Jaký plyn je v polystyrenové pěně?

Polystyrenová pěna je druh nízkohustotního kompozitního materiálu nebo pěny, jehož jednou složkou je polymer a druhou složkou je plyn. Jinými slovy, pěna je plastová hmota plněná plynem. Pěnové plasty mají zpravidla na rozdíl od pěnových plastů strukturu ve formě izolovaných buněk nebo tvrzených pěn. Buňky se skládají z uzavřených dutin, které nejsou vzájemně spojeny a mají stěny polymerní matrice jako separátor. Rozdíl mezi porézními plasty a pěnovými plasty spočívá v tom, že první z nich mají houbovitou strukturu (póry nejsou izolované). Systém propojených pórů je hlavním znakem porézních plastů.

Všimněte si, že výše uvedená definice pěnových plastů a porézních plastů je zcela podmíněná, protože v mnoha případech je v polystyrenové pěně značný počet buněk propojen, zatímco v polystyrenové pěně mohou být izolovány. Stoprocentně lze říci, že je izolován pouze v případě, že materiál tvoří jednotlivé pěnové granule, například ve stavebnictví oblíbený pěnový polystyren. Bylo by přesnější nazvat pěnovým plastem jakýkoli plynem plněný plast, který byl vyroben napěněním původně viskózní tekuté nebo kapalné polymerní kompozice s dalším vytvrzením.

Výroba pěnových plastů

Při výrobě pěnových plastů v průmyslových podmínkách dochází k distribuci plynu v polymeru, který je v tomto případě polotovarem. Může to být tavenina, roztok, tavenina, disperze, kapalný oligomer atd. Nebo se při výrobním procesu nepřidává plyn, ale jsou vytvořeny podmínky pro nezávislé uvolnění požadovaného objemu plynu ve hmotě polymerního pojiva. K tomu může dojít přímo při syntéze nebo modifikaci původního polymeru nápadným příkladem takového materiálu je PU pěna (polyuretanová pěna).

Technologický postup výroby pěnových plastů používá k dosažení pěnového efektu různé metody, které lze rozdělit do následujících typů:

• vstřikování plynu pod tlakem do polymerního systému;
• přidání poroforů nebo plynotvorných činidel do polymerního systému chemických činidel, které se za určitých podmínek rozkládají za uvolňování plynných sloučenin;
• přidávání látek, které uvolňují plyn během chemické reakce mezi sebou nebo s jinými složkami systému;
• míchání pomocí mechanických zařízení v přítomnosti pěnotvorných činidel nebo tzv. „bublání“;
• zavedení snadno se odpařujících kapalin do polymerní matrice, vytváření plynné fáze, když teplota stoupá;
• další méně používané operace.

Různé metody pro získání pěnové struktury umožňují měnit vlastnosti hotového produktu v závislosti na počátečním složení systému a podmínkách vytvrzování kompozice. Zejména je možné získat pěnu s více otevřenou nebo uzavřenou strukturou, různou hustotou, různou velikostí buněk atd.

Výroba pěny

Stroje a zařízení na výrobu pěnových plastů se dělí na typy, které závisí na způsobu získávání finálního materiálu a na technických vlastnostech výchozího polymeru určeného k napěnění.

Druhy pěnových plastů podle způsobu výroby. Extrudovaná polystyrenová pěna, nejčastěji polyethylen, se vyrábí z polymeru napěněním ve vytlačovacím válci nebo v prvcích formovacího zařízení. Expandovaný polystyren neboli EPS se vyrábí ve formě perličkových granulí obsahujících nízkovroucí pentan, které se následně upravují horkou párou přímo ve formě na pěnu.

Již výše zmíněná polyuretanová pěna se vyrábí a zpracovává na výrobky vstřikováním dvousložkové směsi na speciálních vstřikovacích strojích pod tlakem. Navíc se tímto způsobem vyrábí výrobky jak z měkkého (pěnová pryž) PPU, tak z tvrdé (izolace potrubí, díly interiéru automobilů), tzv. integrální polyuretanové pěny. Komponenty pro směs jsou polyol a isokyanát, které reagují za uvolňování oxidu uhličitého. Jejich chemické vlastnosti a poměr při vstřikování určují vlastnosti výsledných produktů. Míchání polyolu a isokyanátu vzhledem k jejich vysoké reaktivitě obvykle probíhá ve vysokotlaké matrici těsně před vstřikováním dutiny do forem.

