CN108219322A - 硬质pvc结构泡沫及其制备方法和成型模具 - Google Patents

硬质pvc结构泡沫及其制备方法和成型模具 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种硬质PVC结构泡沫，它主要由以下重量份的原料制备得到：PVC树脂80～150份、异氰酸酯30～60份、超临界流体发泡剂0.5～10份、水蒸气0.5～5份。本发明提供了一种制备所述硬质PVC结构泡沫的方法和成型模具，包括制备发泡坯体、一次发泡、二次发泡和成品制备的步骤；所述成型模具包括筒状模具侧板和分别密封设置在其上下端的上模板和下模板。所述上模板和所述下模板上分别连接有施压装置，所述筒状模具侧板的侧壁上分别开设有进气孔和泄气孔。该硬质PVC结构泡沫具有强度高、重量轻、刚度大、耐腐蚀、电绝缘、透微波等优点的同时，还具有制备过程耗时短，工作效率高的优点，可以将整个制备过程缩短至2天以内。

Description

硬质PVC结构泡沫及其制备方法和成型模具
技术领域
本发明属于泡沫材料技术领域，具体涉及一种硬质PVC结构泡沫及其制备方法和成型模具。
背景技术
硬质PVC结构泡沫因其具有强度高、重量轻、刚度大、耐腐蚀、电绝缘、透微波等优异的特点而被广泛应用于承载要求较高的航空航天等领域。如公开号为US3200089的美国专利在聚氯乙烯泡沫体系中引入含有可聚合C=C的酸酐化合物和乙烯基共聚单体，其首先在聚氯乙烯分子链上接枝上这些单体，然后利用异氰酸酯水解的氨基进行交联，提供发泡物的尺寸稳定性和耐溶剂性。
目前所公开的聚氯乙烯交联泡沫基本上都采用马来酸酐和苯酐作为必须的配方组成，主要是聚酰胺-聚酰亚胺-聚氯乙烯-多异氰酸酯-聚脲组成的IPN聚合物泡沫，该材料脆性较大，从而限制了其应用范围和缩短了其使用寿命。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
由鉴于此，本发明提供一种硬质PVC结构泡沫，它主要由以下重量份的原料制备得到：PVC树脂80～150份、异氰酸酯30～60份、超临界流体发泡剂0.5～10份、水蒸气0.5～5份。
基于上述，所述的硬质PVC结构泡沫由以下重量份的原料制备得到：PVC树脂95～128份、异氰酸酯41～57份、超临界流体发泡剂1～3.7份、水蒸气1～3份。
基于上述，所述异氰酸酯为改性二苯甲烷-4,4′-二异氰酸酯的异构体或其同系物、甲苯二异氰酸酯或其三聚体、二苯甲烷-4,4′-二异氰酸酯和多亚甲基多苯基多异氰酸酯中的一种或几种的组合。
基于上述，所述超临界流体发泡剂为超临界二氧化碳或超临界氮气。
本发明还提供一种制备硬质PVC结构泡沫的方法，具体包括以下步骤：
制备发泡坯体 按照所述的硬质PVC结构泡沫中的原料配比分别称取PVC树脂、异氰酸酯和超临界流体发泡剂；先加热所述PVC树脂使其熔融，再加入所述异氰酸酯进行熔融混炼0.5 min～1 min，冷却后得到发泡坯体；
进行一次发泡 将所述发泡坯体置于密闭模具型腔中，加热所述发泡坯体使其在60℃～130℃温度下进行一次发泡5 min～30 min，得到一次发泡熔融体；
进行二次发泡 控制所述一次发泡熔融体的温度为50℃～200℃，向所述密闭模具型腔中通入压力为10 MPa～35 MPa的超临界流体发泡剂和水蒸气，使所述超临界流体发泡剂和水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到二次发泡熔融体；
制备成品 对所述密闭模具型腔进行降温和泄压处理，使渗透在所述二次发泡熔融体中的气体从中溢出并在固化的二次发泡熔融体中形成空隙，从而制得硬质PVC结构泡沫。
基于上述，在所述进行二次发泡的步骤中，控制所述一次发泡熔融体的温度为60℃～120℃，向所述密闭模具型腔中通入压力为10 MPa～25 MPa的超临界流体发泡剂和水蒸气，使所述超临界流体发泡剂和所述水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到所述二次发泡熔融体。
