Установка и способ получения вспененного полимера

Настоящее изобретение относится к установке и способу получения вспененного полимера и, в часгности, к установке и способу непрерывного получения вспененного полимера низкой плотности.ДЛЯ ПОЛУЧСНИЯ ВСПСНСННЫХ ПОЛШИСрОВ обычно требуется произвести смешивание нескольких компонентов, вступающих в реакцию и образующих вспененный полшиер. ТипичнЬ 1 ми компонентами являются полиол, изоцианат,катализатор или катализаторы, поверхностноактивное вещество и вода. Если указанные компоненты смешаны в правильной пропорции,вода вступает в реакцию с изоцианатом, образуя двуокись углерода, вспенивающую полимер.Для непрерывного получения вспененного полимера на конвейер (с подвижной основой и регулируемыми боковыми стенками) помещают слой смеси, компоненты которой вступают в реакцию.В последнее время для непрерывного поЛУЧСНИЯ ВСПСНСННЬЕХ ПОЛИМСрОВ НИЗКОЙ ПЛОТНОсти стали применять относительно инертную ясидкость с низкой точкой кгшения, которую под давлением в жидком состоянии смешивают С ДрУГИМИ ХИМИЧССКИМИ КОМПОНСНТЗМИ С ЦСЛЬЮ оказания дополнительного раздувающего действия на смесь до ее вспенивания двуокисью углерода, образующейся в результате реакции между изоцианатом и водой.Смесь помещают на конвейер, а испарившаяся жидкость с низкой точкой кипения вспенивает реакционную смесь, которая далее вспенивается двуокисью углерода, образующейся химическим способом из реакционной смеси, в результате чего получают вспененный полимер.Подходящими раздуваюЩими/вспеъшвающими веществами являются различные хлорфторуглеродные соединения (соединения ХФУ).Несмотря на то, что соединения ХФУ обладают требуемой инертностью и относительно низкой точкой кипения, с недавнего времени их использование стало затруднено по экологическим соображениям, поскольку считается, чго они способствуют истощению озонового слоя. Подходящей заменой для соединений ХФУ является двуокись углерода, однако, поскольку двуокись углерода испаряется при гораздо более низкой температуре, чем соединения ХФУ, и должна быть подвергнута воздействию давлеНИЯ, ЧТОбЫ НЗХОДИТЬСЯ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ, В установке и способе получения было необходимо поддерживать относительно высокое давлеНИС.Тем не менее, до тех пор пока испарение двуокиси углерода происходит при неконтролируСМЫХ УСЛОВИЯХ, ЧЗСГЬ ее МОЖСТ ТСрЯТЬСЯ, а эффективность вспенивания снижается, чго приводит к получению вспененного полшиера низкого качества с неоднородной структурой ячеек и пустотами или "булавочнЬ 1 х проколов".В установке, описанной в Европейской патентной заявке 0645226, сделана попытка обеспечить контролируемые условия за счет вЬ 1 грузки реакционной смеси через удлинештую зону перепада давлений для обеспечения вспенивания, протекания вспенивающей смеси через полость вспенивания и выпускное отверстие и затем выпуску вспенивающей смеси на субстрат.В опубликованной заявке 7/О 96/00644 предлагается осуществлять вспенивание реакционной смеси в большом числе отдельных потоков со скоростью свыше 500 разделений в секунду. Это предполагается достигнуть путем пропускания реакционной смеси через одно или несколько мелких сит с размером отверстий от 0,025 до 0,3 мм. Сита, предусмотренные в заявке ШО 96/00644, представляют собой диски с ОТВСрСТИЯМИ ИЛИ рСШСТКИ, ДЛЯ ПрОХОЖДСНИЯ ПОТОКОВ ЧСрСЗ НИХ ПО ПРОСТЫМ ПрЯМЫМ траекториям. Во всех вариантах осуществления, показанных в примерах в заявке ИО 96/00644, использовано множество раздельных мелких сит,разнесенных по оси на определенном расстоянии друг от друга с помощью соответствующих проставок, обеспечивающих наличие свободного пространства между ними.Такому устройству присущ вероятный недостаток, заключающийся в том, что в результате перепада давлений на отдельных ситах вспеНИВЗНИС МОЖСТ ПрОИСХОДИТЬ В пространствах между ситами, что было бы крайне нежелательно на практике.