CN109971080A - 一种蓄热聚苯乙烯泡沫及其制备方法和应用 - Google Patents

一种蓄热聚苯乙烯泡沫及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种蓄热聚苯乙烯泡沫及其制备方法和应用，该方法包括：将去离子水、苯乙烯单体、相变微胶囊和第一助剂混合，得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒；在含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒中加入去离子水和第二助剂，浸渍，得到可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯；以及将可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯进行预发泡、熟化以及发泡，得到聚苯乙烯泡沫。通过本发明的方法制备的聚苯乙烯泡沫提高了头盔佩戴的舒适性，提高了聚苯乙烯泡沫的蓄热性能，并且相变微胶囊的加入也保持了其力学性能，使其符合力学性能要求。

Description

一种蓄热聚苯乙烯泡沫及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及头盔内部聚苯乙烯泡沫，更具体地，涉及一种蓄热调温的聚苯乙烯泡沫及其制备方法和应用。
背景技术
头盔缓冲层是为了更好地保护头盔佩戴人员在遭受意外伤害时减少或防止头部损伤，通常采用以泡沫塑料或泡沫橡胶之类作为缓冲层，用来分散和吸收冲击动能。但是，作为缓冲层的防震发泡材料(泡沫塑料或者泡沫橡胶)为不良导热材料，在夏季高温环境下佩戴时对头部形成相对密闭的热环境，头部舒适感较差；佩戴人员为避免出汗不适，有时放弃头盔佩戴，提高了意外受伤的风险。
目前，通常通过在摩托车头盔中外壳顶部开设通风孔来达到散热的目的，虽然该方案在一定程度上改善了骑行过程中的散热难的问题，但在车速较慢或者静止时散热难的问题依然存在，缓冲层保温效果并未得到解决，同时外壳开孔降低头盔安全系数并且力学性能较低。
发明内容
针对以上问题，本发明通过在缓冲泡沫中加入相变微胶囊，及时将头部释放的热量吸收，避免头盔内热量积蓄造成头部出汗等。
本发明提供了一种制备聚苯乙烯泡沫的方法，所述方法包括：
将去离子水、苯乙烯单体、相变微胶囊和第一助剂混合，得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒；在所述含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒中加入去离子水和第二助剂，浸渍，得到可发性(即具有可发泡的性质)含相变微胶囊的聚苯乙烯；以及将所述可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯进行预发泡、熟化以及发泡，得到聚苯乙烯泡沫。
在以上方法中，所述相变微胶囊的相变温度为25～30℃。
在以上方法中，所述第一助剂包括分散剂、悬浮剂、乳化剂、增塑剂和引发剂。
在以上方法中，所述分散剂包括磷酸钙、磷酸钠和醋酸钠中的一种或多种；所述悬浮剂包括聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素和淀粉醚中的一种或多种；所述乳化剂包括十二烷基苯磺酸钠、十三烷醇聚醚-4羧酸和十二烷基硫酸钠中的一种或多种；所述增塑剂包括磷酸三丁酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯和邻苯二甲酸二异壬基酯中的一种或多种；所述引发剂包括过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酸叔丁酯和偶氮二异丁腈中的一种或多种。
在以上方法中，所述第二助剂包括分散剂和发泡剂。
在以上方法中，所述分散剂包括磷酸钙、磷酸钠和醋酸钠中的一种或多种；所述发泡剂包括戊烷、异丁烷和正丁烷中的一种或多种。
在以上方法中，所述浸渍的温度为100～120℃，所述浸渍的压力为0.5～0.8MPa，以及所述浸渍的时间为2～3h。
在以上方法中，所述预发泡的温度为80～110℃，以及所述预发泡的倍数为30～50倍。
在以上方法中，所述熟化的时间为20～24h，以及所述熟化的温度为常温。
在以上方法中，所述发泡的温度为115～125℃。
在以上方法中，所述去离子水、所述苯乙烯单体、所述相变微胶囊和所述第一助剂的质量比为800～1200:800～1200:100～500:8～10。
在以上方法中，所述含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒、所述去离子水和所述第二助剂的质量比为:800～1200:800～1200:1～3。
本发明还提供了一种根据以上方法制备的聚苯乙烯泡沫。
本发明还提供了聚苯乙烯泡沫在头盔缓冲层中的应用。
本发明通过在缓冲泡沫中加入相变微胶囊，利用该相变微胶囊与头部接触进行调温，寒冷时释放热量，炎热时吸收热量，使头部处于舒适的温度。此外，相变微胶囊的加入提高了聚苯乙烯泡沫(EPS)的蓄热能力，当含相变微胶囊的EPS作为头盔缓冲层使用时，加入相变微胶囊有效地改善了缓冲层对于头部的保温问题，当做剧烈运动或者外界温度高时，可以吸收头盔内部的热量；当头盔内部温度低时，可以放出热量，以此来提高头盔佩戴的舒适性；此外，相变微胶囊的加入保持了聚苯乙烯泡沫的力学性能，使其符合力学性能要求。
