CN114773843B - 一种聚酰胺类发泡材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚酰胺类发泡材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚酰胺类发泡材料及其制备方法，以重量份计，聚酰胺类发泡材料的原料包括：聚酰胺类材料100份，成核剂0.01~10份，发泡剂0.1~20份；聚酰胺类材料选自长碳链聚酰胺及长碳链聚酰胺组成的多嵌段共聚物中的一种或多种；聚酰胺类材料的含水量为0.2~2wt%。本发明利用聚酰胺材料自身性质及内部含有的水分子，提升其熔体强度，无需外加交联剂和扩链剂，配方及制备过程简单，便于工业化。

Description

一种聚酰胺类发泡材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物发泡材料技术领域，尤其是涉及一种聚酰胺类发泡材料及其制备方法。
背景技术
聚合物发泡材料由于其内部存在大量的泡沫结构而具有质轻、隔热保温、吸音、减震等性能，对于保护环境、节能减排具有非常重要的意义。聚酰胺材料本身具有高强度、高耐热、高耐疲劳、耐化学药品和耐油性突出等性能，而被广泛的应用于制造业。发泡后的聚酰胺材料能够极大地扩展发泡材料的应用领域，且其轻量化能够极大地减少能源消耗，具有较高的经济价值和社会价值。
熔体在发泡时需要高的熔体粘度/熔体强度来维持发泡过程的稳定，但聚酰胺材料在发泡时，由于其线性直链结构和普遍较低的分子量导致分子链的缠结程度很低，因此熔体强度过低，无法满足发泡材料的要求，导致其发泡材料的开发受到限制。为了解决聚酰胺发泡问题，必须改善其熔体强度。现有技术中制备聚酰胺发泡材料时，通常采用外加交联剂或扩链剂的方法，在体系中产生支化或交联结构，从而增大聚酰胺的熔体强度。例如，在中国专利文献上公开的“一种改性聚酰胺-6微孔发泡材料及其制备方法”，其公开号CN105601977A，制备方法包括下述步骤：(1)将聚酰胺-6、扩链剂和抗氧剂进行预混和，得到预混物料；(2)将预混物料进行熔融共混，然后挤出造粒、干燥，得到改性基料；(3)将改性基料置于超临界CO2中，在T1温度条件下进行溶胀渗透，然后降温至发泡温度T2，保温，再泄压到常压，并冷却，即可得到改性聚酰胺-6微孔发泡材料。
虽然通过外加交联剂或扩链剂的方法能够增加聚酰胺的熔体粘度，但是外加添加剂扩链受添加剂、扩链单体和加工工艺等多重因素的影响，获得纯度和性能稳定的产品需要更精准的控制改性配方和工艺条件；并且交联剂、扩链剂等添加剂的价格一般较高，从而导致制备过程的成本增加，这是外加添加剂扩链大规模工业化应用很难突破的瓶颈。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的聚酰胺材料熔体强度过低，无法满足发泡材料的要求的问题，提供一种聚酰胺类发泡材料及其制备方法，利用聚酰胺材料自身性质及内部含有的水分子，提升其熔体强度，无需外加交联剂和扩链剂，配方及制备过程简单，便于工业化；同时所得发泡料具有较高熔体强度，制品具有较好的力学性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种聚酰胺类发泡材料，以重量份计，原料包括：聚酰胺类材料100份，成核剂0.01~10份，发泡剂0.1~20份；所述的聚酰胺类材料选自长碳链聚酰胺及长碳链聚酰胺组成的多嵌段共聚物中的一种或多种；所述的聚酰胺类材料的含水量为0.2~2wt%；
所述的长碳链聚酰胺选自PA610、PA612、PA13、PA1313、PA1012、PA12、PA1212中的一种或多种；所述的长碳链聚酰胺组成的多嵌段共聚物选自PA12-聚醚多嵌段共聚物、PA12-聚酯多嵌段共聚物、PA1012-聚醚多嵌段共聚物、PA1012-聚酯多嵌段共聚物、PA1212-聚醚多嵌段共聚物、PA1212-聚酯多嵌段共聚物中的一种或多种。
由于聚酰胺材料具有较好的吸水性，现有技术中用其制备发泡材料时通常要先经过干燥处理，去除其内部的水分。而本发明通过研究发现，将聚酰胺材料的含水量控制在一定范围内，可以利用材料内部含有的水分子，在高温下引发酰胺基团化学键断裂；同时，高温下分子链运动加剧，相邻分子链或同一分子链上空间相邻的酰胺基团会发生酰胺交换反应，使得材料在高温下会自发产生高密度的缠结位点和支化结构，从而引起熔体强度的升高。无需外加扩链剂、交联剂等添加剂，配方及制备过程简单，节省成本，便于工业化。
