CN101612772B - 一种热塑性树脂物理发泡材料的制备装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热塑性树脂物理发泡材料的制备装置及其制备方法。其特点是该装置由热压机(1)、高压容器(2)和气体增压系统(10)组成，高压容器放在热压机上下压板之间，高压容器一端设有气体进气口(4)，并通过气体控制阀(8)与气体增压系统和储气罐(11)连接，高压容器另一端设有气体出气口(3)，并与卸压控制阀(9)连接，高压容器还设有温度、压力传感器(5)，并与数据接收处理系统(6)连接，高压容器为上下模板组合的模具，模板间设有密封圈(7)。将热塑性树脂放入高压容器中，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，注入5～30MPa气体，于温度110～170℃，恒温保压2～60min，以5～20MPa/s的速度卸压至常压，获得热塑性树脂发泡材料。

Description

一种热塑性树脂物理发泡材料的制备装置及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种热塑性树脂物理发泡材料的制备装置及其制备方法，属于热塑性树脂发泡材料领域。

背景技术：

目前，工业上热塑性树脂发泡材料的制备方法主要分为物理气体发泡和化学发泡。前者是直接利用注入到热塑性树脂中的气体进行发泡的方法，而后者则是利用热塑性树脂中混合的化合物受热分解所产生的气体进行发泡的方法。

物理气体发泡主要有两种方式来实现，一是挤出、注射发泡法；二是釜压发泡法。

挤出、注射发泡法为在耐高温高压的挤出机中先将高聚物进行熔融塑化，再注入如氮气、二氧化碳、丁烷等发泡剂，并使之与高聚物熔体混合均匀。熔体与气体混合物经过机头口模时，快速减压，冷却，获得发泡粒子或片材；注射发泡将混合均匀的熔体与气体混合物注入模具中，通过对模具升、降温(US4473665)或者打开模具的型腔(US5158986)达到快速卸压，冷却，获得发泡材料或制品。美国专利US4473665、US5158986和US6322347报道了用于物理气体挤出或注射发泡的挤出机。该类挤出机不同于一般的挤出机，必须要有耐高温高压的料筒，并且要在料筒上安装一个发泡剂的进气口，此外，要在螺杆上设计一个止逆单元，使注入的气体能够随着螺杆的转动与高聚物熔体很好的混合，而不产生回流。挤出、注射发泡法要求的生产设备制造成本高，加工精度高，生产工艺控制参数多、难度大，不容易操作和控制好产品质量。

釜压发泡法，是先将高聚物挤出制成微粒，再将微粒、有机过氧化物和水系分散介质置于高压釜内，通入二氧化碳、氮气或氧气等发泡剂，在高温高压下保持一定时间后，打开高压釜卸压，得到预发泡粒子。CN100460177C(2009年2月11日授权)，CN1271125C(2006年8月23日授权)发明了一种方法就是将聚丙烯树脂微粒、含有有机过氧化物的分散介质和发泡剂一起加入到高压釜中，通过两步升温并保持25～120分钟，后打开高压釜上的流量控制板(节流孔)卸压，使分散介质和发泡剂从高压釜中排出到大气中，得到发泡密度为0.010g/cm³～0.50g/cm³的发泡聚丙烯树脂珠粒。釜压发泡法工序多，操作复杂，能源消耗大，对环境保护有影响。

化学发泡方法在工业上主要是通过模压法来实现的。将高聚物、发泡剂(有机化合物)，交联剂和稳定剂等助剂进行共混，随后将共混好的物料压制成片，放入在两个加热模板之间的模具中。通过模板给模具施加一定的压力和加热到使发泡剂足够分解的温度，恒温一段时间后，开模快速卸压，制得高聚物发泡材料。模压法虽然能够很便捷的制造出高聚物发泡材料，但是由于受到化学发泡剂和结晶高聚物特性的限制，它不能很好的用于结晶型或半结晶型高聚物的发泡。此外，交联发泡产品的回收利用，化学发泡剂的残留物和产品异味对人体的影响是该方法的主要缺陷。

