CN109851837A - 一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，包括配制发泡材料原料、然后进行发泡作业的过程，所述发泡材料原料中含有碱性碳材料；所述发泡作业采用超临界二氧化碳处理工艺。本申请在体系内引入碱性环境，引入碱性环境的目的是提供一个二氧化碳聚集的微环境，且不增加整个体系内的多余杂质；碱性碳材料中的碱性位点是与碳材料共存的，因此在发泡过程中，会使得碳材料处于发泡孔的表面，对电导率有一定的促进作用。

Description

一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺

技术领域

本申请涉及一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺。

背景技术

聚苯乙烯泡沫板是由含有挥发性发泡剂的可发性聚苯乙烯珠粒，其有微细闭孔的结构特点，主要用于建筑墙体，屋面保温，复合板保温，冷库、空调、车辆、船舶的保温隔热，地板采暖，装潢雕刻等用途非常广泛。

聚苯乙烯泡沫板主要有如下优点：

1、优良的保温隔热性

具有高热阻、低线性、膨胀比低的特点，其结构的闭孔率达到了99％以上，形成真空层，避免空气流动散热，确保其保温性能的持久和稳定，相对于发泡聚氨酯80％的闭孔率，领先优势不言而喻。实践证明20mm厚的聚苯乙烯泡沫板，其保温效果相当于50mm厚发泡聚苯乙烯，120mm厚水泥珍珠岩。因此本材料是目前建筑保温的最佳之选。

2、卓越的高强度抗压性

由于聚苯乙烯泡沫板的特殊结构，其抗压强度极高、抗冲击性极强，根据聚苯乙烯泡沫板不同型号及厚度其抗压强度达到150～500Kpa以上，能承受各系统地面荷载，广泛应用于地热工程、高速公路、机场跑道、广场地面、大型冷库及车内装饰保温等领域。

3、优质的憎水、防潮性

吸水率是衡量保温材料的一个重要参数。保温材料吸水后保温性能随之下降，在低温情况下，吸入的水极易结冰，破坏了保温材料的结构，从而使板材的抗压及保温性能下降。由于聚苯乙烯分子结构本身不吸水，板材分子结构稳定，无间隙，解决了其它材料漏水、渗透、结霜、冷凝等问题。

4、质地轻、使用方便

聚苯乙烯泡沫板的完全闭孔式发泡化学结构与其蜂窝状物理结构，使其具有轻质、高强度的特性，便于切割、运输，且不易破损、安装方便。

5、稳定性、防腐性好

长时间的使用中，不老化、不分解、不产生有害物质，其化学性能极其稳定，不会因吸水和腐蚀等导致降解，使其性能下降，在高温环境下仍能保持其优越的性能，根据有关资料介绍，聚苯乙烯泡沫板即使使用30～40年，仍能保持优异的性能，且不会发生分解或霉变，没有有毒物质的挥发。

6、产品环保性能

聚苯乙烯泡沫板经国家有关部门检测起化学性能稳定，不挥发有害物质，对人体无害，生产原料采用环保型材料，不产生任何工业污染。该产品属环保型建材。

对聚苯乙烯泡沫板性能影响最大的是发泡阶段，而对发泡影响最大的是原料以及操作工艺。在聚苯乙烯的发泡作业中，发泡剂的选用经过了多次变化，第一种是采用含卤有机发泡剂，但是该种发泡剂污染较大，现在基本上已经被弃用；第二种是在超临界流体中进行操作，如二氧化碳，但是该种操作也有一些弊端，如分布不均、形成贯通孔等，因此，现在有一些倾向于将一些有机溶剂，如乙醇，引入到体系内，但是引入乙醇之后并没有特别明显的提高其膨胀度的效果，且引入的乙醇是易燃易爆物质，有一定的安全隐患。

CN108976628A一种采用超临界二氧化碳工艺生产的EPS抗压板公开了如下技术：所述EPS抗压板由以下重量份的原料制成：聚苯乙烯树脂40-50份、溴化环氧树脂10-12份、聚碳酸酯4-6份、硬脂酸钠1-2份、氧化锌2-3份、苯基硅油1-3份、成核剂2-3份、抗氧化剂0.8-1.4份。其制作方法主要包括连续升温发泡、高压蒸汽定型和高温喷涂等步骤。本发明克服了现有技术的不足，提高了传统EPS板材的孔隙密度，增加其抗压和回弹能力，并且加强了材质的韧性，有效提升板材的减压抗震效果，同时使板材具有耐磨、抗老化、阻燃等优点。但是该申请依然没有解决膨胀能力不足的问题。

