CN115418047A - 一种低摩擦系数发泡材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低摩擦系数发泡材料及其制备方法与应用，所述低摩擦系数发泡材料的原料包括基体树脂和加工助剂；所述基体树脂为聚四氟乙烯和聚乙烯的混合物；所述加工助剂包括成核剂、相容剂、润滑剂和色粉；所述成核剂用量为基体树脂的0.5~1.2wt%；所述相容剂为基体树脂的2.0~8.5wt%；所述润滑剂为基体树脂的0.8~2.5wt%；所述色粉为基体树脂的1~10wt%。本发明发泡材料具有低摩擦系数、且兼具高刚性与缓冲保护性能。
Description
技术领域
本发明涉及发泡材料技术领域，尤其是涉及一种低摩擦系数发泡材料及其制备方法与应用。
背景技术
目前，光伏硅棒在运输过程中均存在各种原因导致的，在棒体表面出现不同程度的黑印。运输过程中，硅棒与包装材料直接接触，在车辆颠簸或加速、减速过程中均会使硅棒与包材间发生相对位移，硅棒表面与包材表面发生摩擦，会形成摩擦热，热量足够，会导致硅棒表面一些微小区域发生氧化，形成黑色的划痕。
在使用传统的纸质包材或木制包材过程中，通常采用发泡EVA片材或珍珠棉或聚氨酯片材等缓冲材料作垫层，以减少棒体表面的黑印区域。但硅棒棒体均较重，与包材间的摩擦力较大，增加缓冲材料垫层并不能显著改善棒体表面残留的黑印问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种低摩擦系数发泡材料及其制备方法与应用。本发明发泡材料具有低摩擦系数、兼具支撑刚性与缓冲保护性能。
本发明的技术方案如下：
本发明的第一个目的是提供一种低摩擦系数发泡材料，所述低摩擦系数发泡材料的原料包括基体树脂和加工助剂；
所述基体树脂为聚四氟乙烯和聚乙烯的混合物；
所述加工助剂包括成核剂、相容剂、润滑剂和色粉；
所述成核剂用量为基体树脂的0.5~1.2wt%；所述相容剂为基体树脂的0.2~1.0wt%；所述润滑剂为基体树脂的0.8~2.5wt%；所述色粉为基体树脂的1~10wt%。
在本发明的一个实施例中，所述基体树脂中聚四氟乙烯与聚乙烯的质量比为1:1~4。
优选地，聚四氟乙烯的熔融指数为4~12 g/10min（温度372℃、负载5kg条件下的测量值）。
进一步地，聚四氟乙烯为美国杜邦Teflon 945HP或美国杜邦Teflon 445HP。
进一步地，聚四氟乙烯材料的玻璃化转变温度为125~135℃。
在本发明的一个实施例中，所述聚乙烯为高密度聚乙烯与线性低密度聚乙烯的混合物；所述高密度聚乙烯与线性低密度聚乙烯的质量比为1:9~19。
优选地，高密度聚乙烯的密度为0.950~0.960 g/cm³，熔融指数为3~8g/10min（温度275℃、负载5kg条件下的测量值），结晶度为80~90%、软化点为125~135℃。
进一步地，高密度聚乙烯为日本普瑞曼SP3505、SP3510中的一种或多种。
优选地，线性低密度聚乙烯的密度为0.925~0.933 g/cm³，熔融指数是3~8g/10min（温度275℃、负载5kg条件下的测量值），熔点120~125℃。
进一步地，线性低密度聚乙烯为日本普瑞曼SP2530、SP3530中的一种或多种。
进一步地，聚乙烯的熔点为120~130℃。
在本发明的一个实施例中，所述成核剂为滑石粉、硼酸锌或碳酸钙，粒径为5~15μm；所述相容剂为聚全氟乙丙烯，即四氟乙烯与六氟丙烯共聚而成的聚合物；所述润滑剂为植物油酸类润滑剂；所述色粉需根据实际所需场景进行选择，在此不作具体限定。
优选地，聚全氟乙丙烯的熔融指数为28~36 g/10min（温度372℃、负载5kg条件下的测量值），六氟丙烯的摩尔含量占比为25-40%。
进一步地，聚全氟乙丙烯为日本大金基于NP-3180的定制改性产品。
聚全氟乙丙烯既具有聚四氟乙烯树脂的优良性能，又具有热塑加工成型的特点，其与聚乙烯共同作用，弥补了聚四氟乙丙烯加工困难的不足；同时乙丙烯组分的存在也进一步提升了聚乙烯与聚四氟乙烯的相容性，使得二者组分的边界模糊，更好的发挥二者的优势性能。
