CN105382991A - 一种pp/ldpe超延展制品的水发泡注射成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，包括以下步骤：(1)将活性炭和LDPE原料混合后通过普通塑料挤出机制得载体母粒；(2)将PP与LDPE混合均匀，形成PP/LDPE复合料；(3)将步骤(2)的PP/LDPE复合料通过普通塑料挤出机熔融、挤出、切粒后制得均匀的复合物；(4)将步骤(1)所制备的载体母粒浸入水中，数小时后捞出沥干并适当干燥；(5)将步骤(4)的载体母粒与步骤(3)所制备的复合物混合均匀形成混合物料；(6)将混合物料加入到普通的卧式注射成型机中即可生产PP/LDPE微孔制品。本发明制备产品的延展性达到普通注射件的3倍及以上，产品的断裂伸长率均在370％以上，采用水作为发泡剂，得来容易，成本低廉，贮存及加入均容易实施。

Description

一种PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法
技术领域
本发明涉及PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，属于聚合物材料的加工制造技术领域。
背景技术
近年来，塑料制品被广泛应用，其中注射制品因生产适应性强、效率高、易于自动化操作等特点占有重要比例。但随着能源特别是石油的紧缺，如何节约塑料原料导致了发泡制品的产生与发展。通常，发泡制品内部的泡孔是由塑料原料在成型过程中产生或外加某些气体而形成的。与普通发泡制品相比，微孔发泡制品具有独特的微孔形态和优良的力学性能，在包装、建筑、汽车工业、航天航空以及运动器材等行业中均有着广泛的应用。尽管如此，由于微孔的存在，微孔制品和常规制品相比，其力学性能通常较低。不过，微孔制品的力学性能也存在着较大差异，这种差异主要受微孔尺寸、密度及分布等泡孔结构参量的很大影响。以注射成型为例，对具有良好泡孔结构的微孔制品而言，其基本趋势为，拉伸强度和弯曲强度等均会下降，断裂伸长率也会下降，但也可以基本保持不变。如何能够提高所生产微孔制品的力学性能，哪怕仅为某一方面的力学性能，一直是工业实践者所期望解决的问题。
作为两种常用的聚烯烃材料，聚丙烯(PP)与低密度聚乙烯(LDPE)可通过共混实现优势互补，但PP/LDPE共混物常规注射制品的拉伸断裂伸长率通常低于纯PP或LDPE的断裂伸长率，提高该共混物的延展性受到较多关注。近来，美国威斯康星大学的研究者发现了一种利用微发泡注射机来生产PP/LDPE超延展性微发泡制品的方法[SunX,KharbasH,PengJ,Turng,LS.Fabricationofsuperductilepolymericblendsusingmicrocellularinjectionmolding[J].ManufacturingLetters,2014,2:64～68]，这是首次公开了一种利用材料微发泡来制得延展性明显超过常规注射制品的方法。
事实上，按照微孔形成及发泡剂类型的不同，微发泡方法常可分为化学发泡、物理发泡及机械混合发泡等。而利用微发泡注射机来生产微孔制品，属于物理发泡的一种，它多采用超临界流体(N2或CO2)作为发泡剂，由于微发泡注射机具有专门的气体注入及贮存装置，因而，该工艺较简单，控制方便，绿色环保，制品的质量稳定等。然而，这种方法受限于它需要专用装置，提高了相应的设备费用及成本，这就给相应的生产带来不便。
