Полистирол. Экструзионный пенополистирол

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«САМАРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа на тему:

«Пенополистирол. Экструдированный пенополистирол» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнили студенты

3-го курса,  СТФ, ЗТ-81

Гуров Станислав

Хабарина  Юлия 
 

САМАРА 2011

Содержание 

1. Введение
1. Общие сведения о полимерах
2. Общие сведения  о пенополистироле и его свойства

       2. Пенополистирол

                2.1 Сырьевая база

     2.2 Оборудование для производства  пенополистирола

       3. Требования к производственному  помещению

       4. Технология производства пенополистирола

       5. Типы и размеры

       6. Основные характеристики пенополистирола

       7. Применение пенополистирола

       8. Сравнительный анализ

                                                 1. Введение

1.1 Общие сведения о полимерах 

С разными  изделиями из полимеров мы встречаемся  ежедневно. Полимеры вокруг нас, они  окружают нашу жизнь и присутствуют практически повсеместно: на работе, дома, в одежде, в общественном транспорте. Но что обозначает сам термин «полимер» наверное, знает не каждый.

Словари нам дают определение: это высокомолекулярное соединение. При этом полимерная молекулярная масса может составлять и тысячи единиц и миллионы. Полимер состоит из групп атомов, которые повторяются.

Их ещё  называют звеном макромолекулы полимера. Когда связь между макромолекулами  происходит под воздействием слабых сил Ван-дер-Ваальса, то их называют термопласты, а если в результате химических связей, то реактопласты.

Итак, что  же такое полимеры?

Основную  массу полимеров составляют органические вещества, однако известно и немало неорганических и элементорганических  полимеров. Характерной чертой полимера является то, что при образовании его молекулы соединяется большое число одинаковых или разных молекул низкомолекулярных веществ — мономеров. Это приводит к тому, что получается длинная цепная молекула, которую называют макромолекулой. Составляющие ее низкомолекулярные повторяющиеся структурные единицы, или элементарные звенья, соединены прочными химическими связями. Сами же макромолекулы связаны между собой слабыми физическими межмолекулярными силами.

Цепное  строение макромолекул и различная  природа связей вдоль и между цепями определяет комплекс особых физико-химических свойств полимерного материала, таких, как, например, одновременное сочетание в нем прочности, легкости и эластичности, способности образовывать пленки и волокна. Цепное строение макромолекул ответственно также за то, что полимеры могут значительно набухать в жидкостях, образовывая при этом ряд систем, промежуточных между твердым телом и жидкостью. Растворы полимеров отличаются повышенной вязкостью.

Соединение  мономеров в макромолекулы происходит в результате химических реакций, которые протекают по законам цепных или ступенчатых процессов. Число повторяющихся звеньев в макромолекуле определяет молекулярную массу полимера, которая может составлять десятки, сотни тысяч и миллионы углеродных единиц. Какой бы реакцией ни был получен полимер, он всегда состоит из набора макромолекул, различных по размеру, поэтому молекулярная масса полимера оценивается некоторой средней величиной,

При переработке, которая обычно проводится при повышенных температурах, в полимер, как правило, вводят различные необходимые добавки, такие как пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, модификаторы свойств и другие. 

Полимеры  являются основным  веществами для  изготовления множества строительных материалов и изделий: полимерные бетоны и растворы, алкидный линолеум, коллоксилиновый линолеум, релин, поливинилхлоридный линолеум, изол, герметизирующие пленки и прокладки, пленка полиэтиленовая, стеклопластики на основе полиэфиров, погонажные материалы, трубы из органического стекла, стеклопластиковые трубы, поливинилхлоридные трубы,  полиэтиленовые трубы, облицовочные полистирольные плитки, декоративный бумажнослоистый пластик, изоляционные материалы из полимеров, сэндвич панели.

В данной курсовой работе мы детально рассмотрим один из самых лучших тепло- и звукоизоляционных материалов – пенополистирол (пенопласт).

1.2 Общие сведения о пенополистироле и его свойства 

Пенополистирол - белое однородное вещество, имеющее  структуру из склеенных между  собой шариков, упругое на ощупь, не имеет запаха, является отличным тепло - звуко изолятором.  

