CN101565510B - 改性高分子发泡材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种发泡材料技术领域的改性高分子发泡材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一，将聚苯乙烯置于四氢呋喃中溶解，挥发去除四氢呋喃，制备得到改性聚苯乙烯材料；步骤二，将改性聚苯乙烯材料置于超临界状态的CO₂流体中进行溶胀，卸压，发泡，得到改性聚苯乙烯发泡材料。本发明的方法制备得到的发泡材料同时具有两种泡孔结构，本发明的制备方法既能提高材料性能，又能降低制备成本，对环境友好。

Description

改性高分子发泡材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种发泡材料技术领域的制备方法，具体是一种改性高分子发泡材料的制备方法。

背景技术

传统的发泡方法是在材料中加入热分解型化学发泡剂使其受热分解，常见的有碳酸氯钠、碳酸铵、偶氮二甲酰胺(俗称AC发泡剂)、偶组二异丁腊和N，N-二甲基N，N-二亚硝基对苯二甲酰胺等。传统的发泡方法使用的化学发泡剂有一定的毒性，同时由于发泡过程的不可控性，使得其在实际的工业生产中逐步被淘汰，取而代之的是更加环保更加安全的发泡技术。以超临界CO₂和N₂等物理发泡剂为主的物理发泡法得到广泛的重视。超临界CO₂具有无毒、无害、不燃、无污染、容易回收和可循环利用等特点，因此超临界CO₂技术是一种对环境友好的“绿色技术”。利用超临界CO₂对高分子优异的、并且容易调节和控制的溶胀和渗透作用，通过注射成型、挤出成型或间歇工艺发泡，可以制备得到所需要的发泡材料。目前发泡材料的主要品种有聚乙烯、聚氨酯以及聚苯乙烯。由于各自性能的差异，使得其应用场合有所不同。聚乙烯发泡材料主要应用于保鲜膜、背心式塑料袋、塑料食品袋、奶瓶、提桶、水壶等；聚氨酯发泡材料主要应用于制造塑料、橡胶、纤维、硬质和软质泡沫塑料、胶粘剂和涂料等；聚苯乙烯发泡材料主要应用于建筑物隔音绝热层、包装材料和一次性包装容器。

随着工业的发展，人们对材料性能的要求日益提高，单一成分的材料慢慢地满足不了生产发展的需要，人们因此逐渐开始考虑对材料进行改性。在高分子加工过程中，各种添加剂的加入有利于增强聚合物材料的综合物理性能，同时也有利于改善材料的加工性能。

经过对发泡技术的文献检索发现，近年来有很多文献涉及到聚苯乙烯发泡技术的研究，比如专利CN1817614、CN1059308、CN1106839等。研究证明，在聚苯乙烯中加入橡胶聚合物粒子可以改变聚苯乙烯的物理性能。但从检索到的文献中可以发现，目前的发泡技术很少能够使发泡材料具有两种泡孔结构。而具有不同孔径结构的发泡材料具有良好的性能，两种孔径大小的泡孔分布相当于在单一孔径发泡材料的泡孔间隙中增加一种孔径更小、泡孔密度更大的泡孔，从而可以更好地实现节约材料的目的，同时小孔径的泡孔增加了材料对外来的冲击或者声波的减缓作用，从而更好地提高了材料的强度以及隔音、隔热的效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种改性高分子发泡材料的制备方法。本发明的方法制备得到的发泡材料同时具有两种泡孔结构，本发明的制备方法既能提高材料性能，又能降低制备成本，对环境友好。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤一，将聚苯乙烯置于四氢呋喃中溶解，挥发去除四氢呋喃，制备得到改性聚苯乙烯材料；

步骤二，将改性聚苯乙烯材料置于超临界状态的CO₂流体中进行溶胀，卸压，发泡，得到改性聚苯乙烯发泡材料。

步骤一中，在四氢呋喃中加入硬脂酸甘油酯，硬脂酸甘油酯的重量＜聚苯乙烯重量的10％。

步骤一中，所述挥发在18～25℃下进行。

步骤一中，所述改性聚苯乙烯材料的形状为粒状、片状或条状。

步骤二中，所述CO₂流体，温度＞31.1℃，压力＞7.4MPa。

步骤二中，所述溶胀，溶胀时间为2小时，溶胀温度为40℃，溶胀压力为20MPa。

步骤二中，所述卸压具体为，卸压速率为5MPa/s，卸压至大气常压。

步骤二中，所述发泡，温度为20～120℃。

步骤二中，所述改性聚苯乙烯发泡材料具有两种泡孔结构，大孔直径0.76～3.7μm、大孔泡孔密度3.9×10⁶～1.0×10⁷个/cm³，小孔直径0.026～0.2μm、小孔泡孔密度2.5×10⁷～5.2×10⁹个/cm³。