Реакционную смесь, используемую в способе, раскрытом и заявленном в заявке Ю 96/00644, получают из, по меньшей мере, двух КОМПОНСНГОВ И ДВУОКИСИ углерода В КЗЧССГВС вспенивающего вещества, смешивая, по меньШСЙ мере, ОДИН ИЗ КОМПОНСНТОВ С ДВУОКИСЬЮ углерода под давлением, в результате чего образуется смесь, содержащая жидкую двуокись углерода, а затем смешивая полученную смесь с ДрУГИМ КОМПОНСНТОМ ДЛЯ ПОЛУЧСНИЯ ВСПСНСННОЙ реакционной смеси. Указанные этапы смешивания обычно осуществляют в статичном смесительном аппарате и вращающейся смесительной головке, соответственно.Указанная система основана на получении полностью смешанной реакционной смеси выше по потоку относительно мелкого сита (сит), так как, учитывая, что поток смеси, проходит через ОТВСрСТИЯ сита ПРСШИУЩССТВСННО В ОДНОМ направлении, Т.С. ПСрПСНДИКУЛЯрНО К ПЛОСКОСТИ сита, внутри самих отверстий сита не происходит какого-либо значительного смешивания.Первой целью настоящего изобретения является создание установки и способа получения вспененного полимера, обеспечивающего регулируемый перепад давлений и, тем самым, способствующего получению равномерно вспененного полимера высокого качества с улучшенной структурой ячеек.В СООТВСТСТВИИ С ПСрВЫМ ЗСПСКТОМ настоящего изобретения предлагается установка для получения вспененного полимера, в которой смешивают участвующие в реакции компоненты смеси и вспенивающее вещество с низкой точкой кипения, создают давление, достаточное для поддержания вспенивающего вещества в жидком состоянии, и пропускают смесь через проницаемую выпускную головку, через которую выходит смесь, давление в которой снижается и образуется вспененный полимер, указанная установка отличается тем, что выпускная головка включает, по меньшей мере, один диффузионный элемент, конструкция которого обеспечивает разделение, расхождение и схождение траекторий потоков в трех измерениях внутри диффузионного элемента по его осевой толщине, взятой в направлении проходящего через него потока.Было обнаружено, что при выпуске смеси через такой диффузионный элемент происходит перемешивание и/или распределение смеси при ее прохождении через диффузионный элемент, а полученная в результате этого пена является исключительно равномерной по своей природе,отличается высоким качеством и относительно свободна от неровностей, например, пустот или пор.Диффузионный элемент преимущественно выполнен из пронгщаемого для жидкости и/или газа рассеивающего материала.Предпочтительно диффузионный элемент выполнять из склеенного или спеченного материала или спеченного композитного материала.ПРСДПОЧТИГСЛЬНЫМ СКЛССЪШЫМ ИЛИ СПСченным материалом является металл, например нержавеющая сталь, однако в качестве альтерНЗТИВЫ МОЖСТ ВКТПОЧЗТЬ ДрУГИС СКЛСИВЗСМЫС или спекаемые материалы, например пластмассЬ 1 или керамические Материалы, или другие вещества в виде частиц, например углерод,кремнезем, глинозем и стекло. Несмотря на то,что спеченный материал, полученный из частиц сферической формы, отвечает соответствующим требованиям, разброс размеров частиц определенного сорта спеченного материала таков, что может оказаться сложным обеспечить требуемый контроль за испарением вспенивающего вещества. Тем не менее размеры и допуски на спеченную проволоку превышают соответствующие характеристики спеченных частиц сферической формы и, таким образом, было установлено, что спеченная проволока в особенности пригодна для применет-Шя в качестве диффузионного элемента. Сито из спеченной проволоки обычно изготавливают в виде листов путем прокатки и спекания двух или более слоев проволоки таким образом, что в процессе спекания сито в точках соприкосновения сплавливается."Склеенным" является такой материал, отДСЛЬНЫС ЧЗСТИЦЫ ИЛИ НИТИ КОТОРОГО В точках соприкосновения соединены с помощью сплав 000313ливающего, адгезивного или иного клеящего вещества.Давление реакционной смеси с двуокисью углерода до попадания в диффузионный элемент должно превышать равновесное давление смеси.