Technologia Produkcji Ekstrudowanej Pianki PS

Ekstrudowana pianka polistyrenowa (XPS) to coraz powszechniej stosowany materiał budowlany, który dzięki swoim właściwościom termoizolacyjnym skutecznie konkuruje ze styropianem. Pomysł wprowadzania gazu do polistyrenu ma już ponad 60 lat. Pierwsze udane próby uzyskania XPS przeprowadzono w latach 40-tych w USA. Celem badań było otrzymanie materiału wytrzymałego, lekkiego i odpornego na wilgoć. Na rynek amerykański XPS wprowadziła firma Dow Chemicals pod nazwą STYROFOAM. Od tamtego czasu ekstrudowany polistyren zdobywał sobie uznanie w oczach klientów i producentów. W Europie jako pierwsza produkcję seryjną rozpoczęła w latach 60-tych firma BASF pod nazwą handlową STYRODUR. Obecnie płyty XPS produkowane są zarówno przez duże koncerny jak również mniejsze firmy. Poza Dow i BASF warto wspomnieć o takich producentach jak: Austrotherm, GefinexJackon, URSA. W Polsce produkcją płyt XPS zajmuje się firma Mech-Rol-Plast z Koźmina Wlkp. pod nazwą TERMOPIAN.

Nomenklatura i Właściwości XPS

W materiałach publikowanych w prasie, internecie czy też w innych źródłach można spotkać skróty XPS i EPS, oznaczające odpowiednio polistyren porowaty (ang. expandable polystyrene) potocznie zwany styropianem i polistyren wytłaczany (ang. extrudate polystyrene). W związku z bezpośrednimi tłumaczeniami z języka angielskiego powszechnie stosowanym określeniem na XPS jest pianka polistyrenowa. Tym czasem z fizykochemicznego punktu widzenia jest to określenie błędne. Spory na temat nomenklatury potrwają pewnie jeszcze jakiś czas, bo nazwy styropian XPS i styropian EPS też mają swoich przeciwników.

O ile EPS powstaje w wyniku formowania rozrostowego, o tyle XPS jest efektem wymuszonego wytłaczania porującego. Wszystkie unikalne właściwości fizykochemiczne są konsekwencją zastosowanej metody produkcji. Pamiętać należy że w przypadku ekspandowanego polistyrenu jego struktura nie jest zamkniętokomórkową, tak jak w przypadku odmiany ekstrudowanej. XPS charakteryzuje się m.in. następującymi właściwościami:

• gęstością ok. 35g/l

• zamkniętymi komórkami, przez to wysoką odpornością na działanie wilgoci (nasiąkliwość poniżej 1,5%)

• odporność na niskie temperatury nawet -50ºC

• wysoką wytrzymałości mechaniczną 200-700 kPa na ściskanie

• łatwością obróbki mechanicznej (wycinanie, frezowanie)

• niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła λ

• w zależności od receptury odpornością na promieniowanie UV i ogień

• typowe wymiary płyt XPS: szerokość 600mm, długość 1250mm i grubość pomiędzy 30-180mm

• dobrą odpornością chemiczną i biologiczną (bezpośredni kontakt z wodą i gruntem).

Dzięki takim właściwościom płyty XPS znalazły zastosowanie w: budownictwie (izolacja ścian piwnic od strony zewnętrznej, izolacja podłóg pod wylewkę), drogownictwie i kolejnictwie (izolacja dróg i linii kolejowych w miejscach występowania dużych mrozów np. na Alasce czy w Rosji), rybołówstwie (jako izolacja chłodni) jak również reklamie (do tworzenia dekoracji).