本发明的第二个目的是提供一种低摩擦系数发泡材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将基体树脂与加工助剂混合，采用双螺杆挤出机造粒，制得微粒；
（2）在发泡釜内依次注入超纯水、微粒、分散剂，通过超临界二氧化碳釜压发泡工艺进行发泡，制得发泡珠粒；
（3）发泡珠粒通过模具成型，制得低摩擦系数发泡材料。
在本发明的一个实施例中，步骤（1）中，微粒的长度为1.5±0.1mm、重量1.4±0.1mg。
在本发明的一个实施例中，步骤（2）中，超纯水与微粒的质量比为4~3.5:1；分散剂为滑石粉、硼酸锌、氢氧化镁中的一种，用量为微粒的0.3~1.4wt%。
在本发明的一个实施例中，步骤（2）中，发泡温度T的范围在126~132℃、发泡压力P为0.71~0.95MPa。
在本发明的一个实施例中，步骤（2）中，采用七段程序控制升温升压：T为设定发泡温度，P为设定发泡压力，第一段温度为常温~60℃、压力为0~0.06MPa，第二段温度为60~90℃、压力为0.06~0.15MPa，第三段温度为90~110℃、压力为0.15~0.30MPa，第四段温度为110~T-15℃、压力为0.30~0.50MPa，第五段温度为T-15~T-3℃、压力为0.50~P-0.15MPa，第六段温度为T-3~T-0.5℃、压力为P-0.15~P-0.08MPa，第七段温度为T-0.5~T℃、压力为P-0.08~PMPa。
七段程序控制升温升压过程中，各阶段升温升压并不是范围，而是从区间初始温度升到区间内最高温度，升温速度为5℃/min；每阶段升温完成后一次性逐步升高压力，当压力达到预定值后，继续下一段升温程序。
在本发明的一个实施例中，步骤（2）中，发泡珠粒内部泡孔尺寸为100~150μm，内部泡孔壁厚为1.0~2.5μm，表皮泡孔壁厚为2.0~3.5μm。
本发明的第三个目的是提供一种低摩擦系数发泡材料的应用，用于硅棒的包装运输。
在本发明的一个实施例中，将发泡珠粒置于模具中，模具上蒸汽塞设计凸出1.5~2mm。以此确保成型制品表面的蒸汽塞印迹下沉1.5~2mm，蒸汽眼导致的小凸点随之下沉，即与硅棒直接接触的包装制品面层不存在高于平面的凸点，也就不会在硅棒表面留下摩擦黑印。
本发明有益的技术效果在于：
本发明材料创新性的利用聚四氟乙烯与聚乙烯进行复合，并通过超临界二氧化碳发泡工艺进行发泡。将聚四氟乙烯的高刚性、低摩擦系数的优势进一步体现，相较于传统的发泡聚丙烯材质，材料刚性、低摩擦性得到显著提升；其次，聚乙烯组分的存在，也将发泡缓冲材料原有的缓冲保护性能得以保留。二者通过聚全氟乙丙烯作相容剂，该相容剂既保留了聚四氟乙烯树脂的优良性能，又具有热塑加工成型的特点，其与聚乙烯共同作用，弥补了聚四氟乙丙烯加工困难的不足；同时乙丙烯组分的存在也进一步提升了聚乙烯与聚四氟乙烯的相容性，使得二者组分的边界趋于一致，以更好的发挥二者的优势性能。
本发明材料的低摩擦系数的特点，在用于硅棒包材的过程中，与硅棒之间的摩擦力足够小，不会形成摩擦热，可以避免黑印的产生。
本发明材料的刚性相较于传统的发泡聚丙烯材料显著提升，长时间外力作用后的永久形变量≤1mm，有利于进一步提升重型包装的循环使用次数。
本发明模具上蒸汽塞设计凸出1.5-2mm。以此确保成型制品表面的蒸汽塞印迹下沉1.5-2mm，蒸汽眼导致的小凸点随之下沉，即与硅棒直接接触的包装制品面层不存在高于平面的凸点，也就不会在硅棒表面留下摩擦黑印。
本发明成型后制品的低表面摩擦性较传统发泡材料或包装材料极大提升；其次由于硅棒重量偏重，发泡聚丙烯等传统发泡材料的永久支撑形变较大，在包装运输过程中已形成凹陷，而本发明材料由于高刚性聚四氟乙烯的存在，支撑刚性较发泡聚丙烯等发泡材料更高；聚乙烯作为柔性部分，发泡后产品兼具传统发泡聚丙烯的缓冲保护性能。
附图说明
图1为本发明发泡材料用于包装运输硅棒的示意图；
图2为包材中衬层的结构示意图；
图3为图2的俯视图；