本发明制备得到的发泡材料同时具有两种泡孔结构，本发明既能提高材料性能，又能降低制备成本，对环境友好。本发明通过改性聚苯乙烯材料在超临界CO₂中溶胀，然后利用快速卸压的方法使其发泡，从而获得大孔直径0.76～3.7μm、大孔泡孔密度3.9×10⁶～1.0×10⁷个/cm³，小孔直径0.026～0.2μm、小孔泡孔密度2.5×10⁷～5.2×10⁹个/cm³的改性聚苯乙烯发泡材料。

附图说明

图1为实施例1的样品淬断面扫描电镜图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例采用的分析测试方法为扫描电镜分析。

采用扫描电镜(SEM)对改性聚苯乙烯发泡样品淬断面进行分析，以考察改性聚苯乙烯发泡材料的泡孔密度和泡孔直径大小。分析仪器为日本HitachiHigh-Technologies公司S-2150型扫描电镜。图1为改性聚苯乙烯发泡样品淬断面扫描电镜图，图中已标有放大倍数及尺寸。从SEM照片中统计微孔个数n，确定照片面积A(cm²)，其中泡孔直径采用以下方程表示：

$D=\frac{\mathrm{\Σ}{n}_i{d}_i}{\mathrm{\Σ}{n}_i}$

泡孔密度采用文献HANI Hani E.Naguib，Chul B.Park.Strategies forAchieving Ultra Low-Density Polypropylene Foams.Polymer Engineering andScience，42(7)：1481-1492(2002)公开的Park方法估算：

$N_p={\left(\frac{n}{A}\right)}^{3/2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_p}{{\mathrm{\ρ}}_f}$

ρ_p——发泡前样品密度；ρ_f——发泡后样品密度。

实施例1

将硬脂酸甘油酯和聚苯乙烯置于四氢呋喃中溶解，18～25℃下挥发去除四氢呋喃，制备得到改性聚苯乙烯材料。添加剂硬脂酸甘油酯为聚苯乙烯重量的5％。

将改性聚苯乙烯材料置于高压反应釜内，其中材料的体积不大于高压反应釜体积的二十分之一，以确保改性聚苯乙烯材料能够有足够的空间发泡成型。关闭高压釜，向釜内充入低压CO₂吹扫数分钟，置换釜中的空气；其中，CO₂的温度＞31.1℃，压力＞7.4MPa。将高压反应釜置于40℃的水浴锅内，用高压泵将CO₂充入高压釜至压力达到20MPa，溶胀2个小时。然后快速卸压至表压为大气常压，卸压速率为5MPa/s。取出样品置于70℃下发泡，并对其淬断面进行扫描电镜分析。本实施例得到的改性聚苯乙烯材料发泡样品的泡孔大孔直径为1.5μm，大孔密度为3.9×10⁶个/cm³，小孔直径为0.091μm，小孔密度为2.5×10⁷个/cm³。本实施例制备的材料的泡孔直径及泡孔密度等实验结果列于表1中，泡孔形态如图1所示。

实施例2

将硬脂酸甘油酯和聚苯乙烯置于四氢呋喃中溶解，18～25℃下挥发去除四氢呋喃，制备得到改性聚苯乙烯材料。添加剂硬脂酸甘油酯为聚苯乙烯重量的10％。

将改性聚苯乙烯材料置于高压反应釜内，其中材料的体积不大于高压反应釜体积的二十分之一，以确保改性聚苯乙烯材料能够有足够的空间发泡成型。关闭高压釜，向釜内充入低压CO₂吹扫数分钟，置换釜中的空气；其中，CO₂的温度＞31.1℃，压力＞7.4MPa。将高压反应釜置于40℃的水浴锅内，用高压泵将CO₂充入高压釜至压力达到20MPa，溶胀2个小时。然后快速卸压至表压为大气常压，卸压速率为5MPa/s。取出样品置于70℃下发泡，并对其淬断面进行扫描电镜分析。本实施例得到的改性材料的泡孔直径及泡孔密度等实验结果列于表1，其中，发泡样品的泡孔大孔直径为2.8μm，大孔密度为4.4×10⁶个/cm³，小孔直径为0.026μm，小孔密度为6.2×10⁷个/cm³。

