CN107474303A - 一种负泊松比聚合物泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

一种负泊松比聚合物泡沫材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种负泊松比聚合物泡沫材料及其制备方法，属于功能性聚合物泡沫材料技术领域。解决了现有技术中负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法设备结构繁琐、制备效率低、反应条件苛刻、不利于大规模生产的技术问题。本发明的制备方法，是将聚合物泡沫置于常压，温度60～170℃，含有高浓度水蒸汽的环境中，放置1h以上，然后冷却到‑20～50℃，得到负泊松比聚合物泡沫材料，其中，聚合物泡沫为泊松比大于等于0的聚合物泡沫。该方法全程在常压下进行，对设备要求低，使用水蒸汽辅助完成制备，安全性高，绿色环保，且工艺简单，可制备尺寸较大的负泊松比聚合物泡沫材料，适合大规模生产。

Description

一种负泊松比聚合物泡沫材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能性聚合物泡沫材料技术领域，具体涉及一种负泊松比聚合物泡沫材料及其制备方法。
背景技术
泊松比(v)是材料的一种力学性能。法国数学家西蒙·泊松将它定义为：材料的横向应变(εx)与纵向应变(εy)之负商。用公式表示如下：
v＝-εx/εy。
大多数材料的泊松比为正，因为它们受到拉伸时就像拉伸一根弹性皮条那样横向变细，压缩时就像压缩一块橡皮那样横向膨胀。然而，也存在有少数负泊松比材料，现在常称其为拉胀材料(auxetic materials)。拉胀材料在拉伸时其横向不是变细而是变粗，压缩时其横向不是膨胀而是收缩。由于这种性质，这类材料在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，具有剪切模量高、屈服强度高、压痕阻力大、回弹韧性好、抗缺口性能好、断裂韧性大等优异的性能，也使其在声障、绝热、缓冲器、靠垫，尤其是在人造椎间盘、人造血管、夹芯板材、紧固件、安全带、以及内燃机中催化剂转化器的载体材料等领域具有广阔的潜在应用。
负泊松比聚合物泡沫材料即以聚合物为基体，具有负泊松比性能的泡沫材料。现有技术中，制备负泊松比聚合物泡沫材料最常用的方法是采用三轴压缩的处理方法，如Reymer等使用三轴压缩的方法，同时使用丙酮作为处理溶剂，制备了拉胀性不衰减的聚氨酯负泊松比泡沫材料。但三轴压缩的处理方法使用的设备结构繁琐，制备效率低(负泊松比聚氨酯泡沫实验，Phys.Status Solidi B250,No.10,1988-1995,2013)。Lakes等在反应釜对常规聚乙烯闭孔泡沫进行加压加温处理，成功制备了聚乙烯负泊松比泡沫材料(闭孔泡沫重入变换方法，CellularPolymers,15,229-249,1996)。Lakes还尝试了在反应釜中对常规聚乙烯进行抽真空并加热的处理，然后取出冷却，也成功的得到了聚乙烯负泊松比泡沫材料(负泊松比聚乙烯泡沫塑料，JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 36,2001,5885-5893)。虽然lakes提出了新的负泊松比材料制备方法，但是，这种生产负泊松比泡沫的方法必须借助反应釜并改变反应釜内压力，不利用大规模生产。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法设备结构繁琐、制备效率低、反应条件苛刻、不利于大规模生产的技术问题，提供一种负泊松比聚合物泡沫材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。
一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，是将聚合物泡沫置于常压，温度60～170℃，含有高浓度水蒸汽的环境中，放置1h以上，然后冷却到-20～50℃，得到负泊松比聚合物泡沫材料；
所述聚合物泡沫为泊松比大于等于0的聚合物泡沫，密度在250kg/m3以内；
所述高浓度水蒸气的水蒸气分压小于等于其所处环境温度下的饱和蒸气压，大于等于20KPa。
优选的是，所述的聚合物泡沫为泊松比大于等于0的聚合物闭孔泡沫。
优选的是，所述的聚合物泡沫的基体树脂材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚氯乙烯中的一种或多种的混合物。
优选的是，所述的聚合物泡沫的密度为10kg/m3～250kg/m3。
优选的是，所述放置时间为1～24h，更优选的是2～20h。
优选的是，所述高浓度水蒸汽中水蒸汽的分压在31KPa以上；更优选的是40～102KPa。
优选的是，所述温度优选为70～165℃。
本发明还提供上述负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法制备的负泊松比聚合物泡沫材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，全程在常压下进行，不需要使用三轴压缩设备，也不需要使用压力容器或真空容器，对设备要求低；
本发明的负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，过程中使用水蒸汽辅助完成制备，不需要使用丙酮、乙醚等挥发性有机溶剂，安全性高，绿色环保；