Rýže. 1 Čalouněný nábytek je hlavním trhem pro elastickou polyuretanovou pěnu (pěnová pryž).

Nejjednodušší výrobky z pěnových plastů lze vyrábět i na standardních strojích na zpracování polymerů, jako jsou vstřikovací stroje nebo vytlačovací linky. K tomu je nutné přidávat do kompozice speciální koncentráty přísad látek, které se při technickém procesu rozkládají, tzv. porofory. Obvykle se tím nedosáhne výrazného napěnění výrobků, odpovídajících úspor surovin a zlepšení vlastností hotového výrobku, na jeho povrchu se však mohou objevit nežádoucí stopy úniku plynu přes polymerní hmotu – vada „vystříbření“. Přesně řečeno, tato metoda produkuje mírně napěněnou monolitickou část a ne polystyren v klasickém smyslu.

Pěnové díly lze také vyrobit vymytím rozpustného plniva z plastového polotovaru. Další vzácná metoda zahrnuje slinování práškových plastů a je vhodná i pro jiné materiály, jako jsou některé kovy. Pěna může být také vyráběna tvorbou kondenzační struktury, která je možná v roztocích polymerů. Materiály související s pěnovými plasty se získávají přidáním plynem plněných dutých plniv, včetně mikrokapslí různé povahy, do polymerní matrice. Takto se vyrábějí plasty plněné plynem.

Polymery vhodné pro pěnidla a nadouvadla

Většina známých polymerů může být naplněna plyny pro výrobu pěnového plastu. Průmysl zároveň vyrábí velkosériové pěnové plasty především na bázi polystyrenu (pěnový polystyren, EPS), polyetylenu (pěnový PE), polyvinylchloridu (pěnový PVC), polyuretanů (PPU), polypropylenu (pěnový PP). Méně běžně používané jsou polyreaktivní materiály, jako je polyuretanová pěna, jako je epoxid, močovina, fenolové pryskyřice a také organokřemičité polymery.

Při pěnění v průmyslu se používají zejména následující generátory plynu: obsahující dusík (azosloučeniny, nitrosloučeniny, uhličitan amonný atd.) a nízkovroucí kapaliny – isopentan, odrůdy freonu, methylenchlorid.

Vlastnosti pěnových výrobků

Moderní průmysl vyrábí elastické (měkké) a tvrdé (integrální) pěny s buňkami o velikosti 0,02-2 mm, maximálně do 5 mm. Tyto materiály mají velmi vysoké tepelně izolační a zvukově izolační vlastnosti a velmi nízkou objemovou hmotnost (od 0,02 do 0,5 g/cm2). Další vlastnosti pěnových plastů, jako jsou mechanické a elektrické vlastnosti, propustnost plynů, odolnost vůči vodě a chemikáliím atd. závisí na chemickém složení a formulaci původního polymerního systému a na způsobu výroby a struktuře produktu.

Pěnové díly obecně nevyžadují další následné zpracování. To znamená, že množství odpadu při výrobě a provozu takových produktů je nízké. Tato skutečnost ve spojení s již uvedenými výhodami činí polystyrenovou pěnu velmi atraktivní pro výrobce plastových výrobků.

Oblasti použití pěnových produktů

Tepelná vodivost jakýchkoli pěnových materiálů je velmi nízká, což předurčuje široké spektrum jejich aplikací v různých oblastech lidského života.

Obrázek 2. Relativně novým využitím polystyrenové pěny jsou jednorázové podnosy na jídlo.

Popsané výrobky jsou široce používány jako izolační a zvukotěsný materiál ve stavebnictví, tepelné izolaci potrubí, lodní a letecké výrobě, strojírenství (izolace chladniček a chemických reaktorů), automobilovém průmyslu a mnoha dalších oblastech. Polystyrenová pěna se používá při výrobě vícevrstvých konstrukcí (sendvičových panelů), různých plovoucích zařízení, izolačních fólií a podložek tlumících nárazy. Pěnový polystyren si získal širokou oblibu v různých nádobách a obalech, včetně domácích spotřebičů a elektroniky, stejně jako ve formě táců na potravinářské výrobky. Obrovský objem výroby elastické polyuretanové pěny je nutný pro výrobu čalouněného nábytku, matrací a zimního oblečení. Životnost takových výrobků může dosáhnout desítek let.