Пена латексная

Изображение пузырьков в пенопласте.

Не путать с поролоном .

Пенопласт или латексный поролон — это легкая форма латекса, содержащая пузырьки, известные как ячейки, созданные из жидкого латекса . Пена обычно создается с помощью процесса Dunlop или Talalay, при котором жидкий латекс вспенивается, а затем отверждается в форме для извлечения пены.

Структурные улучшения применяются к пенопласту путем выбора различных полимеров, используемых для пенопласта, или за счет использования наполнителей в пенопласте. Исторически для пенопласта использовался натуральный каучуковый латекс, но аналогичным коммерческим конкурентом является бутадиен-стирольный латекс, который специально разработан для использования в пенолатексах. Минеральные наполнители также можно использовать для улучшения таких свойств, как стабильность, несущая способность или огнестойкость, но эти наполнители часто достигаются за счет снижения прочности на разрыв и растяжения при разрыве, которые обычно являются желательными свойствами продукта.

Латексная пена обладает свойствами поглощения энергии, теплопроводности и сжатия, что делает ее подходящей для многих коммерческих применений, таких как обивка, звукоизоляция, теплоизоляция (особенно в строительстве) и транспортировка грузов.

Пенный латекс также используется в масках и протезах лица для изменения внешнего вида человека. «Волшебник страны Оз» был одним из первых фильмов 1930-х годов, в которых широко использовались протезы из пенолатекса. С тех пор он стал основным продуктом кино, телевидения и сценических постановок, а также использовался в ряде других областей.

Одноразовые пластмассы и пенопласты часто выбрасывают на свалки, и растет беспокойство по поводу того, сколько места занимают эти отходы. Стремясь сделать пенопласты более экологически чистыми, проводятся исследования наполнителей, которые могут обеспечить те же преимущества, что и минеральные, а также повысить биоразлагаемость продукта. Примеры таких наполнителей включают порошки яичной скорлупы. и порошки рисовой шелухи.

Структура

Латексная пена — это легкая и расширяющаяся форма латекса. Внутри жидкого латекса образуются клеточные пузырьки воздуха, которым можно придавать различные формы и размеры. Растяжение пены определяется количеством воздуха внутри этих ячеек. Пенопласты более низкой плотности и более протяженные, как правило, имеют ячейки, которые являются более многогранными , тогда как менее расширенные пенопласты имеют тенденцию иметь более сферические ячейки.

При этом плотность пены ( $\rho _{f}$) можно измерить, более важным свойством является отношение плотности пены к плотности исходной латексной основы ( $\rho _{s}$). Это выражается как $\phi ={\dfrac {\rho _{f}}{\rho _{s}}}$. Полимерные пенопласты также будут иметь определенное соотношение закрытых ячеек к открытым (лопнувшим пузырькам воздуха), которое можно измерить по водопроницаемости пены.

Создание

Для создания вспененного латекса жидкую латексную основу смешивают с различными добавками и взбивают в пену , затем заливают или впрыскивают в форму и запекают в духовке для отверждения. Основными компонентами вспененного латекса являются латексная основа, пенообразователь (чтобы помочь ему взбиться в пену), гелеобразующий агент (чтобы превратить жидкую пену в гель) и отвердитель (чтобы превратить загущенный вспененный латекс в твердый при запекании). В зависимости от необходимости использования пены также может быть добавлен ряд дополнительных добавок.

Процесс Данлопа

Процесс Данлопа может осуществляться в периодической и непрерывной форме. Ниже приводится описание пакетного процесса.

1. Готовятся к использованию различные ингредиенты для латексной пены, включая выбор жидкого латекса, компаундов и стабилизаторов.
2. Деаммонированный жидкий латекс смешивают со стабилизатором и другими ингредиентами в виде дисперсий или эмульсий в зависимости от растворимости в воде.
3. Соединение осторожно перемешивают и оставляют перемешиваться. На этом этапе можно добавить наполнители. Соединение можно оставить для созревания на 24 часа.
4. Миксер Hobart взбивает смесь, вызывая ее вспенивание, добавляя в нее пузырьки разного размера и позволяя ей расширяться до желаемого размера.
5. Скорость взбивания снижается, и пузырьки приобретают более правильный размер. Теперь можно добавить стабилизатор пены.
6. Затем можно добавить гелеобразующий агент, а затем состав выливают в форму, где ему дают возможность загустеть и затвердеть с течением времени.

