CN102453278B

CN102453278B - 一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102453278B
Application number: CN 201010512657
Authority: CN
Inventors: 公维光; 朱成; 郑柏存; 林珩; 易红玲; 魏婷; 武易明; 孟圆圆
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: CN102453278A

Abstract

本发明涉及一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料及其制备方法，其原料组成为：基体高熔体强度聚丙烯树脂以100份质量计，其他物料添加按基体树脂质量百分比计，有机化学发泡剂0.1～10.0wt％，发泡助剂0.1～1.0wt％，成核剂0.1～1.5wt％，液体加工助剂0.1～0.5wt％；制备方法为物料的混合采用两步分开进行，然后将混合均匀的物料投至螺杆挤出机中在料筒进料段温度为145～170℃，螺杆加工区温度为180～215℃，模头区温度为155～170℃，螺杆转速为6～80转/min，脉动剪切作用力场振幅为0.01～1.00mm，频率为1～60Hz的条件下进行连续挤出发泡成型，制备出相应的发泡制品。本发明的优点：该发泡材料的发泡倍率为2～30倍，发泡材料密度为50～500kg/m³，泡孔尺寸可调控在10～300μm之间。

Description

一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及聚丙烯材料技术领域，具体地说，是一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料及其制备方法。

【背景技术】

聚丙烯(PP)发泡材料与聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PP)、聚乙烯(PE)以及EVA发泡材料相比，其综合性能更突出，如具有优良的耐热性、力学性能和良好的环境适应性等优点，使得发泡聚丙烯材料在食品包装材料，建筑材料，汽车用材料，体育器材，化工材料等方面的应用越来越广泛。而聚丙烯发泡材料的这些优点又与材料本身的微观结构有关，即发泡材料制品的泡孔形貌与尺寸决定了材料的最终使用范围和场合。由于普通聚丙烯是结晶型聚合物，熔体强度低，其挤出发泡的加工温度范围很窄，人们采用接枝交联、辐射等方法对普通聚丙烯进行改性，提高其熔体强度后进行发泡。如采用辐射、化学交联等工艺以提高发泡体系的熔体强度，制备出聚丙烯发泡制品。美国专利US4766159，是采用辐射交联的工艺方法制备出发泡聚丙烯材料。该专利采用均聚或共聚聚丙烯，或二者与无规共聚聚丙烯共混树脂为基体树脂原料，配合使用化学发泡剂AC及过氧化物交联剂等加工成型后，经辐照后再进行发泡。但由于聚丙烯容易降解，在交联过程中聚丙烯分子的降解和交联会同时进行，这对发泡材料制品的最终使用性能和力学性能等都将产生影响，泡孔尺寸的均匀性不容易得到控制。公开日为2006年11月15日的中国专利CN1861368A，公开的是一种非交联聚丙烯发泡材料的生产方法，该方法采用的是超临界二氧化碳等作为发泡剂，得到的发泡聚丙烯珠粒密度为28-86Kg/m3，上述公开的发泡聚丙烯制品及生产方法中，采用超临界气体作为发泡剂，对设备和工艺都有非常苛刻的要求，需要专用压力容器和耐压防泄漏管道，需要较高的安全防护和消防配置。

