TWI507455B - 發泡性聚苯乙烯及形成彼之方法 - Google Patents

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Description

發泡性聚苯乙烯及形成彼之方法
本發明通常係關於泡沫聚苯乙烯物件及彼之形成方法。
聚苯乙烯泡體廣泛用於熱絕緣及防護包裝物二者。然而，現有之方法及聚合物在形成具有足夠發泡作用之泡沫聚苯乙烯以將所要之性質提供給所形成之物件方面是有困難的。因此，需要發展一種聚苯乙烯，其能增加發泡作用同時維持現有聚合物所具有且用於現有方法之有益性質。
本發明之具體例包括泡沫聚苯乙烯。該泡沫聚苯乙烯通常包括選自發泡性聚苯乙烯及擠出之聚苯乙烯的聚苯乙烯，該聚苯乙烯呈現約130,000道耳頓至約220,000道耳頓之分子量；約20至約30之熔流指數及約0.1磅/立方英呎至約10磅/立方英呎的密度；且其中該泡沫聚苯乙烯呈現約0.1磅/立方英呎至約10磅/立方英呎之密度。
一或多個具體例包括先前段落之泡沫聚苯乙烯，其中該聚苯乙烯呈現至少23克/10分鐘之熔流指數。
一或多個具體例包括任何先前段落的泡沫聚苯乙烯，其中該聚苯乙烯呈現至少25克/10分鐘之熔流指數。
一或多個具體例包括任何先前段落的泡沫聚苯乙烯，其中該聚苯乙烯呈現約0.1磅/立方英呎至約0.8磅/立方英呎之密度。
一或多個具體例包括任何先前段落的泡沫聚苯乙烯，其中該聚苯乙烯呈現約145,000道耳頓至約200,000道耳頓之分子量。
一或多個具體例包括任何先前段落的泡沫聚苯乙烯，其中該泡沫聚苯乙烯經由單循環發泡作用形成。
一或多個具體例包括任何先前段落之泡沫聚苯乙烯，其中泡沫聚苯乙烯呈現約0.1磅/立方英呎至約1.0磅/立方英呎之密度。
一或多個具體例包括一種形成發泡聚苯乙烯物件的方法，其包含：提供選自發泡性聚苯乙烯及擠出之聚苯乙烯的聚苯乙烯，該聚苯乙烯呈現約130,000道耳頓至約220,000道耳頓之分子量；約20至約30之熔流指數及約0.1磅/立方英呎至約10磅/立方英呎之密度；將該聚苯乙烯形成為泡沫聚苯乙烯；及該泡沫聚苯乙烯形成為發泡物件。
一或多個具體例包括先前段落之方法，其中該聚苯乙烯呈現至少23克/10分鐘之熔流指數。
一或多個具體例包括任何先前段落之方法，其中該聚苯乙烯呈現至少25克/10分種之熔流指數。
一或多個具體例包括任何先前段落之方法，其中該聚苯乙烯呈現約0.1磅/立方英呎至約0.8磅/立方英呎之密度。
一或多個具體例包括任何先前段落之方法，其中該聚苯乙烯呈現約145,000道耳頓至約200,000道耳頓之分子量。
一或多個具體例包括任何先前段落之方法，其中該泡沫聚苯乙烯經由單循環發泡作用(expansion)形成。
一或多個具體例包括任何先前段落之方法，其中該泡沫聚乙烯呈現約0.1磅/立方英呎至約1.0磅/立方英呎之密度。
一或多個具體例包括藉由任何先前段落之方法所形成之發泡物件。
一或多個具體例包括先前段落之發泡物件，其中該發泡物件包括包裝材料。
一或多個具體例包括段落17之發泡物件，其中該發泡物件包括絕緣材料。
【詳細描述】 介紹及定義
現在將提供詳細描述。每一所附之申請專利範圍定義個別的發明，其就侵權目的係據認為包括在申請專利範圍中所說明之多種元件或限制的等同物。依照該背景，以下所有指稱為”發明”者在一些情況中可僅指明某些特定的具體例。在其他情況中，將認定：指稱為”發明”者將是指在一或多項但不需是全部的申請專利範圍中所列舉之主題。現在將在以下詳細描述每一發明，包括特定具體例、變化型及實例，但本發明不限於這些具體例，變化型及實例，這些被包括以使在此技藝中具有一般技能之人士能完成且使用本發明，當在此專利中之資訊與可用之資訊及技術結合時。