 Одним из преимуществ пенополистирола является способность нести относительно высокую механическую нагрузку (не ломаться) при минимальной плотности. Это в значительной степени определяет возможности его использования в строительстве.  

Пенополистирол (пенопласт) применяется в качестве внутренней теплоизоляции при изготовлении трёхслойных панелей для крупнопанельного домостроения, в кирпичной кладке, при монолитном строительстве, заметно  сокращая толщину стен и увеличивая тем самым полезную площадь помещения. Следует подчеркнуть возможность использования пенополистирольных плит, которые благодаря низкой средней плотности практически не изменяют нагрузку на несущие конструкции и фундамент, для реконструкции старых зданий. Свойства материала позволяют использовать его для теплоизоляции крыш, подвалов, полов, перегородок. 

Экологичность 

В соответствии с исследованиями Центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора  в Самарской области, пенополистирол не выделяет вредных веществ, а выделения стирола столь незначительны, что не оказывают влияния на здоровье людей. На основании проведённых лабораторных испытаний САМАРСКОМУ ПРОИЗВОДСТВУ ПЕНОПЛАСТА выдано санитарно-эпидемиологическое заключение 63.01.06.224.П.001216.04.03 от 7 апреля 2003 года об экологической безопасности применения пенополистирола в строительстве.   

Заключение  Московского НИИ Гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана также подтверждает, что  при исследовании рекомендованных  для строительства конструкций с применением пенополистирола, в пробах воздуха стирола не обнаружено. Во всем мире пенополистирол (пенопласт) разрешено применять как при строительстве, так и в контейнерах для упаковки и хранения пищевых продуктов. 

Долговечность. Отношение к высоким температурам  

С целью  исследования изменений физико-механических и теплофизических свойств пенополистирола  с течением времени были проведены  ускоренные ресурсные испытания  в Московском НИИ строительной физики (МНИИСФ) по специальной методике с температурными колебаниями от -40 до +400 С и выдерживанием в воде. Анализ показал, что срок эксплуатации пенополистирольных плит не менее 80-ти лет.  В течение непродолжительных промежутков времени пенополистирол выдерживает температуру 110 С, позволяя, например, кратковременный контакт с горячим битумом. В случаях постоянного воздействия повышенных температур рекомендуется не превышать 80 С во избежание деформаций и усадки.  

Пенополистирольные  плиты (по существу являясь пластиком), устойчивы к старению, и при правильном применении сохраняют стабильные свойства форму и размеры длительное время, т.е. являются долговечным материалом. Сегодня, существуют данные натурных наблюдений и экспертное заключение, которые доказывают, что материал, заложенный в конструкцию около 30 лет назад, не подвергся необратимым изменениям (размер плит, например, вследствие усадки или сжатия). Надо отметить, что сама технология производства пенополистирола фирмы BASF (Германия) разработана в 1950 году, поэтому и возраст натурных испытаний не столь велик. Однако в лаборатории МНИИСФ в Москве были проведены исследования на долговечность и необходимые испытания пенополистирола на анализ характерных циклических изменений температуры наружного воздуха в годовом цикле для климатических условий средней полосы России. В климатической камере было смоделированы температурно-влажностные воздействия на фрагменты конструкций, в которых есть пенополистирол. Всего было проведено 80 циклов испытаний образцов пенополистирольных плит. Получены следующие выводы, что пенополистирольные плиты успешно выдержали циклические испытания на температурно-влажностные воздействия в количестве 80 циклов, что может быть интерпретировано как соответствующее количество условных лет эксплуатации в многослойных ограждающих конструкций с амплитудой температурных воздействий  + 40 С.  

Отношение к химическим средам и биологическому воздействию 

Пенополистирол  обладает высокой стойкостью к различным  веществам, включая морскую воду, солевые растворы, известь, цемент, гипс, ангидрид, щелочи, разведенные и слабые кислоты, мыла, соли, удобрения, битум, силиконовые масла, спирты, клеящие, водорастворимые краски.  Пенополистирол не растворяется и не набухает в воде, практически не впитывает влагу, долговечен и стоек к гниению. Он не усваивается животными и микроорганизмами, поэтому не используется ими в качестве корма и не создает питательной среды для грибков и бактерий. 