Przygotowanie Procesu Produkcyjnego

Rozpoczęcie produkcji płyt XPS wiąże się ze spełnienieniem wielu wymagań związanych nie tylko z wysokimi kosztami inwestycyjnymi. Można się pokusić o stwierdzenie, że jest to jeden z najtrudniejszych procesów przetwórstwa tworzyw sztucznych. Do jego najważniejszych elementów należą:

Surowce

Podstawowym surowcem jest GPPS o MFI 2-7 g/10min lub wyższy w zależności od rodzaju gazu porotwórczego. Do tego należy uwzględnić dodatki, takie jak: środki opóźniające palenie, stabilizatory UV, substancje poślizgowe i nukleujące, koncentraty barwiące najczęściej w postaci masterbatchy. Wybór środka porotwórczego powinien uwzględniać regulacje prawne zakazujące stosowania gazów cieplarnianych oraz niszczących warstwę ozonową (o wartościach wskaźników ODP i HGWP większych od zera). Obecnie typowym gazem do produkcji płyt XPS w UE jest CO₂ podawany razem z nośnikiem (najczęściej etanolem). W krajach podchodzących do spraw ochrony środowiska mniej rygorystycznie można spotkać linie zasilane fluoropochodnymi węglowodorów jak: R134a (CHF₃CH₂F), R154a (CHF₃CH₃) czy rzadziej chlorofluoropochodnymi R11, R12, R22, R142b. Teoretycznie do porowania można używać węglowodorów (np. butan) czy eterów (np. eter dimetylowy), ale wówczas istnieje duże zagrożenie wybuchem m.in. związane z powstawaniem ładunków elektrostatycznych podczas produkcji na powierzchni tafli wytłaczanego polistyrenu. Do tego dochodzi konieczność zapewnienia dobrej cyrkulacji powietrza przy przechowywaniu płyt, która uniemożliwiłaby nagromadzenie wydostających się węglowodorów i powstanie zagrożenia wybuchem.

Receptura

To jeden z najbardziej trudnych i zarazem zindywidualizowanych elementów procesu produkcyjnego. Producenci maszyn, z reguły gwarantują jedynie wymiary i gęstość uzyskanego XPS oraz określają recepturę wyjściową. Określenie i doskonalenie pozostałych parametrów musi być efektem prac rozwojowych nad produktem. Podobnie wygląda sytuacja z recepturami producentów płyt XPS. W tym przypadku także nie można mówić o licencji, która gwarantowałaby określony poziom wszystkich parametrów fizykochemicznych.

Przestrzeń

Linia produkcyjna do płyt XPS wymaga dużej hali produkcyjnej nawet powyżej 100m długości oraz odpowiedniej wysokości - najlepiej ok. 8-10m. Potrzebna jest również duża przestrzeń magazynowa do przechowywania płyt. Dość powiedzieć, że przy średniej wydajności 400kg/h w ciągu doby można wyprodukować około 270m³ XPS, co zapełni nam 100m² placu stosami o wysokości 3m. Płyty w zależności od grubości muszą wymienić zawarty w nich gaz na powietrze, co może trwać - w zależności od grubości płyty - od kilku godzin do kilku tygodni.

Maszyny

Polistyren wytłaczany najczęściej wymaga zastosowania linii wytłaczarkowej w układzie tandemowym (układ dwóch wytłaczarek). Istnieją również rozwiązania konstrukcyjne wykorzystujące trzy wytłaczarki. Do tego dochodzą systemy dozowania surowca i gazu porotwórczego, układ chłodzenia, system transportu surowca i odpadów produkcyjnych, kalibrator, rolki przesuwające, linia procesowa do obróbki płyt, urządzenie pakujące, linia do recyklingu/aglomeracji, młyn, systemy detekcji gazu, silosy i zbiorniki.

Fot. 2. Układ tandemowy wytłaczarek Schaumtandex ZE50/KE120. Wytłaczarka współbieżna dwuślimakowa i chłodząca wytłaczarka jednoślimakowa. Pomiędzy nimi widoczny system uszczelniający „active melt seal”.

Ludzie

Linia z reguły pracuje 24 godziny na dobę a do obsługi procesu potrzebne jest 3-5 osób. Dzięki zintegrowaniu sterowania poszczególnymi urządzeniami wchodzącymi w skład linii nadzór na wszystkimi parametrami może być kontrolowany za pomocą dwóch paneli LCD.

Wytłaczanie XPS

Głównym elementem linii produkcyjnej jest układ wytłaczarek. Wytaczarka początkowa (najlepiej współbieżna dwuślimakowa) służy do stopienia PS oraz wymieszania go z gazem porującym oraz wszystkimi dodatkami w tym z przetworzonymi odpadami produkcyjnymi. Gaz lub mieszanina wypompowywane są poprzez specjalny pierścień do wytłaczarki przy zastosowaniu pomp pracujących przy ciśnieniu 350 bar. Ślimaki wytłaczarki powinny mieć budowę segmentową, aby łatwo było wymienić elementy, które uległy zużyciu. W przypadku stosowania dodatków zwiększających ryzyko korozji jak środki opóźniające palenie np. HBCD (hexabromocyklododekan) rozsądne jest zastosowanie stali chromowej lub innej stali odpornej na korozje.

