CN110126171A - 一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺 - Google Patents

一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺，包括如下步骤：1)制备由低熔点高分子树脂包覆高熔点高分子树脂的聚合物粒子；2)将所述聚合物粒子一步发泡成型得到发泡制品。本发明通过制备低熔点高分子树脂包覆低熔点高分子树脂的核壳结构的聚合物粒子，在发泡过程中，发泡温度处于核部树脂的熔点以下，使得粒子核部可以形成发泡珠粒，而发泡温度高于壳部树脂的熔点，表面处于熔融态，粒子发生膨胀并互相挤压的时候，处于熔融态的壳部树脂使粒子熔接在一起；同时发泡过程中粒子处于流化状态，所有粒子温度一致，确保粒子不会发生提前粘结，发生膨胀时内部熔接均匀一致，避免引起填充缺陷。

Description

一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺
技术领域
本发明涉及高分子发泡材料制备技术领域，具体涉及一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺。
背景技术
利用发泡技术使高分子材料内部形成大量气泡，形成多孔结构的高分子泡沫材料，是实现制品轻量化，节约材料的有效手段。大量泡孔的存在，还赋予材料优良的隔热保温、阻尼缓冲、降噪吸音等特性。一般而言，高分子发泡材料的发泡倍率越高，也就意味着制品重量越轻，越节约材料，同时隔热、缓冲等性能越优异。常见的高倍率发泡产品，往往都有复杂的外形结构，然而，目前工业上并无有效的一步法发泡得到高倍率复杂结构制品的技术手段。先使高分子实心粒子发泡，得到发泡珠粒，再通过模具内导入蒸汽使发泡珠粒表面熔接的两步成型法，是制备大倍率复杂结构发泡制品的有效途径，可实现大倍率复杂结构发泡制件的高效生产，广泛应用于聚苯乙烯(PS)，聚丙烯(PP),聚乙烯(PE)，热塑性聚氨酯(TPU)等发泡制件的生产制造。
在生产实践中，人们发现两步成型法存在着显著的缺点，首先，模内蒸汽熔接过程需要消耗大量的蒸汽，蒸汽构成成型过程的主要成本。其次，对于高熔点的聚合物发泡珠粒而言，成型过程需要更高压力的蒸汽，除了高压蒸汽带来的更大成本增加外，高压蒸汽对发泡珠粒的静压作用，使得成型过程中发泡珠粒被压缩，造成粒子表面熔接难以有效进行。另外，在模内蒸汽熔接过程中，蒸汽需穿透珠粒间的缝隙，从而使粒子表面加热达到可熔接的温度，对于厚壁制品，由于蒸汽从珠粒间穿透的过程中压力降低，往往造成内部的熔接不良，形成制品缺陷。中国专利文献CN109016320A公开了一种热塑性聚合物颗粒模内发泡成型装置及其成型方法，该方法是发泡与成型一起完成，但是发泡粒子在发泡时可能在模具内分布不均匀，造成填充缺陷，同时由于在发泡过程中粒子堆积于模具的下表面上，会造成提前粘连的问题。
因此，亟需找到更有效的高倍率复杂结构发泡制品的成型方法，以解决传统模内蒸汽成型过程的诸多缺陷。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的发泡粒子会提前粘连，并且在模具内分布不均匀的缺陷，从而提供一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺。
为此，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺，包括如下步骤：
1)将第一高分子树脂和第二高分子树脂分别熔融塑化为第一熔体和第二熔体，将第二熔体包覆于第一熔体上，并进行造粒，制得聚合物粒子，所述第一高分子树脂熔点高于所述第二高分子树脂；
2)将所述聚合物粒子置于有限空间内升温至反应温度，向所述有限空间内通入发泡气体达到反应压力并使所述聚合物粒子处于流化状态，待气体溶于聚合物粒子达到饱和时间后泄压，进行膨胀发泡成型，制得发泡制品。
优选地，所述第一高分子树脂和第二高分子树脂的质量比为(5-50)：1；
所述造粒为水下热切造粒，所述水下热切造粒的温度为25-80℃；造粒得到的聚合物粒子直径为0.5-5mm。
优选地，所述反应温度大于第二高分子树脂的熔点并且小于第一高分子树脂的熔点。
优选地，其特征在于，所述反应压力为5-30MPa；
所述饱和时间为10-20min。