而并非任意种类和性质的聚酰胺材料都可以发生上述反应，要实现高温下水分子引发酰胺基团化学键断裂并交联，对聚酰胺材料的含水量和分子链结构均有一定要求。经本发明研究发现，只有对于含有长碳链的聚酰胺或含有其链段的聚合物，即相邻酰胺基团之间平均亚甲基数量 ≥ 8时，水分子才能在高温下引发反应使得物料黏度增加；若酰胺基团密度过高，如普通的聚酰胺如PA6、PA66等，水分子的参与更多会引起物料降解而非增黏。并且，聚酰胺材料的含水量也对物料的增黏效果有较大影响，若材料含水量过低，则水分子无法引发反应而增黏；若含水量过高，则会产生更多的副反应，导致降解反应占主导而使得物料黏度降低，后续无法发泡。
因此，本发明通过聚酰胺材料性质的控制，利用酰胺交换反应，及酰胺基团在高温水分子作用下断裂产生交联反应的特点，无需外加扩链剂，即可得到高熔体强度的发泡料，简化了生产工序、节省了成本，且制得的发泡材料具有较好的力学强度。
作为优选，所述的长碳链聚酰胺的熔融指数为1~30 g/10min；所述的长碳链聚酰胺组成的多嵌段共聚物的熔融指数为5~40 g/10min。
作为优选，所述的成核剂选自钛白粉、滑石粉、碳酸钙、二氧化硅、碳纳米管、炭黑、石墨烯、聚四氟乙烯粉中的一种或多种。
作为优选，所述的发泡剂选自二氧化碳、氮气、氩气中的一种或多种。
本发明还提供了一种上述聚酰胺类发泡材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将聚酰胺类材料与成核剂按比例混合，加入挤出装置中熔融后形成热熔体；
（2）向热熔体中加入发泡剂，混合均匀后挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料。
作为优选，步骤（1）中的熔融温度为110~280℃。
作为优选，步骤（2）中的混合温度为120~250℃。
作为优选，步骤（2）中模口温度为100~200℃，模口压力为50~150bar。
因此，本发明具有如下有益效果：利用材料本身的性质及反应属性，在高温下通过水分子引发酰胺基团化学键断裂并交联，无需外加扩链剂，即可得到高熔体强度的发泡料；简化了生产工序、节省了成本，且制得的发泡材料具有较好的力学强度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
本发明各实施例和对比例中聚酰胺类材料的含水量通过自然吸水或烘干的手段控制。
实施例1：
一种聚酰胺类发泡材料，其制备方法为：
（1）按重量份称取40份含水量为0.5wt%的PA612（杜邦350PHS，235℃、2.16kg条件下的熔融指数1g/10min），60份含水量为1wt%的PA1012（东辰瑞森，235℃、2.16kg条件下的熔融指数14g/10min）及10份成核剂二氧化硅（粒径40nm），加入高速混合机中，以150rmp的速率混合5min后，下料至双螺杆挤出机料斗，控制各区温度(自喂料口至挤出机模头)分别为180℃，230℃，230℃，230℃，210℃，熔融形成具有流动性的热熔体；
（2）向热熔体中加入5份CO2发泡剂，通过静态混合器混合均匀，混合温度为180℃；将上述均匀熔体挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料，模口压力为80bar，温度为120℃。
实施例2：
一种聚酰胺类发泡材料，其制备方法为：
（1）按重量份称取70份含水量为1wt%的PA12（德国赢创德固赛L1670，235℃、2.16kg条件下的熔融指数2g/10min），30份含水量为1wt%的聚十二酸癸二胺-聚己内酯多嵌段共聚物（PA1012-PCL，235℃、2.16kg条件下的熔融指数15g/10min）及8份成核剂碳酸钙（2000目），加入高速混合机中，以150rmp的速率混合5min后，下料至双螺杆挤出机料斗，控制各区温度(自喂料口至挤出机模头)分别为150℃，210℃，220℃，220℃，200℃，熔融形成具有流动性的热熔体；
（2）向热熔体中加入3份CO2发泡剂，通过静态混合器混合均匀，混合温度为160℃；将上述均匀熔体挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料，模口压力为90bar，温度为110℃。
实施例3：
