Вспениватель представляет собой специальную химическую добавку, которая при нагревании разлагается с выделением газа, создавая в полимерном материале пористую структуру. Эти вещества незаменимы в производстве пенопластов, вспененных резин, синтетической кожи и легких конструкционных материалов. Применение вспенивателей позволяет снизить массу изделий до 70 процентов, улучшить теплоизоляционные свойства и сократить расход сырья.
Что такое вспениватель и принцип его действия
Вспениватель, или порофор, это специальное химическое соединение, предназначенное для создания ячеистой структуры в полимерных материалах. При достижении определенной температуры вспениватель начинает разлагаться, выделяя газообразные продукты, которые формируют в расплаве полимера множество мелких пузырьков.
Процесс вспенивания происходит в несколько этапов. Сначала порофор равномерно распределяется в полимерной массе. Затем при нагревании до температуры разложения начинается выделение газа. Образующиеся газовые пузырьки расширяются и распределяются по всему объему материала. На финальной стадии происходит стабилизация структуры при охлаждении или отверждении полимера.
Важно понимать: эффективность вспенивания зависит от правильного подбора температуры разложения порофора относительно температуры переработки полимера. Разница между этими параметрами обычно составляет от 10 до 30 градусов.
Классификация и типы вспенивателей
Химические вспениватели
Химические порофоры разлагаются при нагревании с образованием газообразных продуктов. Они делятся на две основные группы по типу термической реакции.
Экзотермические вспениватели выделяют тепло при разложении. К этой группе относятся органические соединения на основе азота. Самый распространенный представитель - азодикарбонамид, который составляет около 85 процентов от всех используемых химических вспенивателей. При разложении он выделяет преимущественно азот, а также небольшое количество углекислого газа, оксида углерода и аммиака.
Эндотермические вспениватели поглощают тепло в процессе разложения. Это неорганические соединения, включающие карбонаты и бикарбонаты. Типичный представитель - бикарбонат натрия, разлагающийся при температуре 270-300 градусов с выделением углекислого газа. Эндотермические порофоры образуют более мелкую структуру ячеек и обладают лучшей экологичностью.
| Тип вспенивателя | Температура разложения | Газовое число (мл/г) | Основной выделяемый газ |
|---|---|---|---|
| Азодикарбонамид (ЧХЗ-21) | 190-220°C | 220-230 | N₂ (65%) |
| OBSH (оксибис-сульфонилгидразид) | 150-165°C | 125-130 | N₂ |
| TSH (толуолсульфонилгидразид) | 110-143°C | 120-140 | N₂ |
| PTSS (толуолсульфонил семикарбазид) | 228-236°C | 140 | N₂ |
| Бикарбонат натрия | 270-300°C | 100-120 | CO₂ |
Физические вспениватели
Физические газообразователи представляют собой летучие жидкости или сжатые газы, которые вводятся в расплав полимера под давлением. При снижении давления или повышении температуры они переходят в газообразное состояние, вспенивая материал. К физическим вспенивателям относят азот, углекислый газ, пентан, бутан и другие углеводороды.
Преимущество физических порофоров заключается в возможности получения материалов с очень низкой плотностью и более широком диапазоне регулирования свойств пены. Однако их применение требует специального оборудования и строгого соблюдения правил безопасности из-за высокого давления и пожароопасности некоторых веществ.
Ключевые характеристики вспенивателей
Температура разложения
Температура разложения является критическим параметром при выборе порофора. Она должна соответствовать температуре переработки конкретного полимера. Для полиэтилена низкого давления подходят вспениватели с температурой разложения 160-180 градусов, для ПВХ - 180-200 градусов, для полипропилена - 200-220 градусов.
Использование активаторов позволяет снизить температуру разложения на 40-80 градусов. В качестве активаторов применяются соли цинка, мочевина, гликоли и другие вещества. Это расширяет возможности применения порофоров для полимеров с низкой температурой переработки.
Газовое число
Газовое число показывает объем газа в миллилитрах, который выделяется при разложении одного грамма вспенивателя при нормальных условиях. Чем выше газовое число, тем меньше порофора требуется для достижения нужной степени вспенивания. У азодикарбонамида газовое число составляет 220-230 миллилитров на грамм, у воды как физического вспенивателя - более 1600 миллилитров на грамм.
Размер ячеек и плотность
Размер ячеек в вспененных материалах варьируется от 0,05 до 15 миллиметров в зависимости от типа вспенивателя, его концентрации и режима обработки. Мелкоячеистая структура размером 10-50 микрометров достигается при использовании эндотермических порофоров или низких концентраций экзотермических.
Плотность вспененных изделий может изменяться в диапазоне от 5 до 800 килограммов на кубический метр. Снижение плотности на 30-40 процентов достигается при введении порофора в количестве 1,5-2 процента от массы полимера.
Концентрации и дозировки вспенивателей
Типичные концентрации химических вспенивателей в полимерных композициях составляют от 0,5 до 10 процентов по массе. Конкретная дозировка зависит от желаемой степени вспенивания, типа полимера и способа переработки.
