Углекислота в пенопласте

Использование полимерных материалов в повседневной жизни кажется человеку XXI века совершенно естественным, а сами эти материалы – привычными и незаменимыми. При этом промышленное производство полимеров не насчитывает еще и ста лет.

История рождения пенопласта – яркий пример того, сколь долгий путь порой должно пройти открытие от момента обнаружения нового явления и выдвижения теорий до практического его использования.

Началось все в тридцатые годы XIX века. В 1839 году Эдуард Симон, аптекарь из Берлина, в процессе изучения свойств натуральных смол, выделил из стиракса (смолы Ликвидамбара дальневосточного) легкую, бесцветную, прозрачную жидкость, которая была названа стиролом. Через несколько дней исследователь обнаружил, что консистенция жидкости изменилась, приобретя вид геля. Предположив, что образовавшееся вещество – продукт окисления стирола кислородом воздуха, Э.Симон назвал его стиролоксидом.

Понадобилось еще шесть лет, чтобы сделать следующий шаг: в 1845 году Артур Вильхельм фон Хофман и Джон Блит заинтересовались свойствами стирола. Серия проведенных экспериментов показала, что процесс превращения стирола в гелеобразную субстанцию происходит и без доступа кислорода. Идентичность этого вещества, названного метастиролом, стиролоксиду была доказана при дальнейших исследованиях, но практической пользы от своей работы исследователи не увидели.

И лишь в 1922 еще один немец, Герман Штаудингер, довел процесс до логического конца. При повышенных температурах молекулы стирола соединялись в длинные цепочки – макромолекулы, образуя твердое вещество. По результатам исследования Штаудингер получил Нобелевскую премию, а остальное человечество – массовое производство пластмасс и полимеров.

В 1931 году специалисты германского концерна BASF запустили аппарат по выпуску полистирола. Расплав продавливался через горячую трубу экструдера, специальный резак отсекал кусочки массы в виде шариков. Шарики эти, при очень высокой гибкости, по прочности не уступали алюминию. До создания пенопласта оставался один шаг.

Пионером производства пенопласта стал все тот же немецкий концерн BASF. В 1949 году инженер Фриц Штясны запатентовал технологию вспенивания полистирола – и с этого момента пенопласт начал свое победное шествие по самым разнообразным сферам жизни. Наиболее востребованными оказались его великолепные теплоизоляционные свойства.

В современных теплоизоляционных материалах используется пенопласт, более 90 % объема которого составляет газ. В зависимости от используемой технологии производства, это может быть воздух, углекислота, легкокипящие органические соединения. Равномерно распределенные в массе полимера, пузырьки газа создают труднопреодолимый барьер на пути тепловых потоков. Добавьте сюда низкий удельный вес, ценовую доступность и простоту обработки – и скорость, с которой новый материал завоевал строительные рынки, становится вполне объяснимой.

Использование углекислоты в качестве газонаполнителя для пористых полимерных материалов было совершенно логичным шагом. Пожаробезопасность, химическая инертность, доступность, низкая стоимость углекислоты сделали ее одним из первых опробованных, и до сегодняшнего дня одним из самых популярных материалов в производстве пенопластов.

За более чем полувековую историю развития производства пористых материалов на полимерной основе, ассортимент их значительно расширился. Приведем наиболее распространенные виды.
• Пенополистиролы – пенопласты на основе полистирола. Белый жесткий пористый материал, с замкнутой структурой ячеек. Малотоксичен, широко используется в производстве строительных материалов, упаковки для пищевых продуктов.

• Пенополиуретаны, наиболее известным представителем которых является поролон. В отличии от пенополистирола, структура ячеек поролона в основном открытая. Этот материал обладает очень высокой эластичностью, прекрасно впитывает влагу, пропускает воздух и пары воды. Поливинилхлоридные пенопласты, благодаря содержанию в составе более 56 % связанного хлора обладают пониженной горючестью, относятся к самозатухающим материалам. В роли газонаполнителей служат обычно соли угольной кислоты (бикарбонат натрия или пищевая сода, а также карбонат аммония), которые в процессе производства разлагаются с выделением газообразной углекислоты.

• Пенополиэтилены производятся в основном в виде полупрозрачных листов, наполненных пузырьками газа. Широко используются для упаковки хрупких, бьющихся предметов.
Предлагаемая классификация основана на составе твердого компонента, составляющего каркас ячеек пенопласта. Эти материалы достаточно сильно отличаются по химическим и физическим свойствам, определяя в значительной степени сферу употребления той или иной его разновидности. Но и то, чем заполнены поры, в значительной степени определяет как потребительские свойства готового материала, так и его безопасность.