Однородность является очень востребованным коммерческим свойством, и выполнение процесса Dunlop непрерывным образом, а не партиями, помогает повысить однородность получаемых пен. Другими преимуществами непрерывного процесса являются снижение затрат на рабочую силу и уменьшение количества отходов от формы. Непрерывный процесс включает использование машины с различными камерами для создания и вспенивания смеси, добавления наполнителей, а также формования и отверждения.

Талалайский процесс

1. Готовятся к использованию различные ингредиенты для латексной пены, включая выбор жидкого латекса, компаундов и стабилизаторов.
2. Деаммонированный жидкий латекс смешивают со стабилизатором и другими ингредиентами в виде дисперсий или эмульсий в зависимости от растворимости в воде.
3. Соединение осторожно перемешивают и оставляют перемешиваться. На этом этапе можно добавить наполнители. Соединение можно оставить для созревания на 24 часа.
4. В результате разложения перекиси водорода дрожжами образуются пузырьки, вызывающие вспенивание состава внутри специальной формы.
5. Вакуум применяется к форме, чтобы способствовать расширению.
6. Затем смесь быстро замораживают, образуя пузырьки воздуха.
7. Наконец, составу дают затвердеть и удаляют его из формы.

Отказ от использования гелеобразователя вместо диоксида углерода делает процесс более экологически чистым, но процесс Талалая до сих пор не получил широкого промышленного применения для производства специализированных латексных пен.

Характеристики

Расширение и плотность

В целом пенопласты из латекса имеют меньшую плотность, чем исходный полимер, из которого они изготовлены. Эту плотность можно регулярно измерять, измеряя объем и массу материала. Для измерения объема пены неправильной формы кусочки пенопласта можно покрыть воском и поместить в известный объем воды для измерения изменения объема в контейнере. Цель воска — предотвратить проникновение воды в пену, что, если не принять во внимание, может привести к меньшему воспринимаемому объему (и, как следствие, к более высокой воспринимаемой плотности). Плотность пены уменьшается по мере увеличения расширения пены. Расширение, в свою очередь, связано с количеством воздуха внутри ячеек пенопласта. Чем больше воздуха внутри ячеек, тем больше расширение.

Эскиз обычной кривой растяжения для вспененного латекса. В регионе 1 показано усиление стресса по Гуку. Район 2 демонстрирует плато дробления. В регионе 3 наблюдается уплотнение.

Сжатие

Пенопласты из латекса демонстрируют кривую растяжения-деформации с тремя участками при сжатии. Это относится к силе сопротивления, выраженной пеной, когда к ней прилагается нагрузка или сила. Форма различных областей кривой будет отражать некоторые важные свойства пены, связанные с напряжением сжатия или релаксации и деформационным поведением материала.

Во-первых, пена будет демонстрировать линейное увеличение напряжения по Гуку . Это происходит потому, что газ, содержащийся в ячейках пенопласта, сжимается, а стенки ячеек сохраняют свою структуру. Во второй области клеточные стенки разрушаются, дополнительного напряжения не возникает, и напряжение выходит на плато. В третьей области плотность пены увеличивается по мере сжатия измельченного материала клеточных стенок. Это приводит к резкому увеличению напряжений в области уплотнения.

Устойчивость к динамической усталости

Что касается долговечности материала, устойчивость к динамической усталости проверяется путем рекурсивного сжатия пены и ее расслабления. Затем сопротивление пены динамической усталости можно измерить либо путем визуального наблюдения за структурой ячеек, чтобы отметить, какая часть стенок ячеек сломалась или разорвалась, либо путем измерения изменения физических свойств, таких как толщина материала.