- Для получения легкого вспенивания с плотностью 0,7-0,9 грамма на кубический сантиметр достаточно 0,5-1 процента порофора
- Средняя степень вспенивания с плотностью 0,5-0,7 грамма на кубический сантиметр требует 1,5-3 процента вспенивателя
- Сильное вспенивание с плотностью 0,3-0,5 грамма на кубический сантиметр достигается при концентрации 4-8 процентов
- Высокое газовое число азодикарбонамида позволяет получить нужное пенообразование при добавлении всего 2-10 процентов вспенивателя
При работе с концентратами вспенивателей, где активное вещество составляет 30-70 процентов, дозировки пересчитываются с учетом содержания действующего компонента. Важно обеспечить равномерное распределение порофора в полимерной массе для получения однородной структуры пены.
Применение вспенивателей в различных отраслях
Полимерная промышленность
Основная область применения порофоров - производство вспененных пластиков и резин. Вспениватели используются при изготовлении теплоизоляционных материалов, упаковки, строительных панелей, напольных покрытий. Методы переработки включают литье под давлением, экструзию, ротационное формование и прессование.
Азодикарбонамид широко применяется для вспенивания ПВХ, полиэтилена, полипропилена, полистирола, АБС-пластиков. OBSH используется для полимеров, где требуется белый цвет и отсутствие аммиака в продуктах разложения. Физические вспениватели находят применение в производстве экструдированного пенополистирола и пенополиуретана.
Резиновая промышленность
В производстве пористых резин вспениватели играют двойную роль - порообразователя и ускорителя вулканизации. Сульфонилазиды обладают структурирующей активностью и одновременно выделяют газ, создавая губчатую структуру в каучуках. Это позволяет получать легкие и эластичные материалы для подошв обуви, уплотнителей, виброизоляционных элементов.
Производство синтетической кожи
Вспениватели являются ключевым компонентом при изготовлении искусственной кожи на основе ПВХ и полиуретана. Они создают мягкую пористую структуру, имитирующую натуральную кожу. Применение порофоров позволяет регулировать плотность и толщину материала, улучшая его потребительские свойства.
Другие области
Вспениватели используются в производстве легких конструкционных материалов для автомобильной промышленности, включая сиденья, панели приборов, элементы отделки салона. В строительстве они применяются для изготовления теплоизоляционных плит, сэндвич-панелей, уплотнительных лент. Концентрат вспенивающий полиолефиновый успешно используется при производстве широкого ассортимента изделий - от малогабаритных деталей сложной конфигурации до крупногабаритных облегченных изделий, таких как сиденья для стадионов.
Преимущества и недостатки использования вспенивателей
Преимущества
- Значительное снижение массы изделий при сохранении жесткости и прочности на единицу массы
- Улучшение теплоизоляционных и звукопоглощающих свойств материалов
- Экономия полимерного сырья за счет уменьшения плотности
- Возможность использования стандартного перерабатывающего оборудования при работе с химическими порофорами
- Широкий выбор вспенивателей для различных типов полимеров и температурных режимов
- Улучшение внешнего вида изделий за счет устранения усадочных раковин и коробления
Недостатки
- Снижение прозрачности материалов из-за рассеивания света на границах ячеек
- Некоторое уменьшение прочностных характеристик по сравнению с монолитными изделиями
- Необходимость точного контроля температурных режимов для предотвращения преждевременного разложения
- Увеличение времени охлаждения изделий из-за низкой теплопроводности вспененной структуры
- Требования к специальному оборудованию и мерам безопасности при использовании физических вспенивателей
- Возможность появления неравномерной структуры при неправильном подборе параметров процесса
Оборудование и технология вспенивания
Для производства вспененных материалов применяется стандартное оборудование для переработки пластмасс с некоторыми модификациями. Основные методы включают экструзию, литье под давлением, прессование и ротационное формование.
При экструзионном вспенивании порофор вводится в экструдер вместе с полимером и другими добавками. В зоне плавления происходит разложение вспенивателя и насыщение расплава газом. На выходе из фильеры при снижении давления материал вспенивается и формуется в заданный профиль. Важно поддерживать температуру первой зоны экструдера ниже температуры разложения порофора во избежание преждевременного газовыделения.
Литьевое вспенивание осуществляется на термопластавтоматах с уменьшенным давлением впрыска и увеличенным объемом формы. Доза впрыска снижается на 10-30 процентов в зависимости от требуемой плотности изделия. Расширяющийся материал заполняет полость формы, создавая легкие детали с монолитной поверхностью и вспененной сердцевиной.
Прессование вспененных материалов включает совмещение процессов сшивания и вспенивания для термореактивных полимеров. Для полиэтилена применяется система перекись-порофор, где органическая перекись сшивает макромолекулы, а порофор создает пористую структуру.
Часто задаваемые вопросы
Заключение: Вспениватели являются незаменимыми добавками в современном производстве полимерных материалов. Правильный выбор типа порофора, его концентрации и режимов переработки позволяет получать изделия с заданными свойствами, снижать материалоемкость производства и улучшать эксплуатационные характеристики готовой продукции. Развитие технологий вспенивания направлено на создание более экологичных и эффективных систем с улучшенным контролем структуры материала.