CN104476711A一种均一的聚丙烯发泡厚板的生产方法公开了如下技术：发泡压力、温度和时间需满足：t＝0.227*(T-150)²+0.004083*(P-17.5)⁴+40，其中t为发泡时间/min；T为发泡温度/℃；P为发泡压力/MPa，即高温高压气体的压力，其中，t取值为30-250min，优选40-230min。采用本发明所述的发泡的时间、温度和压力条件，通过固定的协同关系，易于二氧化碳的扩散，同时还避免了二氧化碳气流对聚丙烯的破坏，克服了现有技术一直无法实现直接发泡厚板的技术障碍，实现了得到发泡倍率大，孔径尺寸小，泡孔密度高，厚度较大，结构均一的聚丙烯微孔发泡材料的目的，可实现发泡厚度大于10mm的发泡材料。该申请通过控制温度压力，达到了一定的提高发泡倍率的效果，但是在此过程中其控制过程较为繁琐，且效果并不是特别的明显，只是相对提高，究其原因，主要是因为其并未从发泡机理上解决该问题。

除此之外，为了设计一些功能性的材料，将碳材料引入到聚苯乙烯发泡板的体系中也有一些尝试，但是并没有达到很好的效果，且对发泡倍率有一定的抑制作用。

申请内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，包括配制发泡材料原料、然后进行发泡作业的过程，所述发泡材料原料中含有碱性碳材料；所述发泡作业采用超临界二氧化碳处理工艺。采用碱性碳材料的目的如下：1、在体系内引入碱性环境，引入碱性环境的目的是提供一个二氧化碳聚集的微环境，且不增加整个体系内的多余杂质；2、碱性碳材料中的碱性位点是与碳材料共存的，因此在发泡过程中，会使得碳材料处于发泡孔的表面；3、超临界气体采用二氧化碳主要是为了两个目的，一是发泡成孔、二是在发泡成孔之前能够与作为靶点的碱性位点形成结合，借助碱性位点的分布，以提高二氧化碳的分布均匀性。

优选的，所述碱性碳材料为经过碱溶液处理的碳材料，所述碱溶液为氢氧化钾和/或氢氧化钠溶液。

优选的，所述碳材料为碳纳米管和/或活性炭和/或石墨烯。当为两种以上物质时，为任意比。

优选的，所述发泡材料原料包括如下质量份数的原料：聚苯乙烯：90-100份，碱性碳材料：0.1-5份。

优选的，所述发泡材料原料由如下质量份数的原料组成：聚苯乙烯：95-98份，碱性碳材料：2.5-3.8份。经试验发现，碱性碳材料的含量不宜过多，在过多时，大大影响整体的强度。在聚苯乙烯：95-98份，碱性碳材料：0.4-0.7份的情况下，发泡倍率和导电率的匹配达到最优化。

优选的，所述发泡材料原料利用高剪切乳化机混合后再进行发泡作业。提高混合的均匀程度。

优选的，所述高剪切乳化机对发泡材料原料的作用时的转速不低于3000r/min，作用时间不低于5h。高剪切乳化剂主要用于设计到液体为连续相的混合过程，在本申请中，主要是借助于高剪切乳化机的剪切作用、高转速以及温度可控的特性，以提高碱性碳材料在聚苯乙烯中的分布情况。

优选的，所述超临界二氧化碳处理工艺包括如下两个工艺步骤：搅拌步骤和发泡步骤；所述搅拌步骤中，在发泡材料原料充入二氧化碳后，对经高剪切乳化机处理后的发泡材料原料进行搅拌，搅拌时间不低于0.5h。搅拌过程主要用于二氧化碳的在碱性碳材料靶点的作用下均匀的融入到整个系统。

