Вспененный латекс

Вспененный латекс или латексная вспененная резина — это легкая форма латекса, содержащая пузырьки, известные как ячейки, созданные из жидкого латекса . Пена обычно создается с помощью процесса Данлопа или Талалая, в котором жидкий латекс вспенивается, а затем отверждается в форме для извлечения пены. ^[1]

Структурные улучшения применяются к пене путем выбора различных полимеров, используемых для пены, или путем использования наполнителей в пене. Исторически для пены используется натуральный каучуковый латекс, но похожим коммерческим претендентом является стирол-бутадиеновый латекс, который специально разработан для использования в латексных пенах. ^[2] Минеральные наполнители также могут использоваться для улучшения таких свойств, как стабильность, несущая способность или огнестойкость, но эти наполнители часто достигаются ценой снижения прочности на растяжение и удлинения при разрыве, которые обычно являются желательными свойствами продукта. ^[3]

Латексная пена обладает свойствами поглощения энергии, теплопроводности и сжатия, что делает ее пригодной для многих коммерческих применений, таких как обивка, звукоизоляция, ^[4] теплоизоляция (особенно в строительстве) и транспортировка грузов. ^{[5] [6]}

Вспененный латекс также используется в масках и лицевых протезах для изменения внешнего вида человека. «Волшебник страны Оз» был одним из первых фильмов, в котором широко использовались вспененные латексные протезы в 1930-х годах. ^[7] С тех пор он стал основным продуктом кино, телевидения и театральных постановок, а также используется в ряде других областей.

Одноразовые пластмассы и полимерные пены часто выбрасываются на свалки, и растет беспокойство по поводу того, сколько места занимают эти отходы. ^[8] В попытке сделать пены более экологически чистыми проводятся исследования наполнителей, которые могут достичь тех же улучшений, что и минеральные, а также повысить биоразлагаемость продукта. Примерами таких наполнителей являются порошки яичной скорлупы ^[9] и порошки рисовой шелухи. ^[8]

Латексная пена — это легкая и вспененная форма латекса. Внутри жидкого латекса образуются ячеистые пузырьки воздуха, которым можно придавать различные формы и размеры. Расширение пены определяется количеством воздуха внутри этих ячеек. ^[5] Более плотные и более вспененные материалы, как правило, имеют ячейки, которые являются более многогранными , в то время как менее вспененные материалы, как правило, имеют больше сферических ячеек. ^[10]

Хотя плотность пены ( ) можно измерить, более важным свойством является относительная плотность пены к плотности исходной латексной основы ( ). Это выражается как . Полимерные пены также будут иметь некоторое соотношение закрытых ячеек к открытым ячейкам (воздушные пузырьки, которые были лопнуты), которое можно измерить через водопроницаемость пены. ^[10]${\displaystyle \rho _{f}}$${\displaystyle \rho _{s}}$${\displaystyle \phi ={\dfrac {\rho _{f}}{\rho _{s}}}}$

Для создания вспененного латекса жидкая латексная основа смешивается с различными добавками и взбивается в пену , затем заливается или впрыскивается в форму и запекается в печи для отверждения. Основными компонентами вспененного латекса являются латексная основа, вспенивающий агент (чтобы помочь ему взбиться в пену), гелеобразующий агент (чтобы превратить жидкую пену в гель) и отвердитель (чтобы превратить гелеобразный вспененный латекс в твердое вещество при запекании). Также может быть добавлен ряд дополнительных добавок в зависимости от требуемого использования пены. ^[11]

Процесс Данлопа может быть выполнен в пакетном и непрерывном виде. Ниже приведено описание пакетного процесса. ^[1]

