PL217194B1

PL217194B1 - Method for producing a composite polyurethane-polystyrene foam

Info

Publication number: PL217194B1
Application number: PL392669A
Authority: PL
Inventors: Jerzy Polaczek; Jolanta Polaczek; Elżbieta Malewska
Original assignee: Politechnika Krakowska
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2014-06-30
Also published as: PL392669A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania kompozytowej pianki poliuretanowo-polistyrenowej przeznaczonej do formowania lekkich wyrobów, zwłaszcza płyt termoizolacyjnych o zwiększonej sztywności, nadających się szczególnie do stosowania w budownictwie.The subject of the invention is a method of obtaining a composite polyurethane-polystyrene foam intended for forming lightweight products, especially thermal insulation boards with increased stiffness, particularly suitable for use in construction.

W stanie techniki znanych jest szereg opisów patentowych ujawniających technologie otrzymywania materiałów porowatych na bazie sztywnej pianki poliuretanowej zawierającej zdyspergowany wewnątrz polistyrenem.A number of patents are known in the art disclosing technologies for obtaining porous materials based on rigid polyurethane foam containing polystyrene dispersed inside.

Polski opis patentowy nr PL189498 (Int.Cl.⁷ C08J9/228, B29C67/20) wskazuje na możliwość otrzymywania kompozytowych materiałów porowatych poprzez wykorzystania ciepła reakcji tworzenia poliuretanowej pianki do rozrostu drobin polimerów termoplastycznych, jak polistyren bądź polipropylen, zawierających w perełkach wykonanych z tych tworzyw uwięziony składnik poroforowy o temperaturach wrzenia 28-65°C.Polish patent description No. PL189498 (Int.Cl. ⁷ C08J9 / 228, B29C67 / 20) indicates the possibility of obtaining composite porous materials by using the heat of reaction of polyurethane foam formation for the growth of particles of thermoplastic polymers, such as polystyrene or polypropylene, containing in beads made of these plastics trapped blowing agent with boiling points of 28-65 ° C.

Patent amerykański US 6605650 (Int.Cl.⁷ C08L75/04) opisuje sposób wytwarzania materiału wykonanego ze sztywnej pianki poliuretanowej poprzez zmieszanie składnika izocyjanianowego, poliolowego, katalizatora, poroforu oraz granulek polistyrenu zdolnych do ekspandowania. Dodawane granulki w ilości poniżej 5% są rozmiarów 0,4-3 mm i posiadają temperaturę mięknięcia poniżej maksymalnej temperatury osiąganej w trakcie egzotermicznej reakcji tworzenia poliuretanu. W trakcie tworzenia pianki poliuretanowej polistyren początkowo ekspanduje, a następnie ulega stopieniu tworząc wypełnione gazem przestrzenie, zwane kawernami, będące defektami w produkowanych wyrobach.US patent US 6605650 (Int.Cl. ⁷ C08L75 / 04) describes a method of producing a material made of rigid polyurethane foam by mixing an isocyanate component, a polyol component, a catalyst, a blowing agent and expandable polystyrene granules. Less than 5% pellets added are 0.4-3 mm in size and have a softening point below the maximum temperature achieved in the exothermic polyurethane forming reaction. During the formation of polyurethane foam, polystyrene initially expands and then melts to form gas-filled spaces, called caverns, which are defects in the products produced.

W patencie US 6727290 (Int.Cl.⁷ C08G18/10), wydzielonym ze zgłoszenia do w/w patentu ujawniono, że do mieszaniny reakcyjnej mogą być dodawane granulki w postaci nieekspandowanej, częściowo ekspandowanej lub całkowicie ekspandowanej. Ciepło tworzenia poliuretanu powoduje wytopienie ekspandujących granulek tworząc puste wewnątrz kawerny w piance, które są zdecydowanie większe od komórek powstającej równolegle pianki.US Patent No. 6,727,290 (Int.Cl. ⁷ C08G18 / 10), issued from the application to the above-mentioned patent, discloses that granules may be added to the reaction mixture in unexpanded, partially expanded or fully expanded form. The heat of polyurethane formation causes the expanding granules to melt, creating hollow cavities in the foam that are much larger than the cells of the parallel foam.