如本文中所用之多種用語顯示於下。在申請專利範圍中所用之用語未在以下定義的程度上，該用語應給予精於相關技藝之人士所給予該用語之最廣定義，如在申請時在經出版之公告及經發布之專利所反映的。另外，除非另外指明，否則在本文中所述之所有化合物可以經取代或未經取代且所列之化合物包括其衍生物。
另外，多種範圍及/或數字限制可以在以下明確陳述。應承認：除非另外說明，端點意圖是可交換的。另外，任何範圍包括落在該等明確陳述之範圍或限制內之類似大小的反覆範圍。
本發明之具體例包括發泡聚苯乙烯物件及形成彼之方法。該發泡聚苯乙烯物件通常由發泡性聚苯乙烯或擠出之聚苯乙烯(統稱為EPS)形成。EPS可以藉由多種已知之方法形成。在此種聚合方法中所用之設備、處理條件、反應物、添加劑及其他材料在特定方法中將依照待形成之聚合物的組成及性質而變化。
發泡性聚苯乙烯可以例如大批量方法形成。在此種處理器中，大量原料(例如所形成之聚苯乙烯、發泡劑、塑化劑)同時被處理且氣化以形成發泡性聚苯乙烯丸粒或珠粒。可以使用例如連續製程之擠出機系統，形成擠出之聚苯乙烯。在此種擠出機中，將連續供應之原料(所形成之聚苯乙烯)輸入擠出機中，加熱且與發泡劑及塑化劑混合。然後將多個擠出之聚苯乙烯材料條料經由塑模中之孔擠出且切成丸粒。
該發泡劑通常併於所形成之聚苯乙烯內，其量足以使粒子在大氣壓之蒸氣中於加熱後體積增加30至40倍，當曝於加熱介質(在以下另外詳細描述)達10分鐘時。在一或多個具體例中，該發泡劑被併入所形成之聚苯乙烯內，其量以所形成之聚苯乙烯為基準計是例如約3重量%至約10重量%，或約4重量%至約8重量%，或約5.5重量%至約7.2重量%。
適合之發泡劑可以包括例如C4 -C6 脂族烴類。在一或多個具體例中，發泡劑可以選自戊烷類(例如丁烷類、正戊烷、異戊烷)、己烷類、丁烷類、氯二氟甲烷類、二氯二氟甲烷類、二氟乙烷類、甲基氯化物類、及其組合物。
所形成之聚苯乙烯可以藉由精於此技藝者已知之方法形成，例如懸浮液聚合作用。在一或多個具體例中，所形成之聚苯乙烯是一種均聚物。在其他具體例中，所形成之聚苯乙烯可以隨意地合併一或多種共聚單體。該共聚單體可包括例如烷基苯乙烯類、二乙烯基苯、丙烯腈、二苯醚、α-甲基苯乙烯或其組合物。在一或多個具體例中，所形成之聚苯乙烯包括例如約0重量%至約30重量%，或約0.1重量%至約15重量%，或約1重量%至約10重量%之共聚單體。
所形成之聚苯乙烯可具有至少20克/10分鐘，或至少約23克/10分鐘，或至少約25克/10分鐘，或約20克/10分鐘至約30克/10分鐘之熔流指數(MFI)(如藉由ASTM D 1238條件200℃/5公斤所測量的)。
對於特定之熔流指數而言，分子量通常可以依照用於具有單模態分子量分布之聚苯乙烯之對應式(式1)來計算，且對於混合物或摻合物而言，Mw可被計算，其中C1 是成分1之重量分率(式2)。
MFI=(1019 )MW -3.41 ;　式1
MW =C1 (MW )1 +(1-C1 )(MW )2 ;　式2
因此，所形成之聚苯乙烯可以呈現例如約100,000道耳頓至約300,000道耳頓，或約125,000道耳頓至約225,000道耳頓，130,000道耳頓至約220,000道耳頓，或約145,000道耳頓至約200,000道耳頓之分子量Mw(由GPC所測得的)。
所形成之聚苯乙烯可以呈現例如約0.1磅/立方英呎至約10磅/立方英呎，或約0.4磅/立方英呎至約1磅/立方英呎，或約0.5磅/立方英呎至約0.8磅/立方英呎之密度。