1. Подготавливаются различные ингредиенты для латексной пены, включая выбор жидкого латекса, компаундирующие агенты и стабилизаторы, которые готовятся к использованию.
2. Деаммонизированный жидкий латекс смешивают со стабилизатором и другими ингредиентами в виде дисперсий или эмульсий в зависимости от растворимости в воде.
3. Смесь осторожно перемешивают и дают ей смешаться. На этом этапе можно добавить наполнители. Смесь можно оставить созревать на 24 часа.
4. Миксер Hobart взбивает смесь до образования пены, в результате чего в нее добавляются пузырьки разного размера, что позволяет ей расширяться до желаемого размера.
5. Скорость взбивания уменьшается, а пузырьки приобретают более равномерный размер. Теперь можно добавить стабилизатор пены.
6. Затем можно добавить гелеобразующий агент, а затем смесь заливают в форму, где она со временем превращается в гель и затвердевает.

Однородность является высоко востребованным свойством в коммерческом плане, и выполнение процесса Данлопа непрерывным способом, а не партиями, помогает повысить однородность производимых пен. Другими преимуществами непрерывного процесса являются снижение затрат на рабочую силу и уменьшение отходов от формы. Непрерывный процесс включает использование машины с различными камерами для создания и вспенивания смеси, добавления наполнителей, а также формования и отверждения. ^[1]

1. Подготавливаются различные ингредиенты для латексной пены, включая выбор жидкого латекса, компаундирующие агенты и стабилизаторы, которые готовятся к использованию.
2. Деаммонизированный жидкий латекс смешивают со стабилизатором и другими ингредиентами в виде дисперсий или эмульсий в зависимости от растворимости в воде.
3. Смесь осторожно перемешивают и дают ей смешаться. На этом этапе можно добавить наполнители. Смесь можно оставить созревать на 24 часа.
4. В результате разложения перекиси водорода дрожжами образуются пузырьки, которые вызывают вспенивание состава внутри специализированной формы.
5. Для ускорения расширения к форме прикладывается вакуум.
6. Затем смесь быстро замораживают, чтобы образовались пузырьки воздуха.
7. Наконец, составу дают затвердеть и извлекают из формы. ^[12]

Отказ от использования гелеобразующего агента в пользу диоксида углерода делает процесс более экологически чистым, однако процесс Талалая до сих пор не получил широкого распространения в промышленности для получения специализированных латексных пен. ^[12]

В целом, латексные пены имеют более низкую плотность, чем исходный полимер, из которого они сделаны. Эту плотность можно регулярно измерять, проводя измерение объема и массы материала. Для измерения объема пены неправильной формы куски пены можно покрыть воском и поместить в известный объем воды, чтобы измерить изменение объема в контейнере. Цель воска — предотвратить проникновение воды в пену, что может привести к более низкому воспринимаемому объему (и более высокой воспринимаемой плотности в результате), если его не учитывать. Плотность пены уменьшается по мере увеличения расширения пены. Расширение, в свою очередь, связано с количеством воздуха внутри ячеек пены. Чем больше воздуха внутри ячеек, тем больше расширение. ^[5]

Латексные пены демонстрируют кривую напряжения-деформации с тремя областями при сжатии. Это относится к силе сопротивления, выраженной пеной, когда к ней прикладывается нагрузка или сила. Форма различных областей кривой будет отражать некоторые важные качества пены, касающиеся компрессионного или релаксационного напряжения и поведения материала при деформации. ^[5]

Во-первых, пена будет демонстрировать линейное увеличение напряжения по Хуку . Это происходит, потому что газ, содержащийся в ячейках пены, сжимается, а стенки ячеек сохраняют свою структуру. Во второй области стенки ячеек разрушаются, и не испытывают дополнительного напряжения, поэтому напряжение выходит на плато. В третьей области пена увеличивается в плотности, поскольку измельченный материал стенки ячейки сжимается сам в себя. Это приводит к резкому увеличению напряжения в области уплотнения. ^[13]

