CN1413229A - 挤出助剂的组合 - Google Patents
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Abstract
含氟聚合物加工助剂与泡孔成核剂的组合形成一种组合加工助剂,当该组合助剂用于可熔融加工聚合物的挤出时,它比其中每种成分都要好得多。
Description
发明领域
本发明涉及聚合物加工用挤出助剂领域。
发明背景
在挤出热塑性塑料以制造线缆涂料和薄膜之类的制品中,希望制品具有光滑表面。同时也希望挤出速率尽可能高,从而最有效地利用加工机械设备并因此而降低成本。但是,随挤出速率增加,将达到表面开始粗糙化的某一点,起初形成一种结霜表面,且如果挤出速率进一步增加,则粗糙度越加严重,被描述为“鲨鱼斑”,最后发生“熔体破裂”。在高挤出速率下出现的这类现象和其它表面劣化现象,在Van Nostrand Reinhold,New York,1990年出版的J.M.Dealy和K.F.Wissbrun的著作Melt Rheology and its Role in PlasticsProcessing中336-341页有所讨论。为推迟表面劣化的开始,从而允许以较高速率挤出而不失去表面光洁度,已开发了称之为加工助挤或挤出助剂的添加剂。
含氟聚合物是烃类聚合物的挤出中有用的加工助剂,其中聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯是重要的工业实例。含氟聚合物添加剂的实例可见诸于美国专利3,125,547,4,904,735和5,707,569。
在可熔融加工聚合物中加入泡孔成核剂(foam cell nucleatingagent)能提高上述聚合物的表面光洁度并允许提高挤出速率而不降低表面性能(美国专利5,688,457)。
为允许进一步提高挤出速率和提高塑料加工设备的生产率,需要新颖的加工助剂。
发明概述
业已发现,将含氟聚合物加工助剂与泡孔成核剂如氮化硼(BN)组合起来,可形成一种能延迟表面劣化的开始从而使挤出速率比单独使用其中任一种成分所能达到的更高。
在一个实施方案中,本发明是一种可熔融加工的组合物,该组合物包含可熔融加工聚合物、约0.001-约5重量%泡孔成核剂和约0.001-约5重量%含氟聚合物加工助剂。
在第二个实施方案中,本发明是一种挤出可熔融加工组合物的方法,所述组合物包含可熔融加工聚合物、约0.001-约5重量%泡孔成核剂和约0.001-约5重量%含氟聚合物加工助剂。
附图简述
图1是挤出口模的截面侧视图。
图2是氮化硼与Viton含氟弹性体对由挤出口模获得的茂金属聚乙烯Exceed116流动曲线影响的对比图。
图3是氮化硼和TeflonAPA-II非弹性加工助剂对由挤出口模获得的茂金属聚乙烯Exact3128流动曲线影响的对比图。
图4是氮化硼和TeflonAPA-II非弹性加工助剂对由挤出口模获得的茂金属聚乙烯Exceed116流动曲线影响的对比图。
发明详述
本发明的可熔融加工聚合物包括任何在低于其分解温度的温度下可挤出的聚合物。重要的可熔融加工聚合物是聚乙烯和聚丙烯,统称为聚烯烃。聚烯烃的具体实例有聚丙烯,如全同立构聚丙烯;线形聚乙烯,如高密度聚乙烯(HDPE)、线形低密度聚乙烯(LLDPE),例如,比重为0.89-0.92。由茂金属催化剂如Dow化学公司的INSITE催化剂技术制造的较新颖的线形低密度聚乙烯和Exxon Mobil公司以商品名EXACT和EXCEED出售的聚合物也能从本发明获益。这类树脂总称为茂金属线形低密度聚乙烯(mLLDPE)。所述热塑性聚合物可以是单一聚合物,也可以是几种聚合物的共混物。