由于水在常温常压下极其贮存，而它在高温下又可转变为气体，因而它事实上是一种较理想的物理发泡剂。目前，国际专利已公开了一种利用水作为发泡剂的发泡注射制品的生产制造方法。[TurngLS,PengJ.MethodofFabricatinganInjectionMoldedComponent[C],InternationalPatent,WO2012/099640A1.]该方法就利用水在高温下沸腾汽化并转变为水蒸汽的原理，将水作为物理发泡剂添加到普通的螺杆式注射成型机中来生产发泡制品，在该过程中，可将氯化钠、氯化钙或氯化锰等无机物溶于水中而成为成核剂。但这种方法的前提是所加工的树脂本身要易于吸水，因而，它在聚碳酸酯(PC)材料中取得到了较好的应用效果，但该方法对像聚丙烯(PP)与低密度聚乙烯(LDPE)等吸水率较低的材料则更不易实现。要想实现水含量的较好控制，寻找更为合适的载体成为关键。美国OHIO州的研究学者发现了一种利用炭黑作为载体的发泡注射方法。[CabreraED,MulyanaR,CastroJM,LeeLJ,MinY.PressurizedWaterPelletsandSupercriticalNitrogeninInjectionMolding[J].JournalofAppliedPolymerScience,2013,127:3760-3767.]该方法针对聚苯乙烯(PS)材料，将具有吸附作用的炭黑成功的转变为水的载体并生产出相应的注射制品。
而能否利用水作为发泡剂并辅以一种合适的载体，在普通注射成型机中获得PP/LDPE超延展性制品仍不确定。因为，在常规注射成型机的料筒内含有一定水份的塑料原料一方面受热转化为熔化，另一方面水会受热分解，从而形成“气～熔复合物”，这种气熔复合物和普通的塑料熔体的注射、塑化等过程均具有较大的区别。目前的常规注射机并未考虑到这种所加工原料的差异，因而其基本结构并不利于其生产具有较好微孔结构的制品。因而在不改变设备装置的条件下，通过普通注射机来生产水发泡微孔制品会显得比较困难，更不用说利用它来生产超延展性的微孔制品了，它对工艺条件控制的要求较高。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，在不对普通注射机作任何改动的情况下，仅通过合适的载水量及相应的工艺条件即可获得延展性比普通注射制品高3倍以上的产品。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，包括以下步骤：
(1)将活性炭和LDPE原料混合后通过普通塑料挤出机制得载体母粒；
(2)将PP与LDPE混合均匀，形成PP/LDPE复合料；
(3)将步骤(2)的PP/LDPE复合料通过普通塑料挤出机熔融、挤出、切粒后制得均匀的复合物；
(4)将步骤(1)所制备的载体母粒浸入水中，数小时后捞出沥干并适当干燥；
(5)将步骤(4)的载体母粒与步骤(3)所制备的复合物混合均匀形成混合物料；
(6)将混合物料加入到普通的卧式注射成型机中即可生产PP/LDPE微孔制品，其中，卧式注射成型机中熔体温度的设定在190～220℃之间，混合物料在注射机料筒中经历的总时间保持在20秒～300秒之间，成型过程中的保压压力控制在5～15MPA之间，保压时间控制在0.5～3.0秒之间。
作为优选，所述步骤(1)中活性炭与LDPE质量之比为1：(1～49)。
作为优选，所述步骤(2)中LDPE与PP质量之比为1：(2～5)。
作为优选，所述步骤(4)干燥后的载体母粒中水的质量与载体母粒总质量之比为(2～50)％。
作为优选，所述步骤(5)最终形成的混合物料中水的质量与混合物料总质量之比为(1.0～2.0)％。
作为优选，所述步骤(6)卧式注射成型机中注射压力设定在50～180MPA之间，注射时间设定在0.5～5秒之间。
通常，在单个注射过程中，熔体温度、模具温度、注射压力、注射时间、保压压力、保压时间、冷却时间等均是影响制品品质的重要因素，同时，因为水分会受热转化气体的原因，其在注射机料筒内经历的总时间也是一个重要因素。其中熔体温度、原料在注射机料筒中经历的总时间、保压压力及保压时间等最为关键，在本发明中，卧式注射成型机中熔体温度的设定在190～220℃之间，同时，为防止流涎，关闭喷嘴部分的加热；混合物料在注射机料筒中经历的总时间保持在20秒～300秒之间；保压压力控制在5～15MPA之间；保压时间控制在0.5～3.0秒之间。另外，注射压力设定在50～180MPA之间，注射时间设定在0.5～5秒之间(注射行程完成后，注射动作即自动转为保压)，模具温度保持于30～80摄氏度之间。