图中：1、托盘；2、包材中衬层；2-1、中衬隔挡；2-2、中衬外框；3、包材边托层；4、硅棒层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
图1为本发明发泡材料用于包装运输硅棒的示意图；图2为包材中衬层的结构示意图；
托盘1上放置垫板，垫板上排放硅棒，之后铺设包材中衬层2，包材中衬层2的上、下表面上均设有中衬隔档，中衬隔档的尺寸与硅棒匹配，包材中衬层2与硅棒层4间隔排布，最上层铺设包材边托层3，包材边托层3的下表面上设有与中衬隔档匹配的隔档，垫板与包材边托层呼应。
以尺寸为182*182*830mm、硅棒单重65kg的硅棒包材为例。如附图1所示，中衬层的外尺寸为1110*920*60mm，中衬隔挡尺寸为860*186*20mm；包材边托外尺寸为1110*920*50mm，隔挡尺寸为860*186*20mm。
本发明中包装制品成型工艺步骤为：首先预压罐载压，之后成型机开始工作，将上下模合模，形成模腔，之后料枪进料，将发泡珠粒注入模具中，待加料完成后，蒸汽加热促使物料表面熔接；待完全成型后，冷却水使模具冷却，最后产品脱模并经烘干定型，制得包装制品；根据包装制品的形状、尺寸进行调节模具中模腔的形状、尺寸。
实施例1
一种低摩擦系数发泡材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将聚四氟乙烯（PTFE）（美国杜邦Teflon 945HP）25kg、聚乙烯（PE）（熔点为125.5℃，高密度聚乙烯与线型低密度聚乙烯的质量比为1:15；其中高密度聚乙烯结晶度80%、软化点126℃、密度为0.950~0.960 g/cm³，线型低密度聚乙烯熔点123℃）75kg、硼酸锌（粒径5μm）1kg、聚全氟乙丙烯（熔融指数30g/10min，六氟丙烯摩尔占比25%）2kg、芥酸酰胺2.5kg、炭黑（1200目高色素炭黑）3kg，通过自动称量喂料机，按相应比例进行混合均匀后，通过双螺杆挤出机进行混炼造粒，所制备的微粒长度为1.5±0.1mm、重量1.4±0.1mg。
（2）将微粒通过超临界二氧化碳釜压发泡工艺进行发泡，在发泡釜内依次注入400kg超纯水、100kg微粒、1kg滑石粉（粒径为5-15μm），注料完成后，设定发泡温度T=128.5℃、发泡压力P=0.72MPa，采用七段程序控制升温升压；
第一段温度为常温~60℃、压力为0~0.06MPa，第二段温度为60~90℃、压力为0.06~0.15MPa，第三段温度为90~110℃、压力为0.15~0.30MPa，第四段温度为110~113℃、压力为0.30~0.50MPa，第五段温度为113~125.5℃、压力为0.50~0.57MPa，第六段温度为125.5~128℃、压力为0.57~0.64MPa，第七段温度为128~128.5℃、压力为0.64~0.72MPa；
当达到设定温度、压力后，打开发泡阀，此时的微粒在出阀口的一瞬间进入大气压下，迅速膨胀，形成发泡珠粒A（堆积密度50-55g/L）。
（3）根据如上包材尺寸选择对应的模具（确保模具上的蒸汽塞凸出1.8mm），经过料枪进料—双面蒸汽加热—水冷却—脱模—烘干定型制得；双面蒸汽压力为0.36MPa，蒸汽加热时间为15s，水冷时间340s，进行成型得到包装制品（制品密度60g/L）。
实施例2
一种低摩擦系数发泡材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将聚四氟乙烯（PTFE）（美国杜邦Teflon 945HP）50kg、聚乙烯（PE）（熔点为127.6℃，高密度聚乙烯与线型低密度聚乙烯的质量比为1:19；其中高密度聚乙烯结晶度85%、软化点128℃、密度为0.950~0.960 g/cm³；线型低密度聚乙烯熔点124℃）50kg、滑石粉（粒径为5-15μm）0.8kg、聚全氟乙丙烯（熔融指数36 g/10min，六氟丙烯摩尔占比36%）8kg、芥酸酰胺2kg、炭黑（1200目高色素炭黑）3kg，通过自动称量喂料机，按相应比例进行混合均匀后，通过双螺杆挤出机进行混炼造粒，所制备的微粒长度为1.5±0.1mm、重量1.4±0.1mg。