Koreański patent KR100648651 (Int.Cl/^{2006 01} B32B27/40) ujawnia sposób wytwarzania paneli wykonanych ze sztywnej pianki poliuretanowej ze zdyspergowanym wewnątrz polistyrenem. Ma to na celu obniżenie gęstości poprzez wytworzenie kawern wypełnionych powietrzem. Materiał otrzymuje się przez ekspandowanie dwóch komponentów: kompozycji poliuretanowej i polistyrenu wtryskiwanych pod wysokim ciśnieniem do formy. Ciepło biegnącej reakcji powoduje wytopienie zwartego w piance polistyrenu tworząc kawerny wypełnione powietrzem Rozmiar stosowanych granulek polistyrenu zawiera się w granicach 1-5 mm.Korean patent KR100648651 (Int.Cl/ ^{2006 01} B32B27 / 40) discloses a method of producing panels made of rigid polyurethane foam with polystyrene dispersed inside. This is to lower the density by creating cavities filled with air. The material is obtained by expanding two components: a polyurethane composition and polystyrene injected under high pressure into the mold. The heat of the ongoing reaction causes the polystyrene compacted in the foam to melt, creating cavities filled with air. The size of the polystyrene granules used is within 1-5 mm.

Kolejny koreański patent KR100616365 (Int.Cl.^{2006 01} E04C2/26, E04C2/292) ujawnia sposób wytwarzania paneli wykonanych ze sztywnej pianki poliuretanowej zawierającej polistyren zdolny do ekspandowania. Poprzez wytapianie polistyrenu przy użyciu ciepła reakcji tworzą się w materiale kawerny. Panel otrzymuje się przez wtrysk do formy dwoma dyszami mieszaniny poliolu i izocyjanianu oraz polistyrenu. Receptura mieszaniny składa się z 35% wag. poliolu. 35% wag. izocyjanianu, 30% wag. Polistyrenu o wielkości 5 mm.Another Korean patent KR100616365 (Int.Cl. ^{2006 01} E04C2 / 26, E04C2 / 292) discloses a method of producing panels made of rigid polyurethane foam containing expandable polystyrene. By smelting polystyrene using the heat of reaction, caverns are formed in the material. The panel is obtained by injecting a mixture of polyol and isocyanate and polystyrene into the mold with two nozzles. The formula of the mixture consists of 35 wt. polyol. 35 wt.% % of isocyanate, 30 wt. Polystyrene with a size of 5 mm.

Dotychczas nie było stosowane na skalę przemysłową otrzymywanie kompozytowych materiałów piankowych utworzonych z surowców służących do tworzenia poliuretanu i perełek polistyrenowych zawierających porofor przez wzrost tych ostatnich w cieple mieszaniny reagującego ze sobą poliolu i wieloizocyjanianu. Doświadczenia prowadzone przez zgłaszającego w tej dziedzinie na skalę laboratoryjną, wiązały się z mechanicznym mieszaniem składników i szybkim wprowadzaniem ich do formy. Powstawała w ten sposób duża ilość odpadów pochodzących z naczyń, w których mieszano surowce i z tzw. skórki pochodzącej od nieodpowiednio dogrzanych ścianek formy. Wyrób był ponadto niejednolity w związku z nierównomiernym ogrzaniem całej masy w momencie „startu” wzrostu pianki. Dawało to ostatecznie w wyrobie perełki o niekorzystnie zróżnicowanej gęstości, jak i nierównomiernym rozmieszczeniem ich w objętości wyrobu. W technologiach związanych z otrzymywaniem sztywnych pianek poliuretanowych, w syntezie tych kompozytów, stosowano urządzenia dozującomieszające surowce Teoretycznie urządzenia te są możliwe do użycia celem homogenizacji wyżej wymienionych surowców, jednak kompozyt nie będzie pozbawiony dotychczasowych wad. Takie kompozytowe wyroby zawierają większy lub mniejszy udział dużych porów, w postaci pustych kawern pochodzących z wytapiających się, już rozrośniętych perełek polistyrenu. Przekroje kompozytu posiadają 5-45% takich kawern w wyrobie, pogarszających właściwości termoizolacyjne. Dotychczas stosowane metody do mieszania surowców, jak i do napełniania form nie usuwają tej wady.Until now, it has not been used commercially to obtain composite foam materials made of raw materials for the formation of polyurethane and polystyrene beads containing a blowing agent by growing the latter in the heat of a mixture of reactive polyol and polyisocyanate. The laboratory scale experiments of the applicant in this field have involved mixing the ingredients mechanically and quickly putting them into the mold. In this way, a large amount of waste was created from the vessels in which the raw materials were mixed and from the so-called skin from inadequately heated mold walls. The product was also non-uniform due to the uneven heating of the entire mass at the time of "start" of foam growth. Ultimately, this resulted in beads of unfavorably differentiated density as well as their uneven distribution in the volume of the product. In the technologies related to the production of rigid polyurethane foams, in the synthesis of these composites, dosing devices for mixing the raw materials were used. Theoretically, these devices can be used to homogenize the above-mentioned raw materials, but the composite will not be without its disadvantages. Such composite products contain a greater or lesser proportion of large pores in the form of empty cavities derived from melting, already expanded polystyrene beads. The composite cross-sections have 5-45% of such cavities in the product, which worsen the thermal insulation properties. The methods used so far for mixing raw materials and for filling molds do not remove this disadvantage.