Następnie stopione tworzywo z gazem dostaje się do wytłaczarki jednoślimakowej gdzie następuje proces schłodzenia stopionego tworzywa do temperatury ok. 105ºC i wytłoczenie głowicą szczelinową. Utrzymanie stałej temperatury i ciśnienia na wyjściu jest zagadnieniem krytycznym, dlatego niezbędne jest wielostrefowe termostatowanie olejowe i mikser statyczny przed głowicą.

Do chłodzenia wykorzystuje się nawet 10 niezależnych zamkniętych obiegów wodnych i olejowych oraz specjalnych konstrukcji cylindrów, dodatkowo obiegu chłodziwa wewnątrz ślimaka. Pozwala to na schłodzenie płynącego stopu na długości ok. 5m o ok. 100ºC. To właśnie chłodzenie a nie prędkość wytłaczarki determinuje wydajność linii do XPS. Wydajności te, w zależności od wielkości wytłaczarek, mogą wynosić od 200kg/h do teoretycznie nawet 2000kg/h.

Oddzielnym zagadnieniem jest zabezpieczenie drugiej wytłaczarki chłodzącej przed wydostaniem się stopu i wprowadzanego wcześniej gazu w miejscu mocowania ślimaka oraz możliwym zalaniem układu rozrządu. Jednym ze skutecznych zabezpieczeń jest uszczelnienie ślimaka samym tworzywem podawanym w małych ilościach przed miejscem wprowadzania mieszaniny stopionego tworzywa i gazu tzw. active melt seal.

Maksymalna szerokość szczeliny głowicy uzależniona jest od faktycznej wydajności linii XPS. Grubsze płyty wymagają generalnie większych wydajności. Typowa głowica przystosowana jest do produkcji płyt o szerokości 600mm. Do niektórych zastosowań są również używane głowice umożliwiające uzyskanie 900mm szerokości. Głowica powinna utrzymać stałą i równomierną temperaturę, dlatego wymagane jest termostatowanie najlepiej olejowe. Ustnik głowicy powinien być pokryty materiałem zmniejszającym tarcie np. teflonem.

Tworzywo przy wyjściu z głowicy natychmiast zwiększa swoją objętości nawet pięćdziesięciokrotnie rozszerzając się we wszystkich kierunkach. W celu uzyskania doskonale równoległych i gładkich płaszczyzn wykorzystuje się kalibrator. Pokryte teflonem płytki kalibratora dociskają płynący polistyren porowaty nadając mu żądaną grubość. Płytki kalibratora muszą być rozgrzane, aby nie zaburzyć proces schładzania XPS. Różnice w grubości z reguły nie przekraczają 3-5% w zależności od ustalonej grubości produkowanych płyt. Za transport tworzywa odpowiedzialne są elektryczne rolki, których prędkości dostosowane są do wydajności linii i prędkości pracy linii.

Uformowana tafla XPS musi być następnie schłodzona oraz pocięta na standardowe panele o długości 1250mm. Ważne jest również wyrównanie krawędzi płyty oraz nadanie im odpowiedniego profilu. Wszystko to odbywa się w linii o długości kilkudziesięciu metrów w zależności od wydajności. Praca poszczególnych noży tnących musi być zsynchronizowana z prędkości przesuwania się tafli XPS (1-20m/min). Gotowe płyty XPS są pakowane w około półmetrowe stosy a następnie przenoszone w miejsce leżakowania o dobrej wymianie powietrza, najlepiej na zewnątrz budynku.

Odcinane skrawki XPS z reguły są natychmiast mielone i zasysane przez system transportu pneumatycznego do silosu pośredniego a następnie do linii do recyklingu. W przypadku niewystarczającej długości hali można zastosować dźwig okrężny transportujący płyty w górę budynku.

Paweł KOZIOŁ*), Jacek SZCZERBA**)