CN103692599A - 一种发泡塑料制品的生产方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，包括混料、挤出、逐级冷却及定型的生产步骤。该生产方法以超临界CO₂流体为物理发泡剂，促进物料完全熔融成均相体系，且安全环保；同时通过逐级冷却，满足产品冷却定型的要求。这样，制备的聚烯烃发泡塑料产品的相对密度低，发泡孔分布均匀，易于成型。本发明还提供一种生产聚烯烃发泡塑料产品的设备，包括多个具有冷却作用的装置，采用该设备生产的聚烯烃发泡塑料产品质量好，良品率高，且可实现聚烯烃发泡塑料产品的工业化生产。

Description

一种发泡塑料制品的生产方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种发泡塑料产品的生产方法，尤其涉及一种聚烯烃发泡塑料产品的生产方法及其设备。

背景技术

目前应用塑料挤出机连续生产高聚烯烃泡沫塑料使用的物理发泡剂通常是丁烷，液化石油气等低沸点液化气体，其性能易燃易爆，往往容易给人们的生命和财产带来危险和损失。如何寻找一种安全、环保的物理发泡剂替代目前的易燃易爆发泡剂，是非常需要和迫切的问题。

超临界流体是一种物质状态，当物质在超过临界温度及临界压力以上，气体与液体的性质会趋近于类似，最后会达成一个均匀相之流体现象。超临界流体的密度接近液体，且比气体大数百倍，且超临界流体具有与液体溶剂相近的溶解能力。超临界流体溶解在聚合物中，可使聚合物溶胀，增大其自由体积，降低其玻璃化温度，使其分子链有更大的活动空间，不但宏观上降低了聚合物熔体的黏度，且微观上增强了聚合物分子链的扩链能力。

目前，应用较为广泛的超临界CO₂是低沸点液化气体物理发泡剂较为理想的替代品，但由于其特性与低沸点气体有所不同，因此在发泡挤出装置和工艺上要有新的突破。而现有技术应用超临界CO₂生产发泡塑料还存在设备和工艺上的难题，在技术上尚未取得进展。

就现有制备发泡塑料制品的生产方法及挤出设备而言，生产过程中挤出机的螺杆长径比小，转速慢，剪切力不足，不能保证超临界CO₂在螺杆中能充分剪切混合分散，从而影响发泡挤出机的混合冷却效果，导致发泡塑料制品密度较高，发泡孔分布不均匀，成型困难。而且，由于生产的泡沫塑料制品厚度为20～120mm，现有设备和工艺都不能满足制品的冷却定型要求，无法实现泡沫塑料制品的工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供一种聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，以解决现有技术的生产工艺对聚烯烃塑料的混合冷却效果较差导致聚烯烃发泡塑料产品密度相对较高，发泡孔分布不均匀，质量差、产品瑕疵多及无法实现泡沫塑料制品工业化生产的问题。

本发明的另一目的在于提供一种生产聚烯烃发泡塑料产品的设备，按照上述聚烯烃发泡塑料产品的生产方法采用该设备生产聚烯烃发泡塑料产品。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，包括以下步骤：

将聚烯烃原料与泡孔成核剂的混合物采用加热挤出方式进行熔融塑化；再在熔融塑化阶段加入超临界CO₂和抗缩剂后继续熔融混合，得到熔融物料；

将所述熔融物料进行混炼降温处理后挤出发泡成型，得到发泡成型制品；

将所述发泡成型制品依次进行控温冷却处理、牵引切割处理以及强化冷却处理及定型后，得到所述聚烯烃发泡塑料产品。

以及，一种生产聚烯烃发泡塑料产品的设备，包括超临界CO₂输送装置、第一挤出机、具有冷却功能的第二挤出机、冷却装置、牵引切割装置和定型装置，所述冷却装置包括控温冷却装置与强化冷却装置，所述超临界CO₂输送装置、第一挤出机、第二挤出机、控温冷却装置、牵引切割装置、强化冷却装置和定型装置依次顺接。

上述聚烯烃发泡塑料产品的生产方法以超临界CO₂流体为物理发泡剂在高聚物中具有较强的溶解能力，促进物料完全熔融成均相体系，且安全环保；同时通过逐级冷却，满足产品冷却定型的要求。这样，制备的聚烯烃发泡塑料产品相对密度低，发泡孔分布均匀，易于成型，进一步提高产品的良率。