本发明的负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法工艺简单，适合大规模生产；
本发明的负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法不受设备的大小限制，可制备尺寸较大的负泊松比聚合物泡沫材料；
本发明的负泊松比聚合物泡沫材料的泊松比为-0.1～-2.5，具备剪切模量高、屈服强度高、压痕阻力大、回弹韧性好、抗缺口性能好、断裂韧性大等优异的性能。这种负泊松比泡沫材料在声障、绝热、缓冲器、靠垫，尤其是在人造椎间盘、人造血管、夹芯板材、制造紧固件或安全带、内燃机中催化剂转化器的载体材料等领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，是将聚合物泡沫置于常压，温度60～170℃，含有高浓度水蒸汽的环境中，放置1h以上，然后冷却到-20～50℃，得到负泊松比聚合物泡沫材料；
其中，聚合物泡沫为现有技术中任何泊松比大于等于0的聚合物泡沫；
高浓度水蒸气的水蒸气分压小于等于其所处环境温度下的饱和蒸气压，大于等于20KPa。
本发明的原理是：泡沫材料放置在高温、高浓度水蒸气的环境中，水蒸气将泡沫材料泡孔内的空气挤出，替代空气逐渐渗入泡沫材料的泡孔中，泡孔的压力与外界大气压相同，当温度下降到-20～50℃，泡孔内水蒸汽冷凝，泡孔内压力下降，在内外压差的作用下，泡孔形成凹角结构。当拉伸材料时，凹角向外平整展开，即材料横向发生膨胀；当对材料进行压缩时，凹角凹陷，即材料横向发生收缩。
本发明的制备方法采用的原料只要能够满足泊松比大于等于0即可，没有特殊限制，可采用本领域熟知方法获得，如商购。具体聚合物泡沫为基体树脂材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚氯乙烯中的一种或多种混合物的泡沫材料，但不限于此。由于闭孔泡沫的闭孔结构，可以提供封闭的泡孔腔空间，当水蒸气处理后泡沫冷却时，泡孔内的水蒸气冷凝，体积迅速减少，而密闭的泡孔腔保证了空气不能进入其中，以至于在泡孔腔内压力明显低于大气压，有利于形成较大的内外压力差，因此聚合物泡沫材料优选闭孔泡沫。又由于泡沫的密度决定了泡孔壁的薄厚和强度，如果密度太高，则泡孔壁过厚强度过高，即使泡孔内外存在压力差，也很难发生向内的凹陷，形成凹角结构，因此聚合物泡沫的密度不宜过高。由于生产工艺和技术水平的限制，高发泡倍率(低密度)的聚合物泡沫难于生产，密度要求过低是没有意义的，优选聚合物泡沫的密度为10kg/m3～250kg/m3，更优选为20kg/m3～200kg/m3，尤其优选为20kg/m3～150kg/m3。
本发明的制备方法的工艺条件：
温度选择在60～170℃，因为如果温度低于60℃，聚合物基体不能软化，难以形成凹角结构，如果温度高于170℃，聚合物完全熔融，泡孔将发生塌陷和破裂。优选温度为70～165℃。
高浓度水蒸汽中水蒸汽的分压优选在31KPa以上；更优选的是40～102KPa。水蒸气渗透进入泡孔内部需要一个时间进行平衡，低于1h则深入泡孔中的水蒸气量过低，冷却时难以提供足够的负压，因此不容易形成凹角的负泊松比材料，所以放置时间在1h以上。考虑制备效率，放置时间优选为1～24h，更优选的是2～20h，尤其优选的是3～15h。
本发明还提供上述负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法制备的负泊松比聚合物泡沫材料。
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
将密度为25kg/m3的聚乙烯泡沫(石家庄启宏橡塑制品有限公司)置于100℃，水蒸汽分压101.3KPa的湿热环境中5h，然后冷却到20℃，得到聚乙烯负泊松比泡沫材料。经检测，该泡沫材料的泊松比为-0.6。
实施例2
将密度为40kg/m3的聚丙烯闭孔泡沫(常州天晟新材料股份有限公司)置于170℃，水蒸汽分压101.3KPa的湿热环境中10h，然后冷却到50℃，得到聚丙烯负泊松比泡沫材料。经检测，该泡沫材料的泊松比为-0.5。
实施例3
将密度为10kg/m3的聚苯乙烯闭孔泡沫(北京东力包装制品有限公司)置于80℃，水蒸汽分压47KPa的湿热环境中20h，然后，冷却到0℃，得到聚苯乙烯负泊松比泡沫材料。经检测，该泡沫材料的泊松比为-0.5。
实施例4
将密度为200kg/m3的聚氨酯泡沫(大城县冀邦保温材料厂)置于150℃，水蒸汽分压101.3KPa的湿热环境中1h，然后冷却到10℃，得到聚氨酯负泊松比泡沫材料。经检测，该泡沫材料的泊松比为-2.5。
实施例5
将密度为100kg/m3的乙烯-醋酸乙烯共聚物泡沫(石家庄启宏橡塑制品有限公司)置于70℃，水蒸汽分压31KPa的湿热环境中1h，然后冷却到-10℃，得到乙烯-醋酸乙烯共聚物负泊松比泡沫材料。经检测，该泡沫材料的泊松比为-1.3。
实施例6
将密度为250kg/m3的聚氯乙烯泡沫(常州天晟新材料股份有限公司)置于100℃，水蒸汽分压101.3KPa的湿热环境中24h，然后冷却到-10℃，得到聚氯乙烯负泊松比泡沫材料。经检测，该泡沫材料的泊松比为-0.4。
实施例7
将密度为150kg/m3的聚氨酯和聚氯乙烯的混合物制备的闭孔泡沫(常州天晟新材料股份有限公司)置于60℃，水蒸汽分压20KPa的湿热环境中15h，然后冷却到-20℃，得到聚丙烯负泊松比泡沫材料。经检测，该泡沫材料的泊松比为-0.1。