所述步骤(1)中普通塑料挤出机的熔体温度在150～180摄氏度。混合物料在注射机料筒中经历的总时间保持在20秒～300秒之间。该时间范围可以满足大多数注射制品的成型周期的要求。该时间过长，则水会因受热分解而较早转化为气体从而不利于随后的发泡成型，而时间过快，水的分解不足，则难以得到相应的微孔制品。
在所述步骤(5)中保压压力控制在5～15MPA之间，保压时间控制在0.5～3秒之间。该保压压力和保压时间和常规注射成型相比，明显程度较低(少)。该压力可以保证物料在完全充满模具型腔之后又继续施加压力而达到少量的补缩的效果，同时，因为注入到模具的物料因微发泡的作用，其泡孔在模具型腔内长大并继续压实物料，从而形成较均匀的泡孔结构。如果保压压力过大或保压时间过长，较多的物料被补入模具内，则泡孔无法长大难以形成微孔结构从而得到和常规注射制品类似的产品；同时，如果保压压力过小或保压时间过短，高温的熔料在模具内得不到后续补充，则会形成因尺寸极不均匀且整体尺寸较大的泡孔结构，从而和较多的结构发泡材料类似，其力学性能较差。作为优选，在所述步骤(5)中的注射压力设定在50～180MPA之间，注射时间设定在0.5～5秒之间，同时，在机器的设置中，当注射行程完成后，注射动作即转为保压。注射压力与注射时间的设定以保证物料能够快速充满模具型腔为宜，过于慢速的充填会使泡孔在流动过程中发生长大并随之受压破裂。
在所述步骤(5)中的模具温度保持于30～80摄氏度之间，对于PP/LPDE来说，模具温度过高会导致物料在模具内冷却不足，从而导致制品取出后不能完全定形并继续发泡，而过低的模具温度也不利于物料充满型腔。
在本发明步骤(5)所制备的混合物料中水、PP、LDPE的质量比例需要控制。其中，水的含量过大，将会因在注射机料筒内分解太多而致使物料流涎出喷嘴，增大了控制难度，同时也会增大制品泡孔，制品质量减轻太多，不利于力学性能的提高；水的含量太小，则会因产生的气量太小，制品只有局部得以发泡从而并不均匀。PP与LDPE的质量控制在前述范围内正好可利用两者相容性及所产生微孔的相互作用从而获得超延展性的制品。
有益效果：本发明的PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，具有以下优点：
(1)采用该方法制备产品的延展性达到普通注射件的3倍及以上，产品的断裂伸长率均在370％以上；
(2)采用水作为发泡剂，得来容易，成本低廉，贮存及加入均容易实施，同时没有可能影响到制品性能的残留物；
(3)无需任何专用设备，在普通注射成型机中可实现生产，工艺简单，操作方便；
(4)该方法采用了较低的保压压力及较短的保压时间，导致锁模力和设备能耗均明显降低，从而降低设备运作成本，同时，大幅提高了生产效率，尤其对于厚壁制品；
(5)因内部大量微孔的存在，导致制品密度降低，重量减轻，节省了相应原料；
(6)较低的保压压力和微孔长大两方面共同作用实现物料的补缩，减小了常规注射过程中因较高保压压力而引起的制品内应力，消除或减少了因此而带来的制品翘曲变形，最终改善制品的尺寸精度；
(7)微孔的存在提高了制品隔音、隔热、防震等方面的性能。
(8)因活性炭的加入量较少，可基本不影响制品的其它方面性能。
附图说明
图1为本发明制品的原料准备及工艺流程图；
图2为本发明制品的微孔结构扫描电镜结果。
具体实施方式