上述生产聚烯烃发泡塑料产品的设备将第一挤出机与第二挤出机串联，增强混合物料在挤出机中的剪切混合力，使超临界CO₂在螺杆中能充分剪切混合分散，从而控制挤出机的混合效果。同时，经过第二挤出机混炼降温、控温冷却装置、强化冷却装置及定型装置的逐级协同冷却作用，满足产品冷却定型的要求。由此，采用该设备可实现聚烯烃发泡塑料产品的工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例的生产工艺流程图；

图2为本发明实施例的设备结构示意图；

图3为本发明实施例的第二挤出机的单螺杆示意图；

图4为控温冷却装置的结构示意图；

图5为强化冷却装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种制备聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，其生产工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：

S01.混料：将聚烯烃原料与泡孔成核剂的混合物采用加热挤出方式进行熔融塑化；再在熔融塑化阶段加入超临界CO₂和抗缩剂后继续熔融混合，得到熔融物料；

S02.挤出：将上述熔融物料进行混炼降温处理后挤出发泡成型，得到发泡成型制品；

S03.逐级冷却定型：将上述发泡成型制品依次进行控温冷却处理、牵引切割处理以及强化冷却处理及定型后，得到聚烯烃发泡塑料产品。

上述步骤S01中，由于超临界CO₂流体在高聚物中具有较强溶解能力，以超临界CO₂流体为物理发泡剂制备发泡塑料制品不仅可促进物料完全熔融成均相体系，且比低沸点的液化石油气体安全环保。

为增加发泡塑料泡孔的数量，本实施例添加泡孔成核剂。另外，本实施例还通过添加抗缩剂使产品表面光洁无凹痕，改善塑料产品由于冷却造成收缩不均匀等问题，减少收缩变形，提高尺寸稳定性，尤其针对较厚的发泡塑料产品有显著作用。当然，上述泡孔成核剂与抗缩剂的种类可根据实际需要灵活选择，在此不加以限定。

上述塑料原料、泡孔成核剂、超临界CO₂以及抗缩剂的重量比优选为100：0.5～3：5～15：0.5～5，经优化的重量比可进一步保证塑料制品在生产过程中的质量。

进一步地，上述聚烯烃原料是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一种或至少两种混合物，为保证混合熔融时其流体黏度适中，该聚烯烃原料基体的熔融指数为1～15g/10min。

上述步骤S01中，加热挤出过程中聚烯烃原料与泡孔成核剂的混合物的加热温度优选为120℃～200℃。这是因为温度过高，会改变塑料原料特性导致后续制品成型困难，温度过低，流体混合熔融阻力增大，不利于物料均匀分散，影响后续制品的发泡密度。

为解决步骤S01得到的熔融物料过热及物料冷却速率不均的问题，在步骤S02中，需对第二挤出机熔融物料逐步混炼降温。由此，该混炼降温处理的温度优选为150℃～90℃.

上述步骤S03中，因为热塑性塑料导热性能差，易导致发泡成型制品内外冷却不均而塌陷，需对该发泡成型制品迅速进行控温冷却处理，以免降温过快。作为优选实施例，该控温冷却处理的温度为140℃～100℃，时间为20～80秒。该温度大于制品的定型温度，且与上述步骤S02中混炼冷却温度相差不大，从而有效防止发泡成型制品因急速冷却而出现冷却不均、厚薄收缩不一的问题出现。

控温冷却处理后的发泡成型制品已基本定型，此时应对发泡成型物料进行牵引定长切割。为进一步保证发泡制品能充分冷却定型，定长的发泡制品应立即强化冷却到发泡制品的定型温度，后再进行最终的保温定型。因此，作为优选实施例，上述强化冷却处理的温度为100℃～60℃，时间为20～40分钟。

上述步骤S03中，经过产品定型后得到的聚烯烃发泡塑料产品的厚度优选为20～120mm。该厚度较大，对生产过程中产品的冷却要求较高，由此，本发明实施例采用多次逐级冷却的方式，即混炼降温、控温冷却、强化冷却及产品定型时的保温冷却多次循序渐进冷却的工艺，使得厚度较大的发泡塑料制品充分冷却，进一步提高制品的质量。上述几种冷却方式的结合起到协同作用，且彼此相互配合，密不可分，缺一不可。

