CN111704741A - 一种pva发泡材料及其发泡方法 - Google Patents

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Abstract

一种PVA发泡材料及其发泡方法，本发明涉及一种发泡材料，为提供现有的PVA连续挤出发泡的难点，本发明利用PVA具有水解性的特点，将PVA在水解溶胀状态下进行以低于PVA沸点的温度进行发泡。本发明的有益效果在于：用水作为媒介在溶胀状态下加入微孔膨胀发泡剂，在PVA沸点以下发泡，既避免了PVA气化，又实现了挤出成型，操作过程简单；制备的成品重量轻(密度小)，抗压强度高(高达259KPa)，可降解成分高，环境友好。

Description

一种PVA发泡材料及其发泡方法
技术领域
本发明涉及一种发泡材料，具体来说涉及一种PVA发泡材料及其发泡方法。
背景技术
发泡聚乙烯醇(PVA)是一种环保型的泡沫塑料，传统的泡沫塑料由于无法降解导致使用过程中可能对环境造成污染，在有些领域已经明确规定禁止使用。发泡PVA是一种在自然环境下可以生物降解的高分子材料，而且PVA本身含有羟基及开孔结构，因此具有优良的吸水性能，干态下质硬且强度高，湿润状态下柔韧性好，在诸多领域均有广泛的应用。PVA泡沫的制备主要有挤出成型和模压成型，发泡的方法一般有化学发泡法、物理发泡法和机械发泡法。其中模压成型的缺点是生产成本高、工艺复杂和周期较长，而由于PVA材料本身熔点和沸点很接近，因此难以热塑成型是实现连续挤出发泡成型的一个难点，因为传统的熔融状态下引入气体的发泡工艺，其加工温度在熔点之上20-30℃或更高，因此不适用于PVA，该高温下容易导致PVA气化。
在挤出发泡过程中，发泡剂在高压状况下必须与塑料形成均匀的溶液，并在口模处瞬间泄压、发泡、冷却、形成发泡材料，不可能借助固相或者结晶的约束力，故而对塑料的熔体强度要求很高，特别需要熔体在拉伸过程中具有较强的应变硬化的性能，因此发泡难度较大。
发明内容
因此，如何克服上述提到的难题，提供一种新的发泡方法，是本发明需要解决的问题，为解决该技术问题，本发明利用PVA具有水解性的特点，将PVA在水解溶胀状态下进行微孔发泡。
本发明的目的之一在于，提供一种以水作为媒介在PVA树脂溶胀状态下加入微孔膨胀发泡剂，在PVA沸点以下进行发泡的方法，具体来说，其步骤包括有：1)为以水作为媒介在PVA树脂溶胀状态下加入发泡剂，在低于PVA沸点温度下进行预发泡；2)预发泡后以高于预发泡温度而低于PVA沸点的温度进行二次发泡。
具体的方法如下：将重量比为10:7的PVA树脂和去离子水，搅拌并将混合物放入80～95℃(优选90℃)水浴中1-3h(优选2h)，然后将占PVA树脂重量的4％～10％(优选5wt％)的发泡剂(031DU40粉末)加入上述混合物中，搅拌均匀。单螺杆挤出机的温度为80-100-105-110℃，螺杆转速80～120rpm(优选100rpm)，然后将均匀溶液加入到单螺杆挤出机，进行预发泡，得到预发泡样品，即PVA树脂达到溶胀状态后加入微孔膨胀发泡剂，进行第一次预发泡；然后称量预发泡样品并加入到模具中，再将模具放入热压机100～110℃(优选100℃)1-3min(优选2分钟)，最后将模具放入烤箱中50～70℃(优选60℃)烤10-14h(优选12小时)。
发泡剂可以是由Akzo Nobel company提供的031DU40发泡剂、461DU40发泡剂、461DU20发泡剂、053DU40发泡剂。
本发明还提供一种PVA发泡材料，该材料采用上述的方法制备，根据实际的对PVA发泡材料的要求，还可以通过加入不同的填料以适当的改变发泡材料，比如碳酸钙和/或纳米SiO2，对发泡材料的强度、耐热性、线胀系数、收缩率等做出调整，以满足实际的需要。
本发明还提供上述PVA发泡材料的用途，比如可以用于制作食品包装用具，如一次性饮料杯、餐具等等；比如用于制作普通包装用器具，如泡沫箱等，除了这里列举的用途，本发明提供的PVA发泡材料还可以有其他的用途，这里列举出来，只是做示例用，而不是用于限制。采用本发明制备的PVA发泡材料重量轻，抗压强度高，可降解成分高，环境友好，完全可以满足上述各种用途的要求。
由于PVA材料本身熔点(200-210℃)和沸点(220-230℃)很接近，传统的方法是熔融状态下引入气体的发泡工艺，因此加工温度一般在熔点之上20-30度或更高，因此容易导致PVA气化，本案提供的方法用水作为媒介在溶胀状态下加入微孔膨胀发泡剂，在PVA沸点以下发泡解决了传统的方法中存在的问题。