該EPS可以藉由已知方法發泡。例如，該EPS可以藉由曝於加熱介質(諸如熱空氣、經加熱之液體或在約大氣壓下之蒸氣)而發泡，獲得泡沫聚苯乙烯。該加熱介質可加以停止且在稍後與該加熱介質接觸以供例如二次發泡作用之前使粒子靜置於周圍條件下一段時間。此種方法可以重複任何所需之循環數。
很多利用泡沫聚苯乙烯之應用需要某些性質，諸如回彈性。已證明：高泡沫之泡體具有回彈性。然而，現有之方法在形成高泡沫之泡體(例如具有至少例如200的發泡比率(expansion ratio)的泡體)是困難的，且需要使用多重循環以達成此種發泡比率。如本文中所用的，”發泡比率”是藉由發泡之條料之截面積/塑模之截面積的比率所測得的，且隨著泡沫聚苯乙烯密度減低而增加(參見Plot of Bead Expansion Factor vs Density for EPS,C. Park,J. of Cellular Plastics,VBol. 41,P. 389,July 2005，其包括於下)。如以下說明的，發泡係數(expansion factor)通常係藉由下式計算(且顯示於圖4中)：
發泡係數=62.2×(密度)-0.9738 ；式3
因此，本發明之具體例獲得呈現“低密度”之泡沫聚苯乙烯。例如，該泡沫聚苯乙烯可呈現例如約0.1磅/立方英呎至約10磅/立方英呎，約0.1磅/立方英呎至約5磅/立方英呎，或約0.1磅/立方英呎至約1.0磅/立方英呎之密度。所得之泡體可以具有例如約80至約250微米之泡孔(cell)尺寸。
起初，該泡沫聚苯乙烯通常可以是柔軟且具回彈性的，相對可撓且提供優越減震性。然而，隨時間過去，此種性質因發泡劑之喪失而降低。因此，為要獲得低密度之泡沫聚苯乙烯，發泡方法通常包括多階段發泡方法(亦即利用多於一個循環之發泡作用的方法)。
可惜，經由多階段方法所形成之泡體物件隨著時間過去可能崩陷。然而，本發明之具體例令人意外地獲得由單一階段方法(亦即利用單循環發泡作之方法)所形成之低密度泡沫聚苯乙烯。
泡沫聚苯乙烯有用於精於此技藝者已知之應用諸如絕緣及/或包裝。絕緣材料可以包括例如泡體板或片材。模塑之聚苯乙烯泡體被廣泛地使用以使建築物或建築物零件絕緣。泡體片材可以替代地被熱成形成為物件，諸如盤或容器，或可模製成適於包裝應用之泡體日用品形式。
在微發泡裝置上進行利用CO2 之多種聚苯乙烯的發泡實驗。在一填充二階段樣品支持器之主要高壓反應器(50MPa巴，453毫升)中進行該發泡實驗。該反應器用電加熱且能利用經由HP管線連接至該反應器之高壓齒輪泵將CO2 抽入該反應器。
該實驗包括秤取0.2至0.3克之聚苯乙烯於每一杯中，將杯置於該反應器中。然後在真空下反應器溫度升至200℃歷時2小時。然後該反應器溫度降至所要之溫度(110℃至160℃)且將CO2 抽入該反應器至所要壓力(120至160巴)。使該系統在該壓力及溫度下過夜，然後壓力突然降至大氣壓。然後將空氣吹入該反應器以加強冷卻。打開反應器且從該等杯回收發泡聚苯乙烯。藉由水置換測量密度。該泡沫聚苯乙烯之密度(藉由MFI所確認)對於150巴之CO2 壓力者係示於圖1且對於130℃之溫度者係示於圖2。
另外注意到：由30 MFI之材料所形成之拋物線不像1.6 MFI者陡峭(亦即較高MFI材料與較高分子量材料相比提供更寬之溫度操作窗)。
雖然前文係關於本發明之具體例，可設計本發明之其他及另外之具體例卻不偏離其主要範圍且其範圍可藉由以下申請專利範圍決定。
圖1示多種聚合物樣品之密度對溫度的關係圖。
圖2示多種聚合物樣品之密度對MFI的關係圖。
圖3說明多種聚合物樣品之操作窗範圍。
圖4說明珠粒發泡係數的作圖。