中国专利CN1207135C(2005年6月22日授权)发明了一种模压物理发泡工程塑料的制备方法。它是将载体树脂与化学发泡剂先进行混炼，制得发泡剂基材，然后将发泡剂基材和工程塑料片材共同放入模具型腔中，在热压机上经过恒温恒压，通过发泡基材中的化学发泡剂分解释放出的气体渗透到工程塑料片材中，再通过卸压得到发泡的工程塑料片材。该方法是通过对化学模压法的改良来制备物理气体发泡的工程塑料片材。由于受自身制造工序的限制，只能发泡一些特定的工程塑料片材。该方法需要化学发泡剂的基材来做为工程塑料发泡的气源，这不仅生产成本很高，而且资源浪费。

综上所述，挤出、注塑物理气体发泡法需要特定的耐高温高压的挤出机和特殊设计的螺杆，并且要很好的协调树脂的塑化，发泡剂的加入，气核的形成和成长的过程，工艺条件要求严格，操作复杂。而釜压法受高压釜形状的限制，要用分散介质使树脂颗粒不发生粘连，便于发泡粒子的排出。分散介质的使用，加大了能源的浪费。化学模压法以及改进的模压发泡工程塑料方法受化学发泡剂的影响，应用范围有限，还需要解决好材料的回收利用、节约资源和环境保护等问题。因此，研制一种适用范围广、设备简单、操作方便、推动高聚物物理气体发泡发展的方法，迫在眉睫。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种热塑性树脂物理气体发泡材料的制备装置及其制备方法，其特点是设备简单，便于操作控制，并且能使半结晶型高聚物发泡。

本发明的目的有以下技术措施实现：

热塑性树脂物理发泡材料的制备装置由热压机、高压容器和气体增压系统组成，高压容器放在热压机的上下压板之间，高压容器的一端设有气体进气口，气体进气口通过气体控制阀与气体增压系统和储气罐连接，高压容器的另一端设有气体出气口，气体出气口与卸压控制阀连接，高压容器还设有温度、压力传感器，温度、压力传感器与数据接收处理系统连接，高压容器为上下模板组合的模具，模板间设有密封圈。

热压机是两层或多层的热压机，平板硫化机或压模机中的任一种。

高压容器为上下模板组合的模具。

气体控制阀为高压球阀，高压针阀或高压电磁阀中的任一种。

密封圈为丁基橡胶，氟橡胶或硅橡胶高分子材料中的任一种；或者是铜垫圈，铝垫圈或者柔性石墨垫圈中的任一种。

热塑性树脂物理发泡材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将热塑性树脂放入高压容器后，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，置入热压机的上下压板之间，通过热压机给高压容器施加20～50MPa的压力使高压容器密封。

(2)通过热压机给高压容器升温到110～170℃。

(3)由温度、压力传感器测定的容器温度达到实验所需温度时，打开进气管道上的气体控制阀，再通过气体增压系统向高压容器中注入5～30MPa高压气体，恒温保压2～60min。