优选地，其特征在于，所述泄压速率为10MPa/s-1000MPa/s。
优选地，在所述泄压之后，还包括于0-25℃的温度下冷却的步骤。
优选地，所述第一高分子树脂和第二高分子树脂为同一类树脂，包括并不限于聚乳酸、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃弹性体、聚酰亚胺、聚酰胺、热塑性聚氨酯、聚酰胺弹性体、聚酯弹性体、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的至少一种。
优选地，所述第一高分子树脂和第二高分子树脂的数均分子量为3万-50万，熔点为120-300℃。
优选地，所述发泡气体为N2和CO2中的至少一种。
本发明技术方案，具有如下优点：
(1)本发明在造粒过程中，形成了低熔点树脂包覆高熔点树脂核壳结构的颗粒，使得之后在发泡过程中，发泡温度处于核部树脂的熔点以下，粒子核部部分维持足够高的熔体强度，可以形成发泡珠粒，而发泡温度高于壳部树脂的熔点，表面粒子处于熔融态，粒子发生膨胀并互相挤压的时候，处于熔融态的壳部树脂使粒子熔接在一起；同时本发明发泡成型过程中，在粒子加热、气体扩散的过程中，由于气体的循环流动，使得粒子处于流化状态，确保粒子不会发生提前粘结，避免引起填充缺陷，并且确保膨胀过程中，粒子能填充模腔的全部空间。
(2)本发明采用发泡成型一步法，缩短了过程，和传统方法相比减少了设备投入。
(3)本发明不使用蒸汽，节约了蒸汽成本；突破了蒸汽成型只适用于低熔点聚合物的缺陷，对高熔点聚合物，一体化发泡成型也容易实现；同时由于流化状态，所有粒子温度一致，发生膨胀时内部熔接均匀一致，解决了蒸汽成型制品内部的熔接不良问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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1提供的发泡预处理装置的示意图；
图2是本发明实施例1提供的发泡成型装置的示意图；
图3是本发明实施例2提供的聚合物粒子一体化发泡成型工艺制得的发泡制品的成品图
附图标记：
101-第一挤出机；102-第二挤出机；103-分配器；104-模头；105-水下热切造粒系统；
201-钢瓶；202-钢瓶进气阀；203-气体回流阀；204-增压泵；205-模具进气阀；206-上热板；207-上模具；208-密封圈；209-下模具；210-下热版；211-排气阀；212-进气孔；213-出气孔。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种发泡预处理装置及发泡成型装置。
如图1所述，一种发泡预处理装置，其中，第一挤出机101和第二挤出机102均为双螺杆挤出机，其出口分别与分配器103的2个进料口连接，分配器103出口处安装有模头104并与水下热切造粒系统105连接。
如图2所示，一种发泡成型装置，其中，上模具207和下模具209分别安装在液压机的上热板206和下热板210上，通过液压机合模由密封圈208密封。钢瓶201和增压泵204通过管道连接，两者之间的管道上安装有钢瓶进气阀202；增压泵204和下模具209上的进气孔212通过管道连接，两者之间的管道上安装有模具进气阀205。上模具207上的出气孔213处有管道向模具外侧延伸并分为两支，一支和增压泵204连接，并且在与增压泵204连接的管道上安装有气体回流阀203，另一支的末端安装排气阀211与大气相连。
实施例2
本实施例提供一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其中，待发泡材料为聚丙烯树脂(PP)，包括以下步骤：
(1)将数均分子量为20万，熔点160℃的聚丙烯树脂(PP)加入第一挤出机101内，将数均分子量为10万,熔点140℃的PP加入第二挤出机102内，两种树脂的质量比为5:1，分别在挤出机中被螺杆熔融，之后挤入分配器103内，在分配器103内实现熔点140℃的PP对熔点160℃的PP的包覆，之后从模头104挤出，在水下热切造粒系统105中热切造粒，造粒温度为80℃，得到核部为熔点160℃的PP，壳部为熔点140℃的PP的聚合物粒子，粒子直径0.5-1mm；