附图说明
图1是制备聚苯乙烯泡沫的工艺流程图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明通过在聚苯乙烯泡沫(EPS)中添加包括但不限于无机相变微胶囊材料、有机相变微胶囊材料和有机/无机复合相变微胶囊材料中的一种或多种的相变微胶囊，利用该相变微胶囊的相变温度(25～30℃)，通过吸收或者释放热量使得头部温度维持在25～30℃左右。
此外，相变微胶囊与EPS的结合使得当外界的温度升高或由于剧烈的身体活动而导致头盔内温度升高达到相变微胶囊相变温度时，相变微胶囊可以吸收头盔内部热量；当外界温度降低或由于身体长时间处于静止状态，导致温度下降低于相变微胶囊的相变温度时，相变微胶囊将释放出先前储存的能量，通过这样一个“动态”的热能储存和热能释放过程来调节温度的平衡，维持头部温度，从而创造一个温度适宜的环境。
本发明提供了一种制备聚苯乙烯泡沫的方法，该方法包括：
将去离子水、苯乙烯单体、相变微胶囊加入到聚合反应釜内，再加入第一助剂(包括质量比为1～1.5:0.2～0.5:0.8～1:2～2.5:4～4.5的分散剂、悬浮剂、乳化剂、增塑剂和引发剂)，在60～80℃下以300～500r/min的速度搅拌1～3h，聚合得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒，在80～100℃下干燥10～12h去掉水分。
之后，将含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒送至添加有去离子水和第二助剂(包括质量比为0.8～2:0.2～1的分散剂和发泡剂)的浸渍釜中，在0.5～0.8MPa的压力下，在100～120℃浸渍2-3h，制得可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯，将可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯在80～110℃下进行30～50倍的预发泡，然后常温放置20～24h使其熟化；再将已经熟化的预发泡料放置于模具中，加热至115～125℃进行发泡，得到聚苯乙烯泡沫。
在以上方法中，使用包括分散剂、悬浮剂、乳化剂、增塑剂和引发剂的助剂的使用，进一步促进了苯乙烯和相变微胶囊的结合，使得相变微胶囊可较好的分散在聚乙烯中，并且有助于提高相变调温材料的稳定性。
在以上方法中，使用包括分散剂和发泡剂的助剂可有助于随后的浸渍和发泡。
在以上方法中，浸渍的温度、压力和时间、预发泡的温度和倍数、熟化的温度和时间以及发泡的温度的设置均是为制备聚苯乙烯泡沫提供良好的发泡环境，其中，浸渍、预发泡以及熟化均是为聚苯乙烯发泡做准备，以在材料膨胀的同时，粒子表面可以相互因热的作用而融合成泡沫塑件，从而制备出性能良好的聚苯乙烯泡沫。
在以上方法中，去离子水、苯乙烯单体、相变微胶囊和第一助剂的质量比在800～1200:800～1200:100～500:8～10范围内，使得相变微胶囊和苯乙烯较好的结合，如果相变微胶囊含量太高，则不利于之后的发泡，如果相变微胶囊含量太低，则不利于调节头盔内温度；如果去离子水和/或助剂含量太高，则不利于聚苯乙烯泡沫的形成。
在以上方法中，含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒、去离子水和第二助剂的质量比在800～1200:800～1200:1～3范围内，如果相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒的含量太高，则不利于分散，如果相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒的含量太低，则不利于发泡。
本发明还提供了该聚苯乙烯泡沫在头盔缓冲层中的应用。
实施例1
将1000g去离子水、1000g苯乙烯单体、100g无机相变微胶囊材料加入到聚合反应釜内，再加入1.2g分散剂磷酸钙、0.27g悬浮剂聚乙烯醇、0.87g乳化剂十二烷基苯磺酸钠、2g增塑剂磷酸三丁酯和4.17g引发剂(4g过氧化苯甲酰以及0.17g过氧化苯甲酸叔丁酯)，搅拌，聚合得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒，并干燥去掉水分。
之后，将1000g含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒送至添加有1000g去离子水、1.2g分散剂磷酸钙以及0.45g发泡剂戊烷的浸渍釜中，在0.6MPa的压力下，在100℃浸渍3h，制得可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯，将可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯在100℃下进行40倍的预发泡，然后常温放置24h使其熟化；再将已经熟化的预发泡料放置于模具中，加热至115℃进行发泡，得到聚苯乙烯泡沫。
实施例2
将900g去离子水、1000g苯乙烯单体、100g有机相变微胶囊材料加入到聚合反应釜内，再加入1.3g分散剂磷酸钠、0.25g悬浮剂羟丙基甲基纤维素、0.87g乳化剂十二烷基苯磺酸钠、2g增塑剂磷酸三丁酯和4.17g引发剂(4g过氧化苯甲酰以及0.17g过氧化苯甲酸叔丁酯)，搅拌，聚合得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒，并干燥去掉水分。