本发明的有益效果在于：用水作为媒介在溶胀状态下加入微孔膨胀发泡剂，在PVA沸点以下发泡，既避免了PVA气化，又实现了挤出成型，操作过程简单；然后在进行第二次发泡，最终制备的成品重量轻(密度小)，抗压强度高(高达259KPa)，可降解成分高，环境友好的特点。
附图说明
图1为PVA泡沫样品V20、V21和V22的SEM图。
图2为不同温度下PVA树脂和PVA泡沫成分变化图。
具体实施方式
为了来对本发明做进一步的解释和说明，下面结合具体的例子，以对本发明做进一步的解释和说明。
实施例1
首先，按照下表准备三组原料，进行三组发泡样品的制备：
Figure BDA0002608002810000031
Figure BDA0002608002810000041
然后，再按照如下的过程制备三组发泡样品V20、V21和V22：取PVA树脂和去离子水，搅拌后将混合物放入90℃水浴中2h，将发泡剂(使用量分别如上表所示)加入上述混合物中，搅拌均匀。然后将均匀溶液加入到单螺杆挤出机，进行预发泡，单螺杆挤出机的温度为80-100-105-110℃，螺杆转速100rpm，分别得到预发泡样品；预发泡后称量350g预发泡样品加入到200x200x23mm模具中就行第二次发泡，再将模具放入热压机中100℃/2分钟，最后将模具放入烤箱中60℃/12小时，即得到发泡的V20、V21和V22。
所述的PVA树脂由SRJJ公司提供的溶解度为W级的PVA树脂；发泡剂031DU40粉末由Akzo Nobel company提供；单螺杆挤出机是HARPO公司的RM-200M；水浴采用的GRANT的JNB12；检测仪器采用的是美国的MTS的C43和JEOL的JCM-6000plus。
为了了解原料PVA树脂对本案得到的样品的溶解度的影响，发明人预先对SRJJ公司提供的溶解度为W级的PVA树脂的溶解度(不溶解％)进行检测，测试方法为：将25g的PVA树脂放入1L容器内，向容器内加入400ml的水，将容器放入90℃的水浴中，搅拌(500转/分钟)，30分钟后，将PVA溶液倒入分液漏斗中，待溶液分层后，离心出下层溶液和分离上层溶液，然后用水洗，继续重复2次上述的分液过程，收集上层不溶部分/下层溶液，60℃先烤箱3-4小时干燥，进行计算得出溶解度，该方法也同样的适用于成品PVA泡木的溶解度的检测。取三次的PVA树脂进行检测，三次PVA树脂原料的检测结果如下：
Figure BDA0002608002810000042
测出其实际的不能溶解的平均值为6.1wt％，和其声称的PVA不溶部分比例相比偏高(1.5wt％或者不超过1.8wt％)。
对上述得到的三组发泡样品V20、V21和V22进行检测，其检测结果如下表所示：
Figure BDA0002608002810000051
从上表可以看出，V20达到了如下技术效果：
1.1重量轻-密度是不超过0.25g/cm3，和PVA控制组(1.2-1.3g/cm3)相比减重约80％；
1.2厚度-厚度达到25mm，可以实现不小于20mm+。
1.3尺寸-尺寸250x250x23，可以实现不小于200mm×200mm。
1.4抗压强度高-在10％的变形下的抗压强度是259KPa，远远大于50KPa，比得上EPS。
1.6溶解度好-所有的不可溶物质可以不超过发泡PVA的8wt％，产品容易被分解，环境友好。
另外，还对V20、V21和V22进行电镜扫描，其扫描结果如图1所示，从图中可以看出，发泡材料的内部结构包含有大量的规则的孔洞，由于孔洞排列规则，使得发泡样品在承受外力时能为这些规则的孔洞均匀的分担，从而提高了其抗压强度。
取上述样品进行REACH Regulation(EC)No.1907/2006测试，两者均符合其规定，检测通过。
样品溶解度的检测采用的方法和三次检测PVA树脂原料的溶解度采用的方法一致，通过对比PVA树脂原料与V20、V21和V22比较可以得出，不可溶解的那一部分主要是由于PVA树脂原料中本身含有的不可溶解物质构成。
上述实施例中采用的PVA发泡剂是一种难逆转的多组分化合物，PVA树脂本身含有一定的不可溶解部分构成了样品中的惰性组分，因此，采用本案提供的发泡方法，在实际的生产过程中，完全可以不需要再额外的添加惰性组分，也能满足产品的需求，如图2所示，PVA树脂的和成品泡沫在不同温度下的剩余物质的量，可以看出，PVA树脂和PVA泡沫都含有多种未知的组分，这些组分可以被认为是惰性组分。
当然，在实际的生产和使用过程中，也可以通过适当的增加其他的填料，如碳酸钙、尼龙纤维、玻璃纤维和纳米SiO2，以根据实际的需要调整制备的PVA发泡材料的性能，比如加入CaCO3后能帮助提高发泡材料的强度、耐热性，减小线胀系数、收缩率。
分别取V20、V21和V22三组发泡样品0.5g，放入90℃的水中，搅拌速度为500rpm/min，30mins内全部溶解。