(4)打开出气管道上的卸压控制阀对高压容器进行卸压，然后再对热压机进行卸载，取出高压容器并打开，将发泡粒子取出后在常温下进行冷却，获得发泡的热塑性树脂。

高压气体为氮气、二氧化碳、丁烷或戊烷中的任一种。

热塑性树脂为聚苯乙烯、聚氨酯、聚乳酸、聚己内酯、聚酯和聚烯烃中的至少一种。

性能测试：

根据美国试验材料学会标准ASTM D792-08测试发泡粒子的发泡密度。

平均孔径的测量方法为：

将发泡粒子切成薄片，放在光学显微镜下以观察泡孔均匀程度并测量泡孔直径。光学显微镜为爱国者数码观测王GE-5，其软件自带图像测量功能

发泡倍率计算公式：

$n=\frac{{\mathrm{\ρ}}_p}{{\mathrm{\ρ}}_f}$

n：发泡倍率，ρ_p：树脂基体的密度，ρ_f：发泡粒子的密度。

本发明具有如下优点：

1本发明不仅适用于无定型聚合物，也同时适用于热塑性弹性体和结晶型聚合物发泡，尤其是适用于聚丙烯发泡。

2本发明中使用的热塑性树脂的形状可以是粒子也可以是片材，将模具的形状直接做成特定的形状，如鞋底，直接进行发泡鞋底的制作。

3它使用的设备为普通的热压机、密闭容器和气体增压系统作为主要的加工设备，工艺流程简单，易于操作控制。

4它不需要发泡剂基材或分散介质，直接注入物理气体对粒子进行发泡，干净、环保、不浪费原料和过大的能耗。

附图说明：

附图1为热塑性树脂物理发泡材料的制备装置结构示意图

1、热压机，2、高压容器，3、气体出气口，4、气体进气口，5，温度、压力传感器，6、数据接收处理系统，7、密封圈，8、气体控制阀，9、卸压控制阀，10、气体增压系统，11、储蓄罐。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要再次指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1所示，热塑性树脂物理气体发泡材料的制备装置由热压机1、高压容器2和气体增压系统10组成。高压容器2放在热压机的上下压板之间。高压容器2的一端设有气体进气口4，气体进气口通过气体控制阀8与气体增压系统10和储气罐11连接，高压容器的另一端设有气体出气口3，气体出气口与卸压控制阀9连接，高压容器还设有温度、压力传感器5，温度、压力传感器与数据接收处理系统6连接。高压容器为上下模板组合的模具，模板间设有密封圈7。

热塑性树脂物理气体发泡材料的制备方法是将均聚聚丙烯粒子置于模具中，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，使粒子有足够的空间进行发泡。再将模具放入热压机的压板之间，热压机合模，作用在模具上的压力为50MPa。通过热压机给模具升温至170℃，再由增压泵向模具中注入氮气，压力为30MPa，恒温恒压2分钟，然后由高压针阀将模具中的压力以20MPa/s的速度卸压至常压。将热压机的压力卸载，取出模具并打开，将发泡聚丙烯粒子取出，在常温下进行冷却，测试聚丙烯发泡材料的平均孔径为185μm，密度为0.050g/cm³，较原料体积膨胀了19倍。

实施例2、高密度聚乙烯和聚丙烯共混物发泡材料的制备

按照实施例1的制备装置进行高密度聚乙烯和聚丙烯共混物发泡材料的制备。采用HAAKE公司的MiniLab微型共混流变仪制备高密度聚乙烯和聚丙烯(20/80)共混物。制备条件为：熔融温度190℃，锥形双螺杆以50rpm混合5分钟。将混合挤出物剪切成长4mm、宽4mm、厚1mm的粒子。

将共混物粒子置于模具中，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，使粒子有足够的空间进行发泡。再将模具放入热压机的压板之间，热压机合模，作用在模具上的压力为30MPa。通过热压机给模具升温至167℃，由增压泵向模具中注入氮气，压力为20MPa，恒温恒压10分钟，然后通过高压针阀将模具中的压力以20MPa/s的速度卸压至常压。将热压机的压力卸载，取出模具并打开，将发泡高密度聚乙烯和聚丙烯共混粒子取出，在常温下进行冷却，测试发泡材料的平均孔径为80μm，密度为0.10g/cm³，较原料体积膨胀了9倍。

实施例3、低密度聚乙烯发泡材料的制备

按照实施例1的制备装置进行低密度聚乙烯发泡材料的制备。将低密度聚乙烯粒子置于模具中，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，使粒子有足够的空间进行发泡。再将模具放入热压机的压板之间，热压机合模，作用在模具上的压力为20MPa。通过热压机给模具升温至110℃，由增压泵向模具中注入氮气，压力为5MPa，恒温恒压60分钟，然后由高压针阀将模具中的压力以5MPa/s的速度卸压至常压。将热压机的压力卸载，取出模具并打开，将发泡低密度聚乙烯粒子取出，在常温下进行冷却，测试发泡低密度聚乙烯样品的平均孔径为195μm，密度为0.070g/cm³，较原料体积膨胀了13倍。