实施例3

将聚苯乙烯材料置于高压反应釜内，其中材料的体积不大于高压反应釜体积的二十分之一，以确保改性聚苯乙烯材料能够有足够的空间发泡成型。关闭高压釜，向釜内充入低压CO₂吹扫数分钟，置换釜中的空气；其中，CO₂的温度＞31.1℃，压力＞7.4MPa。将高压反应釜置于40℃的水浴锅内，用高压泵将CO₂充入高压釜至压力达到20MPa，溶胀2个小时。然后快速卸压至表压为常压，卸压速率为5MPa/s。取出样品置于70℃下发泡，并对其淬断面进行扫描电镜分析。本实施例得到的改性材料的泡孔直径及泡孔密度等实验结果列于表1，其中，聚苯乙烯材料发泡样品的泡孔大孔直径为0.91μm，大孔密度为8.5×10⁶个/cm³，小孔直径为0.20μm，小孔密度为3.8×10⁹个/cm³。

实施例4

将聚苯乙烯材料置于高压反应釜内，其中材料的体积不大于高压反应釜体积的二十分之一，以确保改性聚苯乙烯材料能够有足够的空间发泡成型。关闭高压釜，向釜内充入低压CO₂吹扫数分钟，置换釜中的空气；其中，CO₂的温度＞31.1℃，压力＞7.4MPa。将高压反应釜置于40℃的水浴锅内，用高压泵将CO₂充入高压釜至压力达到20MPa，溶胀2个小时。然后快速卸压至表压为大气常压，卸压速率为5MPa/s。取出样品置于20℃下发泡，并对其淬断面进行扫描电镜分析。本实施例得到的改性材料的泡孔直径及泡孔密度等实验结果列于表1，其中，聚苯乙烯材料发泡样品的泡孔大孔直径为0.76μm，大孔密度为5.5×10⁶个/cm³，小孔直径为0.17μm，小孔密度为5.2×10⁹个/cm³。

实施例5

将聚苯乙烯材料置于高压反应釜内，其中材料的体积不大于高压反应釜体积的二十分之一，以确保改性聚苯乙烯材料能够有足够的空间发泡成型。关闭高压釜，向釜内充入低压CO₂吹扫数分钟，置换釜中的空气；其中，CO₂的温度＞31.1℃，压力＞7.4MPa。将高压反应釜置于40℃的水浴锅内，用高压泵将CO₂充入高压釜至压力达到20MPa，溶胀2个小时。然后快速卸压至表压为大气常压，卸压速率为5MPa/s。取出样品置于120℃下发泡，并对其淬断面进行扫描电镜分析。本实施例得到的改性材料的泡孔直径及泡孔密度等实验结果列于表1，其中，聚苯乙烯材料发泡样品的泡孔大孔直径为3.7μm，大孔密度为1.0×10⁷个/cm³，小孔直径为0.19μm，小孔密度3.3×10⁹个/cm³。

表1

实施例	添加剂含量(％)	发泡温度(℃)	大孔直径(μm)	大孔密度(个/cm3)	小孔直径(μm)	小孔密度(个/cm3)
							1	5	70	1.5	3.9×106	0.091	2.5×107
2	10	70	2.8	4.4×106	0.026	6.2×107
							3	0	70	0.91	8.5×106	0.20	3.8×109
4	0	20	0.76	5.5×106	0.17	5.2×109
							5	0	120	3.7	1.0×107	0.19	3.3×109

Claims (1)

1.一种改性高分子发泡材料的制备方法，其特征在于，包括下步骤：

步骤一，将聚苯乙烯置于四氢呋喃中溶解，挥发去除四氢呋喃，制备得到改性聚苯乙烯材料；

步骤二，将改性聚苯乙烯材料置于超临界状态的CO₂流体中进行溶胀，卸压，发泡，得到改性聚苯乙烯发泡材料；

步骤一中，在四氢呋喃中加入硬脂酸甘油酯，硬脂酸甘油酯的重量＜聚苯乙烯重量的10％；

步骤一中，所述挥发在18～25℃下进行；

步骤一中，所述改性聚苯乙烯材料的形状为粒状、片状或条状；

步骤二中，所述CO₂流体，温度＞31.1℃，压力＞7.4MPa；

步骤二中，所述溶胀，溶胀时间为2小时，溶胀温度为40℃，溶胀压力为20MPa；

步骤二中，所述卸压具体为，卸压速率为5MPa/s，卸压至大气常压；

步骤二中，所述发泡，温度为20～120℃；

步骤二中，所述改性聚苯乙烯发泡材料具有两种泡孔结构，大孔直径0.76～3.7μm、大孔泡孔密度3.9×10⁶～1.0×10⁷个/cm³，小孔直径0.026～0.2μm、小孔泡孔密度2.5×10⁷～5.2×10⁹个/cm³。