Claims (9)

1.一种水溶性PVA发泡方法，其特征在于，所述的发泡方法包括有：1)为以水作为媒介在PVA树脂溶胀状态下加入发泡剂，在低于PVA沸点温度下进行预发泡；2)预发泡后以高于预发泡温度而低于PVA沸点的温度进行二次发泡。
2.如权利要求1所述的PVA发泡方法，其特征在于，步骤1)的预发泡过程包括有：将重量比为10:7的PVA树脂和水搅拌后于80～95℃温度中水浴至溶胀状态，然后加入占PVA树脂重量的4％～10％的发泡剂，搅拌均匀后加入到单螺杆挤出机，单螺杆挤出机的温度为80-100-105-110℃，螺杆转速80～120rpm，进行预发泡。
3.如权利要求1所述的PVA发泡方法，其特征在于，步骤2)二次发泡过程为：将预发泡样品并加入到模具中，再将模具放入热压机1-3min，热压机温度为100～110℃，最后将模具放入烤箱中10-15h，烤箱温度为50～70℃。
4.如权利要求1所述的PVA发泡方法，其特征在于，所述的发泡剂用量为树脂重量的5％。
5.如权利要求1所述的PVA发泡方法，其特征在于，在步骤1)中加入填料以改善发泡材料的性能。
6.如权利要求5所述的PVA发泡方法，其特征在于，所述的填料包括有碳酸钙和/或纳米SiO2。
7.一种PVA发泡材料，其特征在于，所述的PVA发泡材料采用如权利要求1-6任一权利要求所述的发泡方法制备。
8.如权利要求7所述的一种PVA发泡材料的用途，其特征在于，所述的PVA发泡材料用于制作食品包装用具。
9.如权利要求7所述的一种PVA发泡材料的用途，其特征在于，所述的PVA发泡材料用于制作普通包装用器具。
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