(2)将液压机设定温度为150℃，让上热板206和下热板210对模具预热，预热完成后，将造粒完成后的聚合物粒子放入下模具209内，通过液压机将上模具207和下模具209合模，然后用密封圈208密封；关闭排气阀211和气体回流阀203，打开钢瓶进气阀202和模具进气阀205，通过增压泵204将模具内的压力增压到12MPa,关闭钢瓶进气阀202，打开气体回流阀203，增压泵204继续工作，使模具内的粒子处于流化状态；达到20分钟时，关闭增压泵204，打开排气阀211，以500MPa/s的速率泄压，聚合物粒子膨胀，填充整个模具空间，将模具在25℃冷却，开模，得到发泡制品，如图3所示。
实施例3
本实施例提供一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其中，待发泡材料为聚醚型聚氨酯弹性体(TPU)，包括以下步骤：
(1)将数均分子量为25万，熔点153℃的聚醚型聚氨酯弹性体(TPU)加入第一挤出机101内，将数均分子量为17万,熔点138℃的TPU加入第二挤出机102内，两种树脂的质量比为25:1，分别在挤出机中被螺杆熔融，之后挤入分配器103内，在分配器103内实现熔点138℃的TPU对熔点153℃的TPU的包覆，之后从模头104挤出，在水下热切造粒系统105中热切造粒，造粒温度为60℃，得到核部为熔点153℃的TPU，壳部为熔点138℃的TPU的聚合物粒子，粒子直径1-2mm；
(2)将液压机设定温度为146℃，让上热板206和下热板210对模具预热，预热完成后，将造粒完成后的聚合物粒子放入下模具209内，通过液压机将上模具207和下模具209合模，然后用密封圈208密封；关闭排气阀211和气体回流阀203，打开钢瓶进气阀202和模具进气阀205，通过增压泵204将模具内的压力增压到30MPa,关闭钢瓶进气阀202，打开气体回流阀203，增压泵204继续工作，使模具内的粒子处于流化状态；达到10分钟时，关闭增压泵204，打开排气阀211，以1000MPa/s的速率泄压，聚合物粒子膨胀，填充整个模具空间，将模具在0℃冷却，开模，得到发泡制品。
实施例4
本实施例提供一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其中，待发泡材料为聚乳酸(PLA)，包括以下步骤：
(1)将数均分子量为5万，熔点140℃的聚乳酸(PLA)加入第一挤出机101内，将数均分子量为3万,熔点120℃的PLA加入第二挤出机102内，两种树脂的质量比为50:1，分别在挤出机中被螺杆熔融，之后挤入分配器103内，在分配器103内实现熔点120℃的PLA对熔点140℃的PLA的包覆，之后从模头104挤出，在水下热切造粒系统105中热切造粒，造粒温度为25℃，得到核部为熔点140℃的PLA，壳部为熔点120℃的PLA的聚合物粒子，粒子直径4-5mm；
(2)将液压机设定温度为127℃，让上热板206和下热板210对模具预热，预热完成后，将造粒完成后的聚合物粒子放入下模具209内，通过液压机将上模具207和下模具209合模，然后用密封圈208密封；关闭排气阀211和气体回流阀203，打开钢瓶进气阀202和模具进气阀205，通过增压泵204将模具内的压力增压到5MPa,关闭钢瓶进气阀202，打开气体回流阀203，增压泵204继续工作，使模具内的粒子处于流化状态；达到15分钟时，关闭增压泵204，打开排气阀211，以10MPa/s的速率泄压，聚合物粒子膨胀，填充整个模具空间，将模具在15℃冷却，开模，得到发泡制品。
实施例5
本实施例提供一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其中，待发泡材料为聚酰亚胺(PI)，包括以下步骤：
(1)将数均分子量为15万，熔点300℃的聚酰亚胺(PI)加入第一挤出机101内，将数均分子量为10万,熔点270℃的PI加入第二挤出机102内，两种树脂的质量比为50:1，分别在挤出机中被螺杆熔融，之后挤入分配器103内，在分配器103内实现熔点270℃的PI对熔点300℃的PI的包覆，之后从模头104挤出，在水下热切造粒系统105中热切造粒，造粒温度为65℃，得到核部为熔点300℃的PI，壳部为熔点270℃的PI的聚合物粒子,粒子直径2-3mm；