Отношение к воде и атмосферным  осадкам 

Пенополистирол (пенопласт) практически водонепроницаем. Количество вбираемой воды по отношению к весовому объему пенополистирола за год колеблется в пределах 1,5-3,5%. С другой стороны, воздухопроницаемость пенополистирола в значительной степени превышает его водопроницаемость. То есть стена "дышит". Температура окружающей среды не оказывает отрицательного влияния на физические и химические свойства пенополистирола. При температуре до 90 С он не меняет своих свойств даже в течение длительного промежутка времени. Атмосферному влиянию внешние стены из пенополистирольных блоков практически не подвержены. 

Теплопроводность 

Проводимые  испытания на теплопроводность в  соответствии с требованиями ГОСТа 15588-86 

подтверждают, что вне зависимости от марки  используемого сырья и предприятия-изготовителя пенополистирол (пенопласт) обладает теплопроводностью в пределах  0,037- 0,041 Вт/(м*К). 

Пожарные характеристики пенополистирола 

Другой  немаловажный аспект применения пенополистирола  в строительстве - это его пожарные характеристики. Хотя теплоизоляционные  материалы не подлежат обязательной сертификации, САМАРСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО ПЕНОПЛАСТА  добровольно  проводит  такие испытания. 

Проведённые в органе сертификации "ПОЖТЕСТ" ВНИИПО МВД России испытания показали, что пенополистирол, выпускаемый  САМАРСКИМ ПРОИЗВОДСТВОМ ПЕНОПЛАСТА, имеет группу горючести  Г4. 

Как и  многие другие строительные материалы, пенопласты из пенополистирола могут  воспламеняться. При оценке их огнестойкости  следует учитывать то, что она  определяется не только специфическими свойствами материала, но во многом и  условиями его применения и использования. Существенное влияние на огнестойкость пенопласта оказывает как комбинация с другими строительными материалами, так и расположение часто необходимых или желательных защитных и покровных слоев. Что касается специфических свойств материала, то здесь следует различать пенопласты из пенополистирола типа ПСБ и ПСБ-С.  Тип ПСБ-С относятся к группе самозатухающих (на это указывает буква С). Благодаря этому существенно снижается воспламеняемость и распространяемость пламени по поверхности пенопласта. Время его самостоятельного горения не более 4 сек. Это значит, что после удаления пенополистирола из пламени, процесс горения прекращается. Однако пенополистирол относится к группе сгораемых материалов. При его горении выделяется около 1000 Мдж/м3. Для сравнения: при горении сухой древесины выделяется 7000...8000 Мдж/м3. Таким образом, при равном объеме пенополистирол дает значительно меньшее повышение температуры при пожаре. Согласно ГОСТу 15588-86 плиты пенополистирольные используются для тепловой изоляции в качестве среднего слоя строительных конструкций и промышленного оборудования. При отсутствии контакта плит с внутренними помещениями его вклад в пожарный риск не больше, чем у других широко распространенных строительных материалов.  
 

Пенополистирол  очень хорошо "держит" тепло. Закладка пенополистирола  в наружные стены жилых домов позволяет в несколько раз снизить теплопотери. Согласно исследований и испытаний пенополистирол толщиной всего в 12 см по своим теплосберегающим свойствам эквивалентен: 

2. Пенополистирол

2.1 Сырьевая база 

Одним из чрезвычайно  важных факторов, оказывающих влияние на вспенивание полистирола, является качество сырья и продолжительность его хранения. Чем старше сырье, тем продолжительнее вспенивание и тем труднее достичь требуемой плотности вспененных гранул. Сырьё отечественных производителей зачастую отличается от импортного сырья разноразмерностью составляющих гранул.