Claims (17)

  1. 一種泡沫聚苯乙烯，其包含選自發泡性聚苯乙烯及擠出之聚苯乙烯的聚苯乙烯，該聚苯乙烯呈現約130,000道耳頓至約220,000道耳頓之分子量；約20至約30之熔流指數及約0.1磅/立方英呎至約10磅/立方英呎之密度；且其中該泡沫聚苯乙烯係經由利用單發泡作用(expansion)循環之單一階段方法形成，且呈現約0.1磅/立方英呎至約10磅/立方英呎之密度。
  2. 如申請專利範圍第1項之泡沫聚苯乙烯，其中該聚苯乙烯呈現至少23克/10分鐘之熔流指數。
  3. 如申請專利範圍第1項之泡沫聚苯乙烯，其中該聚苯乙烯呈現至少25克/10分鐘之熔流指數。
  4. 如申請專利範圍第1項之泡沫聚苯乙烯，其中該聚苯乙烯呈現約0.1磅/立方英呎至約0.8磅/立方英呎之密度。
  5. 如申請專利範圍第1項之泡沫聚苯乙烯，其中該聚苯乙烯呈現約145,000道耳頓至約200,000道耳頓之分子量。
  6. 如申請專利範圍第1項之泡沫聚苯乙烯，其中該泡沫聚苯乙烯呈現80微米至250微米之泡孔(cell)尺寸。
  7. 如申請專利範圍第1項之泡沫聚苯乙烯，其中該泡沫聚苯乙烯呈現約0.1磅/立方英呎至約1.0磅/立方英呎之密度。
  8. 一種形成發泡聚苯乙烯物件的方法，其包含：提供選自發泡性聚苯乙烯及擠出之聚苯乙烯的聚苯乙烯，其中提供該聚苯乙烯包含：在大批量處理器中同時處理及氣化所形成之聚苯乙烯、發泡劑和塑化劑以形成發泡性聚苯乙烯丸粒或珠粒；或在擠出機中加熱及混合所形成之聚苯乙烯與發泡劑及塑化劑，將擠出之聚苯乙烯條料從擠出機經由塑模中之孔擠出，且將擠出之聚苯乙烯條料切成擠出之聚苯乙烯丸粒；其中該聚苯乙烯呈現約130,000道耳頓至約220,000道耳頓之分子量；約20至約30之熔流指數及約0.1磅/立方英呎至約10磅/立方英呎之密度；將該聚苯乙烯經由利用單發泡作用(expansion)循環之單一階段方法形成為泡沫聚苯乙烯；及將泡沫聚苯乙烯形成為發泡物件。
  9. 一種藉由如申請專利範圍第8項之方法所形成之發泡物件。
  10. 如申請專利範圍第9項之發泡物件，其中該發泡物件包含包裝材料。
  11. 如申請專利範圍第9項之發泡物件，其中該發泡物件包含絕緣材料。
  12. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該聚苯乙烯呈現至少23克/10分鐘之熔流指數。
  13. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該聚苯乙烯呈現至少25克/10分鐘之熔流指數。
  14. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該聚苯乙烯呈現約0.1磅/立方英呎至約0.8磅/立方英呎之密度。
  15. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該聚苯乙烯呈現約145,000道耳頓至約200,000道耳頓之分子量。
  16. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該泡沫聚苯乙烯呈現80微米至250微米之泡孔(cell)尺寸。
  17. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該泡沫聚苯乙烯呈現約0.1磅/立方英呎至約1.0磅/立方英呎之密度。
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