты и примеры, но настоящие изобретения не ограничиваются этими вариантами осуществления, вариантами или примерами, которые включены, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники осуществлять и применять настоящие изобретения при объединении информации в настоящем патенте с доступной информацией и технологией.

Различные выражения, которые используются в настоящем документе, показаны ниже. В случае если выражение, использованное в пункте формулы изобретения, не определено ниже, ему следует давать наиболее широкое определение, которое дали бы специалисты в данной области техники этому выражению, как отражено в печатных публикациях и выданных патентах на момент подачи заявки. Дополнительно, если не указано иное, все соединения, описанные в настоящем документе, могут быть замещенными или незамещенными, и перечень соединений включает их производные.

Кроме того, различные диапазоны и/или числовые ограничения могут быть явно указаны ниже. Следует понимать, что если не утверждается иное, предполагается, что крайние точки должны быть взаимозаменяемы. Кроме того, любые диапазоны включают повторяющиеся диапазоны подобной величины, попадающие в явно указанные диапазоны или пределы.

Варианты осуществления настоящего изобретения включают вспененные полистирольные изделия и способы их формирования. Вспененные полистирольные изделия, как правило, формируют из вспенивающегося полистирола или экструзионного полистирола, упоминающихся собирательно в настоящем описании как ΕΡδ. ΕΡδ может быть сформирован с помощью ряда известных способов. Оборудование, режим обработки, реактивы, добавки и другие материалы, применяемые в таких способах полимеризации, будут изменяться в данном способе в зависимости от необходимого состава и свойств формируемого полимера.

Вспенивающийся полистирол может быть сформирован в технологических установках для крупных партий, например. В таких технологических установках большое количество исходных материалов (например, сформированного полистирола, порообразователя, пластификатора) одновременно подвергается обработке и газифицируется с формированием пеллет или гранул вспенивающегося полистирола. Экструзионный полистирол можно сформировать с помощью экструдерной системы непрерывного действия, например. В таких экструдерах осуществляется непрерывная подача исходных материалов (например, сформированного полистирола) в экструдер, нагревание и смешивание с порообразователем и пластификатором. Множество прядей материала из экструзионного полистирола затем вытягивают из экструдера через отверстия в головке экструдера и режут на гранулы.

Порообразователь, как правило, включают в сформированный полистирол в количестве, достаточном для того, чтобы при нагревании паром при атмосферном давлении частица проявляла 30-40 кратное увеличение объема при воздействии теплоносителя (более подробно описано ниже) в течение периода времени до 10 мин. В одном или нескольких вариантах осуществления порообразователи включают в сформированный полистирол в количестве от приблизительно 3 до приблизительно 10 вес.% или от приблизительно 4 до приблизительно 8 вес.%, или от приблизительно 5,5 до приблизительно 7,2 вес.% на основе веса сформированного полистирола, например.

Подходящие порообразователи могут включать С₄-С₈ алифатические углеводороды, например. В одном или нескольких вариантах осуществления порообразователь может быть выбран из пентанов (например, бутаны, н-пентан, изопентан), гексанов, бутанов, хлордифторметанов, дихлордифторметанов, дифторэтанов, метилхлоридов и их комбинаций, например.

- 2 025190

Сформированный полистирол можно сформировать с применением способов, известных специалисту данной области техники, таких как суспензионная полимеризация, например. В одном или нескольких вариантах осуществления сформированный полистирол является гомополимером. В других вариантах осуществления сформированный полистирол может факультативно включать один или несколько сомономеров. Сомономеры могут включать алкилстиролы, дивинилбензол, акрилонитрил, дифениловый простой эфир, альфа-метилстирол или их комбинации, например. В одном или нескольких вариантах осуществления сформированный полистирол включает от приблизительно 0 до приблизительно 30 вес.%, или от приблизительно 0,1 до приблизительно 15 вес.%, или от приблизительно 1 до приблизительно 10 вес.% сомономера, например.

Сформированный полистирол может иметь показатель текучести расплава (ΜΡΙ) (как измерено с помощью ΑδΤΜ Ό 1238, условия 200°С/5 кг) по меньшей мере 20 г/10 мин, или по меньшей мере приблизительно 23 г/10 мин, или по меньшей мере приблизительно 25 г/10 мин, или от приблизительно 20 до приблизительно 30 г/10 мин, например.