（2）将微粒通过超临界二氧化碳釜压发泡工艺进行发泡，在发泡釜内依次注入400kg超纯水、100kg微粒、1kg 滑石粉（粒径为5-15μm），注料完成后，设定发泡温度T=131℃、发泡压力P=0.84MPa，采用七段程序控制升温升压；
第一段温度为常温~60℃、压力为0~0.06MPa，第二段温度为60~90℃、压力为0.06~0.15MPa，第三段温度为90~110℃、压力为0.15~0.30MPa，第四段温度为110~116℃、压力为0.30~0.50MPa，第五段温度为116~128℃、压力为0.50~0.69MPa，第六段温度为128~130.5℃、压力为0.69~0.76MPa，第七段温度为130.5~130℃、压力为0.76~0.84 MPa；
当达到设定温度、压力后，打开发泡阀，此时的微粒在出阀口的一瞬间进入大气压下，迅速膨胀，形成发泡珠粒B（堆积密度50-55g/L）。
（3）根据如上包材尺寸选择对应的模具（确保模具上的蒸汽塞凸出2mm），经过料枪进料—双面蒸汽加热—水冷却—脱模—烘干定型制得；双面蒸汽压力为0.37MPa，蒸汽加热时间为14s，水冷时间365s，进行成型得到包装制品（制品密度60g/L）。
实施例3
一种低摩擦系数发泡材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将聚四氟乙烯（PTFE）（美国杜邦Teflon 445HP）20kg、聚乙烯（PE）（熔点为125.1℃，高密度聚乙烯与线型低密度聚乙烯的质量比为1:18；高密度聚乙烯结晶度90%、软化点125℃、密度为0.950~0.960 g/cm³；线型低密度聚乙烯熔点120℃）80kg、碳酸钙（粒径为8μm）1.2kg、聚全氟乙丙烯（熔融指数28 g/10min，六氟丙烯摩尔占比30%）6kg、芥酸酰胺1kg、炭黑（1200目高色素炭黑）3kg，通过自动称量喂料机，按相应比例进行混合均匀后，通过双螺杆挤出机进行混炼造粒，所制备的微粒长度为1.5±0.1mm、重量1.4±0.1mg。
（2）将微粒通过超临界二氧化碳釜压发泡工艺进行发泡，在发泡釜内依次注入350kg超纯水、100kg微粒、1.2kg 氢氧化镁（粒径为5-15μm），注料完成后，设定发泡温度T=128.3℃、发泡压力P=0.72MPa，采用七段程序控制升温升压；
第一段温度为常温~60℃、压力为0~0.06MPa，第二段温度为60~90℃、压力为0.06~0.15MPa，第三段温度为90~110℃、压力为0.15~0.30MPa，第四段温度为110~112.8℃、压力为0.30~0.50MPa，第五段温度为112.8~125.3℃、压力为0.50~0.57MPa，第六段温度为125.3~127.8℃、压力为0.57~0.64MPa，第七段温度为127.8~128.3℃、压力为0.64~0.72 MPa；
当达到设定温度、压力后，打开发泡阀，此时的微粒在出阀口的一瞬间进入大气压下，迅速膨胀，形成发泡珠粒B（堆积密度50-55g/L）。
（3）根据如上包材尺寸选择对应的模具（确保模具上的蒸汽塞凸出2mm），经过料枪进料—双面蒸汽加热—水冷却—脱模—烘干定型制得；双面蒸汽压力为0.34MPa，蒸汽加热时间为17s，水冷时间340s，进行成型得到包装制品（制品密度60g/L）。
对比例1：
按照如上包材尺寸制备的纸质定制（采用15mm厚、三A坑、7层瓦楞纸）包材。
对比例2：
如专利CN215514836U 《一种硅棒包装箱》中得到EPP材质的硅棒包装材料。
测试例：
采用实施例1-3、对比例1-2的包材，同等条件下运输1000km硅棒后，硅棒包装效果对比如表1所示：
通过摩擦角法进行摩擦系数的测定，将固定重量2kg、正方体硅锭以一定角度分别从四组包装材料上匀速滑下，通过公式mgsinθ=μmgcosθ，得：μ=tanθ（其中θ：摩擦角）；通过表格中的数据可以明显看出本发明材料所制备的包装制品，对于硅锭而言，摩擦系数较低，可减少形成摩擦热，最终避免黑印的产生。