综上所述，如图1所示，本发明提供的生产聚烯烃发泡塑料产品的工艺流程为：聚烯烃原料与泡孔成核剂混合→混入超临界CO₂流体与抗缩剂→混合形成熔融物料→熔融物料混炼降温→挤出聚烯烃发泡成型制品→控温冷却→牵引切割→强化冷却→保温定型。

上述制备聚烯烃发泡塑料产品的生产方法以超临界CO₂流体为物理发泡剂促进物料完全熔融成均相体系，且安全环保，工艺简单；同时通过熔融物料混炼降温→控温冷却→强化冷却→保温定型这种逐级冷却的方式实现协同冷却的效果，满足产品冷却定型的要求。这样，生产厚度为20～120mm的聚烯烃发泡塑料产品相对密度低，发泡孔分布均匀，易于成型，可进一步提高产品的良率。

相应地，本发明实施例还提供一种生产聚烯烃发泡塑料产品的设备，如图2～5所示，其包括依次顺接的发泡剂输送装置1、第一挤出机2、第二挤出机3、控温冷却装置4、牵引切割装置5、强化冷却装置6和定型装置7。

本实施例中，发泡剂输送装置为超临界CO₂输送装置1，包括CO₂液体储存罐与高压泵，其中，高压泵一端连接液体储存罐，另一端连接第一挤出机2，这样，打开液体储存罐并调节高压泵的流量，CO₂就会处于超临界状态输入第一挤出机2中。

请参阅图2，第一挤出机22包括喂料器21、机筒（图中未标出）、螺杆（图中未标出）及抗缩剂输入装置22，喂料器21设于机筒前端，机筒外围装有加热装置（图中未标出），内设有可高速混炼的双螺杆结构，当然，该双螺杆与机筒的结构及相对位置关系均为现有技术，在此不再阐述。

本实施例中，如图2所示，第二挤出机3为单螺杆挤出机，其包括一冷却系统。所述冷却系统包括设于机筒31外表面的管道33，该管道33通入过热水，用以冷却筒体；同时，还包括设于机筒31内的冷却螺杆，其结构如图3所示，该螺杆在前端部设有螺杆冷却孔34，其使螺杆内中空，可通入冷却水或其他冷却剂防止螺杆剪切过热，实现低温挤塑。

请参阅图3，具体地，为使混合物料在流动中产生较大的剪切力及拉伸力，提高物料的混合性能，该单螺杆匹配有螺杆元件，根据对物料混炼输送起到不同作用，该螺杆元件具体包括正向输送单元和反向输送单元，且正向输送单元包括变径偏心螺纹35、短螺距螺纹36、长螺距螺纹38的一种或两种以上；反向输送单元包括数排反向销钉螺纹37，且每排反向螺纹销钉由沿圆周方向的数个销钉组成。该正向输送单元的螺棱升角方向设置为可保证物料输送方向与挤出方向相同，反向输送单元的螺棱升角方向与正向输送单元的相反，其物料输送方向与挤出方向相反。

具体地，上述正向输送元件与反向输送元件相间设置，且分别由不同的不同螺纹组合，这是因为长螺距螺纹38的螺纹距较大，在单螺杆传动过程中产出对物料的横向拉伸及纵向的剪切力，一般适用于在即将挤出前对物料进行混合输送；变径偏心螺纹35通过改变螺棱之间的容积，挤压物料使物料得以充分混炼；而反向销钉螺纹37通过将物料反向传动，加大物料之间的剪切混合，从而得到均相体系。

由此，上述第二挤出机3通过在单螺杆上匹配不同螺纹，并结合冷却螺杆与过热水循环管道33的双重冷却协同解决螺杆剪切过热及物料冷却速率不均的问题。当然，所述单螺杆挤出机只要能降温混炼熔融物料，具体种类在此不加以限定。

请参阅图4所示，所述控温冷却装置4包括用以装载初步成型产品的第一密封箱44、与第一密封箱44形成气流循环通道的控温冷却管道43以及在控温冷却管道43上的第一风力动力装置41和用以给管道43加热的加热装置42。其中，加热装置42对第一风力动力装置41提供的气流进行加热，以此控制产品的冷却速率，达到控温冷却产品的目的。当然，该风力动力装置的种类在此不加以限定，例如，循环风扇或负风压机等。