之后，将1000g含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒送至添加有1000g去离子水、1.2g分散剂磷酸钙以及0.45g发泡剂戊烷的浸渍釜中，在0.7MPa的压力下，在110℃浸渍2.5h，制得可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯，将可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯在100℃下进行40倍的预发泡，然后常温放置20h使其熟化；再将已经熟化的预发泡料放置于模具中，加热至120℃进行发泡，得到聚苯乙烯泡沫。
实施例3
将1100g去离子水、900g苯乙烯单体、100g无机相变微胶囊材料加入到聚合反应釜内，再加入1.2g分散剂醋酸钠、0.4g悬浮剂淀粉醚、0.9g乳化剂十三烷醇聚醚-4羧酸、2.2g增塑剂磷酸三丁酯和4.17g引发剂(4g过氧化苯甲酰以及0.17g过氧化苯甲酸叔丁酯)，搅拌，聚合得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒，并干燥去掉水分。
之后，将1000g含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒送至添加有1000g去离子水、1.2g分散剂磷酸钙以及0.45g发泡剂戊烷的浸渍釜中，在0.6MPa的压力下，在100℃浸渍3h，制得可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯，将可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯在90℃下进行30倍的预发泡，然后常温放置22h使其熟化；再将已经熟化的预发泡料放置于模具中，加热至115℃进行发泡，得到聚苯乙烯泡沫。
实施例4
将1000g去离子水、1100g苯乙烯单体、100g无机相变微胶囊材料加入到聚合反应釜内，再加入1.2g分散剂磷酸钙、0.27g悬浮剂(0.1g聚乙烯醇和0.17g羟丙基甲基纤维素)、0.87g乳化剂十二烷基苯磺酸钠、2g增塑剂邻苯二甲酸二异壬基酯和4.5g引发剂偶氮二异丁腈，搅拌，聚合得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒，并干燥去掉水分。
之后，将1000g含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒送至添加有1000g去离子水、1.2g分散剂(0.6g磷酸钠和0.6g醋酸钠)以及0.45g发泡剂戊烷的浸渍釜中，在0.6MPa的压力下，在100℃浸渍3h，制得可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯，将可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯在100℃下进行40倍的预发泡，然后常温放置24h使其熟化；再将已经熟化的预发泡料放置于模具中，加热至125℃进行发泡，得到聚苯乙烯泡沫。
实施例5
将800g去离子水、800g苯乙烯单体、400g无机相变微胶囊材料加入到聚合反应釜内，再加入1g分散剂磷酸钙、0.2g悬浮剂聚乙烯醇、0.8g乳化剂(0.4g十二烷基硫酸钠和0.4g十二烷基硫酸钠)、2g增塑剂邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯和4g引发剂(2g过氧化苯甲酰以及2g过氧化苯甲酸叔丁酯)，搅拌，聚合得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒，并干燥去掉水分。
之后，将800g含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒送至添加有800g去离子水、0.8g分散剂磷酸钙以及0.2g发泡剂(0.1g异丁烷和0.1g正丁烷)的浸渍釜中，在0.5MPa的压力下，在100℃浸渍3h，制得可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯，将可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯在80℃下进行30倍的预发泡，然后常温放置20h使其熟化；再将已经熟化的预发泡料放置于模具中，加热至115℃进行发泡，得到聚苯乙烯泡沫。
实施例6
将1200g去离子水、1200g苯乙烯单体、500g有机/无机复合相变微胶囊材料加入到聚合反应釜内，再加入1.5g分散剂磷酸钙、0.5g悬浮剂聚乙烯醇、1g乳化剂十二烷基苯磺酸钠、2.5g增塑剂(2g磷酸三丁酯和0.5g邻苯二甲酸二异壬基酯)和4.5g引发剂过氧化苯甲酰，搅拌，聚合得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒，并干燥去掉水分。
之后，将1200g含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒送至添加有1200g去离子水、2g分散剂磷酸钙以及1g发泡剂戊烷的浸渍釜中，在0.8MPa的压力下，在120℃浸渍2h，制得可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯，将可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯在110℃下进行50倍的预发泡，然后常温放置24h使其熟化；再将已经熟化的预发泡料放置于模具中，加热至125℃进行发泡，得到聚苯乙烯泡沫。