能有效地作为本发明加工助剂的含氟聚合物包括Viton含氟弹性体和Viton Freeflow含氟聚合物以及美国Elkton MD,Du Pont DowElastomers L.L.C.公司出售的含氟聚合物合金;美国Oakdale MN,Dyneon LLC公司出售的Dynamar聚合物加工添加剂;美国Philadelphia PA,Atofina Chemicals公司出售的Kynar Flex加工助剂和美国Thorofare NJ,Ausimont USA公司出售的Tecnoflon。这类含氟弹性体加工助剂一般是六氟丙烯与偏氟乙烯(HFP/VF2)的聚合物,或四氟乙烯、六氟丙烯与偏氟乙烯(THV)的聚合物。同样有效的是非弹性加工助剂如TeflonAPA-II,这是美国专利5,734,683实施例2中所述的一种四氟乙烯与六氟丙烯的聚合物。本文将这类材料一律称为含氟聚合物加工助剂。
本发明中有效的泡孔成核剂是无机或有机物质。它们在挤出条件下是热稳定的,也就是说,它们不会释放出任何能形成气泡的物质。它们在挤出条件下是固体,虽然它们在挤出期间能至少部分地溶于熔体聚合物中。
无机泡孔成核剂的实例包括氮化硼,滑石,MgO、Al2O3和SiO2之类的金属氧化物,碳酸钙以及四硼酸的钙、锌、钠或钾盐。氮化硼是本发明挤出工艺中优选的泡孔成核剂。所用氮化硼的类型是通常称为六方氮化硼或石墨状氮化硼的那些,可购自美国Amherst New YorkCarborundum公司。
有机泡孔成核剂的实例包括低分子量聚四氟乙烯,常称之为PTFE微粉,其低分子量特征在于372℃下的熔体粘度为1·103-1·105Pa·s。成核剂的其它实例包括美国专利5,023,279中公开的氟化磺酸和膦酸及其盐,例如TelomerB磺酸,其通式为F(CF2)nCH2CH2SO3H,其中n为6-12的整数。TelomerB的具体类型由整数n的主要值确定。例如,BaS-10是所存在的主要链长中n=10的一种磺酸钡盐。其它类型包括BaS-8,ZrS-10,CrS-10,FeS-10,CeS-10和CaS-10。
烃磺酸或膦酸也能有效地用于较低熔点的热塑性聚合物如聚乙烯和聚丙烯。它们的盐也以类似方式命名。例如,BaS-3H是丙磺酸钡,KS-1H是甲磺酸钾。
也可用商品名为FluororadFC-95的含八个碳原子的全氟磺酸。
按照本发明可使用至少一种泡孔成核剂和一种含氟聚合物加工助剂,但对于其中的任何一类或同时两类,也可以用不止一种。它们可以在挤出机内加进聚合物,也可以在挤出前进行干混,在任一情况下,目标是要使成核剂至少在刚要挤出前的熔融聚合物中均匀分布。成核剂可以未经稀释加进聚合物中,或者泡孔成核剂也可以是泡孔成核剂在与要挤出的聚合物,即主体聚合物相同或相容的聚合物中的浓缩物形式。浓缩物的浓度可以是无论要制备何种产品时挤出聚合物中将要存在的含氟聚合物与泡孔成核剂浓度的10倍或更多倍。在挤出中,可将通常呈粒状或方块状的浓缩物加进可熔融加工聚合物中,加入量要使加工助剂在聚合物中的最终浓度落在所需范围内。可熔融加工聚合物与浓缩物的混合方式是摇荡、翻滚或其它能确保浓缩物完全均匀分布在聚合物中的方式。或者也可以将浓缩物与可熔融加工聚合物颗粒按照能使加工助剂在聚合物中的浓度达到所需浓度的比率计量喂入挤出机。
本发明的挤出工艺产生不发泡挤出物和由该挤出物获得的不发泡制品,如线缆绝缘、线缆涂料、管材、薄膜、片材与棒材。用本发明的方法挤出不发泡聚合物是指挤出物及其制品都是不发泡的。挤出物和由挤出物获得的制品可能会因聚合物喂料中夹带进挤出机的空气或其它气体而有少量的孔洞,但这类制品所含的孔隙率将不超过5%,优选少于3%,这样的产品不能认作是发泡挤出物或发泡制品。