本发明主要包括原料配比和成型加工条件等两部分关键技术细节，本工艺流程如图1所示。设备方面，需要一台普通的注射机和挤出机，注射机可以是液压传动、全电动或电液联合，该注射机无需加装自锁式喷嘴，使用的模具为标准拉伸样条模具，模具温度采用循环热油加热的模温机进行控制，用于原料混合的挤出机可以是单螺杆或双螺杆式的。原料方面，使用的PP牌号为国产T30S，其熔体流动指数为3.2g/10min(230℃，21.6N)，LDPE为国产951-000，其熔体流动指数为2.18g/10min，使用的活性炭助剂为木质粉状活性炭，来自于溧阳德胜活性炭厂，其粒径在60μm左右，比表面积达到700～1200m2/g。
实施例1
首先，制造载体母粒。按照下面的重量称取原料：LDPE：0.9kg，活性炭：0.1kg，活性炭与LDPE质量之比为1：9。将活性炭和LDPE原料混合后通过普通塑料挤出机制得载体母粒，在挤出过程中熔体温度为165℃；
其次，将上述载体母粒均匀分散后浸入水中，6小时后捞出沥干至表面无明显水痕迹，称量其质量为1175g，将母粒摊开后在风扇下吹约20分钟，将其质量控制为1150g；
同时，称取原料PP：6.638KG，LDPE：2.212KG，LDPE与PP质量之比为1：3，混合均匀后通过普通塑料挤出机熔融、挤出并切粒；
之后，将上述两种物料混合均匀，这样形成的复合物中水的质量百分比含量为1.5％，PP的质量百分比含量为66.38％，LDPE的质量百分比含量为31.22％，活性炭的质量百分比含量为1.0％；
接着，将上述物料加入普通卧式注射成型机中生产制品，在注射过程中将熔体温度设定为200℃，并关闭喷嘴的加热，控制每个注射循环的时间为30秒，在成型过程中，保压压力控制为10MPA，保压时间设定为1秒，由于水受热气化并在PP/LDPE复合物料中产生微孔，形成微孔制品；
最后，对所制得的PP/LDPE微孔制品进行拉伸性能测试，测试结果见表1，其制品截面的扫描电镜照片如图2所示。
实施例2
首先，制造载体母粒。按照下面的重量称取原料：LDPE：0.5kg，活性炭：0.5kg，活性炭与LDPE质量之比为1：1。将活性炭和LDPE原料混合后通过普通塑料挤出机制得载体母粒，在挤出过程中熔体温度为165℃；
其次，将上述载体母粒均匀分散后浸入水中，6小时后捞出沥干至表面无明显水痕迹，称量其质量为1175g，将母粒摊开后在风扇下吹约20分钟，将其质量控制为1150g；
同时，称取原料PP：5.90KG，LDPE：2.95KG，LDPE与PP质量之比为1：2，混合均匀后通过普通塑料挤出机熔融、挤出并切粒；
之后，将上述两种物料混合均匀，这样形成的复合物中水的质量百分比含量为1.5％，PP的质量百分比含量为59.00％，LDPE的质量百分比含量为38.50％，活性炭的质量百分比含量为5.0％；
接着，将上述物料加入普通卧式注射成型机中生产制品，在注射过程中将熔体温度设定为190℃，并关闭喷嘴的加热，控制每个注射循环的时间为30秒，在成型过程中，保压压力控制为10MPA，保压时间设定为1秒，由于水受热气化并在PP/LDPE复合物料中产生微孔，形成微孔制品；
最后，对所制得的PP/LDPE微孔制品进行拉伸性能测试，测试结果见表1。
实施例3
首先，制造载体母粒。按照下面的重量称取原料：LDPE：0.98kg，活性炭：0.02kg，活性炭与LDPE质量之比为1：49。将活性炭和LDPE原料混合后通过普通塑料挤出机制得载体母粒，在挤出过程中熔体温度为165℃；
其次，将上述载体母粒均匀分散后浸入水中，6小时后捞出沥干至表面无明显水痕迹，称量其质量为1175g，将母粒摊开后在风扇下吹约20分钟，将其质量控制为1150g；
同时，称取原料PP：7.080KG，LDPE：1.77KG，LDPE与PP质量之比为1：4，混合均匀后通过普通塑料挤出机熔融、挤出并切粒；
之后，将上述两种物料混合均匀，这样形成的复合物中水的质量百分比含量为1.5％，PP的质量百分比含量为70.80％，LDPE的质量百分比含量为27.50％，活性炭的质量百分比含量为0.2％；