对比例1
与实施例1相同，除了未加入无机复合相变微胶囊材料之外。
采用本领域常用的差示扫描量热分析(DSC)对实施例1至实施例6中制备的聚苯乙烯泡沫试样进行差热分析，测试范围：0～80℃，扫描速率：±10℃/min，环境：氮气保护环境。
按照《GB/T6344-1996》软质泡沫聚合物材料拉伸强度和断裂伸长率的测定标准，采用本领域常用的微机控制电子万能试验机测试实施例1至实施例6中得到的聚苯乙烯泡沫的断裂伸长率，测试结果如下表1所示：
表1
由上表1可知，不含无机复合相变微胶囊材料的EPS(聚苯乙烯泡沫)在升、降温过程中没有吸放热峰出现，而在含相变微胶囊的EPS中均有吸放热峰出现，并且可以维持相变温度在28℃左右，表明该相变微胶囊在使用时可以根据外界环境温度升高和降低吸收或放出热量，保持环境温度稳定在一个恒定范围内，因此，在泡沫中加入相变微胶囊，利用该相变微胶囊与头部接触进行调温，寒冷时释放热量，炎热时吸收热量，使头部处于舒适的温度，从而提高头盔佩戴的舒适性；同时，相变焓为120～150J/g的相变微胶囊的加入，使得EPS的相变焓高达27J/g，大大提高了EPS的蓄热能力。
此外，含相变微胶囊的EPS的断裂伸长率(85％～90％)与不含无机复合相变微胶囊材料的EPS的断裂伸长率90％相差不大，保持了该EPS的力学性能，这是由于加入的相变微胶囊可以与聚苯乙烯较好的结合，从而保证了EPS的发泡孔径的大小和均一性，进而保持了EPS的力学性能。
综上，通过本发明的方法制备的聚苯乙烯泡沫可应用于头盔缓冲层。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (11)

1.一种制备聚苯乙烯泡沫的方法，其特征在于，所述方法包括：
将去离子水、苯乙烯单体、相变微胶囊和第一助剂混合，得到含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒；
在所述含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒中加入去离子水和第二助剂，浸渍，得到可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯；以及
将所述可发性含相变微胶囊的聚苯乙烯进行预发泡、熟化以及发泡，得到聚苯乙烯泡沫。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相变微胶囊的相变温度为25～30℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一助剂包括分散剂、悬浮剂、乳化剂、增塑剂和引发剂，
其中，所述分散剂包括磷酸钙、磷酸钠和醋酸钠中的一种或多种；所述悬浮剂包括聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素和淀粉醚中的一种或多种；所述乳化剂包括十二烷基苯磺酸钠、十三烷醇聚醚-4羧酸和十二烷基硫酸钠中的一种或多种；所述增塑剂包括磷酸三丁酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯和邻苯二甲酸二异壬基酯中的一种或多种；所述引发剂包括过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酸叔丁酯和偶氮二异丁腈中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二助剂包括分散剂和发泡剂，
其中，所述分散剂包括磷酸钙、磷酸钠和醋酸钠中的一种或多种；所述发泡剂包括戊烷、异丁烷和正丁烷中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸渍的温度为100～120℃，所述浸渍的压力为0.5～0.8MPa，以及所述浸渍的时间为2～3h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预发泡的温度为80～110℃，以及所述预发泡的倍数为30～50倍，所述发泡的温度为115～125℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熟化的时间为20～24h，以及所述熟化的温度为常温。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去离子水、所述苯乙烯单体、所述相变微胶囊和所述第一助剂的质量比为800～1200:800～1200:100～500:8～10。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含相变微胶囊的聚苯乙烯颗粒、所述去离子水和所述第二助剂的质量比为:800～1200:800～1200:1～3。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的方法制备的聚苯乙烯泡沫。
11.一种根据权利要求10所述的聚苯乙烯泡沫在头盔缓冲层中的应用。
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