经初步控温冷却后发泡制品已基本定型，此时应使用牵引切割装置5对发泡制品进行牵引定长切割，本实施例中，牵引切割装置为现有技术，在此不再赘述。

在定长的制品达到基本定型温度后，需对其再进行强化冷却，从而避免造成制品冷却不均而塌陷。因此，上述设备中还设有强化冷却装置6，如图5所示，其包括第二密封箱61、连接于第二密封箱61形成气流循环通道的强化冷却管道62以及设置在管道上的第二风力动力装置63。这样，第二风力动力装置63通过化冷却管道62将热气流源源不断排出密封箱61外，降低密封箱61内的温度，降低密封箱61内制品的温度，使得冷却效果显著。当然，强化冷却装置6与控温冷却装置4相比，无加热装置42，这是因为控温冷却装置4需进行控温以控制降温速率。

本实施例中，定型装置7包括箱体（图中未标出）及箱体外用以保温的第三风力动力装置71，使产品最终固定成型。

综上，上述生产聚烯烃发泡塑料产品的设备将现有的发泡剂输入装置限定为超临界CO₂输送装置1，使得生产过程中超临界CO₂流体作为物理发泡剂促进物料完全熔融成均相体系，且安全环保，工艺简单；同时通过第一挤出机2与具有冷却功能的第二挤出机3串联，增强混合物料在挤出机中的剪切混合力，并经过第二挤出机3的冷却系统、控温冷却装置4、强化冷却装置6及定型装置7的逐级冷却，满足产品冷却定型的要求。这样，由上述设备生产的聚烯烃发泡塑料产品相对密度低，发泡孔分布均匀，易于成型，进一步提高产品的良率，且可实现聚烯烃发泡塑料产品的工业化生产。

下面结合图2所示，对上述生产聚烯烃发泡塑料产品的设备的工作过程作进一步的描述：

启动机器，此时，控制装置会控制第一挤出机2工作，第一挤出机2会热熔通过喂料器21上料的聚烯烃原料与泡孔成核剂，然后打开超临界CO₂输送装置1中的液体储存罐并调节高压泵的流量，使CO₂以超临界流体状态输入第一挤出机2中，同时地，打开抗缩剂输入装置22中的阀门将抗缩剂输入第一挤出机2，随之，第一挤出机2中的双螺杆做进给运动混合熔融物料，之后，

熔融物料进入第二挤出机3，此时，挤出机机筒31外有循环流动的过热水，

内有通入冷却剂的冷却螺杆，熔融物料随单螺杆进给运动混炼并送至挤出模头32处挤出成型，之后，第一风力动力装置41将外部气流输入控温冷却装置4的密封箱44内，对制品初步定型，后经控温冷却装置4冷却后的基本定型制品会被牵引切割装置5定长切割且被牵引至强化冷却装置6中，以期对定长制品作进一步强化冷却，最后，将制品输入定型装置7，并开启第三风力动力装置71，对制品进行最后的固定成型操作。

现以聚烯烃发泡塑料产品的生产方法为例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

一种聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，包括以下步骤：

S11.将熔融指数为2g/10min的100份低密度聚乙烯塑料与1份泡孔成核剂混合并加热塑化，其加热温度为140℃～160℃，之后，输入10份超临界CO₂流体，同时地，输入3.5份抗缩剂，随之，各成分混合熔融，得熔融物料；

S12.将熔融物料继续混合并逐渐均匀冷却，直至温度控制为120℃，后熔融物料挤出发泡成型，得发泡成型制品；

S13.将发泡成型制品控温冷却至初步定型温度110℃，对其牵引定长切割，并将其继续进行强化冷却至基本定型温度90℃后，对其保温定型，得到聚烯烃发泡塑料产品。

实施例2

一种聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，包括以下步骤：

S21.将熔融指数为6g/10min的100份低密度聚乙烯塑料与1.5份泡孔成核剂混合并加热塑化，其加热温度为120℃～180℃，之后，输入8份超临界CO₂流体，同时地，输入3份抗缩剂，随之，各成分混合熔融，得熔融物料；

S22.将熔融物料继续混合并逐渐均匀冷却，直至温度控制为110℃，后熔融物料挤出发泡成型，得发泡成型制品；

S23.将发泡成型制品控温冷却至初步定型温度100℃，对其牵引定长切割，并将其继续进行强化冷却至基本定型温度80℃后，对其保温定型，得到聚烯烃发泡塑料产品。

实施例3

一种聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，包括以下步骤：

S31.将熔融指数为10g/10min的100份低密度聚乙烯塑料与0.8份泡孔成核剂混合并加热塑化，其加热温度为130℃～180℃，之后，输入15份超临界CO₂流体，同时地，输入4份抗缩剂，随之，各成分混合熔融，得熔融物料；