能作为组合加工助剂用的含氟聚合物加工助剂和泡孔成核剂的浓度对每一种成分独立为0.001重量%-5重量%,优选独立为约0.001重量%-约1重量%,更优选独立为约0.01重量%-约1重量%。在浓缩物中,能作为组合加工助剂用的含氟聚合物加工助剂和泡孔成核剂的浓度对每一种成分独立为约0.01重量%-约10重量%,这样就能将浓度稀释或“下调”到使加工助剂成分的浓度达到以上公开的适用浓度范围内。重量%是以聚合物加含氟聚合物加工助剂与泡孔成核剂的总重量为基准计算。
试验方法
所用的流变仪是带一个直径为0.955cm标准料筒和一个直径为2.5cm的可互换非标准料筒的标准Instron活塞驱动恒速毛细管装置。有两类口模,即入口角为90°的圆形口模(用于标准料筒)和一个为模拟线涂工艺而附属于非标准料筒的环形十字头口模(见图1)。该十字头口模是一个Nokia Maillefer 4/6口模,它包括几个直径不同、入口锥角均为60°、口模成型段长度为7.62mm的口模和模咀(tip)(“模咀”是导线器)。在本文的实施例中,所用口模的内径为3.1mm,所用模咀的外径为1.53mm(模咀也有内径,但这个尺寸不重要)。熔融聚合物通过进料口11进入口模2,被迫环绕导线器16朝前流向口模孔8。导线器起熔融聚合物芯模的作用,使挤出物10成管状。口模通道4形成管形的外表面,圆柱状延伸段24的外表面形成管形的内表面。用线时,线的速度高于聚合物挤出速率,使聚合物在远离模孔8的地方与线接触,从而拉成较细的截面,在线上形成一薄层聚合物涂层26。这是一种熔体牵伸挤出(melt draw-down extrusion)工艺,牵伸比(DDR),即口模孔面积与聚合物绝缘体截面积之比为至少5∶1。但是,在本研究中,压挤不能用线,因此与DDR无关。
挤出物的表面状况由目视确定。在可接受的挤出条件下,挤出物表面光亮而平滑。表面的劣化表现为失去光泽,然后出现较粗糙的表面质地。本文把出现表面劣化的剪切速率称为临界剪切速率。
结果以表观剪切应力对表观剪切速率的曲线图示。这些都是标准流变术语。剪切应力是与相应剪切速率相关的力的量度。剪切速率与挤出速率有关。正如预料,剪切应力随剪切速率而增加:要使聚合物以越快速率通过口模时所需的力越大。剪切应力/剪切速率曲线对挤出物表面光洁度劣化的出现或鲨鱼斑的发展或其它畸变不能提供任何信息。因此表面劣化的开始在图中用标记指示。
实施例1
实施例1说明氮化硼和Viton含氟弹性体对Exceed116茂金属聚乙烯在204℃挤出的各自影响。挤出用带十字头口模的毛细管流变仪进行。结果总结在图2中。未加添加剂的纯聚合物的曲线和含有0.2重量%氮化硼(BN)的聚合物的曲线基本吻合。单从曲线看,只能看到BN略有好处。必须检查挤出物的表面光洁度才能发现BN延迟了粗糙度的开始。当剪切速率低于1000s-1时,含加入0.05重量%Viton含氟弹性体的聚合物的曲线位于其它两条曲线之下。这表明,在剪切速率低于1000s-1时,含Viton含氟弹性体时需要较小的力。这有利于减少挤出所需的能量并证明Viton含氟弹性体是一种有用的加工助剂,正如本领域内技术人员所熟知的。
实施例2
