一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料及其製備方法
2023-05-26 23:02:56
專利名稱：一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料及其製備方法
一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及聚丙烯材料技術領域，具體地說，是一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料及其製備方法。
背景技術：
聚丙烯(PP)發泡材料與聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PP)、聚乙烯(PE)以及EVA發泡材料相比，其綜合性能更突出，如具有優良的耐熱性、力學性能和良好的環境適應性等優點， 使得發泡聚丙烯材料在食品包裝材料，建築材料，汽車用材料，體育器材，化工材料等方面的應用越來越廣泛。而聚丙烯發泡材料的這些優點又與材料本身的微觀結構有關，即發泡材料製品的泡孔形貌與尺寸決定了材料的最終使用範圍和場合。由於普通聚丙烯是結晶型聚合物，熔體強度低，其擠出發泡的加工溫度範圍很窄，人們採用接枝交聯、輻射等方法對普通聚丙烯進行改性，提高其熔體強度後進行發泡。如採用輻射、化學交聯等工藝以提高發泡體系的熔體強度，製備出聚丙烯發泡製品。美國專利US4766159，是採用輻射交聯的工藝方法製備出發泡聚丙烯材料。該專利採用均聚或共聚聚丙烯，或二者與無規共聚聚丙烯共混樹脂為基體樹脂原料，配合使用化學發泡劑AC及過氧化物交聯劑等加工成型後，經輻照後再進行發泡。但由於聚丙烯容易降解，在交聯過程中聚丙烯分子的降解和交聯會同時進行，這對發泡材料製品的最終使用性能和力學性能等都將產生影響，泡孔尺寸的均勻性不容易得到控制。
公開日為2006年11月15日的中國專利CN1861368A，公開的是一種非交聯聚丙烯發泡材料的生產方法，該方法採用的是超臨界二氧化碳等作為發泡劑，得到的發泡聚丙烯珠粒密度為28-86Kg/m3，上述公開的發泡聚丙烯製品及生產方法中，採用超臨界氣體作為發泡劑，對設備和工藝都有非常苛刻的要求，需要專用壓力容器和耐壓防洩漏管道， 需要較高的安全防護和消防配置。目前聚丙烯的發泡方法中的擠出發泡是指將含發泡劑的樹脂熔融物體系，由機頭模口擠出時因高壓迅速變為常壓，而溶於樹脂熔融物內的氣體發生減壓膨脹作用，冷卻即得到含泡孔結構的聚丙烯發泡材料。但由於普通擠出發泡法是將物料混煉和發泡成型在螺杆擠出機中一次性完成，造成了混煉效果不理想或者背壓不足等現象發生。使得發泡製品微觀泡孔結構尺寸不均，難以控制連續擠出發泡的穩定性。
發明內容本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料及其製備方法。本發明直接採用高熔體強度聚丙烯，以改進普通聚丙烯熔體強度不足的缺陷，通過調節發泡製品的泡孔微觀形貌結構與尺寸，達到可控發泡製品的泡孔以應用在不同領域的目的。通過在普通擠出工藝過程中引入脈動剪切作用，使得擠出發泡過程的機器複雜程度降低、加工過程簡單化、生產效率高、產品微觀形態隨時可調、生產成本降低。推廣應用則可以推動聚丙烯在熱成型和發泡材料領域的廣泛使用性。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的
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一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料，其原料組成為基體高熔體強度聚丙烯樹脂以100份質量計，其他物料添加按基體樹脂質量百分比計，有機化學發泡劑0. 1 10. Owt %，發泡助劑0. 1 1. 0wt%，成核劑0. 1 1. 5wt%，液體加工助劑0. 1 0. 5wt%; 成型工藝中料筒進料段溫度為145 170°C，螺杆加工區溫度為180 215°C，模頭區溫度為155 170°C，螺杆轉速為6 80轉/min，脈動剪切力場的振幅為0. 01 1. 00mm，頻率為1 60Hz，擠出發泡製品經空氣或者冷卻水冷卻定型成品；所述的高熔體強度聚丙烯樹脂，其熔體強度為0. 5 0. 8N，其用量按100份質量計，其他物料添加參照基體樹脂質量計；所述的有機化學發泡劑，其特徵在於可以是偶氮二甲醯胺、偶氮二異丁睛、亞硝基化合物或檸檬酸系發泡劑；本發明優選偶氮二甲醯胺作為主體發泡劑，其用量為0.1 10. 