实施例4、聚苯乙烯发泡材料的制备

按照实施例1的制备装置进行聚苯乙烯发泡材料的制备。将聚苯乙烯粒子置于模具中，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，使粒子有足够的空间进行发泡。再将模具放入热压机的压板之间，热压机合模，作用在模具上的压力为30MPa。通过热压机给模具升温至160℃，由增压泵向模具中充入氮气，压力为18MPa，恒温恒压20分钟，然后通过高压针阀将模具中的压力以18MPa/s的速度卸压至常压。将热压机的压力卸载，取出模具并打开，将发泡聚苯乙烯粒子取出，在常温下进行冷却，测试发泡聚苯乙烯材料的平均孔径为30μm，密度为0.30g/cm³，较原料体积膨胀了3倍。

实施例5、热塑性聚氨酯发泡材料的制备

按照实施例1的制备装置进行热塑性聚氨酯发泡材料的制备。将热塑性聚氨酯粒子置于模具中，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，使粒子有足够的空间进行发泡。再将模具放入热压机的压板之间，热压机合模，作用在模具上的压力为30MPa。通过热压机给模具升温至140℃，由增压泵向模具中注入氮气，压力为20MPa，恒温恒压10分钟，然后通过高压针阀将模具中的压力以20MPa/s的速度卸压至常压。将热压机的压力卸载，取出模具并打开，将发泡聚氨酯粒子取出，在常温下进行冷却，测试发泡聚氨酯的平均孔径为36μm，密度为0.39g/cm³，较原料体积膨胀了3倍。

Claims (7)

1.一种热塑性树脂物理气体发泡材料的制备装置，其特征在于该装置由热压机(1)、高压容器(2)和气体增压系统(10)组成，高压容器放在热压机的上下压板之间，高压容器的一端设有气体进气口(4)，高压气体进气口通过气体控制阀(8)与气体增压系统(10)和储气罐(11)连接，高压容器的另一端设有气体出气口(3)，气体出气口与卸压控制阀(9)连接，高压容器还设有温度、压力传感器(5)，温度、压力传感器与数据接收处理系统(6)连接，高压容器为上下模板组合的模具，模板间设有密封圈(7)，通过热压机加载使高压容器密封，放入高压容器中的样品为热塑性树脂，其温度由热压机调控，通入高压容器的高压气体为氮气、二氧化碳、丁烷或戊烷中的任一种。

2.如权利要求1所述热塑性树脂物理气体发泡材料的制备装置，其特征在于热压机(1)为两层或多层的热压机，平板硫化机或压模机中的任一种。

3.如权利要求1所述热塑性树脂物理气体发泡材料的制备装置，其特征在于气体控制阀(8)和卸压控制阀(9)为高压球阀，高压针阀或高压电磁阀中的任一种。

4.如权利要求1所述热塑性树脂物理气体发泡材料的制备装置，其特征在于密封圈(7)为丁基橡胶，氟橡胶或硅橡胶高分子材料中的任一种，或者是铜垫圈，铝垫圈或者柔性石墨垫圈中的任一种。

5.如权利要求1～4之一所述热塑性树脂物理气体发泡材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将热塑性树脂放入高压容器(2)后，保证热塑性树脂总体积不超过容器体积的1/25，置入热压机(1)的上下压板间，通过热压机给高压容器施加20～50MPa的压力使高压容器密封；

(2)通过热压机给高压容器升温到110～170℃；

(3)由温度、压力传感器(5)测定高压容器达到实验所需的温度时，打开进气管道上的气体控制阀(8)再通过气体增压系统(10)向高压容器中注入5～30MPa高压气体，恒温保压2～60min；

(4)打开出气管道上的卸压控制阀(9)对容器以5～20MPa/s的速度卸压至常压，然后再对热压机进行卸载，取出高压容器并打开，将发泡热塑性树脂取出后在常温下进行冷却，获得发泡的热塑性树脂。

6.如权利要求5所述热塑性树脂物理气体发泡材料的制备方法，其特征在于热塑性树脂为聚氨酯、聚乳酸、聚己内酯、聚酯和聚烯烃中的至少一种。

7.如权利要求5所述热塑性树脂物理气体发泡材料的制备方法，其特征在于热塑性树脂为聚苯乙烯。

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