S32.将熔融物料继续混合并逐渐均匀冷却，直至温度控制为120℃，后熔融物料挤出发泡成型，得发泡成型物料；

S33.将发泡成型制品控温冷却至初步定型温度110℃，对其牵引定长切割，并将其继续进行强化冷却至基本定型温度90℃后，对其保温定型，得到聚烯烃发泡塑料产品。

性能测试：

将上述实施例1～3制备的聚烯烃发泡塑料产品进行下述物理机械性能测试：

表观密度按照ASTM D3575-08标准进行测试；

压缩形变按照ASTM D3575-08标准进行测试，试样尺寸（mm）：50×50×26，测试温度23±2℃，压缩时间22小时，恢复时间24小时，压缩率50%；

压缩蠕变按照ASTM D3575-08标准进行测试，试样尺寸（mm）：50×50×25，测试压力1.25psi，压缩时间1000小时；

耐压强度按照ASTM D3575-08标准分别进行压缩率为25%和50%的测试，试样尺寸（mm）：50×50×25，测试速度为12.5mm/min；

上述四项物理机械性能测试的具体测试结果如下表1所示：

表1

由上表1可知，实施例1～3生产的低密度聚乙烯塑料制品经过熔融物料混炼降温→挤出聚烯烃发泡成型物料→控温冷却→牵引切割→强化冷却→保温定型的逐级冷却过程使得得到的20～120mm聚烯烃发泡塑料产品的密度相对较低，发泡孔分布均匀，易于成型，并进一步提高了制品的良率。

以上所述仅为本发明较佳的实施例而已，其结构并不限于上述列举的形状，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，包括以下步骤：

将聚烯烃原料与泡孔成核剂的混合物采用加热挤出方式进行熔融塑化；再在熔融塑化阶段加入超临界CO₂和抗缩剂后继续熔融混合，得到熔融物料；

将所述熔融物料进行混炼降温处理后挤出发泡成型，得到发泡成型制品；

将所述发泡成型制品依次进行控温冷却处理、牵引切割处理以及强化冷却处理及定型后，得到所述聚烯烃发泡塑料产品。

2.如权利要求1所述的聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，其特征在于，所述聚烯烃原料、泡孔成核剂、超临界CO₂以及抗缩剂的重量比为100：0.5～3：5～15：0.5～5。

3.如权利要求2所述的聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，其特征在于，所述加热挤出过程中聚烯烃原料与泡孔成核剂的混合物在采用加热挤出过程中的加热温度为120℃～200℃。

4.如权利要求1所述的聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，其特征在于，所述混炼降温处理的温度为150℃～90℃。

5.如权利要求1所述的聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，其特征在于，所述控温冷却处理的温度为140℃～100℃，时间为20～80秒。

6.如权利要求1所述的聚烯烃发泡塑料产品的生产方法，其特征在于，所述强化冷却处理的温度为100℃～60℃，时间为20～40分钟。

7.一种如权利要求1～6任一项所述的生产聚烯烃发泡塑料产品的设备，其特征在于，包括超临界CO₂输送装置、第一挤出机、具有冷却功能的第二挤出机、冷却装置、牵引切割装置和定型装置，所述冷却装置包括控温冷却装置与强化冷却装置，所述超临界CO₂输送装置、第一挤出机、第二挤出机、控温冷却装置、牵引切割装置、强化冷却装置和定型装置依次顺接。

8.如权利要求7所述的生产聚烯烃发泡塑料产品的设备，其特征在于，所述第二挤出机为单螺杆挤出机，包括一冷却系统，所述冷却系统包括设于机筒外表面的管道及设于机筒内的冷却螺杆。

9.如权利要求7或8任一项所述的生产聚烯烃发泡塑料产品的设备，其特征在于，所述控温冷却装置包括第一密封箱、与所述第一密封箱形成气流循环通道的管道以及设置在所述控温冷却管道上的第一风力动力装置和用于对所述管道加热的加热装置。

10.如权利要求7或8任一项所述的生产聚烯烃发泡塑料产品的设备，其特征在于，所述强化冷却装置包括第二密封箱、连接于第二密封箱形成气流循环通道的强化冷却管道以及设置在所述强化冷却管道上的第二风力动力装置。

Images