0%，優選用量 0. 4 3. 5wt% ；所述的發泡劑助劑，其為有機鋅類和鋅氧化物，其中有機硬脂酸鋅與氧化鋅用量比例是9 1，有機鋅不僅起調節發泡劑分解溫度的作用，還能改善聚丙烯加工性能，復配用量佔發泡製品質量為0. 1 1.0襯％，優選用量0. 1 0.5wt% ；所述的成核劑，其使用1250目 5000目超細無機成核劑，選自二氧化矽、滑石粉、 蒙脫土和碳酸鈣其中的一種或幾種復配使用；優選3250目二氧化矽作為成核劑，其用量為 0. 1 1. 5wt%，優選用量 0. 5 1. 2wt% ；所述的液體加工助劑，其選自白油或液體石蠟油，加工助劑的作用是改善物料相容分散性，改進物料加工過程中的流暢均勻性；優選液體石蠟油作為加工助劑，其用量為
0.1 0. 5wt%，優選 0. 2 0. 3wt%。一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料的製備方法，其具體步驟為物料的混合採用兩步分開進行，然後將混合均勻的物料投至螺杆擠出機中進行連續擠出發泡成型，製備出相應的發泡製品；所述的物料混合方法分為聚丙烯樹脂料粒的潤溼和粉體物料的預混合，最後進行物料的攪拌混合；第一步，將粉體物料的成核劑，發泡劑，發泡劑助劑等按一定比例稱取預混；第二步，將聚丙烯樹脂料粒中加入加工助劑在高混機中進行混合10 15min，然後停機投遞粉體預混物料，繼續開機共混10 20min ；所述的擠出製備發泡製品，是將高混機中預混好的物料投至料鬥中，通過調控擠出機螺杆各個區段的溫度、轉速以及激振單元的振幅、頻率後，擠出加工連續性進行；其中料筒進料段溫度為145 170°C，螺杆加工區溫度為180 215°C，模頭區溫度為155 170°C，螺杆轉速為6 80轉/min，由激振單元所產生的脈動剪切作用力場振幅為0. 01
1.00mm，頻率為1 60Hz，擠出模頭為單孔流道裝置，擠出發泡製品經空氣或者冷卻水冷卻定型成品；一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料的加工設備，是在傳統單螺杆擠出機的基礎上增加一激振單元，將脈動剪切作用力場引入傳統擠出加工中，通過調節脈動剪切的振幅和頻率，達到調控發泡製品微觀泡孔結構和尺寸的目的。其特徵在於，激振單元在加工條件下形成的脈動剪切力場的振幅為0. 01 1. 00mm，優選使用振幅為0. 05 0. 50mm ；頻率為1 60Hz，優選使用頻率為5 30Hz ；所述的單螺杆擠出機的螺杆長徑比為10 1 65 1，擠出模頭為管材環狀模頭或者片材狀模頭裝置；所述的發泡聚丙烯材料，發泡倍率為2 30倍，發泡製品密度為50 500Kg/m3， 泡孔尺寸可調控在10 300 μ m之間。與現有技術相比，本發明的積極效果是(1)本發明在採用普通的單螺杆擠出設備的基礎上添加激振單元進行連續性擠出生產，具有不用更換原有設備因而投入低、製造工藝簡單、易於產業化進行推廣等特點；(2)本發明採用有機化學熱分解發泡劑為綠色環保型發泡劑，生產過程無環境汙染、產品受熱或二次熱塑加工時不散發異味、安全無毒環保等特點；(3)本發明通過配方和加工工藝的重新設計，達到可控泡孔微觀形貌結構和尺寸的目的，使不同應用領域的發泡聚丙烯製品的製備更具可操作性；(4)本發明製造的發泡聚丙烯製品為閉孔硬質結構，發泡倍率為2 30倍，泡沫容重為50 500Kg/m3，泡孔尺寸可調控在10 300 μ m之間可調，可廣泛應用於汽車、建材、 包裝、運輸、體育器材和化工等多個領域；(5)本發明製造的發泡聚丙烯製品中引入的外界添加物很少，且原料為非交聯結構，可以按照聚丙烯材料回收利用，而不造成二次汙染，符合環保可循環經濟的要求。
圖1高熔體強度聚丙烯一步法擠出發泡製品設備示意圖；圖2實施例1的發泡樣品SEM泡孔結構照片；圖3實施例3的發泡樣品SEM泡孔結構照片；圖4實施例5的發泡樣品SEM泡孔結構照片。附圖中的標號分別為1、擠出發泡機，2、激振單元，3、主控單元。
具體實施方式
以下提供本發明一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料及其製備方法的具體實施方式