Что касается долговечности материала, то сопротивление динамической усталости проверяется путем рекурсивного сжатия пены и предоставления ей возможности расслабиться. Сопротивление пены динамической усталости затем может быть измерено либо путем визуального наблюдения за структурой ячеек, чтобы отметить, какая доля клеточных стенок сломалась или разорвалась, либо путем измерения изменения физических свойств, таких как толщина материала. ^[5]

Низкая теплопроводность латексных пен обусловлена ​​четырьмя факторами: теплопроводностью полимера, теплопроводностью газа внутри пузырьков воздуха, конвекцией газа внутри ячеек (менее важной для ячеек малого и среднего размера) и излучением через пену. ^[13]

Существует несколько способов, с помощью которых эти факторы могут влиять на проводимость:

1. более низкая температура для снижения теплового излучения;
2. уменьшить размер ячеек, чтобы уменьшить конвекцию и излучение (из-за большего количества отражений внутри стенок ячеек);
3. уменьшить плотность пены, чтобы уменьшить проводимость через твердый полимер;
4. заменить воздух на менее проводящий газ внутри ячеек. ^[13]

Поглощение энергии является особенно важным качеством латексной пены.

Большая часть поглощения энергии происходит в первой и второй областях кривой деформации-напряжения. В менее эластомерных полимерах стенки клеток более хрупкие и поэтому могут быть раздавлены легче. В этом случае большая часть поглощения происходит во второй области кривой, вызванной деформацией и раздавливанием стенок клеток. Это означает, что каждая клетка может внести вклад в такое поглощение только один раз (то есть клетки раздавливаются и, следовательно, изнашиваются). ^[13]

Для более эластомерного полимера стенки ячеек более гибкие и могут выдерживать больше ударов. В этом случае стенка ячейки может изгибаться, и ячейка сжимается, но ячейка в конечном итоге возвращается к своей первоначальной форме. Поэтому большая часть поглощения энергии происходит в первой области графика напряжения-деформации. Пена также может выдерживать больше ударов, поскольку ячейки не истощаются так легко. Это значительное улучшение для окружающей среды. ^[13]

Исторически использовался натуральный каучуковый латекс , а пены производились с использованием процессов Данлопа. Стирол-бутадиеновый каучуковый латекс приобрел известность после того, как на рынке начали продаваться концентраты с высоким содержанием твердых веществ, которые были разработаны специально для вспенивания. Свойства этого полимера были довольно похожи на свойства натурального каучукового латекса, поэтому конкуренция между двумя вариантами здесь в основном экономическая. ^[2]

Другие виды полимеров были выбраны по их свойствам и тому, как они в свою очередь влияют на свойства пены. Например, полихлоропреновый пенокаучук труднее горит и представляет собой менее огнеопасную альтернативу традиционному латексному пеноматериалу. Акрилонитрил-бутадиеновый пенокаучук устойчив к набуханию в углеводородных маслах. ^[2]

Это наполнители, предназначенные для повышения стабильности и несущей способности вспененного латекса, одновременно увеличивая расширение и, следовательно, снижая стоимость материалов. Однако добавление наполнителей также влияет на желаемые свойства латексной пены, например, уменьшая растяжение при разрыве и устойчивость к повторяющимся появлениям напряжения и релаксации. ^[3]

Минеральные наполнители, такие как каолинитовые глины и карбонаты кальция, можно добавлять в латексную пену во время фазы взбивания (в периодическом процессе) или фазы смешивания (в непрерывном процессе). Влажные слюды можно добавлять в латекс во время вспенивания, и они, как правило, оказывают меньшее влияние на прочность на растяжение и удлинение при разрыве. Однако слюды, как правило, вызывают большую усадку продукта на стадии извлечения из формы. ^[3]

Поскольку латексные пены пожароопасны, предпринимаются попытки включить в пены наполнители, чтобы снизить их воспламеняемость. К таким наполнителям относятся хлорированные парафиновые углеводороды, триоксид сурьмы , борат цинка и гидратированный оксид алюминия . ^[15]