PL 217 194 B1PL 217 194 B1

Celem wynalazku jest znalezienie drogi wyeliminowania miejscowych przegrzań w masie spienionego wyrobu prowadzących do likwidacji kawern pochodzących z wytapiających się perełek polistyrenu, gdyż takie kawerny w znaczny sposób pogarszają wartość współczynnika przewodnictwa cieplnego.The aim of the invention is to find a way to eliminate local overheating in the mass of the foamed product leading to the liquidation of caverns originating from melting polystyrene beads, as such cavities significantly deteriorate the value of the thermal conductivity coefficient.

Rozwiązanie polega na zmieszaniu ze sobą poliolu, składnika izocyjanianowego i perełek polistyrenowych zawierających porofor oraz ogrzaniu mieszaniny do temperatury niższej od temperatury mięknięcia perełek.The solution consists in mixing the polyol, isocyanate component and polystyrene beads containing the blowing agent together and heating the mixture to a temperature below the softening point of the beads.

Istota sposobu charakteryzuje się tym, że oziębia się wcześniej mieszane ze sobą surowce tak, aby temperatura powstającej mieszaniny wynosiła poniżej +15,0°C, a następnie po wylaniu do formy masę ogrzewa się promieniowaniem mikrofalowym do momentu osiągnięcia przez nią co najwyżej temperatury pokojowej po czym podczas ekspandowania zdyspergowanej masy tworzy się kształt wyrobu nadawany przez formę. Korzystnie mieszaninę oziębia się do temperatury +3,0 - +10,0°C, a formę może stanowić układ taśm formujących tunel, z którego odbierane jest w sposób ciągły pasmo płytowe.The essence of the method is characterized by the fact that the raw materials previously mixed with each other are cooled so that the temperature of the resulting mixture is below + 15.0 ° C, and then, after pouring into the mold, the mass is heated by microwave radiation until it reaches room temperature at most. which, during the expansion of the dispersed mass, creates the shape of the product given by the mold. Preferably, the mixture is cooled to a temperature of +3.0 - + 10.0 ° C, and the mold may be a tunnel forming belt system from which the plate strand is continuously removed.

Zaletą wynalazku jest to, że pozwala on na przygotowanie mieszanek kompozytowych o wysokim udziale homogenicznie rozproszonych w nich perełek polistyrenowych, zapewnia jednorodne nagrzanie ich przed startem wzrostu surowców wytwarzających piankę poliuretanową i całkowicie eliminuje powstające w usieciowanym kompozycie puste przestrzenie, które pogarszają właściwości fizykomechaniczne wyrobów termoizolacyjnych. Otrzymywany kompozyt jest pozbawiony kawern osłabiających strukturę tworzywa. W oziębionej mieszaninie poliolu i diizocyjanianu według wynalazku można w prosty sposób upakować dużą ilości perełek. Również łatwe jest zalewanie tą mieszaniną skomplikowanej formy. Sposób według wynalazku w znaczący sposób ogranicza ilość odpadów powstających dotychczas, przy formowaniu wyrobu. Wyroby mogą być produkowane w sposób ciągły w formach tunelowych stanowiących układ taśm formujących pasmo płytowe.The advantage of the invention is that it allows for the preparation of composite blends with a high proportion of homogeneously dispersed polystyrene beads, ensures their homogeneous heating before the start of the growth of raw materials producing polyurethane foam and completely eliminates the voids formed in the cross-linked composite, which deteriorate the physical and mechanical properties of thermal insulation products. The resulting composite is devoid of cavities weakening the structure of the material. A large number of beads can be packaged in a simple manner in the cooled polyol / diisocyanate mixture according to the invention. It is also easy to pour this mixture into a complicated form. The method according to the invention significantly reduces the amount of waste generated so far when forming the product. The products can be manufactured continuously in tunnel molds constituting a system of tapes forming a slab strip.

P r z y k ł a d yExamples

Receptura surowcowa przy otrzymywaniu przykładowego kompozytu:Raw material recipe when obtaining an exemplary composite:

₃ • 50 g poliolu w postaci poliestrolu o gęstości 1,1 [g/cm³] i lepkości 580 [mPas] ₃ • 65 g diizocyjanianu o gęstości 1,23 [g/cm³] i lepkości 350 [mPas] • 92 g perełek polistyrenowych zawierających 6,1% wagowych n-pentanu. ₃ • 50 g of polyol in the form of polyester with a density of 1.1 [g / cm ³ ] and viscosity of 580 [mPas] ₃ • 65 g of diisocyanate with a density of 1.23 [g / cm ³ ] and viscosity of 350 [mPas] • 92 g polystyrene beads containing 6.1% by weight of n-pentane.