。實施例1請參見附圖1，2，稱取高熔體強度聚丙烯樹脂(熔體強度為0. 5-0. 8N)，其用量以 100份計，其他物料用量參照基體樹脂質量添加；發泡劑偶氮二甲醯胺2. 5wt% ；3250目超細成核劑二氧化矽1. 2wt% ；有機硬脂酸鋅與氧化鋅用量比例為9 1的發泡劑助劑復配用量為0. 5wt% ；加工助劑液體石蠟油用量為0. 6wt%。加工過程分為發泡物料預混和擠出加工，其中物料預混分開進行將粉體物料的成核劑，發泡劑，發泡劑助劑稱取後進行第一次預混合，高熔體強度聚丙烯樹脂與聚合物加工助劑的石蠟油一起置於混料機中低速攪拌混合10 15min，然後停機投遞粉體預混物料，繼續開機共混10 20min後取出待用。擠出發泡製品將預混得到的物料投入單螺杆擠出機1製備發泡製品，主控單元 3，其中料筒進料段溫度為155°C，螺杆加工區溫度為195°C，模頭區溫度為160°C，螺杆轉速為24轉/min，擠出發泡製品經冷卻水冷卻定型成品。測定擠出製成品的技術參數為發泡材料發泡倍率為5倍，泡沫容重為161Kg/m3，數
5均泡孔尺寸可調控在150 μ m左右。實施例2在實施例1的基礎上，擠出加工工藝中引入激振單元2的作用，由此產生脈動剪切力場作用，其振幅為0. 10mm，頻率為10Hz，將擠出發泡製品採用冷卻水冷卻定型製成品。測定擠出製成品的技術參數為發泡材料發泡倍率為7倍，泡沫容重為130Kg/m3，數均泡孔尺寸可調控在120 μ m左右。實施例3請參見附圖1，3，在實施例2的基礎上稍作改動，將改變引入的脈動剪切力場作用的振幅為0. 20mm，頻率為15Hz，擠出發泡製品仍經冷卻水冷卻定型製成品。測定擠出製成品的技術參數為發泡材料發泡倍率為8倍，泡沫容重為114Kg/m3，數均泡孔尺寸可調控在95 μ m左右。實施例4稱取高熔體強度聚丙烯樹脂(熔體強度為0. 5-0. 8N)，其用量以100份重量計，其他物料用量參照高熔體強度聚丙烯基體樹脂質量添加；發泡劑偶氮二甲醯胺1. 5wt%;3250 目超細成核劑二氧化矽0.8wt% ；有機硬脂酸鋅與氧化鋅用量比例為9 1的發泡劑助劑復配用量為0. 3wt% ；加工助劑液體石蠟油用量為0. 3wt%。加工過程分為發泡物料預混和擠出加工，其中物料預混分開進行將粉體物料的成核劑，發泡劑，發泡劑助劑稱取後進行第一次預混合，高熔體強度聚丙烯樹脂與聚合物加工助劑的石蠟油一起置於混料機中低速攪拌混合10 15min，然後停機投遞粉體預混物料，繼續開機共混10 20min後取出待用。擠出發泡製品將預混得到的物料投入單螺杆擠出製備發泡製品，其中料筒進料段溫度為155°C，螺杆加工區溫度為190°C，模頭區溫度為158°C，螺杆轉速為30轉/min，擠出加工工藝中引入激振單元2的作用，由此產生脈動剪切力場作用，其振幅為0. 20mm，頻率為30Hz，將擠出發泡製品採用冷卻水冷卻定型製成品，擠出發泡製品經冷卻水冷卻定型成
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ΡΠ O測定擠出製成品的技術參數為發泡材料發泡倍率為6倍，泡沫容重為150Kg/m3，數均泡孔尺寸可調控在70 μ m左右。實施例5請參見附圖1，4，稱取高熔體強度聚丙烯樹脂(熔體強度為0. 5-0. 8N)，其用量以 100份重量計，其他物料用量參照基體樹脂質量添加；發泡劑偶氮二甲醯胺3. Owt % ；5000 目超細成核劑二氧化矽1.0wt% ；有機硬脂酸鋅與氧化鋅用量比例為9 1的發泡劑助劑復配用量為0. 7wt% ；加工助劑液體石蠟油用量為0. 5wt%。加工過程分為發泡物料預混和擠出加工，其中物料預混分開進行將粉體物料的成核劑，發泡劑，發泡劑助劑稱取後進行第一次預混合，高熔體強度聚丙烯樹脂與聚合物加工助劑的石蠟油一起置於混料機中低速攪拌混合10 15min，然後停機投遞粉體預混物料，繼續開機共混10 20min後取出待用。擠出發泡製品將預混得到的物料投入單螺杆擠出機1製備發泡製品，其中料筒進料段溫度為150°C，螺杆加工區溫度為192°C，模頭區溫度為156°C，螺杆轉速為36轉/ min，擠出加工工藝中引入激振單元的作用，由此產生脈動剪切力場作用，其振幅為0. 40mm,
6頻率為20Hz，將擠出發泡製品採用冷卻水冷卻定型製成品，擠出發泡製品經冷卻水冷卻定型成品。測定擠出製成品的技術參數為發泡材料發泡倍率為10倍，泡沫容重為91Kg/m3，數均泡孔尺寸可調控在50 μ m左右。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料，其特徵在於，原料組成為基體高熔體強度聚丙烯樹脂以100份質量計，其他物料添加按基體樹脂質量百分比計，有機化學發泡劑0. 1 10. Owt %，發泡助劑0. 1 1. 0wt%，成核劑0. 1 1. 5wt%，液體加工助劑0. 1 0.5wt%。