От вида газонаполнителя и технологии его введения в состав полимерной композиции зависят как физические свойства полученного материала (удельный вес или кажущаяся плотность, тепло- и звукоизоляционные свойства), так и его пожаробезопасность. Чаще всего в качестве газонаполнителей в производстве пенопластов используются:
• Инертные газы: углекислота, азот, аргон. Преимущества их использования очевидны: снижение пожароопасности за счет ограничения доступа кислорода к зоне горения. Вырывающийся их пор газ сам сдерживает распространение огня. К сожалению, большинство инертных газов плохо растворимо в реакционной массе при производстве полимера. А хорошая растворимость в исходных материалах и плохая в продуктах реакции (и, следовательно, вытеснение из них в виде пузырьков газа) – одно из основных требований к газонаполнителю, обеспечивающее равномерную пористость готового продукта. В наибольшей степени этому требованию удовлетворяет углекислота. Газ под давлением вводится в реакционную массу, тщательно перемешивается. В дальнейшем, при резком снижении давления, растворимость газа уменьшается, и пузырьки углекислоты вспенивают расплав полимера. Такая технология применяется при производстве экструзионных пенопластов. Полученный материал однороден, трудно разламывается. Однако плотность его обычно выше, чем у полученного по другим технологиям.

• Еще один способ введения углекислоты в массу полимерной композиции для производства пенопластов – использование в качестве газообразующего компонента сухого льда. Сухой лед или твердый оксид углерода (II) образуется при резком снижении давления углекислого газа, например при выпуске из баллона. Образующийся мелкодисперсный порошок вводится в реакционную массу, в дальнейшем он испаряется, вспенивая полимер и заполняя поры пенопласта углекислым газом.

• Легкокипящие жидкости, хорошо растворимые в исходном сырье для производства полимера. Это могут быть фреоны, изопентан, метиленхлорид и многие другие вещества. В дальнейшем, при термической обработке гранул полимера, насыщенных такой жидкостью, происходит вспенивание и увеличение объема гранулы в несколько раз. На сегодняшний день это наиболее распространенная технология. К сожалению, большинство легкокипящих жидкостей обладают общим недостатком – горючестью. Поэтому, при возникновении возгорания, газ, выходящий из ячеек, становится дополнительным источником опасности. Именно поэтому использование пенопластов во внутренней отделке помещений запрещено пожарными нормами. Допускается использование только для внешнего утепления. Использование фреона в связи с его влиянием на разрушение озонового слоя ограничено законодательством большинства государств, поэтому использование фреоновых газонаполнителей в производстве пенопластов на данный момент незначительно.

Углекислота может быть введена в состав полимерного сырья еще одним способом – добавлением легко разлагаемых солей угольной кислоты, например бикарбоната натрия или карбоната аммония. Эти соли при повышении температуры в процессе термической обработки разлагаются с выделением углекислого газа.

На сегодняшний день производство пенопласта – надежный и прибыльный бизнес. Спрос на газонаполненные полимерные материалы с каждым днем растет, при этом расширяются сферы его применения. Сегодня это не только прекрасный тепло- и звукоизолятор для строительных работ, но и материал для изготовления упаковки, одноразовой посуды, декоративных элементов.
Качественная углекислота находит в производстве пористых полимеров широкое применение. Но успешный бизнес невозможен без понимания перспективы, без внимательного изучения рынка завтрашнего дня.

Если сегодня мы говорим об использовании углекислоты в производстве пенопластов, то уже завтра можно ожидать бурного развития производства пенопласта из углекислоты. В 2004 году Джефри Коатс и Скотт Аллен (Корнельский университет, США, штат, Нью-Йорк) разработали технологию каталитического синтеза полимеров при комнатной температуре и низком давлении из диоксида углерода и угарного газа. Полученный продукт, помимо очевидной выгоды от использования доступного возобновляемого сырья, обладает еще одним ценным качеством – биоразлагаемостью. Так что новый материал сегодня – на острие внимания ученых, экологов, производственников.

Углекислота от компании «DP Air Gas» по всем показателям соответствует требованиям, предъявляемым к техническим газам. Традиционные технологии или новейшие разработки сопряжены с техническими газами, которыми Вас может обеспечить компания. Перечень продукции — здесь.