Для заданного показателя текучести расплава молекулярный вес, как правило, можно рассчитать в соответствии с соответствующими формулами для полистирола с мономодальным распределением молекулярного веса (уравнение 1), а также можно рассчитать М„ (молекулярный вес) для смесей или сочетаний, где Сг представляет собой весовую долю компонента 1 (уравнение 2)

МР1=(1О¹⁹)М_№‘³'¹⁴; уравнение 1

М^С,(М^), + (1^—С , уравнение 2,

Соответственно, сформированный полистирол может иметь молекулярный вес М„ (как измерено с помощью ОРС (гель-проникающая хроматография)) от приблизительно 100000 до приблизительно 300000 Да, или от приблизительно 125000 до приблизительно 225000 Да, или от приблизительно 130000 до приблизительно 220000 Да, или от приблизительно 145000 до приблизительно 200000 Да, например.

Сформированный полистирол может иметь плотность от приблизительно 0,1 до приблизительно 10 фунт/фут³, или от приблизительно 0,4 до приблизительно 1 фунт/фут³, или от приблизительно 0,5 до приблизительно 0,8 фунт/фут³, например.

ΕΡδ может быть вспенен с применением известных способов. Например, ΕΡδ может быть вспенен путем воздействия теплоносителем, таким как горячий воздух, нагретая жидкость или пар при давлении около атмосферного, с получением в результате пенополистирола. Воздействие теплоносителя может быть прекращено, и частицам дают возможность отстояться при условиях окружающей среды в течение периода времени перед последующим контактом с теплоносителем для вторичного вспенивания, например. Такие способы можно повторять для любого необходимого числа циклов.

Для многих применений, использующих пенополистирол, требуются определенные свойства, такие как упругость. Было показано, что высоковспененные пенопласты проявляют упругость. Однако в существующих способах возникают трудности при формировании высоковспененных пенопластов (например, пенопласты со степенью вспенивания по меньшей мере 200, например) и требуют применение нескольких циклов для достижения таких степеней вспенивания. Как используется в настоящем документе, степень вспенивания измеряют как соотношение площади поперечного сечения вспененной пряди/площади поперечного сечения головки экструдера, и увеличивается с уменьшением плотности вспененного полистирола (смотри, график зависимости коэффициента вспенивания гранулы от плотности для ΕΡδ, С. Рагк, 1. οί Се11и1аг Р1а8ЙС8, νοί. 41, Р. 389, 1и1у 2005, который включен ниже). Как проиллюстрировано ниже, коэффициент вспенивания, как правило, рассчитывается по следующей формуле (и показан на фиг. 4):

Коэффициент вспенивания = 62,2 х (плотность) '°’⁹⁷³⁸ ; уравнение 3.

Соответственно, варианты осуществления настоящего изобретения дают в результате пенополистирол, имеющий низкую плотность. Например, пенополистирол может иметь плотность от приблизительно 0,1 до приблизительно 10 фунт/фут³, или от приблизительно 0,1 до приблизительно 5,0 фунт/фут³, или от приблизительно 0,1 до 1,0 фунт/фут³, например. Получаемые в результате пенопласты могут иметь размер ячейки от приблизительно 80 до приблизительно 250 мкм, например.

Изначально пенополистирол, как правило, может быть мягким и эластичным, относительно гибким и обеспечивает отличную амортизацию. Однако со временем такие свойства могут снижаться вследствие потери порообразователя. Таким образом, для того чтобы получить вспененный полистирол низкой плотности, способы вспенивания, как правило, включают многостадийные способы вспенивания (т.е., способы, использующие более чем один цикл вспенивания).

К сожалению, пенопластовые изделия, сформированные с помощью многостадийных способов, могут подвергаться разрушению со временем. Однако варианты осуществления настоящего изобретения неожиданно приводят в результате к пенополистиролу низкой плотности, сформированый в одностадийных способах (т.е. способы, использующие один цикл вспенивания).