根据ISO844，将四组材料分别裁切100*100*50mm的测试样块，通过万能力学测试设备进行压缩测试。由测试结果可以看出，聚四氟乙烯的存在，较传统的发泡聚丙烯的刚性提升明显。其规整的分子链结构，对于提升包装的整体支撑刚性贡献较大，可极大提高了包装的循环使用次数。
根据ISO1926，将四组材料分别裁切成“哑铃状”测试样条，通过万能力学测试设备进行拉伸测试。由测试结果可以看出，传统的纸包材属纤维类材料，几乎不具备韧性，耐刺穿性能较差。本发明专利材料中由于聚乙烯的存在，极大提升了材料的韧性，即耐刺穿性能较传统发泡聚丙烯材质更佳，防护性能更优。
将65kg的硅棒分别压在以上四组案例中的包装上，静置48h后，测量包材接触面在静置前后的高度差。通过数据可以看出，发泡聚丙烯材质的包材永久压缩形变最大，而本发明专利产品的测试结果略优于纸质包材，即说明其在长途运输过程中的防护稳定性更佳，形变极小，耐用性更高。
Claims (10)
1.一种低摩擦系数发泡材料，其特征在于，所述低摩擦系数发泡材料的原料包括基体树脂和加工助剂；
所述基体树脂为聚四氟乙烯和聚乙烯的混合物；
所述加工助剂包括成核剂、相容剂、润滑剂和色粉；
所述成核剂用量为基体树脂的0.5~1.2wt%；所述相容剂为基体树脂的2.0~8.5wt%；所述润滑剂为基体树脂的0.8~2.5wt%；所述色粉为基体树脂的1~10wt%。
2.根据权利要求1所述的低摩擦系数发泡材料，其特征在于，所述基体树脂中聚四氟乙烯与聚乙烯的质量比为1:1~4。
3.根据权利要求1所述的低摩擦系数发泡材料，其特征在于，所述聚乙烯为高密度聚乙烯与线性低密度聚乙烯的混合物；所述高密度聚乙烯与线性低密度聚乙烯的质量比为1:9~19。
4.根据权利要求1所述的低摩擦系数发泡材料，其特征在于，所述成核剂为滑石粉、硼酸锌或碳酸钙，粒径为5~15μm；所述相容剂为聚全氟乙丙烯，即四氟乙烯与六氟丙烯共聚而成的聚合物；所述润滑剂为植物油酸类润滑剂。
5.一种权利要求1所述低摩擦系数发泡材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）将基体树脂与加工助剂混合，采用螺杆挤出机造粒，制得微粒；
（2）在发泡釜内依次注入超纯水、微粒、分散剂，通过超临界二氧化碳釜压发泡工艺进行发泡，制得发泡珠粒；
（3）发泡珠粒通过模具成型，制得低摩擦系数发泡材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，微粒的长度为1.5±0.1mm、重量1.4±0.1mg。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，超纯水与微粒的质量比为4~3.5:1；分散剂为滑石粉、硼酸锌、氢氧化镁中的一种，用量为微粒的0.3~1.4wt%。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，发泡温度T的范围在126~132℃、发泡压力P为0.71~0.95MPa。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，采用七段程序控制升温升压：T为设定发泡温度，P为设定发泡压力，第一段温度为常温~60℃、压力为0~0.06MPa，第二段温度为60~90℃、压力为0.06~0.15MPa，第三段温度为90~110℃、压力为0.15~0.30MPa，第四段温度为110~T-15℃、压力为0.30~0.50MPa，第五段温度为T-15~T-3℃、压力为P-0.50~P-0.15MPa，第六段温度为T-3~T-0.5℃、压力为0.15~P-0.08MPa，第七段温度为T-0.5~T℃、压力为P-0.08~P MPa。
10.一种权利要求1所述低摩擦系数发泡材料的应用，其特征在于，用于硅棒的包装运输。
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