Применение вспененных полимеров на рынке товаров народного потребления
О том, какие задачи можно решать с помощью вспенивающих добавок при производстве бытовой полимерной продукции, рассказали эксперты «Интернешнл Пластик Гайд»: технический директор Эдуард Замыслов и специалист службы техподдержки Софья Радаева
Вспененные полимеры (пенопласты, газонаполненные полимеры, вспененные пластмассы) представляют собой твердую или эластичную полимерную матрицу, внутри которой образованы полости. В начале производственного процесса они содержат газ, который со временем замещается на воздух.
Получают вспененные пластики тремя способами. Первый — химические вспениватели. При добавлении в литьевой расплав они разлагаются при высокой температуре и образуют газ внутри полимера. Также используют легкокипящие жидкости (испаряющиеся при высокой температуре) или газы, которые напрямую вводят в расплав полимера.
Все полимеры можно вспенивать, варьируя степень вспенивания, структуру и свойства получаемых материалов. И к этому процессу применяют разные подходы. Главные условия для вспенивания — это высокоэластичное или вязкое состояние, а также возможность использовать расплав или раствор, которые могут какое-то время удерживать микропузыри газа до состояния охлаждения либо до состояния затвердевания.
Вспенивание полимеров — многозадачная технология, и на рынке товаров народного потребления она работает на нескольких уровнях одновременно. Газ, введенный в полимерную матрицу, делает изделие легче и дешевле, улучшает его механические характеристики, упрощает производство и снижает брак, а также придает заданные потребительские свойства — от тактильной мягкости до плавучести.
Экономия материала и снижение стоимости
Вспениватель создает внутри изделия множество замкнутых или открытых ячеек. Чем больший объем занимают эти полости, тем меньше полимера уходит на формирование изделия. Это особенно важно для крупногабаритных деталей: упаковки, строительных панелей, корпусов. Клиентские кейсы наглядно иллюстрируют этот эффект.
Пример из практики 1
Перед разработчиком одноразовых грузовых поддонов стояла задача снижения их себестоимости путем уменьшения веса и расхода сырья. При этом тара должна была сохранить физико-механические свойства. Для таких крупногабаритных изделий специалисты «Интернешнл Пластик Гайд» порекомендовали вспениватель с содержанием активного вещества 70%, имеющий в составе нуклеатор.
Результаты показали заметный эффект. Вес поддона из ПЭНД без вспенивателя составлял 10,4 кг, а с применением вспенивателя его удалось снизить до 9,53 кг, то есть примерно на 8,4%, или почти на 0,9 кг. За счет нуклеирующего эффекта в расплаве образуется большое количество зародышей, ускоряется процесс кристаллизации. В результате материал приобретает более легкую структуру при сохранении необходимых физико-механических свойств.
Есть и другой пример. В производстве шпателей, рукояток и кистей для краски применение концентрата вспенивателя с 40%-м содержанием активного вещества позволило снизить вес изделий на 12%, за счет чего клиент сэкономил около 8 тонн сырья в течение года.
Снижение веса изделий
Вспененный пластик принципиально легче сплошного — при той же геометрии. В сегменте ТНП это свойство востребовано в нескольких направлениях: легковые автомобили; упаковка, где снижение веса тары удешевляет логистику; спортивный инвентарь, где легкость повышает результативность; ручной инструмент и бытовые изделия.
Тепло- и звукоизоляция в потребительских товарах
В строительном сегменте вспененные полимеры (пенополистирол, пенополиуретан, ПВХ-пена) традиционно применяются как тепло- и звукоизоляционные материалы. Однако и на рынке ТНП эти свойства находят свое применение.
Термоизоляционные свойства вспененных полимеров используются в термосумках и изотермических контейнерах для транспортировки и хранения пищевых продуктов. Вспененная структура замедляет теплопередачу, поддерживая заданный температурный режим. Звукоизоляционные свойства находят применение в бытовой технике: вспененные полимерные элементы используются для снижения шумности стиральных машин, посудомоечных машин и холодильников.
Улучшение механических свойств при расчете на единицу массы
Парадокс вспененных полимеров заключается в том, что при меньшей плотности они могут демонстрировать более высокую жесткость на изгиб — при условии правильного проектирования. Это достигается за счет увеличения толщины стенки изделия и более равномерного распределения нагрузки по сечению. Эффект используется, в частности, в сэндвич-панелях, облицовочных панелях, упаковке и других легких конструкциях.