目前聚丙烯的发泡方法中的挤出发泡是指：将含发泡剂的树脂熔融物体系，由机头模口挤出时因高压迅速变为常压，而溶于树脂熔融物内的气体发生减压膨胀作用，冷却即得到含泡孔结构的聚丙烯发泡材料。但由于普通挤出发泡法是将物料混炼和发泡成型在螺杆挤出机中一次性完成，造成了混炼效果不理想或者背压不足等现象发生。使得发泡制品微观泡孔结构尺寸不均，难以控制连续挤出发泡的稳定性。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料及其制备方法。本发明直接采用高熔体强度聚丙烯，以改进普通聚丙烯熔体强度不足的缺陷，通过调节发泡制品的泡孔微观形貌结构与尺寸，达到可控发泡制品的泡孔以应用在不同领域的目的。通过在普通挤出工艺过程中引入脉动剪切作用，使得挤出发泡过程的机器复杂程度降低、加工过程简单化、生产效率高、产品微观形态随时可调、生产成本降低。推广应用则可以推动聚丙烯在热成型和发泡材料领域的广泛使用性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料，其原料组成为：基体高熔体强度聚丙烯树脂以100份质量计，其他物料添加按基体树脂质量百分比计，有机化学发泡剂0.1～10.0wt％，发泡助剂0.1～1.0wt％，成核剂0.1～1.5wt％，液体加工助剂0.1～0.5wt％；成型工艺中料筒进料段温度为145～170℃，螺杆加工区温度为180～215℃，模头区温度为155～170℃，螺杆转速为6～80转/min，脉动剪切力场的振幅为0.01～1.00mm，频率为1～60Hz，挤出发泡制品经空气或者冷却水冷却定型成品；

所述的高熔体强度聚丙烯树脂，其熔体强度为0.5～0.8N，其用量按100份质量计，其他物料添加参照基体树脂质量计；

所述的有机化学发泡剂，其特征在于可以是偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁睛、亚硝基化合物或柠檬酸系发泡剂；本发明优选偶氮二甲酰胺作为主体发泡剂，其用量为0.1～10.0％，优选用量0.4～3.5wt％；

所述的发泡剂助剂，其为有机锌类和锌氧化物，其中有机硬脂酸锌与氧化锌用量比例是9∶1，有机锌不仅起调节发泡剂分解温度的作用，还能改善聚丙烯加工性能，复配用量占发泡制品质量为0.1～1.0wt％，优选用量0.1～0.5wt％；

所述的成核剂，其使用1250目～5000目超细无机成核剂，选自二氧化硅、滑石粉、蒙脱土和碳酸钙其中的一种或几种复配使用；优选3250目二氧化硅作为成核剂，其用量为0.1～1.5wt％，优选用量0.5～1.2wt％；

所述的液体加工助剂，其选自白油或液体石蜡油，加工助剂的作用是改善物料相容分散性，改进物料加工过程中的流畅均匀性；优选液体石蜡油作为加工助剂，其用量为0.1～0.5wt％，优选0.2～0.3wt％。

一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料的制备方法，其具体步骤为：

物料的混合采用两步分开进行，然后将混合均匀的物料投至螺杆挤出机中进行连续挤出发泡成型，制备出相应的发泡制品；

所述的物料混合方法分为聚丙烯树脂料粒的润湿和粉体物料的预混合，最后进行物料的搅拌混合；第一步，将粉体物料的成核剂，发泡剂，发泡剂助剂等按一定比例称取预混；第二步，将聚丙烯树脂料粒中加入加工助剂在高混机中进行混合10～15min，然后停机投递粉体预混物料，继续开机共混10～20min；

所述的挤出制备发泡制品，是将高混机中预混好的物料投至料斗中，通过调控挤出机螺杆各个区段的温度、转速以及激振单元的振幅、频率后，挤出加工连续性进行；其中料筒进料段温度为145～170℃，螺杆加工区温度为180～215℃，模头区温度为155～170℃，螺杆转速为6～80转/min，由激振单元所产生的脉动剪切作用力场振幅为0.01～1.00mm，频率为1～60Hz，挤出模头为单孔流道装置，挤出发泡制品经空气或者冷却水冷却定型成品；

一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料的加工设备，是在传统单螺杆挤出机的基础上增加一激振单元，将脉动剪切作用力场引入传统挤出加工中，通过调节脉动剪切的振幅和频率，达到调控发泡制品微观泡孔结构和尺寸的目的。其特征在于，激振单元在加工条件下形成的脉动剪切力场的振幅为0.01～1.00mm，优选使用振幅为0.05～0.50mm；频率为1～60Hz，优选使用频率为5～30Hz；