基于上述，在所述进行二次发泡的步骤中，控制所述一次发泡熔融体的温度为110℃～170℃，向所述密闭模具型腔中通入压力为20 MPa～35 MPa的超临界流体发泡剂和水蒸气，使所述超临界流体发泡剂和所述水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到所述二次发泡熔融体。
本发明还提供一种用于制备所述的硬质PVC结构泡沫的成型模具，它包括上模板、下模板和筒状模具侧板，所述上模板密封设置在所述筒状模具侧板的上端，所述下模板密封设置在所述筒状模具侧板的下端，形成密闭模具型腔；所述上模板和所述下模板上分别连接有施压杆，所述施压杆连接有施压装置；
所述上模板的板体内部和所述下模板的板体内部分别开设有冷却水管道和加热管道，所述冷却水管道连接有自来水管，所述加热管道连接有加热油泵；
所述筒状模具侧板的底部侧壁上开设有进气孔，所述筒状模具侧板的上部侧壁上开设有泄气孔，所述进气孔上和所述泄气孔上分别设置有气体阀门。
基于上述，所述施压装置为油压机或气泵。
基于上述，所述筒状模具侧板的横截面为多边形、圆形或不规则形。
与现有技术相比，本发明所提供的硬质PVC结构泡沫是同时利用了化学发泡和物理发泡的方法制得的，在保留了硬质PVC结构泡沫自身所具有的强度高、重量轻、刚度大、耐腐蚀、电绝缘、透微波等优点的同时，还具有制备过程耗时短，工作效率高的优点，可以将整个制备过程缩短至2天以内。
同时，本发明所提供的硬质PVC结构泡沫制备方法中，在对PVC树脂进行超临界流体发泡剂进行二次发泡时，通过向模具内通入水蒸气和超临界流体发泡剂，可以将水蒸气在高压状态下随超临界流体发泡剂一起快速渗透到坯料内部。而渗透到坯料内部的水蒸气会促使坯体中的异氰酸酯发生水解反应，生成胺和二氧化碳气体。由于二次发泡过程中，坯体受到较高的反压力，此时生成的二氧化碳并不能向外溢出，只能在坯体内部生成泡孔的预形核体，它们可作为局部气泡核的起点，进而使得渗透到坯体内部的超临界流体附着在泡孔的预形核体周围；同时，由异氰酸酯水解生成的胺会与聚氯乙烯树脂中存在的接枝聚氯乙烯发生交联反应，进一步提高了聚氯乙烯树脂的熔体黏度，增加了气泡受到的反压力，防止了气泡壁的减薄，从而形成了一种内部分布有均相气泡核的聚合物/超临界流体均相体系。而在泄压时，均相气泡核因为受到的外部压力的减小而膨胀变大，从而会在发泡坯体内部形成均匀的泡孔结构。
进一步地，本发明所提供的硬质PVC结构泡沫制备方法，通过控制二次发泡过程中的加热温度和所通入的超临界流体和水蒸气的压力，可以实现超临界流体缓慢均匀的渗透到一次发泡熔融体的内部或快速渗透至其内部；并通过对密闭模具型腔施压一定的反压力，可以对硬质PVC结构泡沫的膨胀率和分布在硬质PVC结构泡沫内部的气孔尺寸进行控制；从而得到泡孔均匀、结构性能优异但具有不同内部结构的PVC结构泡沫。具体地，当二次发泡时的温度为60℃～120℃时，由于二次发泡温度相对较低，使得超临界流体和水蒸气在二次发泡熔融体中的溶解率相对较低，导致在泄压过程中残留在产品中的泡孔数量较少，所制得的是一种泡径统一、材料密度较高、结构性能优异的微米尺度泡孔的结构泡沫材料，其泡孔尺寸可达到5微米～200微米。而在进行当二次发泡时的温度为110℃～170℃时，由于二次发泡温度相对较高，使得超临界流体和水蒸气在二次发泡熔融体中的溶解率相对较高，从而制得一种材料密度较低、结构性能良好的微孔、介孔并存的结构泡沫材料。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的制备硬质PVC结构泡沫的成型模具整体结构示意图。
图2是本发明实施例2提供的制备硬质PVC结构泡沫的成型模具整体结构示意图。
图3是本发明实施例3提供的制备硬质PVC结构泡沫的成型模具整体结构示意图。
图中：1、上模板；2、下模板；3、筒状模具侧板；4、进气孔；5、泄气孔；6、冷却水管道；7、加热管道；8、施压杆；9、燕尾形凸起。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种硬质PVC结构泡沫，它主要由以下重量份的原料制备：PVC树脂150份、异氰酸酯30份、超临界流体发泡剂2份、水蒸气1份。其中，所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯，所述超临界流体发泡剂为超临界二氧化碳。