Это материалы, которые улучшают структурные свойства латексной пены, а также делают ее более экологически чистой за счет повышенной биоразлагаемости . Особый интерес представляет использование органических отходов для создания этих наполнителей. ^{[8] [9]}

Порошок яичной скорлупы является примером такого наполнителя, который можно добавлять в латексную пену для управления свойствами продукта и повышения его экологичности. Подобно минеральным наполнителям, порошок яичной скорлупы увеличивает напряжение сжатия, остаточную деформацию сжатия, твердость и плотность пены, одновременно снижая прочность на растяжение и удлинение при разрыве. Этот наполнитель также снижает термическую стабильность полученного материала, но было обнаружено, что добавление смолы , другого возможного органического наполнителя, увеличивает прочность на растяжение натуральной резиновой полимерной пены, заполненной порошком яичной скорлупы. ^[9]

Другим предложенным наполнителем с похожими свойствами был порошок рисовой шелухи, который увеличивает несущие свойства пены, одновременно снижая прочность на растяжение и удлинение при разрыве. Было также обнаружено, что это увеличивает биоразлагаемость пены для улучшения контроля за отходами потребления этих продуктов. ^[8]

Благодаря своим свойствам поглощения энергии латексные пены полезны для транспортных приложений, таких как упаковка для уменьшения воздействия на отправленный продукт или обивка транспортных средств . В то время как упаковочные пены могут быть одноразовыми с низкой устойчивостью к динамической усталости, обивка, как правило, выигрывает от того, что она более плотная и более устойчивая к усталости, поскольку она поглощает меньшие удары, но должна делать это чаще. ^[6]

Латексные пены могут использоваться в таких изделиях, как постельное белье, обивка и подушки, в целях амортизации из-за их выраженной кривой напряжения-деформации при воздействии нагрузки. ^[6]

Благодаря содержанию пузырьков воздуха латексные пены обладают некоторыми звукоизоляционными свойствами. В частности, как натуральный каучук, так и латексная пена из стирол-бутадиена считаются хорошими звукоизоляционными, но стирол-бутадиеновые пены, как правило, лучше подходят для этой цели. ^[4]

Загрязнение водоемов нефтью является серьезной экологической проблемой. Разделение нефти и воды полезно как для очистки воды, так и для извлечения нефти. Латексные пены являются гидрофобными и абсорбирующими, а также эластичными и пригодными для вторичной переработки, и поэтому могут использоваться для поглощения нефти в смесях вода-нефть для их разделения. ^[16]

Вспененный латекс используется в масках и лицевых протезах для изменения внешнего вида человека. «Волшебник страны Оз» был одним из первых фильмов, в котором широко использовались вспененные латексные протезы в 1930-х годах. ^[17]

Театральная латексная пена — это специализированная латексная пена, которая мягче коммерческой латексной пены. Она может использоваться в различных видах искусства и ремесел, включая кукольный театр и костюмы, из-за своей способности воспроизводить мелкие детали картины, а также своей прочности. Мисс Пигги, Статлер и Уолдорф в «Маппет-шоу » Джима Хенсона , а также персонажи в следующей постановке Хенсона, «Темный кристалл» , были одними из первых кукол, созданных из латексной пены, которая использовалась в больших масштабах. ^[18]

Такие артисты, как Lordi и GWAR, носят костюмы, в состав которых входит этот материал. ^{[19] [20]}

Латексная пена также широко распространена в производстве современных перчаток для вратарей. Материал оказался наиболее эффективным способом, позволяющим игрокам удерживать мяч в мокрых и сухих условиях игры, а также обеспечивающим амортизирующие свойства, которые помогают при ловле. Различные виды обработки применяются к латексной пене для получения различных типов пены с различными свойствами, способствующими производительности. Некоторые, например, предназначены для обеспечения высокого уровня сцепления, тогда как другие предназначены для обеспечения максимальной долговечности. ^[21]