2.如權利要求1所述的一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料，其特徵在於，所述的高熔體強度聚丙烯樹脂，其熔體強度為0. 5 0. 8N，其用量按100份質量計，其他物料添加參照基體樹脂質量計。
3.如權利要求1所述的一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料，其特徵在於，所述的有機化學發泡劑，為偶氮二甲醯胺、偶氮二異丁睛、亞硝基化合物或檸檬酸系發泡劑。
4.如權利要求1所述的一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料，其特徵在於，所述的發泡劑助劑，其為有機鋅類和鋅氧化物，其中有機硬脂酸鋅與氧化鋅用量比例是9 1。
5.如權利要求1所述的一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料，其特徵在於，所述的成核劑，其使用1250目 5000目超細無機成核劑，選自二氧化矽、滑石粉、蒙脫土和碳酸鈣其中的一種或幾種復配使用。
6.如權利要求1所述的一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料，其特徵在於，所述的液體加工助劑，其選自白油或液體石蠟油。
7.一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料的製備方法，其特徵在於，具體步驟為 物料的混合採用兩步分開進行，然後將混合均勻的物料投至螺杆擠出機中進行連續擠出發泡成型，製備出相應的發泡製品；所述的物料混合方法分為聚丙烯樹脂料粒的潤溼和粉體物料的預混合，最後進行物料的攪拌混合；第一步，將粉體物料的成核劑，發泡劑，發泡劑助劑按比例稱取預混；第二步，將聚丙烯樹脂料粒中加入加工助劑在高混機中進行混合10 15min，然後停機投遞粉體預混物料，繼續開機共混10 20min ；所述的擠出製備發泡製品，是將高混機中預混好的物料投至料鬥中，通過調控擠出機螺杆各個區段的溫度、轉速以及激振單元的振幅、頻率後，擠出加工連續性進行；其中料筒進料段溫度為145 170°C，螺杆加工區溫度為180 215°C，模頭區溫度為155 170°C， 螺杆轉速為6 80轉/min，由激振單元所產生的脈動剪切力場的振幅為0. 05 0. 50mm, 頻率為5 30Hz，擠出模頭為單流道裝置，擠出發泡製品經空氣或者冷卻水冷卻定型成品。
8.一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料的加工設備，其特徵在於，是在傳統單螺杆擠出機的基礎上增加一激振單元，加工時所形成的脈動剪切力場的振幅為0.01 1.00mm，頻率為 1 60Hz ；所述的單螺杆擠出機的螺杆長徑比為10 1 65 1，擠出模頭為管材環狀模頭或片材狀模頭裝置。
9.如權利要求1所述的一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料，其特徵在於，所述的發泡聚丙烯材料，發泡倍率為2 30倍，發泡製品密度為50 500Kg/m3，泡孔尺寸可調控在10 300 μ m之間。
全文摘要
本發明涉及一種脈動剪切力場作用下發泡聚丙烯材料及其製備方法，其原料組成為基體高熔體強度聚丙烯樹脂以100份質量計，其他物料添加按基體樹脂質量百分比計，有機化學發泡劑0.1～10.0wt％，發泡助劑0.1～1.0wt％，成核劑0.1～1.5wt％，液體加工助劑0.1～0.5wt％；製備方法為物料的混合採用兩步分開進行，然後將混合均勻的物料投至螺杆擠出機中在料筒進料段溫度為145～170℃，螺杆加工區溫度為180～215℃，模頭區溫度為155～170℃，螺杆轉速為6～80轉/min，脈動剪切作用力場振幅為0.01～1.00mm，頻率為1～60Hz的條件下進行連續擠出發泡成型，製備出相應的發泡製品。本發明的優點該發泡材料的發泡倍率為2～30倍，發泡材料密度為50～500Kg/m3，泡孔尺寸可調控在10～300μm之間。
文檔編號B29C44/60GK102453278SQ20101051265
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者公維光, 孟圓圓, 易紅玲, 朱成, 林珩, 武易明, 鄭柏存, 魏婷 申請人:華東理工大學