一种聚酰胺类发泡材料，其制备方法为：
（1）按重量份称取60份含水量为1wt%的聚ω-氨基十二酸-聚四氢呋喃多嵌段共聚物（PA12-PTMEG，阿科玛PEBAX3533，235℃、2.16kg条件下的熔融指数15g/10min），40份含水量为1wt%的聚十二酸癸二胺-聚己内酯多嵌段共聚物（PA1012-PCL，235℃、2.16kg条件下的熔融指数15g/10min）及7份成核剂滑石粉（3000目），加入高速混合机中，以150rmp的速率混合5min后，下料至双螺杆挤出机料斗，控制各区温度(自喂料口至挤出机模头)分别为110℃，190℃，200℃，200℃，180℃，熔融形成具有流动性的热熔体；
（2）向热熔体中加入3份N2发泡剂，通过静态混合器混合均匀，混合温度为130℃；将上述均匀熔体挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料，模口压力为110bar，温度为95℃。
实施例4：
一种聚酰胺类发泡材料，其制备方法为：
（1）按重量份称取40份含水量为0.2wt%的PA612（杜邦350PHS，235℃、2.16kg条件下的熔融指数1g/10min），60份含水量为1wt%的PA1012（东辰瑞森，235℃、2.16kg条件下的熔融指数14g/10min）及10份成核剂二氧化硅（粒径40nm），加入高速混合机中，以150rmp的速率混合5min后，下料至双螺杆挤出机料斗，控制各区温度(自喂料口至挤出机模头)分别为180℃，230℃，230℃，230℃，210℃，熔融形成具有流动性的热熔体；
（2）向热熔体中加入5份CO2发泡剂，通过静态混合器混合均匀，混合温度为180℃；将上述均匀熔体挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料，模口压力为80bar，温度为120℃。
实施例5：
一种聚酰胺类发泡材料，其制备方法为：
（1）按重量份称取40份含水量为2wt%的PA612（杜邦350PHS，235℃、2.16kg条件下的熔融指数1g/10min），60份含水量为2wt%的PA1012（东辰瑞森，235℃、2.16kg条件下的熔融指数14g/10min）及10份成核剂二氧化硅（粒径40nm），加入高速混合机中，以150rmp的速率混合5min后，下料至双螺杆挤出机料斗，控制各区温度(自喂料口至挤出机模头)分别为180℃，230℃，230℃，230℃，210℃，熔融形成具有流动性的热熔体；
（2）向热熔体中加入5份CO2发泡剂，通过静态混合器混合均匀，混合温度为180℃；将上述均匀熔体挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料，模口压力为80bar，温度为120℃。
对比例1（含水量过低）：
一种聚酰胺类发泡材料，其制备方法为：
（1）按重量份称取40份含水量为0.15wt%的PA612（杜邦350PHS，235℃、2.16kg条件下的熔融指数35g/10min），60份含水量为0.15wt%的PA1012（东辰瑞森，235℃、2.16kg条件下的熔融指数32g/10min）及10份成核剂二氧化硅（粒径40nm），加入高速混合机中，以150rmp的速率混合5min后，下料至双螺杆挤出机料斗，控制各区温度(自喂料口至挤出机模头)分别为180℃，230℃，230℃，230℃，210℃，熔融形成具有流动性的热熔体；
（2）向热熔体中加入5份CO2发泡剂，通过静态混合器混合均匀，混合温度为180℃；将上述均匀熔体挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料，模口压力为80bar，温度为120℃。
对比例2（含水量过高）：
一种聚酰胺类发泡材料，其制备方法为：
（1）按重量份称取70份含水量为2.5wt%的PA12（德国赢创德固赛L1670，235℃、2.16kg条件下的熔融指数32g/10min），30份含水量为3wt%的聚十二酸癸二胺-聚己内酯多嵌段共聚物（PA1012-PCL，235℃、2.16kg条件下的熔融指数45g/10min）及8份成核剂碳酸钙（2000目），加入高速混合机中，以150rmp的速率混合5min后，下料至双螺杆挤出机料斗，控制各区温度(自喂料口至挤出机模头)分别为150℃，210℃，220℃，220℃，200℃，熔融形成具有流动性的热熔体；