本实施例还提供一种制备所述的硬质PVC结构泡沫的方法，具体包括以下步骤：
制备发泡坯体 按照所述的硬质PVC结构泡沫中的原料配比分别称取PVC树脂、异氰酸酯、超临界二氧化碳和水蒸气；加热所述PVC树脂使其熔融，并向其中加入所述异氰酸酯进行熔融混炼1 min，冷却后得到发泡坯体；
进行一次发泡 将所述发泡坯体置于密闭模具型腔中，加热所述发泡坯体使其在60℃温度下进行一次发泡30 min，得到一次发泡熔融体；
进行二次发泡 控制所述一次发泡熔融体的温度为100℃，向所述密闭模具型腔中通入压力为35 MPa的超临界二氧化碳和水蒸气，使所述超临界二氧化碳和水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到所述二次发泡熔融体；
制备成品 对所述密闭模具型腔进行降温和泄压处理，使渗透在所述二次发泡熔融体中的超临界二氧化碳从中溢出并在固化的二次发泡熔融体中形成空隙，从而制得硬质PVC结构泡沫。
由于在进行二次发泡时的温度较低，使得超临界流体可以缓慢均匀的渗透到一次发泡熔融体的内部，制得一种结构为泡孔均匀、泡径统一、材料密度较高、结构性能优异的微米尺度泡孔的结构泡沫材料。其泡孔尺寸可达到5微米～200微米。
本实施例还提供一种用于制备所述的硬质PVC结构泡沫的成型模具，如图1所示，它包括上模板1、下模板2和筒状模具侧板3。所述上模板1密封设置在所述筒状模具侧板3的上端，所述下模板2密封设置在所述筒状模具侧板3的下端，形成密闭模具型腔。所述上模板1和所述下模板2上分别连接有施压杆8，所述施压杆8连接有施压装置。本实施例中所述施压装置为油压机；所述筒状模具侧板的横截面为矩形。
所述上模板1的板体内部和所述下模板2的板体内部分别开设有多条冷却水管道6和多条加热油管道7；相邻两条冷却水管道6的其中一端通过冷却水弯管相连接，形成冷却水盘管，相邻两条加热油管道7的其中一端分别通过加热油弯管相连接，形成加热油盘管；所述冷却水盘管上连接有自来水管，所述加热油盘管上连接有加热油泵。
所述筒状模具侧板3的底部侧壁上开设有进气孔4，所述筒状模具侧板3的上部侧壁上开设有泄气孔5。所述进气孔4上和所述泄气孔5上分别设置有气体阀门。
具体地，使用该成型模具进行制备硬质PVC结构泡沫时的操作步骤如下：
（1）按照硬质PVC结构泡沫中的原料配比分别称取PVC树脂、异氰酸酯和超临界氮气；在混炼机中加热所述PVC树脂使其熔融，并向其中加入所述异氰酸酯进行熔融混炼1min，冷却后得到发泡坯体；
（2）首先将所述下模板2密封设置在所述筒状模具侧板3的下端，并将所述发泡坯体置于所述下模板2上，然后将所述上模板1密封设置在所述筒状模具侧板3的上端，分别关闭所述进气孔4上和所述泄气孔5上分别设置有气体阀门，形成密闭模具型腔；最后向所述加热管道7通入加热油，使所述发泡坯体使其在60℃温度下进行一次发泡30min，得到一次发泡熔融体；
（3）改变位于所述加热管道7内加热油的温度，使所述一次发泡熔融体的温度为100℃，然后通过所述进气孔4向所述密闭模具型腔中通入压力为35 MPa的超临界二氧化碳和水蒸气，使所述超临界氮气和水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到所述二次发泡熔融体；
（4）对所述密闭模具型腔进行降温和泄压处理，使渗透在所述二次发泡熔融体中的二氧化碳从中溢出并在固化的二次发泡熔融体中形成空隙，从而制得硬质PVC结构泡沫。
实施例2
本实施例提供一种硬质PVC结构泡沫，它主要由以下重量份的原料制得：PVC树脂110份、异氰酸酯45份、超临界流体发泡剂3份、水蒸气0.5份。其中，所述异氰酸酯为多亚甲基多苯基多异氰酸酯，所述超临界流体发泡剂为超临界氮气。
本实施例还提供一种制备所述的硬质PVC结构泡沫的方法，具体包括以下步骤：