所述的单螺杆挤出机的螺杆长径比为10∶1～65∶1，挤出模头为管材环状模头或者片材状模头装置；

所述的发泡聚丙烯材料，发泡倍率为2～30倍，发泡制品密度为50～500Kg/m3，泡孔尺寸可调控在10～300μm之间。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

(1)本发明在采用普通的单螺杆挤出设备的基础上添加激振单元进行连续性挤出生产，具有不用更换原有设备因而投入低、制造工艺简单、易于产业化进行推广等特点；

(2)本发明采用有机化学热分解发泡剂为绿色环保型发泡剂，生产过程无环境污染、产品受热或二次热塑加工时不散发异味、安全无毒环保等特点；

(3)本发明通过配方和加工工艺的重新设计，达到可控泡孔微观形貌结构和尺寸的目的，使不同应用领域的发泡聚丙烯制品的制备更具可操作性；

(4)本发明制造的发泡聚丙烯制品为闭孔硬质结构，发泡倍率为2～30倍，泡沫容重为50～500Kg/m3，泡孔尺寸可调控在10～300μm之间可调，可广泛应用于汽车、建材、包装、运输、体育器材和化工等多个领域；

(5)本发明制造的发泡聚丙烯制品中引入的外界添加物很少，且原料为非交联结构，可以按照聚丙烯材料回收利用，而不造成二次污染，符合环保可循环经济的要求。

【附图说明】

图1高熔体强度聚丙烯一步法挤出发泡制品设备示意图；

图2实施例1的发泡样品SEM泡孔结构照片；

图3实施例3的发泡样品SEM泡孔结构照片；

图4实施例5的发泡样品SEM泡孔结构照片。

附图中的标号分别为：1、挤出发泡机，2、激振单元，3、主控单元。

【具体实施方式】

以下提供本发明一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料及其制备方法的具体实施方式。

实施例1

请参见附图1，2，称取高熔体强度聚丙烯树脂(熔体强度为0.5-0.8N)，其用量以100份计，其他物料用量参照基体树脂质量添加；发泡剂偶氮二甲酰胺2.5wt％；3250目超细成核剂二氧化硅1.2wt％；有机硬脂酸锌与氧化锌用量比例为9∶1的发泡剂助剂复配用量为0.5wt％；加工助剂液体石蜡油用量为0.6wt％。

加工过程分为发泡物料预混和挤出加工，其中物料预混分开进行：将粉体物料的成核剂，发泡剂，发泡剂助剂称取后进行第一次预混合，高熔体强度聚丙烯树脂与聚合物加工助剂的石蜡油一起置于混料机中低速搅拌混合10～15min，然后停机投递粉体预混物料，继续开机共混10～20min后取出待用。

挤出发泡制品：将预混得到的物料投入单螺杆挤出机1制备发泡制品，主控单元3，其中料筒进料段温度为155℃，螺杆加工区温度为195℃，模头区温度为160℃，螺杆转速为24转/min，挤出发泡制品经冷却水冷却定型成品。

测定挤出制成品的技术参数为发泡材料发泡倍率为5倍，泡沫容重为161Kg/m³，数均泡孔尺寸可调控在150μm左右。

实施例2

在实施例1的基础上，挤出加工工艺中引入激振单元2的作用，由此产生脉动剪切力场作用，其振幅为0.10mm，频率为10Hz，将挤出发泡制品采用冷却水冷却定型制成品。

测定挤出制成品的技术参数为发泡材料发泡倍率为7倍，泡沫容重为130Kg/m³，数均泡孔尺寸可调控在120μm左右。

实施例3

请参见附图1，3，在实施例2的基础上稍作改动，将改变引入的脉动剪切力场作用的振幅为0.20mm，频率为15Hz，挤出发泡制品仍经冷却水冷却定型制成品。

测定挤出制成品的技术参数为发泡材料发泡倍率为8倍，泡沫容重为114Kg/m³，数均泡孔尺寸可调控在95μm左右。

实施例4

称取高熔体强度聚丙烯树脂(熔体强度为0.5-0.8N)，其用量以100份重量计，其他物料用量参照高熔体强度聚丙烯基体树脂质量添加；发泡剂偶氮二甲酰胺1.5wt％；3250目超细成核剂二氧化硅0.8wt％；有机硬脂酸锌与氧化锌用量比例为9∶1的发泡剂助剂复配用量为0.3wt％；加工助剂液体石蜡油用量为0.3wt％。