Например, было установлено, что, если равновесное давление составляет от 8 до 15 бар,при применении спеченного материала со средним размером около 20 мк и давлении реакционной смеси до спекания от 16 до 30 бар, образуется однородная пена и впоследствии вспеНСННЪ 1 С ПОЛИМСрЫ ПрИСМЛСМОГО КЗЧССТВЗ.В одном из экспериментов скорость потока СМСШЗННЫХ КОМПОНСНТОВ И ДВУОКИСИ углерода С приблизительной вязкостью 400-600 сП/с составляла 14 кг/мин при температуре 20 С, средьшй размер спеченного материала был равен около 20 мк при диаметре 30 мм и толщине 1,32 мм, в результате чего была получена однородная пена и вспененный полимер приемлемого качества.На практике размер пор у обычного спеченного материала может иметь большой разброс. Например, в одном из спеченных материалов со средним размером пор в 20 мк установленный диапазон размера пор составил от 7,5 до 85 мк. Наличие пор большего размера может привести к дефектам вспененного материала, а пор меньшего размера - к забивке спеченного элемента. Для достижения целей настоящего Изобретения спеченый материал должен иметь такую структуру, чтобы разброс размера пор для большей части пор предпочтительно находился в пределах от -30% до +50% от среднего размера пор.В следующем эксперименте скорость потока СМСШЗННЪ 1 Х КОМПОНСНТОВ И ДВУОКИСИ УГЛСрода с приблизительной вязкостью 400-600 сП/с составляла 14 кг/мин при температуре 20 С,средний микронный размер спеченного материала был равен 100 при диаметре 15 мм и толщине 1,5 мм, в результате чего была получена пена неприемлемого качества, поскольку она содержала множество отверстий.Таким образом, предпочтительное вспенивающее устройство согласно настоящему изобретению включает выпускную головку, имеющую устройство понижения давления в виде проницаемого диффузионного элемента, через который происходит выпуск компонентов пены. Проницаемый диффузионный элемент представляет собой устройство из сплавленных,склеенных или спеченных элементов, являющихся частицами металла, керамического материала или пластмассы, либо другим материалом, или представляет собой множество сплавленных сит или просто представляет собой массу рыхлого вещества в виде частиц, содержаЩИХСЯ МСЖДУ проницаемыми ОПОрНЫМИ ПЛЗСТ Инами.Все такие примеры имеют общую особенность, согласно которой отсутствует отдельная"прямо-сквозная" траектория прохождения через материал диффузионного элемента (как это было в случае с ситом из заявки ШО 96/00644),а происходит разделение, расхождение и схождение траекторий потоков внутри диффузионного элемента по его толщине. В результате реакционные составляющие или смесь не могут пройти по "прямо-сквозной" траектории, а разделяются на множество потоков, за счет чего ПРОИСХОДИТ СМСШИВЗНИС КОМПОНСНТОВ реакции ИЛИ ИХ ДОПОЛНИТСЛЬНОС СМСШИВЗНИС, ССЛИ ОНИ уже были предварительно смешаны, во время их прохождения через диффузионный элемент, а получаемая в результате пена отличается вЬ 1 соким качеством ячеистой структуры, относительно свободной от неровностей, таких как пустоты или поры.Другой способ рассмотреть данную отличительную черту диффузионного элемента согласно настоящему изобретению заключается в том, что имеется возможность прохождения потока через диффузионный элемент в трех измерениях (х, у и 2) по сравнению с только одним (х) в случае с устройством, в котором используется перфорированный диск или сито,как, например, в заявке ШО 96/00644. Данный трехмерный поток, проходящий через диффузионный элемент, вьшолненный предпочтительно из спеченного материала, как это приведено в примере, обеспечивает смешивание компонентов внутри спеченного материала. В результате ЭТОГО ДОСТИГЗСТСЯ ВОЗМОЯСНОСТЬ УМСНЬШИТЬ ИЛИ даже избежать необходимость дополнительного смешивания С ПрИМСНСНИСМ ОбЬШНОГО СТЗТИЧНОго смесительного аппарата для смешивания полиола и двуокиси углерода, а также второго смесительного аппарата, в котором смесь полиола и двуокиси углерода обычно смешивается с другими реагентами до выпуска через вспенивающую головку.