P r z y k ł a d 1 (porównawczy)P r z k ł a d 1 (comparative)

Po wymieszaniu w normalnych warunkach w temperaturze ok. 20°C otrzymano dotychczasowym sposobem materiał porowaty, którego przekrój zilustrowano rysunkowo na fig. 1 przedstawiającym zdjęcie materiału porównawczego. Przekroje kompozytów otrzymanych dotychczasowym sposobem pokazują, że ilość kawern, pogarszających właściwości termoizolacyjne wyrobu, w polu widzenia wynosi 5-45%.After mixing under normal conditions at a temperature of approx. 20 ° C, a porous material was obtained using the previous method, the cross-section of which is shown in Fig. 1, which shows a photo of the reference material. The cross-sections of the composites obtained with the existing method show that the number of caverns, which worsen the thermal insulation properties of the product, in the field of view amounts to 5-45%.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Wszystkie surowce poddano schłodzeniu do temperatury 4°C, a następnie po ich zmieszaniu wprowadzono je do formy, którą umieszczono następnie w polu promieniowania mikrofalowego. Po ogrzaniu do temperatury 20°C następowała inicjacja egzotermicznej reakcji chemicznej i ekspandowanie poliuretanu oraz polistyrenu, dając produkt o przekroju zilustrowanym rysunkowo na fig. 2 przedstawiającym zdjęcie materiału otrzymanego sposobem według wynalazku.All raw materials were cooled to 4 ° C, and then, after mixing, they were put into a mold, which was then placed in a field of microwave radiation. After heating to 20 ° C, an exothermic chemical reaction was initiated and the polyurethane and polystyrene expanded, giving the product with the cross-section shown in Fig. 2, which shows a photo of the material obtained by the process of the invention.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Surowiec izocyjanianowy i polistyrenowy oziębiono do temperatury -15°C, a następnie po zmieszaniu ze składnikiem poliolowym o temperaturze -5°C otrzymano mieszaninę o wypadkowej temperaturze -10°C. Po ogrzaniu w polu mikrofalowym uzyskano produkt, w którym kawerny występowały na poziomie 2,0-3,0% (obserwacje z powierzchni przekroju próbki).The isocyanate and polystyrene feedstocks were cooled to -15 ° C, and then mixed with the polyol component having a temperature of -5 ° C, a mixture having a total temperature of -10 ° C was obtained. After heating in a microwave field, a product was obtained in which cavities were present at the level of 2.0-3.0% (observations from the cross-sectional area of the sample).

Stosując wiele dostępnych surowców służących do otrzymywania sztywnych pianek poliuretanowych i postępując według powyżej podanego przepisu, otrzymano kompozytowe pianki o przekroju całkowicie pozbawionym kawern, jak to przedstawiono na fig. 2. Zaobserwowano, że w przedziale temperatur -10,0 do +3,0°C wzrost pianki daje niewielką ilość zauważalnych kawern na poziomie 2,0% ± 1 powierzchni przekroju. W zakresie temperatur od +3,0 do +10,0°C masa nadaje się do napełniania form bez strat surowców, a kawerny całkowicie są nieobecne. W zakresie temperatur od +10,0 do 15,0°C obserwuje się około 5,0% ± 2 utratę surowca na odpady, a kawerny występują w niewielkiej ilości.Composite foams with a complete cavity-free cross-section as shown in Fig. 2 were obtained by using the many available raw materials for the preparation of rigid polyurethane foams and following the above-mentioned recipe. It was observed that in the temperature range -10.0 to + 3.0 ° C. C, the increase in foam gives a small amount of noticeable cavities at the level of 2.0% ± 1 cross-sectional area. In the temperature range from +3.0 to + 10.0 ° C, the mass is suitable for filling molds without loss of raw materials, and caverns are completely absent. In the temperature range from +10.0 to 15.0 ° C, about 5.0% ± 2 loss of raw material for waste is observed, and caverns are present in a small amount.

Claims

1. The method of obtaining a composite polyurethane-polystyrene foam containing expanded polystyrene beads dispersed in a rigid polyurethane foam, consisting in mixing polyol, an isocyanate component and polystyrene beads containing a blowing agent and heating the mixture to a temperature below the softening point of the beads, characterized by the fact that the raw materials are mixed with each other so that the temperature of the resulting mixture is below + 15.0 ° C, and then, after pouring into the mold, the mass is heated with microwave radiation until it reaches room temperature at most, and then when expanding the dispersed mass, a shape is formed of the product given by the form.

2. The method according to p. The process of claim 1, wherein the mixture is cooled to a temperature of +3.0 - + 10.0 ° C.

3. The method according to p. A method as claimed in claim 1, characterized in that the mold consists of a tunnel-forming belt system from which the plate strip is continuously received.