接着，将上述物料加入普通卧式注射成型机中生产制品，在注射过程中将熔体温度设定为200℃，并关闭喷嘴的加热，控制每个注射循环的时间为20秒，在成型过程中，保压压力控制为5MPA，保压时间设定为3秒，由于水受热气化并在PP/LDPE复合物料中产生微孔，形成微孔制品；
最后，对所制得的PP/LDPE微孔制品进行拉伸性能测试，测试结果见表1。
实施例4
首先，制造载体母粒。按照下面的重量称取原料：LDPE：0.9kg，活性炭：0.1kg，活性炭与LDPE质量之比为1：9。将活性炭和LDPE原料混合后通过普通塑料挤出机制得载体母粒，在挤出过程中熔体温度为165℃；
其次，将上述载体母粒均匀分散后浸入水中，6小时后捞出沥干至表面无明显水痕迹，称量其质量为1175g，将母粒摊开后在风扇下吹约20分钟，将其质量控制为1150g；
同时，称取原料PP：7.375KG，LDPE：1.475KG，LDPE与PP质量之比为1：5，混合均匀后通过普通塑料挤出机熔融、挤出并切粒；
之后，将上述两种物料混合均匀，这样形成的复合物中水的质量百分比含量为1.5％，PP的质量百分比含量为73.75％，LDPE的质量百分比含量为23.75％，活性炭的质量百分比含量为1.0％；
接着，将上述物料加入普通卧式注射成型机中生产制品，在注射过程中将熔体温度设定为220℃，并关闭喷嘴的加热，控制每个注射循环的时间为300秒，在成型过程中，保压压力控制为10MPA，保压时间设定为0.5秒，由于水受热气化并在PP/LDPE复合物料中产生微孔，形成微孔制品；
最后，对所制得的PP/LDPE微孔制品进行拉伸性能测试，测试结果见表1。
实施例5
首先，制造载体母粒。按照下面的重量称取原料：LDPE：0.9kg，活性炭：0.1kg，活性炭与LDPE质量之比为1：9。将活性炭和LDPE原料混合后通过普通塑料挤出机制得载体母粒，在挤出过程中熔体温度为165℃；
其次，将上述载体母粒均匀分散后浸入水中，6小时后捞出沥干至表面无明显水痕迹，称量其质量为1175g，将母粒摊开后在风扇下吹约41分钟，将其质量控制为1100g；
同时，称取原料PP：6.675KG，LDPE：2.225KG，LDPE与PP质量之比为1：3，混合均匀后通过普通塑料挤出机熔融、挤出并切粒；
之后，将上述两种物料混合均匀，这样形成的复合物中水的质量百分比含量为1.0％，PP的质量百分比含量为66.75％，LDPE的质量百分比含量为31.25％，活性炭的质量百分比含量为1.0％；
接着，将上述物料加入普通卧式注射成型机中生产制品，在注射过程中将熔体温度设定为200℃，并关闭喷嘴的加热，控制每个注射循环的时间为200秒，在成型过程中，保压压力控制为13MPA，保压时间设定为1秒，由于水受热气化并在PP/LDPE复合物料中产生微孔，形成微孔制品；
最后，对所制得的PP/LDPE微孔制品进行拉伸性能测试，测试结果见表1。
实施例6
首先，制造载体母粒。按照下面的重量称取原料：LDPE：0.9kg，活性炭：0.1kg，活性炭与LDPE质量之比为1：9。将活性炭和LDPE原料混合后通过普通塑料挤出机制得载体母粒，在挤出过程中熔体温度为165℃；
其次，将上述载体母粒均匀分散后浸入水中，6小时后捞出沥干至表面无明显水痕迹，称量其质量为1175g，将母粒摊开后在风扇下吹约3分钟，将其质量控制为1170g；
同时，称取原料PP：5.498KG，LDPE：1.832KG，LDPE与PP质量之比为1：3，混合均匀后通过普通塑料挤出机熔融、挤出并切粒；
之后，将上述两种物料混合均匀，这样形成的复合物中水的质量百分比含量为2.0％，PP的质量百分比含量为64.68％，LDPE的质量百分比含量为32.14％，活性炭的质量百分比含量为1.18％；
接着，将上述物料加入普通卧式注射成型机中生产制品，在注射过程中将熔体温度设定为200℃，并关闭喷嘴的加热，控制每个注射循环的时间为30秒，在成型过程中，保压压力控制为15MPA，保压时间设定为1秒，由于水受热气化并在PP/LDPE复合物料中产生微孔，形成微孔制品；