Сущность нашего изобретения заключается в том, что диффузионный элемент действует как смеситель реагентов и двуокиси углерода,уменьшая необходимый объем механического(вращательного) смешивания, и одновременно как регулирующее средство перехода двуокиси углерода из жидкого состояния в газообразное без взрыва, в результате чего образуется однородная пена.Было обнаружено, что вспенивающее устройство, согласно настоящему изобретению,способно устранить необходимость предвариТСЛЬНОГО СМСШИВЗНИЯ КОМПОНСНТОВ реакции И двуокиси углерода в специально предусмотренном смесительном аппарате до их одновременного попадания в диффузионный элемент в вЬ 1 пускной головке, хотя при ЖСЛЗНИИ они и могут быть подвергнуты предварительному смешиванию. Настоящее устройство позволяет просто СОСДИНЯТЬ КОМПОНСНТЫ реакции И ДВУОКИСЬ УГ 000313лерода выше по потоку относительно диффузиоъшого элемента или в диффузионном элементе.Во всех случаях существенно, что двуокись углерода поддерживается в жидком состоянии на протяжении всего процесса до момента окончательного снижения давления до уровня атмосферного, что происходит ниже по потоку относительно диффузионного элемента,иначе будет получена пена низкого качества с отверстиями.Таким образом, дополнительное прешиущество применения диффузионного элемента согласно настоящему изобретению в выпускной головке заключается в том, что требуется значиТСЛЬНО МСНЬШСС СМСШИВЗНИС КОМПОНСНТОВ ДО ИХ подачи в выпускную головку, поскольку, по меньшей мере, некоторое смешивание и/или распыление происходит во время прохождения смеси через диффузионный элемент. На предшествующем уровне техники было принято СМСШИВЗТЬ КОМПОНСНТЫ ВО вращающемся СМСсительном агшарате, работающем со скоростью от нескольких сот до нескольких тысяч оборотов в минуту, чтобы обеспечить тщательное смешивание компонентов. При выпуске смеси через диффузионный элемент согласно настоящему изобретению стало возможным получать ВСПСНСННЫЙ ПОЛИМСр С ИСПОЛЬЗОВЗНИСМ вращающегося смесительного агшарата для компонентов, работающего со скоростью менее 40 оборотов в минуту, за счет чего удается избежать потенциальной проблемы улетучивания из раствора растворенных газов, что может привести к дефектам готовой продукции. Установлено, что в некоторых случаях при желании возможно полностью отказаться от использования вращающегося смесительного агшарата.Диффузионный элемент согласно настоящему изобретению может иметь любую из большого числа разнообразных форм. Например, в одном из вариантов осуществления диффузионный элемент имеет кольцеобразную форму. В другом варианте осуществления являСТСЯ УДЛИНСННЫМ В ПОПСрСЧНОМ направлении И расположен поперечно относительно движущегося субстрата или носителя таким образом, что СМССЬ ДЛЯ ПСНЫ ВЫПУСКЗСТСЯ равномерно ПО ШИрине субстрата.Диффузионный элемент может быть неподвижно закреплен. В других вариантах осуществления он может быть устроен таким образом, чтобы перемещаться по ширине субстрата с регулируемой скоростью.Вспенивающее вещество преимущественно включает двуокись углерода.В СООТВСТСТВИИ СО ВТОрЫМ ЗСПСКТОМ настоящего изобретения способ получения вспененного полимера включает соединение участВУЮЩИХ В реакции КОМПОНСНТОВ ПСНЫ И ВСПСНИвающего вещества с низкой точкой кипения,создание давления с целью поддержания вспенивающего вещества в жидком состоянии и вы пуска компонентов через проницаемую выпускную головку для получения пены, при этом вЬ 1 пускная головка включает, по меньшей мере,один диффузионный элемент такой конструкции, что он обеспечивает разделение, расхождение и схождение траекторий потоков внутри диффузионного элемента по его осевой толщине, взятой в направлении проходящего через него потока.Предпочтительно диффузионный элемент выполнен из склеенного или спеченного материала или спеченного композитного материала.Предпочтительно раздувающее вещество включает двуокись углерода, являющуюся легко доступной, недорогой и относительно безвредной.