制备发泡坯体 按照所述的硬质PVC结构泡沫中的原料配比分别称取PVC树脂、异氰酸酯、超临界流体发泡剂和水蒸气；加热所述PVC树脂使其熔融，再加入所述异氰酸酯进行熔融混炼0.5 min，冷却后得到发泡坯体；
进行一次发泡 将所述发泡坯体置于密闭模具型腔中，加热所述发泡坯体使其在130℃温度下进行一次发泡20 min，得到一次发泡熔融体；
进行二次发泡 控制所述一次发泡熔融体的温度为170℃，向所述密闭模具型腔中通入压力为35MPa的超临界氮气和水蒸气，使所述超临界氮气和水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到所述二次发泡熔融体；
制备成品 对所述密闭模具型腔进行降温和泄压处理，使渗透在所述二次发泡熔融体中的氮气从中溢出并在固化的二次发泡熔融体中形成空隙，从而制得硬质PVC结构泡沫。
由于在进行二次发泡时的温度和压力较高，使得超临界流体可以快速渗透至一次发泡熔融体的内部，从而得到一种材料密度较低、结构性能良好的微孔、介孔并存的结构泡沫材料，其泡孔尺寸范围为0.5纳米～50纳米。
本实施例还提供一种用于制备所述的硬质PVC结构泡沫的成型模具，如图2所示，它包括上模板1、下模板2和筒状模具侧板3。所述上模板1密封设置在所述筒状模具侧板3的上端，所述下模板2密封设置在所述筒状模具侧板3的下端，形成密闭模具型腔。所述上模板1和所述下模板2上分别连接有施压杆8，所述施压杆8连接有施压装置。本实施例中所述施压装置为油压机。本实施例中所述筒状模具侧板的横截面为圆形。
所述上模板1的板体内部和所述下模板2的板体内部分别开设有多条冷却水管道6和多条加热油管道7；相邻两条冷却水管道6的其中一端通过冷却水弯管相连接，形成冷却水盘管，相邻两条加热油管道7的其中一端分别通过加热油弯管相连接，形成加热油盘管；所述冷却水盘管上连接有自来水管，所述加热油盘管上连接有加热油泵。
所述筒状模具侧板3的底部侧壁上开设有进气孔4，所述筒状模具侧板3的上部侧壁上开设有泄气孔5。所述进气孔4上和所述泄气孔5上分别设置有气体阀门。
实施例3
本实施例提供一种硬质PVC结构泡沫，它主要由以下重量份的原料制得： PVC树脂95份、异氰酸酯57份、超临界流体发泡剂3.7份和水蒸气2份，所述超临界流体发泡剂为超临界二氧化碳。
本实施例还提供一种制备所述的硬质PVC结构泡沫的方法，具体包括以下步骤：
制备发泡坯体：按照所述的硬质PVC结构泡沫中的原料配比分别称取PVC树脂、异氰酸酯、超临界二氧化碳和水蒸气；加热所述PVC树脂使其熔融，并向其中加入所述异氰酸酯进行熔融混炼0.5min，冷却后得到发泡坯体；进行一次发泡：将所述发泡坯体置于密闭模具型腔中，并加热所述发泡坯体使其发生熔融形成交联熔融体，将所述交联熔融体在80℃条件下进行一次发泡30分钟，得到一次发泡熔融体；
进行二次发泡：控制所述一次发泡熔融体的温度为150℃，向所述密闭模具型腔中通入压力为18 MPa的超临界二氧化碳和水蒸气，使所述超临界二氧化碳和水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到二次发泡熔融体；
制备成品 对所述密闭模具型腔进行降温和泄压处理，使渗透在所述二次发泡熔融体中的二氧化碳从中溢出并在固化的二次发泡熔融体中形成空隙，从而制得硬质PVC结构泡沫。
本实施例还提供一种用于制备所述的硬质PVC结构泡沫的成型模具，如图3所示，它包括上模板1、下模板2和筒状模具侧板3。所述上模板1密封设置在所述筒状模具侧板3的上端，所述下模板2密封设置在所述筒状模具侧板3的下端，形成密闭模具型腔。所述上模板1和所述下模板2上分别连接有施压杆8，所述施压杆8连接有施压装置。本实施例中所述施压装置为气泵。本实施例中所述筒状模具侧板的横截面为异形，该异形具体为四条边均设置有燕尾形凸起9的矩形。
所述上模板1的板体内部和所述下模板2的板体内部分别开设有多条冷却水管道6和多条加热油管道7；相邻两条冷却水管道6的其中一端通过冷却水弯管相连接，形成冷却水盘管，相邻两条加热油管道7的其中一端分别通过加热油弯管相连接，形成加热油盘管；所述冷却水盘管上连接有自来水管，所述加热油盘管上连接有加热油泵。
所述筒状模具侧板3的底部侧壁上开设有进气孔4，所述筒状模具侧板3的上部侧壁上开设有泄气孔5。所述进气孔4上和所述泄气孔5上分别设置有气体阀门。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种硬质PVC结构泡沫，其特征在于，它主要由以下重量份的原料制备得到：PVC树脂80～150份、异氰酸酯30～60份、超临界流体发泡剂0.5～10份、水蒸气0.5～5份。
2.根据权利要求1所述的硬质PVC结构泡沫，其特征在于，它由以下重量份的原料制备得到：PVC树脂95～128份、异氰酸酯41～57份、超临界流体发泡剂1～3.7份、水蒸气1～3份。
3.根据权利要求1或2所述的硬质PVC结构泡沫，其特征在于，所述异氰酸酯为改性二苯甲烷-4,4′-二异氰酸酯的异构体或其同系物、甲苯二异氰酸酯或其三聚体、二苯甲烷-4,4′-二异氰酸酯和多亚甲基多苯基多异氰酸酯中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求3所述的硬质PVC结构泡沫，其特征在于，所述超临界流体发泡剂为超临界二氧化碳或超临界氮气。
5.一种制备硬质PVC结构泡沫的方法，具体包括以下步骤：
制备发泡坯体 按照权利要求1～4任一项所述的硬质PVC结构泡沫中的原料配比，分别称取PVC树脂、异氰酸酯和超临界流体发泡剂；先加热所述PVC树脂使其熔融，再加入所述异氰酸酯进行熔融混炼0.5 min～1 min，冷却后得到发泡坯体；
进行一次发泡 将所述发泡坯体置于密闭模具型腔中，加热所述发泡坯体使其在60℃～130℃温度下进行一次发泡5 min～30 min，得到一次发泡熔融体；
进行二次发泡 控制所述一次发泡熔融体的温度为50℃～200℃，向所述密闭模具型腔中通入压力为10 MPa～35 MPa的超临界流体发泡剂和水蒸气，使所述超临界流体发泡剂和所述水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到二次发泡熔融体；
制备成品 对所述密闭模具型腔进行降温和泄压处理，使渗透在所述二次发泡熔融体中的气体从中溢出并在固化的二次发泡熔融体中形成空隙，从而制得硬质PVC结构泡沫。
6.根据权利要求5所述的制备硬质PVC结构泡沫的方法，其特征在于，在所述进行二次发泡的步骤中，控制所述一次发泡熔融体的温度为60℃～120℃，向所述密闭模具型腔中通入压力为10 MPa～25 MPa的超临界流体发泡剂和水蒸气，使所述超临界流体发泡剂和所述水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到所述二次发泡熔融体。
7.根据权利要求5所述的制备硬质PVC结构泡沫的方法，其特征在于，在所述进行二次发泡的步骤中，控制所述一次发泡熔融体的温度为110℃～170℃，向所述密闭模具型腔中通入压力为20 MPa～35 MPa的超临界流体发泡剂和水蒸气，使所述超临界流体发泡剂和所述水蒸气渗透至所述一次发泡熔融体的内部形成饱和共混物，得到所述二次发泡熔融体。
8.一种用于制备权利要求1～4任一项所述的硬质PVC结构泡沫的成型模具，其特征在于，它包括上模板、下模板和筒状模具侧板，所述上模板密封设置在所述筒状模具侧板的上端，所述下模板密封设置在所述筒状模具侧板的下端，形成密闭模具型腔；所述上模板和所述下模板上分别连接有施压杆，所述施压杆连接有施压装置；
所述上模板的板体内部和所述下模板的板体内部分别开设有冷却水管道和加热管道，所述冷却水管道连接有自来水管，所述加热管道连接有加热油泵；
所述筒状模具侧板的底部侧壁上开设有进气孔，所述筒状模具侧板的上部侧壁上开设有泄气孔，所述进气孔上和所述泄气孔上分别设置有气体阀门。
9.根据权利要求8所述的用于制备硬质PVC结构泡沫的成型模具，其特征在于，所述施压装置为油压机或气泵。
10.根据权利要求8或9所述的用于制备硬质PVC结构泡沫的成型模具，其特征在于，所述筒状模具侧板的横截面为多边形、圆形或不规则形。
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