优选的，所述发泡作业的温度高于100℃。

优选的，所述发泡作业的温度为120-150℃。提高碳酸铵的分解效果以及水的脱离效果，保证发泡倍率。

本申请能够带来如下有益效果：

1、在体系内引入碱性环境，引入碱性环境的目的是提供一个二氧化碳聚集的微环境，且不增加整个体系内的多余杂质；

2、碱性碳材料中的碱性位点是与碳材料共存的，因此在发泡过程中，会使得碳材料处于发泡孔的表面；

3、超临界气体采用二氧化碳主要是为了两个目的，一是发泡成孔、二是在发泡成孔之前能够与作为靶点的碱性位点形成结合，借助碱性位点的分布，以提高二氧化碳的分布均匀性；

4、本申请通过优化整体配方以及操作步骤和操作参数，以辅助提高发泡倍率和得到的物质的导电率。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

具体实施例：

整体的技术方案按照如下方式进行：

S1、制备聚苯乙烯原料：将聚苯乙烯粉碎到100目以下备用，制备碱性碳材料：将碳材料，如碳纳米管或活性炭或石墨烯，放入到6mol/L的KOH溶液或者NaOH等强碱性溶液中，然后在200-250℃下反应12h，然后经洗涤后放入到烘箱中烘干得到碱性碳材料；

S2、将得到的聚苯乙烯原料和碱性碳材料以及其他添加剂混合后加入到高剪切乳化机中，进行混合；

S3、混合完毕之后加入到反应釜中，充入二氧化碳到超临界状态，并保持50℃左右的温度，然后进行搅拌，搅拌速度不低于100r/min，然后进行快速放压。

根据上述操作步骤，其他的主要的原料以及操作参数如下表所示：

对上述产品进行表征，得到的参数如下：

由于表观密度与发泡倍率呈负相关，所以可以从表观密度上直接显示出发泡倍率的变化。由上述实施例可以看出，本申请采用的技术能够在基本保证抗折强度的基础上，大幅度的的降低表观密度，从而大幅度的降低导热系数。在本申请中，采用的方式是首先将基本是分散非常细的碱性碳材料通过高剪切乳化机引入到整个系统内，由于碱性碳材料的高分散性，因此能在聚苯乙烯中分散的非常均匀，而碱性碳材料对于二氧化碳本身具有一定的分子间吸引力，因此在二氧化碳加入到整个体系内后，其根据碱性碳材料的靶点，会首先选择分布在碱性碳材料附近，从而大幅度的提高整体的均匀性。然后进行常规的超临界二氧化碳发泡作业即可得到非常好的发泡效果。导电率和引入的碱性碳材料密切相关，但是发泡速率(即表观密度)却影响不大，说明在固定的条件下，相对低含量的碱性碳材料，已然能够发挥足够的靶点效果。

由实施例5和实施例4的对比可以看出，在只采用聚苯乙烯和碱性碳材料的实验中，比添加入其他原料，如聚碳酸酯，具有更加优化的特性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，包括配制发泡材料原料、然后进行发泡作业的过程，其特征在于：所述发泡材料原料中含有碱性碳材料；所述发泡作业采用超临界二氧化碳处理工艺。

2.根据权利要求1所述的一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，其特征在于：所述碱性碳材料为经过碱溶液处理的碳材料，所述碱溶液为氢氧化钾和/或氢氧化钠溶液。

3.根据权利要求2所述的一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，其特征在于：所述碳材料为碳纳米管和/或活性炭和/或石墨烯。

4.根据权利要求1所述的一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，其特征在于：所述发泡材料原料包括如下质量份数的原料：聚苯乙烯：90-100份，碱性碳材料：0.1-5份。

5.根据权利要求1所述的一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，其特征在于：所述发泡材料原料由如下质量份数的原料组成：聚苯乙烯：95-98份，碱性碳材料：2.5-3.8份。

6.根据权利要求1所述的一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，其特征在于：所述发泡材料原料利用高剪切乳化机混合后再进行发泡作业。

7.根据权利要求6所述的一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，其特征在于：所述高剪切乳化机对发泡材料原料的作用时的转速不低于3000r/min，作用时间不低于5h。

8.根据权利要求7所述的一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，其特征在于：所述超临界二氧化碳处理工艺包括如下两个工艺步骤：搅拌步骤和发泡步骤；所述搅拌步骤中，在发泡材料原料充入二氧化碳后，对经高剪切乳化机处理后的发泡材料原料进行搅拌，搅拌时间不低于0.5h。

9.根据权利要求7所述的一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，其特征在于：所述发泡作业的温度不低于100℃。

10.根据权利要求8所述的一种掺杂有碳材料的聚苯乙烯泡沫保温板加工工艺，其特征在于：所述发泡作业的温度为120-150℃。