Claims (10)

1.一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，其特征在于，该方法先将聚合物泡沫置于常压，温度60～170℃，含有高浓度水蒸汽的环境中，放置1h以上，然后冷却到-20～50℃，得到负泊松比聚合物泡沫材料；
所述聚合物泡沫为泊松比大于等于0的聚合物泡沫，密度在250kg/m3以内；
所述高浓度水蒸气的水蒸气分压小于等于其所处环境温度下的饱和蒸气压，大于等于20KPa。
2.根据权利要求1所述的一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述的聚合物泡沫为泊松比大于等于0的聚合物闭孔泡沫。
3.根据权利要求1所述的一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述的聚合物泡沫的基体树脂材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚氯乙烯中的一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述的聚合物泡沫的密度为10kg/m3～250kg/m3。
5.根据权利要求1所述的一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述放置时间为1～24h。
6.根据权利要求5所述的一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述放置时间为2～20h。
7.根据权利要求1所述的一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述高浓度水蒸汽中水蒸汽的分压在21KPa以上。
8.根据权利要求7所述的一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述高浓度水蒸汽中水蒸汽的分压为40～102KPa。
9.根据权利要求1所述的一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述温度为70～165℃。
10.权利他要求1～9任何一项所述的一种负泊松比聚合物泡沫材料的制备方法制备的负泊松比聚合物泡沫材料。
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