（2）向热熔体中加入3份CO2发泡剂，通过静态混合器混合均匀，混合温度为160℃；将上述均匀熔体挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料，模口压力为90bar，温度为110℃。
对比例3（聚酰胺材料的碳链过短）：
一种聚酰胺类发泡材料，其制备方法为：
（1）按重量份称取40份含水量为0.5wt%的PA6（中石化巴陵BL2340，235℃、2.16kg条件下的熔融指数5g/10min），60份含水量为1wt%的PA66（神马EPR2701，235℃、2.16kg条件下的熔融指数10g/10min）及10份成核剂二氧化硅（粒径40nm），加入高速混合机中，以150rmp的速率混合5min后，下料至双螺杆挤出机料斗，控制各区温度(自喂料口至挤出机模头)分别为180℃，230℃，230℃，230℃，210℃，熔融形成具有流动性的热熔体；
（2）向热熔体中加入5份CO2发泡剂，通过静态混合器混合均匀，混合温度为180℃；将上述均匀熔体挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料，模口压力为80bar，温度为120℃。
对上述实施例和对比例步骤（1）中得到的熔体强度及步骤（2）中得到的发泡材料的力学性能进行测试，结果如表1中所示。
表1：熔体强度及发泡材料性能测试结果。
Figure 751797DEST_PATH_IMAGE001
从表1中可以看出，实施例1~5中使用本发明中的材料和方法制得的聚酰胺类发泡材料具有较高的熔体强度，最大可达到1.65N，满足发泡加工的要求；制得的发泡材料具有较好的力学性能。
对比例1中使用的聚酰胺材料的含水量过少，水分子无法引发酰胺基团化学键断裂，熔体强度与实施例1中相比显著降低，无法满足发泡要求。对比例2中使用的聚酰胺材料的含水量过高，会导致材料降解，熔体强度与实施例2相比也会显著降低，无法满足后续发泡要求。对比例3中采用的聚酰胺材料中酰胺基团密度过高，水分子的参与同样会引起物料降解，导致其熔体强度下降而无法发泡。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种聚酰胺类发泡材料，其特征是，以重量份计，原料由聚酰胺类材料100份，成核剂0.01~10份，发泡剂0.1~20份组成；
所述的聚酰胺类材料选自长碳链聚酰胺及长碳链聚酰胺组成的多嵌段共聚物中的一种或多种；所述的聚酰胺类材料的含水量为0.2~2wt%；
所述的长碳链聚酰胺选自PA610、PA612、PA13、PA1313、PA1012、PA12、PA1212中的一种或多种；
所述的长碳链聚酰胺组成的多嵌段共聚物选自PA12-聚醚多嵌段共聚物、PA12-聚酯多嵌段共聚物、PA1012-聚醚多嵌段共聚物、PA1012-聚酯多嵌段共聚物、PA1212-聚醚多嵌段共聚物、PA1212-聚酯多嵌段共聚物中的一种或多种；
所述的长碳链聚酰胺的熔融指数为1~30 g/10min；所述的长碳链聚酰胺组成的多嵌段共聚物的熔融指数为5~40 g/10min；
所述的发泡剂选自二氧化碳、氮气、氩气中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的聚酰胺类发泡材料，其特征是，所述的成核剂选自钛白粉、滑石粉、碳酸钙、二氧化硅、碳纳米管、炭黑、石墨烯、聚四氟乙烯粉中的一种或多种。
3.一种如权利要求1或2所述的聚酰胺类发泡材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）将聚酰胺类材料与成核剂按比例混合，加入挤出装置中熔融后形成热熔体；
（2）向热熔体中加入发泡剂，混合均匀后挤出并在模口处发泡成型，得到所述聚酰胺类发泡材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，步骤（1）中的熔融温度为110~280℃。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，步骤（2）中的混合温度为120~250℃。
6.根据权利要求3或5所述的制备方法，其特征是，步骤（2）中模口温度为100~200℃，模口压力为50~150bar。
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