Сырьем  для  производства пенополистирола служит суспензионный вспенивающийся полистирол марок ПСВ А (ОСТ 6 05 202 83), размер гранул 0,4 - 3,2мм., полистирол суспензионный вспенивающийся типа ПСВ-55С, ПСВ-65С (ТУ - 6-05-1905-61), размер гранул 0,4-2,5 мм., как Российского, так и зарубежного производства, твёрдые полимеры, жидкие продукты неполной полимеризации, водные растворы, эмульсии, суспензии продуктов частичной поликонденсации или полимеризации, а также растворы или пасты высокополимеров.

Вспенивающийся  полистирол, по-английски Expandable Polystyrene (EPS) – обычный полистирол с добавлением  внутрь гранул вспенивающего агента – газа пентана. Все гранулы состоят  из равномерно распределенных плотных клеток с воздухом внутри. В результате появляется равномерновспененная смесь с тонкой замкнуто-ячеестой структурой. Один м³ вспененного полистирола на 98% занят воздухом, замкнутым в 3-6 миллиардах ячеек. Из-за внутренней структуры вспенивающийся полистирол обладает достаточно слабой теплопроводностью, примерно равной к теплопроводности стоячего воздуха (коэффициент теплопроводности воздуха примерно равен 0,00006 кал/см. сек. град., то есть через квадратный сантиметр при разности температур 10 С и при толщине 1 см. передается 0,00006 калорий за 1 секунду). Т.о., вспененный полистирол представляет собой застывшую при охлаждении жесткую вспененную полистирольную массу с замкнутыми ячейками, занятую воздухом и является экологически безопасным материалом пригодным при строительстве.  

2.2 Оборудование для производства пенополистирола 

Процесс производства пенопластов совсем нелегкий по сравнению  с самим пенопластом, и, для обеспечения  полноценного процесса изготовления потребуется следующий минимум оборудования (указаны средние значения цен на оборудование эконом-класса):

 Рассмотрим детально каждую единицу оборудования: 

1. Предвспениватель является неотъемлемой частью линии по производству пенопласта (пенополистирола) или полистиролбетона.

Предвспениватель  предназначен для первичной (однократной  или многократной) обработки сырья  при производстве пенопласта или  полистиролбетона. Данный процесс называется предвспениванием. Процесс предвспенивания  состоит в следующем: первичный гранулят попадая в предвспениватель, под действием диффундирующего насыщенного водяного пара увеличивается в размерах до 50-ти крат. При этом температура пара внутри предвспенивателя колеблется от 90 до 120 градусов Цельсия.  

2. Приемный бункер - предназначен для приема вспененного сырья, поступающего из предвспенивателя. Приемный бункер предвспенивателя работает вместе с предвспенивателем. Приемный бункер является начальной точкой пневмотранспорта от предвспенивателя к бункерам вылеживания. Приемный бункер представляет собой металлический бункер на опорах. В стенке приемного бункера имеется шиберная заслонка для удобства работы вместе с предвспенивателем. В основании бункера смонтирована «труба Вентуре». Приемный бункер изготовлен из углеродистой стали. 

3. Вентилятор приемного бункера с подогревом. Для приемного бункера предвспенивателя необходим один вентилятор с подогревом воздуха. Самым оптимальным является вентилятор марки ВР 80-75 №3.15 (1500\3000 об.мин.) Можно ставить и более мощные вентиляторы, но 3.15 , исходя из нашего опыта, наиболее подходящий. Подогрев воздуха осуществляется в радиаторе, установленном на вентиляторе. Через радиатор подается пар из системы. 

4.  Мешок - вкладыш из бреккерной ткани предназначен для использования в бункерах вылеживания гранул ПСВ-с после вспенивания при производстве пенополистирола. Мешок представляет собой рукав, сшитый из нескольких частей ткани. Длина и количество составных частей мешка - вкладыша зависят от бункера, в котором используется данный мешок. 
 

Бреккерная  ткань представляет собой хлопчатобумажную, техническую, неотбеленную ткань полотняного  переплетения. Бреккерная ткань применяется  для производства резино-тканевых рукавов  и изготавливается в соответствии с ГОСТ 9857-91.  

