С точки зрения технико-эко­номических показателей поли­стирола, как заполнителя для бе­тона, важной его характеристи­кой является насыпная плот­ность. Чем выше плотность полистирольных гранул, тем больше удельные материальные затраты на производство поли­стиролбетона, и наоборот — с уменьшением плотности запол­нителя улучшаются технико­экономические показатели гото­вых полистиролбетонных изде­лий.

            Теоретические и практиче­ские исследования показали, что в зависимости от условий вспе­нивания размер образующихся гранул может увеличиваться в 3,5—5 раз, а это значит, что их объем может возрастать в 42,8— 135 раз по сравнению с объемом исходных гранул бисера. Отсюда нетрудно рассчитать потенциаль­ные пределы конечной насыпной плотности полистирольного
заполнителя, как частное от деле­ния насыпной плотности исход­ного бисера на кратность изме­нения его объема. Данные такого расчета показали, что самый легкий полистирольный заполни­тель может быть получен с на­сыпной плотностью 5,28 кг/м3, а среднестатистический рядовой- с плотностью 15,4 кг/м3.

                 Наиболее актуальными в на­стоящее время являются вопросы плотности гранулированного вспененного полистирола и его экологической  безопасности. Первый параметр в большей сте­пени характеризует конкурентоспособность и экономическую целесообразность использования полистирола в качестве заполни­теля для бетона, а второй — са­нитарно-гигиенический парамет­ры эксплуатации зданий и соо­ружений из полистиролбетона.
Работа выполнялась в двух направлениях. Первое предпола­гало поиск резервов повышения
эффективности вспенивания на стандартном оборудовании и при общепринятых технологических режимах, применяемых на заво­дах по выпуску полистирольного  пенопласта. Второе было связано с разработкой новых методов вспенивания полистирола и оп­тимизацией технологических
па­раметров.

                Для решения этих проблем лабораторные исследования были поставлены таким образом, что­бы результаты научных данных могли лечь в основу опытно-про­мышленного производства, спо­собного давать полистирольный заполнитель для бетона, не ус­тупающий по своим основным показателям лучшим зарубеж­ным образцам.

       Теоретически был рассмот­рен процесс теплообмена между частицами полистирольных гра­нул и паровоздушным потоком при условии постоянной темпе­ратуры среды без внутренних источников тепла и при постоян­ном тепловом потоке. Решение дифференциального уравнения теплопроводности при симмет­ричной задаче показывает , что для данных граничных условий температура в любой точке шара будет линейной функцией вре­мени, а распределение темпера­туры — параболическим. Начи­ная с критерия Фурье, равном 0.5, процесс нагревания стано­вится квазистационарным. В справочной литературе даны гра­фические построения основных характеристик и критериальных величин для поверхности и цен­тра частиц шаровой формы, что было нами использовано для ко­личественной оценки результа­тов лабораторных исследований.

         Предварительные расчеты показывают, что получение осо­бо легкого заполнителя пони­женной плотности (ПВГ-ПП) за­висит не только от технологиче­ских параметров вспенивания, но также от типа исходного бисера и его гранулометрического соста­ва. Наилучшие результаты полу­чены для фракций с размером частиц выше 0,9 мм, несколько хуже для фракций 0,8—0,63 мм. Получение же поли стирольного заполнителя из мелких фракций исходного бисера с размером ча­стиц 0,4 мм и ниже практически невозможно без применения спе­циальных технических приемов. Это связано с тем, что процесс вспенивания частиц сопровожда­ется пропорциональным пониже­нием их насыпной плотности за счет одновременного увеличения диаметра вспоенных гранул. Чтобы получить полистирольный заполнитель с насыпной плотно­стью 10 кг/м3 из эмульсионного полистирольного бисера плотно­стью 610—660 кг/м3 необходи­мо, чтобы произошло увеличение объема частиц в 61—66 раз со­ответственно (см. таблицу).

           Для получения полистироль­ного заполнителя с насыпной плотностью 50 кг/м3 требуется увеличить диаметр исходных ча­стиц бисера всего лишь в 2,35 раза при кратности увеличения первоначального объема гранул 13, а для получения особо лег­кого заполнителя с насыпной плотностью 5 кг/м3 необходимо увеличить диаметр исходных ча­стиц в 4,79 раз при соответст­вующей кратности увеличения объема (130 раз), что для мел­ких частиц полистирольного би­сера крайне затруднительно из- за быстрого улетучивания вспе­нивающего агента.

          На рис. 1 показана кинетика изменения среднего объема час­тиц суспензионного полистирола типа   ПСВ-С от времени ее пре­бывания в зоне активного про­грева.  Максимальный фиксированный размер вспененной частицы для данного типа исходного бисера был достигнут через 10 мин после начала ее вспени­вания. Дальнейшее пребывание частицы в зоне активного про­грева приводит к закономерному уменьшению ее размера практи­чески до  первоначального. На­сыпная плотность полистирольного заполнителя ПВГ-ПП при кратности (числе ступеней) вспе­нивания 1, 2, 3 и 4 составила соответственно 19,3; 12; 8,4 и 10,1 кг/м3.

Рис. 1. Кинетика изменения объема час­тиц суспензионного полистирола ПСВ-С в момент вспенивания

            Для данного типа исходных гранул зависимость в координа­тах "плотность — ступени вспе­нивания" носит параболический характер с ярко выраженной точкой перегиба на отметке трех ступеней. При этом плотность ПВГ-ПП достигла минимального своего значения и составила 8,4 кг/м3, после чего дальней­шее увеличение кратности вспе­нивания начало способствовать заметному возрастанию кажу­щейся плотности полистирольного заполнителя. Такое поведение вспенивающихся гранул можно объяснить их физической "уста­лостью", когда от многократного циклического процесса "размяг­чение—твердение" происходит резкое снижение упруго-эластичных свойств полимера за счет чисто механической поперемен­ной переориентации его внутрен­ней структуры в момент нагре­вания и охлаждения.

           Существует несколько воз­можных вариантов перераспреде­ления внутреннего потенциала вспенивания полистирольных гранул по ступеням вспенивания. Наиболее распространенным яв­ляется первый вариант, когда эффективность вспенивания каждой предыдущей ступени больше, чем эффективность по­следующей. Причем функцио­нальная связь такого уменьше­ния внутреннего потенциала вспенивания с ростом числа ступеней может иметь как ли­нейный, так и степенной харак­тер.

           Важное влияние на процесс вспенивания полистирольных гранул оказывает также темпе­ратурное поле внутри вспенивателя. На рис. 2 приведены за­висимости изменения плотности частиц по высоте вспенивателя для различных температурны полей.

Рис. 2. Термограммы вспенивания суспензионного полистирольного бисера ПСВ-С в аппарате колонного типа
а, б, в- режимы вспенивания с нарушением условий термодинамического равновесия
г- вспенивание при оптимальных условиях

           Наиболее оптимальным температурным режимом вспенивания является тот, который
приводит к сохранению достигнутой минимальной плотности полистирольного заполнителя на
выходе из аппарата. Такой температурный режим показан рис. 2,г. Все другие температурные поля не удовлетворяют условиям сохранения устойчивого термодинамического состояния системы и приводят к обратном процессу — к свертыванию час­тиц.

(с) В. И. МЕЛИХОВ, А.И, КОЗЛОВСКИЙ, В.Н. РОССОВСКИЙ, кандидаты техн. наук