Теплопроводность

На низкую теплопроводность пенолатексов влияют четыре фактора: теплопроводность полимера, теплопроводность газа внутри пузырьков воздуха, конвекция газа внутри ячеек (менее важна для ячеек малого и среднего размера) и излучение через мыло.

Эти факторы могут повлиять на проводимость несколькими способами:

1. более низкая температура для снижения теплового излучения;
2. уменьшить размер ячейки, чтобы уменьшить конвекцию и излучение (из-за большего количества отражений внутри стенок ячейки);
3. уменьшить плотность пены, чтобы уменьшить проводимость через твердый полимер;
4. заменить воздух на менее проводящий газ внутри ячеек.

Поглощение энергии

Поглощение энергии – особенно важное качество латексной пены.

Наибольшее поглощение энергии происходит в первой и второй областях кривой деформации-напряжения. У менее эластомерных полимеров клеточные стенки более хрупкие и, следовательно, их легче раздавить. При этом основная часть поглощения происходит во втором участке кривой, что обусловлено деформацией и разрушением клеточных стенок. Это означает, что каждая клетка может внести свой вклад в такое поглощение только один раз (то есть клетки дробятся и, следовательно, израсходуются).

У более эластомерного полимера клеточные стенки более гибкие и могут выдерживать большее воздействие. Клеточная стенка в этом случае может изгибаться и клетка сдавливаться, но со временем клетка вернется к исходной форме. Таким образом, наибольшее поглощение энергии происходит в первой области графика напряжения-деформации. Пена также может выдерживать большее количество ударов, поскольку клетки не так легко истощаются. Это значительное улучшение экологической ситуации.

Классификация и добавки

Выбор полимера

Традиционный выбор полимеров

Полиизопреновый полимер, основной компонент натурального каучукового латекса, обычно извлекаемый из гевеи бразильской.

Исторически использовался латекс натурального каучука , а пенопласты производились с использованием процессов Dunlop. Латекс бутадиен-стирольного каучука приобрел известность после того, как на рынке начали продаваться концентраты с высоким содержанием сухих веществ, разработанные специально для вспенивания. Свойства этого полимера были очень похожи на латекс натурального каучука, поэтому конкуренция между этими двумя вариантами здесь в основном экономичная.

Выбор полимера для изменения свойств

Другие виды полимеров были выбраны из-за их свойств и того, как они, в свою очередь, влияют на свойства пенопласта. Например, полихлоропреновый вспененный каучук труднее горит и представляет собой менее огнеопасную альтернативу традиционному латексному пеноматериалу. Акрилонитрил-бутадиенлатексный поролон устойчив к набуханию в углеводородных маслах.

Наполнители

Структурные наполнители

Это наполнители, предназначенные для повышения стабильности и несущей способности вспененного латекса при одновременном увеличении расширения и, следовательно, снижении расхода материалов. Однако добавление наполнителей также влияет на желаемые свойства латексной пены, например, за счет уменьшения растяжения при разрыве и устойчивости к повторяющимся воздействиям и расслаблению.

Минеральные наполнители, такие как каолинитовые глины и карбонаты кальция, можно добавлять к латексной пене на этапе взбивания (при периодическом процессе) или на этапе смешивания (при непрерывном процессе). влажного измельчения Слюду аналогичным образом можно добавлять в латекс во время вспенивания, и она имеет тенденцию оказывать меньшее влияние на прочность на разрыв и растяжение при разрыве. Однако слюды имеют тенденцию вызывать большую усадку продукта на этапе извлечения из формы.

Огнезащитные средства

Поскольку пенопласты из латекса являются пожароопасными, предпринимаются попытки включить в пенопласты наполнители, чтобы уменьшить их воспламеняемость. К таким наполнителям относятся хлорированные парафиновые углеводороды, триоксид сурьмы , борат цинка и гидратированный оксид алюминия .

Натуральные наполнители

Рисовая шелуха — органический сельскохозяйственный продукт, образующийся при выращивании риса. Порошок рисовой шелухи можно использовать в качестве наполнителя пенопласта. (Ссылка 6)

Это материалы, которые улучшают структурные свойства латексной пены, а также делают ее более экологически чистой за счет повышенной биоразлагаемости . Особый интерес вызывает использование органических отходов для создания этих наполнителей.