最后，对所制得的PP/LDPE微孔制品进行拉伸性能测试，测试结果见表1。
为了对本发明的效果进行说明，另外列举了对比例，比较结果也列于表1，其中，水含量为0者为常规注射成型，对比例1～3为PP和LDPE按相应比例的复合物，对比例4与5为单纯PP或LDPE，在这些成型过程中的保压压力设定为50MPA，保压时间为5秒，其它参数为在保证该制品无明显缺陷情况下的优化结果；而对比例6、7、8的原料配比按本发明，但其工艺条件不同，对比例6中的保压压力设定为30MPA，因后续进料仍然压力太大，导致最终制品发泡效果差；对比例7中的保压压力设定为5MPA，保压压力较低；对比例8中的保压压力和保压时间均为0(无保压)，物料在模具内泡孔长大较多(具有较低的密度)，最终致其力学性能较差。
表1几种材料的拉伸性能比较
通过表1的数据可以看出，本发明的PP/LDPE微孔发泡制品可以很方便的在普通注射机中制得，同时，该类制品的泡孔结构均匀，其延展性均达过普通注射件的3倍及以上，断裂伸长率也均在370％以上，其中，实施例1显示的制品断裂伸长率达到600％以上，因而这类制品具有密度低、延展性能优异等特点，从而明显具有优异的应用前景。
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来说，在不脱离本发明原理的前提下，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。

Claims (6)

1.一种PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将活性炭和LDPE原料混合后通过普通塑料挤出机制得载体母粒；
(2)将PP与LDPE混合均匀，形成PP/LDPE复合料；
(3)将步骤(2)的PP/LDPE复合料通过普通塑料挤出机熔融、挤出、切粒后制得均匀的复合物；
(4)将步骤(1)所制备的载体母粒浸入水中，数小时后捞出沥干并适当干燥；
(5)将步骤(4)的载体母粒与步骤(3)所制备的复合物混合均匀形成混合物料；
(6)将混合物料加入到普通的卧式注射成型机中即可生产PP/LDPE微孔制品，其中，卧式注射成型机中熔体温度的设定在190～220℃之间，混合物料在注射机料筒中经历的总时间保持在20秒～300秒之间，成型过程中的保压压力控制在5～15MPA之间，保压时间控制在0.5～3.0秒之间。
2.根据权利要求1所述的PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，其特征在于：所述步骤(1)中活性炭与LDPE质量之比为1：(1～49)。
3.根据权利要求1所述的PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，其特征在于：所述步骤(2)中LDPE与PP质量之比为1：(2～5)。
4.根据权利要求1所述的PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，其特征在于：所述步骤(4)干燥后的载体母粒中水的质量与载体母粒总质量之比为(2～50)％。
5.根据权利要求1所述的PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，其特征在于：所述步骤(5)最终形成的混合物料中水的质量与混合物料总质量之比为(1.0～2.0)％。
6.根据权利要求1所述的PP/LDPE超延展制品的水发泡注射成型方法，其特征在于：所述步骤(6)卧式注射成型机中注射压力设定在50～180MPA之间，注射时间设定在0.5～5秒之间。
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