Технологические преимущества при производстве
Помимо модификации свойств готового изделия, вспенивание решает ряд задач непосредственно в процессе производства. Эти эффекты особенно важны для массового выпуска ТНП, когда критически важны стабильность качества и снижение процента брака.
Компенсация усадки и коробления
При литье под давлением газ, выделяющийся непосредственно в расплаве полимера, формирует ячеистую структуру и создает внутреннее давление, компенсирующее усадку материала при охлаждении. Это позволяет снизить коробление детали и повысить точность ее размеров.
Пример из практики
Производители щеток для мытья пола выпускают изделия толщиной от 15 до 35 мм, используя стеклонаполненный полипропилен в качестве основы. До применения вспенивателя клиент сталкивался с утяжками, усадками и короблением изделий. Введение вспенивающего агента устранило эти дефекты, была получена мелкоячеистая структура со стабильной геометрией.
Улучшение текучести и заполняемости формы
В процессах микроклеточного вспенивания газ растворяется непосредственно в расплаве полимера, снижая его вязкость. Расплав лучше заполняет тонкие каналы и сложные формы при меньшем давлении литья. Это позволяет производить тонкостенные корпуса сложной геометрии — типичная задача для бытовой электроники и товаров сложной формы.
Снижение внутренних напряжений и решение проблемы охлаждения
Равномерно распределенные в материале газовые ячейки снимают часть внутренних напряжений, возникающих при охлаждении расплава. На практике это проявляется не только как снижение риска трещин, но и как решение проблемы охлаждения — одной из главных трудностей при литье массивных деталей.
Пример из практики
Клиент производит уменьшенные копии машин методом модельного литья из полистирола. Небольшой деталью являются номерки на корпусах машин, и в этих местах толщина стенки увеличивалась на 1–2 мм. Даже такое небольшое утолщение привело к неравномерному охлаждению: участки с большей толщиной остывали медленнее, разница в скорости охлаждения приводила к усадке и нарушению геометрии корпуса. Концентрат вспенивателя на основе полистирола решил эту проблему.
Пример из практики
У производителя ПП-ершиков ситуация была еще острее: без вспенивателя изделия не успевали остывать. Приходилось либо дополнительно охлаждать их водой, либо дольше выдерживать в форме — цикл доходил до 35–40 секунд, но даже в этом случае продукция не остывала полностью. После введения концентрата вспенивателя удалось получить нужную структуру и оптимизировать охлаждение: время цикла сократилось почти в 2 раза. При объеме производства 44 тысячи изделий в месяц это дает ощутимый эффект — каждая сэкономленная секунда на таком тираже напрямую снижает затраты.
Заполнение пор и фиксация вставных элементов
При литье массивных деталей (от 4 мм и выше) в полимере часто образуются внутренние поры и пустоты, особенно в толстых сечениях, где расплав остывает неравномерно. Вспениватель заполняет эти поры газонаполненными ячейками, уплотняя структуру и устраняя дефекты. Но более важное следствие — улучшение фиксации вставных элементов: ворса, щетины, крепежа.
Например, производители полипропиленовых щеток заметили, что ворс плохо закрепляется в основе. Дело в том, что в колодке высверливали полости, куда вставляли пучки ворса, но из-за неоднородной структуры глубина полостей получалась разной, вследствие чего ворс выпадал. После вспенивания и получения однородной структуры проблема ушла.
Специальные эффекты: от тактильности до плавучести
Отдельная группа применений вспененных полимеров в ТНП связана с уникальными потребительскими свойствами, которые невозможно получить другими средствами.
Мягкость на ощупь — вспененные ручки инструментов, рукоятки, элементы эргономики. Вспененная структура придает поверхности приятную тактильность и снижает усталость при длительном контакте.
Амортизация — сочетание упругости и демпфирования обеспечивает комфорт при ходьбе и беге.
Плавучесть — спасательные жилеты, круги, нарукавники. Вспененный полимер удерживает воздух в замкнутых ячейках, обеспечивая положительную плавучесть.
Заключение
Практика показывает, как вспениватель в каждом случае решает конкретную задачу: устраняет усадку, заполняет поры, фиксирует ворс, ускоряет охлаждение, снижает вес, повышает жесткость. Эндотермические, экзотермические и комбинированные вспенивающие добавки «Интернешнл Пластик Гайд» закрывают потребности разных сегментов рынка: от игрушек до строительных кистей и пластиковой тары.