Малый размер каналов для прохождения потока смешанных (с двуокисью углерода) реагентов через устройство снижения давления,образованного диффузионным элементом, способствует поддержанию давления в системе выше уровня равновесного давления.Одна из проблем, связанная с указанными каналами малого размера, заключается в том,ЧТО В СЛУЧЗС ИХ забивания ПОЛУЧЗСМЗЯ ПСНЗ МОжет оказаться более низкого качества или в результате забивания может быть остановлен весь процесс.Второй целью настоящего изобретения является снижение воздействия забивания каналов на процесс получения вспененного полимера.Третьей целью настоящего изобретения является создание системы, обеспечивающей очистку и/или замену диффузионного элемента в процессе вспенивания, и/или обеспечивающей обратную промывку диффузионного элемента без необходимости прекращения получения пены/вспененного полимера.Для осуществления второй цели предусмотрена установка для получения вспененного полимера, оснащенная устройством, представляющим собой диффузионный элемент для снижения давления смеси реагентов с двуокисью углерода, и средством, регулирующим вспенивание и обеспечивающим использование устройство для снижения давления в течение более длительных промежутков между простоЯМИ.В некоторых вариантах осуществления установка может включать средство, позволяющее производить обратную промывку диффузионного элемента.В одном из вариантов осуществления указанное средство обеспечивает избирательный разворот диффузионного элемента на 18 О с тем, чтобы сам выпущенный материал обеспе чил обратную промывку. В другом варианте осуществления можетиметься средство выборочной регулировки противодавления в процесс вспенивания.Указанное средство может быть получено,например, путем помещения материала диффу 000313зионного элемента Между двумя опорными плаСТИНЗМИ, расстояния МСЖДУ КОТОрЫМИ МОЖСТ регулироваться с целью регулировки уровня сжатия материала диффузионного элемента.Еще в одном варианте осуществления может иметься средство, обеспечивающее очистку диффузионного элемента в процессе вспениваНИЯ.Указанное средство может быть получено,например, при наличии, по меньшей мере, в двух диффузорах элементов, расположенных параллельно, причем поток поступающих в них реакционных составляющих может выборочно регулироваться переменной траекторией входного потока.Как было объяснено ранее, предпочтительно диффузионный элемент выполнен из спеченного материала, предпочтительно из металла, например нержавеющей стали. Тем не менее, диффузионный элемент может быть также получен путем помещения материала в виде частЩ или сжимаемого волокнистого материала, например стальной ваты между двумя разнеССННЫМИ ОПОрНЫМИ ИЛИ ВЫПУСКНЪ 1 МИ ПЛЗСТРШЗМИ.Далее изобретение будет описано с помощью примеров со ссылкой на приложенные чертежи.На фиг. 1 схематически изображен вариант осуществления установки и способа получения вспененного полимера согласно настоящему изобретению;на фиг. 2 показана перспектива первого варианта осуществления установки получения вспененного полимера согласно настоящему изобретению;на фиг. 3 показано увеличенное перспективное изображение с пространственным разделением деталей раздаточной головки установки,показанной на фиг. 1;на фиг. 4 показана перспектива альтернативной раздаточной головки, которая может быть применена в установке, показанной на фиг. 1;на фиг. 5 показано схематическое изображение в продольном разрезе в соответствии с одним из возможных вариантов осуществления диффузионного сопла с регулируемым рабочим пространством;на фиг. 6 и 7 показаны схематические изображения спереди и сбоку второго возможного варианта осуществления диффузионного сопла с регулируемым рабочим пространством;на фиг. 8 - 10 - разрезы сбоку, сверху и с торца первого варианта осуществления быстрозаменяемого вспенивающего устройства согласно настоящему изобретению;на фиг. 11 - 13 - разрезы сбоку, сверху и с торца второго варианта осуществления быстрозаменяемого вспенивающего устройства согласно настоящему изобретению;