Порошок яичной скорлупы является примером такого наполнителя, который можно добавлять в латексную пену для изменения свойств продукта и повышения его экологичности. Подобно минеральным наполнителям, порошок яичной скорлупы увеличивает напряжение сжатия, остаточную деформацию при сжатии, твердость и плотность пены, одновременно снижая прочность на разрыв и растяжение при разрыве. Этот наполнитель также снижает термическую стабильность производимого материала, но было обнаружено, что добавление смолы , еще одного возможного органического наполнителя, увеличивает прочность на разрыв вспененного полимера натурального каучука, наполненного порошком яичной скорлупы.

Другим предложенным наполнителем с аналогичными свойствами был порошок рисовой шелухи, который увеличивает несущую способность пены, одновременно уменьшая прочность на разрыв и растяжение при разрыве. Также было обнаружено, что это увеличивает биоразлагаемость пены и улучшает контроль за отходами этих продуктов после потребления.

Приложения

Пенопластовый арахис — одноразовая полимерная пена, используемая для упаковки для уменьшения воздействия на отправляемые товары.

Транспорт

Благодаря своим свойствам поглощения энергии пенолатексы полезны при транспортировке, например, в упаковке, чтобы уменьшить воздействие на перевозимый продукт, или в обивке транспортных средств . Хотя упаковочные пенопласты могут быть одноразовыми и иметь низкую устойчивость к динамической усталости, обивка, как правило, выигрывает от того, что она более плотная и более устойчивая к усталости, поскольку она поглощает меньшие удары, но требует более частого повторения.

Мебель

Латексные пены можно использовать в таких предметах, как постельное белье, обивка и подушки, в целях амортизации из-за их выраженной кривой растяжения при воздействии нагрузки.

Звукоизоляция

Акустическая пена, используемая в звукоизоляции.

Благодаря содержанию пузырьков воздуха латексные пенопласты обладают некоторыми звукоизоляционными свойствами. В частности, как натуральный каучук, так и пенопласт из стирол-бутадиенового латекса обладают хорошими звукоизоляционными свойствами, но бутадиен-стирольный пенопласт, как правило, лучше подходит для этой цели.

Разделение масла и воды

Загрязнение водоемов нефтью является серьезной экологической проблемой. Разделение нефти и воды полезно как для очистки воды, так и для извлечения нефти. Латексные пенопласты являются гидрофобными и абсорбирующими, а также эластичными и пригодными для вторичной переработки, поэтому их можно использовать для поглощения масла из водно-масляных смесей для их разделения.

Спорт, искусство и отдых

Пенистый латекс используется в масках и протезах лица для изменения внешнего вида человека. «Волшебник страны Оз» был одним из первых фильмов 1930-х годов, в которых широко использовались протезы из пенолатекса.

Театральная латексная пена — это специализированная латексная пена, которая мягче коммерческой латексной пены. Его можно использовать в различных видах декоративно-прикладного искусства, включая кукольное представление и костюмы, благодаря его способности улавливать мелкие детали живописи, а также его прочности. Мисс Пигги, Стэтлер и Уолдорф в Джима Хенсона » «Маппет-шоу , а также персонажи следующей постановки Хенсона «Темный кристалл » были одними из первых кукол, созданных из пенолатекса, которые использовались в больших масштабах.

Такие артисты, как Lordi и GWAR, носят костюмы, в состав которых входит этот материал.

Латексная пена также широко распространена при производстве современных футбольных вратарских перчаток. Этот материал оказался наиболее эффективным способом, позволяющим игрокам захватывать мяч во влажных и сухих игровых условиях, а также обеспечивает демпфирующие свойства, которые помогают при захвате. К латексной пене применяются различные виды обработки для получения различных типов пены с различными свойствами, улучшающими эксплуатационные характеристики. Некоторые, например, предназначены для обеспечения высокого уровня сцепления; тогда как другие предназначены для обеспечения максимальной долговечности.