挤出发泡制品：将预混得到的物料投入单螺杆挤出制备发泡制品，其中料筒进料段温度为155℃，螺杆加工区温度为190℃，模头区温度为158℃，螺杆转速为30转/min，挤出加工工艺中引入激振单元2的作用，由此产生脉动剪切力场作用，其振幅为0.20mm，频率为30Hz，将挤出发泡制品采用冷却水冷却定型制成品，挤出发泡制品经冷却水冷却定型成品。

测定挤出制成品的技术参数为发泡材料发泡倍率为6倍，泡沫容重为150Kg/m³，数均泡孔尺寸可调控在70μm左右。

实施例5

请参见附图1，4，称取高熔体强度聚丙烯树脂(熔体强度为0.5-0.8N)，其用量以100份重量计，其他物料用量参照基体树脂质量添加；发泡剂偶氮二甲酰胺3.0wt％；5000目超细成核剂二氧化硅1.0wt％；有机硬脂酸锌与氧化锌用量比例为9∶1的发泡剂助剂复配用量为0.7wt％；加工助剂液体石蜡油用量为0.5wt％。

挤出发泡制品：将预混得到的物料投入单螺杆挤出机1制备发泡制品，其中料筒进料段温度为150℃，螺杆加工区温度为192℃，模头区温度为156℃，螺杆转速为36转/min，挤出加工工艺中引入激振单元的作用，由此产生脉动剪切力场作用，其振幅为0.40mm，频率为20Hz，将挤出发泡制品采用冷却水冷却定型制成品，挤出发泡制品经冷却水冷却定型成品。

测定挤出制成品的技术参数为发泡材料发泡倍率为10倍，泡沫容重为91Kg/m³，数均泡孔尺寸可调控在50μm左右。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims

1.一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料，其特征在于，原料组成为：基体高熔体强度聚丙烯树脂以100份质量计，其他物料添加按基体树脂质量百分比计，有机化学发泡剂0.1～10.0wt%，发泡助剂0.1～1.0wt%，成核剂0.1～1.5wt%，液体加工助剂0.1～0.5wt%；

所述的有机化学发泡剂，为偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁睛、亚硝基化合物或柠檬酸系发泡剂；

所述的发泡剂助剂，其为有机锌类和锌氧化物，其中有机硬脂酸锌与氧化锌用量比例是9:1；

所述的成核剂为蒙脱土。

2.如权利要求1所述的一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料，其特征在于，所述的高熔体强度聚丙烯树脂，其熔体强度为0.5～0.8N，其用量按100份质量计，其他物料添加参照基体树脂质量计。

3.一种脉动剪切力场作用下发泡聚丙烯材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

物料混合方法分为聚丙烯树脂料粒的润湿和粉体物料的预混合，最后进行物料的搅拌混合；第一步，将粉体物料的成核剂，发泡剂，发泡剂助剂按比例称取预混；第二步，将聚丙烯树脂料粒中加入加工助剂在高混机中进行混合10～15min，然后停机投递粉体预混物料，继续开机共混10～20min；

挤出制备发泡制品，是将高混机中预混好的物料投至料斗中，通过调控挤出机螺杆各个区段的温度、转速以及激振单元的振幅、频率后，挤出加工连续性进行；其中料筒进料段温度为145～170℃，螺杆加工区温度为180～215℃，模头区温度为155～170℃，螺杆转速为6～80转/min，由激振单元所产生的脉动剪切力场的振幅为0.05～0.50mm，频率为5～30Hz，挤出模头为单流道装置，挤出发泡制品经空气或者冷却水冷却定型成品。