(2)将液压机设定温度为287℃，让上热板206和下热板210对模具预热，预热完成后，将造粒完成后的聚合物粒子放入下模具209内，通过液压机将上模具207和下模具209合模，然后用密封圈208密封；关闭排气阀211和气体回流阀203，打开钢瓶进气阀202和模具进气阀205，通过增压泵204将模具内的压力增压到20MPa,关闭钢瓶进气阀202，打开气体回流阀203，增压泵204继续工作，使模具内的粒子处于流化状态；达到20分钟时，关闭增压泵204，打开排气阀211，以100MPa/s的速率泄压，聚合物粒子膨胀，填充整个模具空间，将模具在10℃冷却，开模，得到发泡制品。
试验例1
本试验例是对实施例2-5中制备的发泡制品进行检测，检测方法如下：发泡倍率(Rex)＝ρpolymer/ρfoam，其中ρpolymer为未发泡聚合物的密度，ρfoam为发泡制品的表观密度。实施例2得到的PP发泡材料和实施例5得到的PI发泡材料的拉伸强度、断裂生产率按GB 9641-88《硬质泡沫塑料拉伸性能试验方法》的方法测试。实施例3得到的TPU发泡材料和实施例4得到的PLA发泡材料的拉伸强度和断裂生产率，按GB/T 6344-2008《软质泡沫聚合材料拉伸强度和断裂生产率的测定》的方法测试。
检测结果如表1所示：
表1
发泡倍率 拉伸强度(MPa) 断裂生长率(％)
实施例2 16 3.5 150
实施例3 9.5 3.2 310
实施例4 22 1.6 170
实施例5 15 8.4 110
由表1可知，本发明提供的聚合物粒子一体化发泡成型工艺制得的发泡制品内部发泡倍率均匀可控，拉伸强度和断裂生长率都符合规范要求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种聚合物粒子一体化发泡成型工艺，包括如下步骤：
1)将第一高分子树脂和第二高分子树脂分别熔融塑化为第一熔体和第二熔体，将第二熔体包覆于第一熔体上，并进行造粒，制得聚合物粒子，所述第一高分子树脂熔点高于所述第二高分子树脂；
2)将所述聚合物粒子置于有限空间内升温至反应温度，向所述有限空间内通入发泡气体达到反应压力并使所述聚合物粒子处于流化状态，待气体溶于聚合物粒子达到饱和时间后泄压，进行膨胀发泡成型，制得发泡制品。
2.根据权利要求1所述的聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其特征在于，所述第一高分子树脂和第二高分子树脂的质量比为(5-50)：1；
所述造粒为水下热切造粒，所述水下热切造粒的温度为25-80℃；造粒得到的聚合物粒子直径为0.5-5mm。
3.根据权利要求1或2所述的聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其特征在于，所述反应温度大于第二高分子树脂的熔点并且小于第一高分子树脂的熔点。
4.根据权利要求1-3任一项所述的聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其特征在于，反应压力为5-30MPa；
所述饱和时间为10-20min。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其特征在于，泄压速率为10MPa/s-1000MPa/s。
6.根据权利要求5所述的聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其特征在于，在所述泄压之后，还包括于0-25℃的温度下冷却的步骤。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其特征在于，所述第一高分子树脂和第二高分子树脂为同一类树脂，包括并不限于聚乳酸、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃弹性体、聚酰亚胺、聚酰胺、热塑性聚氨酯、聚酰胺弹性体、聚酯弹性体、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其特征在于，所述第一高分子树脂和第二高分子树脂的数均分子量为3万-50万，熔点为120-300℃。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的聚合物粒子一体化发泡成型工艺，其特征在于，所述发泡气体为N2和CO2中的至少一种。
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