Пенополистирол является пригодным для применений, известных специалисту в данной области техники, такой как изоляция и/или упаковка. Изоляционные материалы могут включать пенопластовые

- 3 025190 материалы в виде плиты или листа, например. Формованные полистирольные пенопласты широко применяют для изоляции сооружений и частей сооружений. Листы пенопласта альтернативно можно подвергнуть горячему формованию в изделия, такие как лотки или контейнеры, или можно сформовать в формы пенопластового внутреннего упаковочного материала, подходящего для применений в упаковке, например.

Примеры

Эксперименты по вспениванию различных полистиролов с СО₂ проводили в аппаратемикровспенивателе. Эксперименты по вспениванию проводили в главном реакторе высокого давления (50 МПа бар, 453 мл), содержащем двухступенчатый держатель образца. Реактор был электронагреваемым и с возможностью нагнетания в него СО2 в жидком состоянии при помощи шестеренного насоса высокого давления, соединенного с реактором через трубопроводы НР (высокого давления).

Эксперименты включали взвешивание от 0,2 до 0,3 г полистирола в каждую чашу, помещение чаш в реактор. Затем температуру реактора повышали до 200°С в течение двух часов под вакуумом. Затем температуру реактора понижали до необходимой температуры (110°С-160°С) и СО₂ нагнетали в реактор до необходимого давления (120-160 бар). Систему оставляли под давлением и при температуре на ночь, а затем давление резко снижали до атмосферного. Затем в реактор вдували воздух для улучшения охлаждения. Реактор открывали и вспененный полистирол извлекали из чаш. Плотность измеряли по вытеснению воды. Результаты плотности для вспененных полистиролов, определенные по МИ, представлены на фиг. 1 для давления СО₂ 150 бар и на фиг. 2 для температуры 130°С.

Кроме того, следует отметить, что парабола для материала с МИ 30, не является столь крутой, как таковая для МИ 1,6 (т.е. материалы с более высоким МИ обеспечивают более широкий температурный диапазон рабочих режимов, чем материалы с более высоким молекулярным весом).

Несмотря на то, что вышеизложенное направлено на варианты осуществления настоящего изобретения, другие и дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть разработаны без отклонения от его основного объема, и его объем определяется следующей формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Пенополистирол, содержащий полистирол, представляющий собой гомополимер и выбранный из вспенивающегося полистирола и экструзионного полистирола, причем полистирол имеет молекулярный вес М„ от 130000 до 200000 Да; показатель текучести расплава от 25 до 30 г/10 мин, как измерено с помощью А8ТМ Ό 1238, условия 200°С/5 кг и плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,16 г/см³ (10 фунт/фут³), и где пенополистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,16 г/см³ (10 фунт/фут³).
2. Пенополистирол по п.1, где полистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,0128 г/см³ (0,8 фунт/фут³).
3. Пенополистирол по п.1, где полистирол имеет молекулярный вес от 145000 до 200000 Да.
4. Пенополистирол по п.1, где пенополистирол сформирован посредством одного цикла вспенивания.
5. Пенополистирол по п.1, где пенополистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,016 г/см³ (1,0 фунт/фут³).
6. Способ формирования вспененных полистирольных изделий, включающий этапы, на которых обеспечивают полистирол, представляющий собой гомополимер и выбранный из вспенивающегося полистирола и экструзионного полистирола, причем полистирол имеет молекулярный вес М„ от 130000 до 200000 Да; показатель текучести расплава от 25 до 30 г/10 мин, как измерено с помощью А8ТМ Ό 1238, условия 200°С/5 кг, и плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,16 г/см³ (10 фунт/фут³);

формируют полистирол в пенополистирол, где пенополистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,16 г/см³ (10 фунт/фут³); и формируют пенополистирол во вспененное изделие.
7. Способ по п.6, где полистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,0128 г/см³ (0,8 фунт/фут³).
8. Способ по п.6, где полистирол имеет молекулярный вес от 145000 до 200000 Да.
9. Способ по п.6, где пенополистирол формируют посредством одного цикла вспенивания.
10. Способ по п.6, где пенополистирол имеет плотность от 0,0016 г/см³ (0,1 фунт/фут³) до 0,016 г/см³ (1,0 фунт/фут³).
11. Вспененное изделие, полученное из пенополистирола по п.1.