5. Блок форма. Блок форма является неотъемлемой частью линии по производству листового пенополистирола. В блок форме осуществляется формовка блоков пенопласта. Формовка блока пенопласта происходит под действием водяного пара. Нагреваясь, гранулы ПСВ-с начинают увеличиваться в объеме. Так как блок форма представляет собой замкнутую конструкцию, шарики ПСВ-с начинают спаиваться  (слипаться) между собой.

6. Станок для резки пенопласта. Станок С-01  предназначен для раскроя блоков пенопласта (пенополистирола или экструзии) на листы любой  толщины. Станок С-01 является неотъемлемой частью линии по производству пенопласта.

Станок  С-01 для резки пенопласта представляет собой сварную наклонную раму с движущейся платформой.  
 
 

3. Требования к производственному  помещению 

Помещение для производства пенополистирола должно располагаться в промзоне вашего города, иметь удобный подъезд для разгрузки сырья и отгрузки готовой продукции потребителю, подвод электричества напряжением 380В, наличие приточно-вытяжной вентиляции (посты предвспенивателя, блок-форм, резательной машины должны быть оснащены системой принудительной вентиляции (вытяжка), обеспечивающей 3-х кратный обмен воздуха, т.к. при работе выделяется газ стирол, образующий с воздухом взрывоопасную смесь. Если вы планируете пользоваться парогенератором, то помещение должно иметь водопроводную сеть из расчета среднесуточного расхода воды - 500 л/сутки. На рисунке показан чертеж нашего производственного помещения, на примере которого показана расстановка оборудования:

Техническая характеристика участка

• Производительность участка определяется циклом формования, и составляет, м3/час 2-4
• Габаритные размеры участка не менее, м2 65
• Высота потолка, м, не менее 4,5
• Потребляемая мощность, кВт, не менее 20
• Напряжение питающей сети, В 380
• Класс загрязненности воздуха по ГОСТ 17433-80, не ниже 12
• Давление пара, мПа 0,3-0,4
• Расход пара, кг, не более 240
• Помещение категории В
• Наличие приточно-вытяжной вентиляции с кратностью обмена воздуха 3

А. Склад сырья

Температура не должна превышать 20 С. Помещения для хранения суспензионного полистирола относятся к категории пожаро-взрывоопасных, т.к. при хранении гранул из них выделяется изопентан (агент порообразования), который с воздухом образует взрывоопасную смесь при концентрации свыше 1,4% по объёму, температура воспламенения 285 С. Кроме того изопентан тяжелее воздуха, поэтому помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией с 3-х кратным воздухообменом таким образом, чтобы приток находился чуть ниже уровня потолка, а вытяжка находилась непосредственно у пола. Кроме того ПВС склонен к накапливанию электростатического заряда, поэтому пневмотранспорт для подачи ПВС к предвспенивателю должен быть снабжен устройством для отвода статического электричества. 

В. Производственное помещение

В нем располагается  механизм просеивания -1, бункера вылеживания -2, предвспениватель -3, блок-кассеты -4, отделение выдержки блоков -5. Отопление  в этом помещении необязательно, так как работающее оборудование выделяет значительное количество тепла.

Помещения для первичного и вторичного вспенивания относятся к категории пожароопасных. При вспенивании гранул из них выделяется стирол, который, согласно нормам производственной санитарии, должен удаляться при помощи вентиляционных систем. 

С. Склад готовой продукции

Здесь расположена  машина резки блоков -6 и склад  готовых к отправке нарезанных листов. Площадь склада готовой продукции  выбирается в зависимости от условий  работы с потребителями и может  быть минимальной. Например около 30-50 кв.м  для обеспечения хранения продукции, выработанной за 2 смены (2 суток). 

Плиты должны храниться  в крытых складах. Допускается хранение под навесом, защищающим плиты от воздействия атмосферных осадков  и солнечных лучей. При хранении под навесом плиты должны быть уложены на подкладки, при этом высота штабеля не должны превышать 3 м.  

Как упоминалось  выше, при работе выделяется газ  стирол, образующий с воздухом взрывоопасную смесь, и поэтому должна быть организована мощная и надежная вентиляционная система. Пример схемы можно увидеть на схеме:

4. Технология производства  пенополистирола 

Наиболее наглядно весь процесс можно наблюдать в таблице: