CN108342008A - 一种改性聚乙烯发泡材料、由其制造的轻质船只及船只制造工艺 - Google Patents

一种改性聚乙烯发泡材料、由其制造的轻质船只及船只制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种改性聚乙烯发泡材料、由其制造的轻质船只及船只制造工艺，对聚乙烯进行改性加工，得到了适用于加工成船壳的改性聚乙烯发泡材料，具备优良的机械加工性能，由其制造的轻质船只，重量轻、安全性好。将改性聚乙烯发泡材料制造成为船只，对制造工艺进行改进，将小规格发泡板通过改进的拼接工艺拼接成大规格发泡板，进而制造更大的船只，配合能够均匀加热发泡板的加热系统，在合适的温度和压力下，实现了船只船壳的一体成型制造。

Description

一种改性聚乙烯发泡材料、由其制造的轻质船只及船只制造 工艺
技术领域
本发明涉及船舶领域，特别涉及一种改性聚乙烯发泡材料、由其制造的船只及船只制造工艺。
背景技术
改性聚乙烯发泡材料具有优异的物理、化学和力学性能，目前改性聚乙烯发泡材料的品种繁多，应用领域广，不同的品种性能存在差异，对于应用于船只的发泡材料，其各方面性能仍有待于改进。
高分子聚合发泡板制做高聚船由来已久，国内外均有人在研制，因为它有着十分突出的优点，所以人们对高聚发泡船有着热切的期望，如果能够通过模具一次成型，它将是当前主流产品玻璃钢船的替代产品，市埸潜力巨大。要制造一次成型的高聚物发泡船，船体发泡板的接缝问题是技术上很难越过的一道障碍。
目前由发泡材料制备的发泡板是制作船体的板材，但其规格大小有限，最大长度为4米，由其制备的船的长度也被限制在4米以内，如果能将小尺寸的发泡板拼接成大板，将能够制造更大尺寸的船只。对于板材的接缝拼接，广泛使用的技术方案是：在设备上用电将加热片加热到被接缝材料的熔点以上，然后沿着两片垂直接缝材料的缝隙直线穿过，在加热片运行的同时将两片材料同时挤压一起。这种溶接缝的工艺，只能在常温下并且在拉力小的时候能够保持住材料的接合，如果用来做船体发泡板的接缝拼接，则完全不能达到要求。因为在船只的加工成型工艺中，发泡板需要二次加温，并且要利用大气的压力将发泡板拉伸成型，发泡板的拉伸率近至极限强度，传统的接缝方法是无法完成的，通过实验证明用电热片直缝对接发泡板，接缝均在成型中被拉开。
通常粘合的方法，其缺点一是粘合缝很容易开裂，二是外观不美，外在的质量差，三是不能形成生产规模。20多年来众多厂家无一例成功，许多厂家放弃了发泡板船体的研发而转向了滚塑式的工艺方式一次成型，但船体不是发泡体无法减轻重量，没有弹性，并且船的制做尺寸也受到了限制，只能做些小船。优势不突出，导致船只的尺寸被限制在一定的规格内。
发明内容
本发明一方面提出了一种改性聚乙烯发泡材料。
一种改性聚乙烯发泡材料，包括如下重量份数的组分：LDPE 100份，HDPE15～35份，发泡剂0.6～18份，交联剂0.5～1.1份，促进剂2～3份，稳定剂0.5～1份。
交联剂和促进剂配合，使聚乙烯分子之间快速交联并形成网状，减少反应时间；稳定剂主要是防止发泡材料加热后易分解，导致发泡材料性能失效。
在聚乙烯100～135份的基础上，发泡剂用量在上述范围内，发泡材料性能最佳，如果用量低于0.6份，材料发泡不充分，则会硬而脆，如果用量高于18份，发泡材料太软而无法承接重量，不能作为船只的材料使用。交联剂用量超过1.1份，聚乙烯交联过度，发泡材料发脆，交联剂用量低于0.5份则发泡材料过于柔软。
LDPE为低密度聚乙烯，能够增强发泡材料韧性，将LDPE与HDPE(高密度聚乙烯)配合使用，HDPE的加入能够增强发泡材料的强度，使发泡材料兼具韧性和强度，并且使其它组分在整个体系中能够分散地更好。
优选地，所述发泡剂为偶氮二甲酰胺，所述交联剂为过氧化二异丙苯，所述促进剂为氧化锌，所述稳定剂为硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸中的一种或几种。
硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸中的一种或几种作为稳定剂除了能够增强发泡材料的受热稳定性，另外还能对参与交联的分子之间进行内部润滑，使材料在交联的同时还能均匀分散，进一步影响材料的韧性。进一步地，除了内部润滑，还可以在组分中添加矿物油和/或废机油0.1～0.3份，用于对发泡材料和生产装置之间的摩擦进行润滑，该润滑属于外部润滑，其目的是便于材料加工。
优选地，还包括三碱式硫酸铅，重量份数为1.5～3.5份。三碱式硫酸铅能够在交联剂和促进剂配合的基础上，进一步活化交联反应，将反应时间降低至0.5～1小时。
进一步地，为了降低成本，还可以添加部分填充剂替代聚乙烯，填充剂为纳米碳酸钙、碳酸钡、滑石粉、硅藻土中的一种或几种，优选纳米碳酸钙，其能够提升发泡材料的硬度，且使其余各组分的分散性更好，除此之外，纳米碳酸钙白度较好，使发泡材料的颜色发白，能够用于多种场合，也便于染色。填充剂重量份数为10～15份，加入后发泡材料的性能仍能符合相应的标准。
更进一步地，还可以应需求添加增韧剂、阻燃剂、抗氧剂中的一种或几种。增韧剂优选EVA，即乙烯-醋酸乙烯共聚物；阻燃剂优选三氧化二锑；抗氧剂优选CA，即1,1,3-三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷，增韧剂、阻燃剂、抗氧剂的以上选择可以与上述发泡材料的整个体系良好融合，并使其具备相应的性能。
改性聚乙烯发泡材料的制备工艺采用现有的发泡材料制备工艺即可，将原料混合后，在一定温度和压力下进行搅拌，最后经挤出机挤出成型。
本发明另一方面提供了一种由改性聚乙烯发泡材料制造的轻质船只，包括：船壳和内部骨架，船壳采用改性聚乙烯发泡材料一体成型。
具体地，内部骨架采用玻璃钢一体成型并固定安装于船壳内。玻璃钢一体成型工艺为现有技术。本发明不涉及对玻璃钢一体成型工艺的改进。
轻质船只的结构如图3、4所示，船壳包括船侧板11和船底板12，内部骨架包括龙骨21、旁龙骨22、甲板3，船侧板11的上端形成船舷13；船底板12位于两个船侧板11之间；船舷13、船侧板11和船底板12采用聚合物发泡材料一体成型；龙骨21纵向固定于船底板12中央；甲板3两侧凸起、中间凹陷，甲板3与船底板12、船侧板11围成“凹”型，甲板3覆盖船底板12并与船侧板11、船底板12固定连接；龙骨21和甲板3均采用玻璃钢一体成型。
在某些实施方式中，还包括环绕轻质船只的钢管4，钢管4设置于船侧板11上部，船舷13向外侧卷起将钢管4包裹并封闭于船侧板11中。
在某些实施方式中，甲板3与船侧板11的连接处通过设置第一连接条41和第二连接条42加固连接，第一连接条41位于甲板3的上方，第二连接条42位于甲板3的下方。
如此，轻质船只的重量相对于以往的船只大大减轻，制做简易，成本降低。轻质船只在长为4.6米，宽为1.8米的尺寸下，重量小于100kg，可承载12人，同等尺寸的玻璃钢等其他船只，重量为200kg以上。
基于上述内容，本发明还提供了船只的制造工艺，包括如下步骤：
a.压板：将聚合物发泡材料压制成发泡板；
b.下料：将发泡板剪切出船沿的平面形状；
c.烘料：将剪切下来的船形发泡板置于加热系统中，升温至80～130℃，加热时间为30～60min；
d.将加热后的船形发泡板转移至船模具中，盖上船模具的上压盖并抽真空至0.1～0.8atm，压制成船只的外壳；
e.将内部骨架固定安装于船只的外壳内。
优选聚合物发泡材料为改性聚乙烯发泡材料。
更进一步地，聚合物发泡材料为本发明的改性聚乙烯发泡材料，采用真空法压制成船形。真空法：当上压盖在模具上压住已经加温软化的改性聚乙烯发泡板时，船模具与改性聚乙烯发泡板之间形成密封状态。用真空泵将密封中的空气吸出，形成真空，在大气压的作用下，改性聚乙烯发泡板拉伸变形直至与模具结合，形成船体，冷却后自然成型。
在一个具体实施例中，采用本发明的改性聚乙烯发泡材料和上述制造工艺制造船只，在升温至80～130℃下加热，如果高于130℃，则发泡材料容易粘结在加温箱的箱体上，并且在拉伸中极易断裂；如果低于80℃，则拉伸率太小，在拉伸中造成破裂，即使勉强拉伸到位，冷却后容易回弹，造成船体定型不好。加热时间在30～60min之间，如果加热时间超过60min，则发泡板失泡，尺寸变小而不能使用，另60min已经能够将6cm厚的发泡板加温透彻，继续加温浪费能耗；如果加热时间低于30min，则温度不能全部穿透发泡板，从而造成拉伸破裂或冷却后回弹船体定型不好。在加热过程中，船形发泡板必须均匀受热，从而保证发泡板能够均匀的承担拉力，避免出现局部拉伸过大，造成破裂。为了保证船形发泡板均匀受热，采用了大型船体加热箱，以保证受热的船形发泡板各处湿度相同，从而来保证发泡板能够均匀的承担拉力。
在某些实施方式中，步骤a对发泡板至少一侧的边缘进行一次性剪裁，如图5所示，使发泡板的边缘形成拼接面100，然后将至少两张发泡板进行拼接固定。
如此，发泡板将从以往的较小的规格变成更大的规格，那么也就可以制造体积更大的一体成型船只。想要完成两片发泡板的结合，对拼接面有较高的要求，剪裁出的拼接面表面要平整，几何形状要一致，以往像剪刀一般沿着一侧剪裁的方式，剪裁出的拼接面并不能满足需求，因此应采用超长型剪板机，一次性剪切出一条又长、又直、又平整的并带有斜度的拼接面。发泡板在现有制造设备的体积限制下，其制造规格最大长度为4m，拼接后，可以制造4m以上的更大船只。
在某些实施方式中，发泡板剪裁形成拼接面后，将拼接面加热到400～450℃迅速使两个拼接面对接压合在一起，对接压合2～7秒，然后降至室温，则两张发泡板结合成一整张。
如此，可将发泡板拼接在一起。两个发泡板的拼接面热熔后融合在一起，使两张发泡板成为一体。通常对于板材拼接采用粘合剂粘合的方式，然而对于发泡板，采用粘合剂粘合，在后续制造船只的加热过程中，粘合剂又会融化，发泡板相互脱离，无法实现大型船只的制造。在400～450℃下，发泡材料可以达到熔融的最佳状态，如果温度高于450℃，发泡材料将彻底融化成液态，如果低于400℃，发泡材料仍以固态为主，无法实现拼接面的融合。
在某些实施方式中，一次性剪裁在发泡板上形成的拼接面100相对于水平面倾斜，如图5所示，即拼接面100并不是垂直于水平面的。
如此，增加拼接面的面积，使发泡板拼接更加牢固，较大斜面配合高温气体熔化材料，迅速压合的方式才能保持住接缝牢固。
采用本发明制造的船只，在长4.6m、宽1.8m、高0.6m的规格时，其重量小于100kg。
由于发泡板面积较大，且加热过程中要确保均匀受热，因此，在某些实施方式中，如图6所示，加热系统包括加热箱40、运载轨道41、运载车42、分热盒51和鼓风机53，加热箱40具有拉门43；运载轨道41从加热箱40中穿过；运载车42位于运载轨道41上并沿运载轨道41滑动，发泡板放置于运载车42上；分热盒51的盒壁上开设通风口并固定安装于加热箱40内，分热盒51内设置加热棒52；鼓风机53安装于加热箱40的外部，鼓风机53的进气端与加热箱40的内部连通，具体地，鼓风机53的进气端与加热箱40纵向中部并靠近鼓风机53一侧的区域连通；鼓风机53的出气端与分热盒51内部连通。
如此，打开拉门43，将运载车42沿着运载轨道41送入加热箱40，启动加热棒52，可以设置一个温控器控制加热温度，采用现有的温控器和电路连接方式接入即可，鼓风机53将气流吹送至分热盒40，继而将热量通过通风口分散并传递至发泡板，对发泡板进行加热，当时间和温度达到所需时，打开加热箱40另一侧的拉门43，运载车42将发泡板运送至下一环节。
鼓风机53的进气端从加热箱40内的热量较低的区域吸入空气，然后吹送到分热盒51内，形成加热箱40内的热空气循环，如此，能够提高热效率。加热箱40内热量分布无法达到绝对均匀，必然存在热量较低的区域，该部分空气虽然热量较低，但仍比空气热量高，尤其是在寒冷的冬季，相对于吸入冷空气至分热盒51中，加热棒52的加热功率可以降低，节省用电。
为了便于将热量分散均匀，运载轨道41从加热箱40的中部穿过，分热盒51位于运载轨道41的下方。如此，热量经鼓风机53吹送向上传递至发泡板。
本发明船只的制造工艺制造出来的船只，可以是一般结构的具有外壳的船只，也可以是本发明中的轻质船只。
本发明的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施方式的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例3发泡材料在电子显微镜2万倍放大下的示意图；
图2是本发明对比例3发泡材料在电子显微镜2万倍放大下的示意图；
图3是本发明轻质船只的俯视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是本发明发泡板的拼接示意图；
图6是本发明加热系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本文中AC为偶氮二甲酰胺，DCP为过氧化二异丙苯。
实施例1
LDPE 100份，HDPE 15份，AC 12份，DCP 0.5份，氧化锌2.5份，硬脂酸锌0.8份。
对比例1
LDPE 100份，AC 12份，DCP 0.5份，氧化锌2.5份，硬脂酸锌0.8份。
将实施例1和对比例1制备的改性聚乙烯发泡材料进行性能测试，结果如下：
实施例2
LDPE 100份，EVA 18份，AC 6份，DCP 1.1份，三碱式硫酸铅2.5份，硬脂酸钡1.3份，硬脂酸0.8份。
对比例2
LDPE 100份，AC 6份，DCP 1.1份，三碱式硫酸铅2.5份，硬脂酸钡1.3份，硬脂酸0.8份。
将实施例2和对比例2制备的改性聚乙烯发泡材料进行性能测试，结果如下：
实施例3
LDPE 100份，纳米CaCO3 10份，AC 7.5份，DCP 0.7份，三碱式硫酸铅1.5份，硬脂酸锌2.4份。
对比例3
LDPE 100份，纳米CaCO3 16份，AC 7.5份，DCP 0.7份，三碱式硫酸铅1.5份，硬脂酸锌2.4份。
将实施例3和对比例3制备的改性聚乙烯发泡材料进行性能测试，结果如下：
由表中数据可知，实施例3的各组份成功被纳米碳酸钙均匀分散，如此，可使改性聚乙烯发泡材料的力学强度大大提高。经电子显微镜分析，如图1所示，实施例3的发泡材料在电子显微镜2万倍放大下，发泡材料的纳米碳酸钙均匀分布，各组份被均匀分散。在较低纳米碳酸钙含量时，发泡材料力学性能较之基体有显著提高，弹性模量和拉伸强度提高很大。填充型发泡材料的性能与填料粒径、表面物理化学状态及添加量有关。由于纳米粒子粒径极小，因而它与通常的填充改性又有很大的不同。填充剂加入到塑料中以往的一般规律是随填料含量增加，材料的强度降低，模量增大，热变形温度提高，尺寸稳定性增加。然而对于纳米碳酸钙，发泡材料的强度随纳米碳酸钙含量升高而有下降的趋势。
从图1中可以看出纳米碳酸钙能均匀分散，碳酸钙粒子周围形成“海岛”结构，其界面相互模糊，说明纳米碳酸钙对各组份综合力较强，我们也努力找一些其他镜头，仍是发现都是界面模糊镜头，说明整体填充水平还是可以的。图1中也存在团聚的纳米碳酸钙，占到10％左右，但从制品力学性能强度看，已满足了各种应用要求。
图2为对比例3的发泡材料中纳米碳酸钙的电子显微镜图，从图中可以看出，纳米碳酸钙分散不均，团聚现象严重，发泡材料的机械性能也受到了影响。
实施例4
LDPE 100份，纳米CaCO3 10份，AC 5份，DCP 0.5份，CA抗氧剂0.02份，硬脂酸锌1.2份，氧化锌0.8份，三氧化二锑0.8份，硬脂酸0.4份。
对比例4
LDPE 100份，纳米CaCO3 10份，AC 5份，DCP 0.5份，CA抗氧剂0.02份，硬脂酸锌1.2份，氧化锌0.8份，硬脂酸0.4份。
将实施例4和对比例4制备的改性聚乙烯发泡材料进行性能测试，结果如下：
以上各实施例和对比例的性能指标均参照相应的标准进行测定。耐磨性用体积磨损表征，按照GB/T 3960-1983塑料滑动摩擦磨损试验方法进行测试；低温冲击强度，依据GB/T17748-2008标准进行测试；耐热性用维卡软化点表征，依照GB/T 8802-2001热塑性塑料管材、管件维卡软化温度的测定；抗拉强度按照GB/T 1040-1992塑料拉伸性能试验方法进行测试；拉伸断裂伸长率按照GB/T1040.1-2006标准进行测试；附着性测试，根据GB/T11211-2009进行测定；耐热性测试，根据CNS 10757(1995)标准进行测定；酸浸渍试验，根据CNS 10757(1995)标准测定；耐油性试验，根据CNS 10757(1995)标准测定。硬泡沫塑料燃烧性能试验方法垂直燃烧法(等效于美国材料与试验协会标准)和GB/T8332-2008泡沫塑料燃烧性能试验方法水平燃烧法(等效于国际标准《ISO9772泡沫塑料——小试样在小火焰条件下水平燃烧性能测定》)，这两种标准均是援引自GB2408采用类似的测试方法。GB8333和GB8332是针对密度小于250kg/m3的硬质泡沫塑料或泡沫橡胶的细分条款。GB8333和GB8332可以用PMSC-3型泡沫水平垂直燃烧测定仪来进行检测，其在试验原理和试验方法上与CZF-5水平垂直燃烧仪类似，但水平燃烧和垂直燃烧的式样架明显不同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改性聚乙烯发泡材料，其特征在于，包括如下重量份数的组分：LDPE 100份，HDPE15～35份，发泡剂0.6～18份，交联剂0.5～1.1份，促进剂2～3份，稳定剂0.5～1份。
2.根据权利要求1所述的改性聚乙烯发泡材料，其特征在于，所述发泡剂为偶氮二甲酰胺，所述交联剂为过氧化二异丙苯，所述促进剂为氧化锌，所述稳定剂为硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸中的一种或几种。
3.一种由权利要求1～2中的任一项所述的改性聚乙烯发泡材料制造的轻质船只，其特征在于，所述船只包括：船壳和内部骨架，所述船壳采用改性聚乙烯发泡材料一体成型，所述内部骨架采用玻璃钢一体成型并固定安装于船壳内。
4.根据权利要求3所述的改性聚乙烯发泡材料制造的轻质船只，其特征在于，所述船壳包括船侧板(11)和船底板(12)，所述内部骨架包括龙骨(21)、旁龙骨(22)和甲板(3)，所述船侧板(11)的上端形成船舷(13)；所述船底板(12)位于两个船侧板(11)之间；所述船舷(13)、船侧板(11)和船底板(12)采用聚合物发泡材料一体成型；所述龙骨(21)纵向固定于船底板(12)中央；所述甲板(3)两侧凸起、中间凹陷，所述甲板(3)与船底板(12)、船侧板(11)围成“凹”型，所述甲板(3)覆盖船底板(12)并与船侧板(11)、船底板(12)固定连接；所述龙骨(21)和甲板(3)均采用玻璃钢一体成型。
5.一种船只的制造工艺，其特征在于，包括如下步骤：
a.压板：将聚合物发泡材料压制成发泡板；
b.下料：将发泡板剪切出船沿的平面形状；
c.烘料：将剪切下来的船形发泡板置于加热系统中，升温至80～130℃，加热时间为30～60min；
d.将加热后的船形发泡板转移至船模具中，盖上船模具的上压盖并抽真空至0.1～0.8atm，压制成船只的外壳；
e.将内部骨架固定安装于船只的外壳内。
6.根据权利要求5所述的船只的制造工艺，其特征在于，所述聚合物发泡材料为改性聚乙烯发泡材料。
7.根据权利要求5所述的船只的制造工艺，其特征在于，所述步骤a中对发泡板至少一侧的边缘进行一次性剪裁，剪裁后发泡板的边缘形成拼接面，然后将至少两张发泡板进行拼接固定，发泡板剪裁形成拼接面后，将拼接面加热到400～450℃并使两个拼接面对接压合在一起，对接压合2～7秒，然后降至室温。
8.根据权利要求5所述的船只的制造工艺，其特征在于，所述加热系统包括加热箱(40)、运载轨道(41)、运载车(42)、分热盒(51)和鼓风机(53)，所述加热箱(40)具有拉门(43)；所述运载轨道(41)从加热箱(40)中穿过；所述运载车(42)位于所述运载轨道(41)上并沿运载轨道(41)滑动，发泡板放置于运载车(42)上；所述分热盒(51)的盒壁上开设通风口并固定安装于加热箱(40)内，所述分热盒内设置加热棒(52)；所述鼓风机(53)安装于加热箱(40)的外部，所述鼓风机(53)的进气端与加热箱(40)的内部连通，所述鼓风机(53)的出气端与分热盒(51)内部连通。
9.根据权利要求8所述的船只的制造工艺，其特征在于，所述运载轨道(41)从加热箱(40)的中部穿过，所述分热盒(51)位于运载轨道(41)的下方。
10.根据权利要求5～9所述的船只的制造工艺制造的船只。
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