实施例2说明茂金属聚乙烯Exact3128本身及其分别或同时含有BN和含氟聚合物添加剂时在204℃的挤出行为。图3给出了从纯树脂以及Exact3128分别与0.05重量%细分散TeflonAPA-II非弹性加工助剂、与0.05重量%BN以及最终与0.05重量%TeflonAPA-II非弹性加工助剂加上0.05重量%BN的共混物获得的4条曲线。试验在连接在毛细管流变仪上的十字头口模进行。熔体破裂的开始,即表面状态严重劣化的开始由垂直虚线表示。如实施例1中可见,BN的存在对流动曲线影响很小。但是,有了BN,临界剪切速率从60s-1提高到了1850s-1。Teflon实际上在整个表观剪切范围内都降低了剪切应力而且还使临界剪切速率扩展到原始树脂的范围之外,虽然不如BN的那样显著。Teflon对剪切应力的影响在严重出现熔体破裂的那一点消失了。令人惊奇的是,TeflonAPA-II非弹性体加工助剂和BN泡孔成核剂这两种添加剂的组合把临界剪切速率扩展到各助剂单独使用时的之外。临界剪切速率变成了2250s-1。
实施例3
实施例3说明茂金属聚乙烯Exceed116本身以及含本发明添加剂时在204℃的挤出行为。图4给出了从纯树脂以及含0.1重量%BN和含0.1重量%BN+0.05重量%TeflonAPA-II非弹性加工助剂时获得的流动曲线。BN使临界剪切速率从原始树脂的约100s-1提高到了差不多1000s-1。同时含BN和Teflon的组合加工助剂把临界剪切速率扩展到2000s-1。由于剪切速率与挤出速率直接有关,上述结果意味着在这些条件下组合加工助剂可以使挤出速率提高一倍,这在工业上就使生产率提高一倍。
总之,上述实施例说明分别使用的泡孔成核剂和含氟聚合物加工助剂因将临界剪切速率增加到远超过聚合物本身的临界剪切速率之上而有利于可熔融加工聚合物的挤出。流变曲线表明Teflon也会降低剪切应力。但最令人惊奇的是,发现泡孔成核剂与含氟加工助剂的组合大大增加了临界剪切速率。
实施例4
重复实施例3,但用800ppb BaS-10与100ppb四硼酸钙的共混物代替氮化硼。效果基本上与实施例3中所看到的相同。
Claims (14)
1.一种可熔融加工的组合物,它包含可熔融加工的聚合物、约0.001-约5重量%的泡孔成核剂和约0.001-约5重量%的含氟聚合物加工助剂。
2.权利要求1的可熔融加工组合物,其中泡孔成核剂的存在量为约0.001-约1重量%,以及含氟聚合物加工助剂的存在量为约0.001-约1重量%。
3.权利要求1的组合物,其中可熔融加工聚合物选自聚乙烯和聚丙烯。
4.权利要求1的组合物,其中可熔融加工聚合物是聚乙烯。
5.权利要求1的组合物,其中可熔融加工聚合物是线形低密度聚乙烯。
6.权利要求1的组合物,其中所述泡孔成核剂是氮化硼。
7.一种包含可熔融加工的组合物的成型制品,所述组合物包含可熔融加工的聚合物、约0.001-约5重量%的泡孔成核剂和约0.001-约5重量%的含氟聚合物加工助剂。
8.权利要求7的成型制品,其中所述可熔融加工的聚合物选自聚乙烯和聚丙烯。
9.一种包含可熔融加工的组合物的管材,所述组合物包含可熔融加工的聚合物、约0.001-约5重量%的泡孔成核剂和约0.001-约5重量%的含氟聚合物加工助剂。
10.权利要求8的管材,其中所述可熔融加工的聚合物选自聚乙烯和聚丙烯。
11.一种导体用涂料,所述涂料包含一种可熔融加工的组合物,所述组合物包含可熔融加工的聚合物、0.001-5重量%的泡孔成核剂和0.001-1重量%的含氟聚合物加工助剂。
12.权利要求11的涂料,其中所述可熔融加工的聚合物选自聚乙烯和聚丙烯。
13.可熔融加工的组合物的挤出方法,所述组合物包含可熔融加工的聚合物、约0.001-约5重量%的泡孔成核剂和约0.001-约5重量%的含氟聚合物加工助剂。
14.权利要求13的方法,其中所述可熔融加工的聚合物选自聚乙烯和聚丙烯。
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