一種聚乙烯複合泡沫材料及其製備方法與流程
2023-05-07 05:22:01
本發明屬於乙烯的均聚物或共聚物技術領域，具體涉及為一種聚乙烯複合泡沫材料及其製備方法。
背景技術：
泡沫材料是以聚合物為基體，氣體分散於固體聚合物中所形成的含有大量氣泡的聚集體，故又稱為多孔性材料。泡沫材料除有一般材料的優點外，與同類未發泡的材料相比，泡沫材料具有許多優點 : 如質量輕、隔熱性能和隔音性能好、比強度高、具有吸收衝擊載荷能力、價格低廉、節省材料等。所以泡沫材料被廣泛應用於工業、農業和日常用品諸多方面。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述提到的缺陷和不足，而提供一種聚乙烯複合泡沫材料及其製備方法。
本發明實現其目的採用的技術方案如下。
一種聚乙烯複合泡沫材料，由以下重量份比的原料組成：
天然橡膠，100份；
聚乙烯，150~210份；
納米ZnCO3，150~210份；
發泡劑AC，1.5~3份；
發泡劑NaHCO3，0.7~1.5份；
硬脂酸，1.5~3份；
氧化鋅，2~5份；
鋁鈦複合偶聯劑，0.5~2份；
高嶺土，10~24份。
作為優選，所述聚乙烯為高密度聚乙烯HDPE，熔融指數為0.01~0.5g/10min。
作為優選，所述高嶺土粒度為1.0u。
一種聚乙烯複合泡沫材料的製備方法，包括以下步驟：
步驟一.混合主料的製備：將聚乙烯溶於異丙醇，然後再與納米ZnCO3和鋁鈦複合偶聯劑混合，並用超聲波分散3h，超聲波速度為1500m/s，頻率為15KHz~10MHz，波長為0.01~10.00cm，乾燥揮發異丙醇後製得混合主料；將混合主料在烘乾機中進行烘乾處理，使水分含量小於1%；
步驟二.混合輔料的製備：將發泡劑AC和發泡劑NaHCO3混合後研磨並過80目篩，製得複合發泡劑；然後將複合發泡劑、高嶺土、硬脂酸一起放入高速混合機中混合均勻後得到混合輔料；
步驟三.密煉：將天然橡膠在50℃~60℃條件下與氧化鋅混煉40~50秒，然後加入混合主料混煉60~70秒，再加入混合輔料並將溫度升至160℃~180℃，混煉時間為7~8分鐘，停放12~24小時後出片，製得可發泡片材；
步驟四.硫化：將可發泡片材在平板硫化機上進行模壓發泡成型，硫化溫度為160℃至170℃，模壓壓力1MPa，保壓保溫3~5分鐘，製得聚乙烯複合泡沫材料。
經過不斷的研究和實驗，理論聯繫實際，本發明的技術方案攻破了以下幾個技術難度：
1.本泡沫材料，通過天然橡膠和聚乙烯的共混並用，在性能上相互彌補，從而具備良好的綜合性能；
2.使用了納米ZnCO3，對聚乙烯材料增強增韌。納米ZnCO3和聚乙烯相互滲透，接觸面積增大，提升了兩者的粘結強度。
3.使用複合發泡劑，通過發泡劑AC和發泡劑NaHCO3的合理搭配，在加工為160℃~180℃時，仍能實現良好的發泡效果，且避免了硫化返原現象的出現。
4.氧化鋅的合理使用。氧化鋅的添加，可提高材料的抗熱氧化效果，但是氧化鋅添加量過大，將會降低材料的伸長率，從而影響發泡效果。因此，有必要合理使用氧化鋅，包括確定氧化鋅的添加時機以及添加量，從而在材料的耐熱性與伸長率之間取得平衡。由於本技術方案的加工溫度相對較低，從而使得氧化鋅的使用量大為減少。從原先的15份左右，降低為2~5份，從而保證了材料的發泡效果。
5.高嶺土的合理使用。高嶺土改變天然橡膠和聚乙烯的流變性能，使兩者具有很好的粘度，用以保證聚乙烯和納米ZnCO3分散均勻後不再團聚。同時，高嶺土成為發泡核心，根據發泡成型理論，降低了發泡初期的勢能，大大提高了發泡初期的發泡量，從而增強了材料的發泡效果。
6.採用了一步混煉法，設置了合理的步驟以及混煉參數，在成分擴散充分的前提下，節約了混煉時間。混煉速度相對於二步混煉法，可以提升60%以上。
具體實施方式
下面對本發明作進一步詳細說明。
一種聚乙烯複合泡沫材料，由以下重量份比的原料組成：
天然橡膠，100份；
聚乙烯，150~210份；
納米ZnCO3，150~210份；
發泡劑AC，1.5~3份；
發泡劑NaHCO3，0.7~1.5份；
硬脂酸，1.5~3份；
氧化鋅，2~5份；
鋁鈦複合偶聯劑，0.5~2份；
高嶺土，10~24份。
天然橡膠，綜合性能優良，具有較高的彈性和屈撓性能。市購，例如：海南天然橡膠產業集團股份有限公司生產的SCR-5。
聚乙烯是一種熱塑材料，具有優異的耐化學性能以及電絕緣性能，已經廣泛用於製備輸送或盛放化學品的管道以及電線電纜絕緣層等。作為優選，所述聚乙烯為高密度聚乙烯HDPE，熔融指數為0.01~0.5g/10min。
納米ZnCO3的比表面積為20m2/g，粒徑為50~70nm。納米材料的出現和發展為聚乙烯的改性提供了一條新的路徑，有實驗表明，納米材料的加入，能對聚乙烯材料增強增韌。但是，未經處理的納米材料容易團聚成較大的顆粒，在聚乙烯材料中的分散效果並不好，界面粘結強度低，不能有效提高聚乙烯材料的性能。偶聯劑的加入，雖然具有一定程度的增強體系的效果，但仍不能有效解決納米材料的聚集問題。
發泡劑AC，化學名稱：偶氮二甲醯胺，分子式: C2H4O2N4，具有分解溫度高，分解突發性強，放熱量大的特點。發泡劑AC在160℃不分解，170℃時分解速率小，隨著溫度的升高（≥180℃），分解速率明顯提高，分解誘導期有效縮短，分解突發性強。然而當加工溫度較高時，容易出現硫化返原現象，單用發泡劑AC，不宜直接適用於本泡沫材料的製備。
發泡劑NaHCO3，具有安全、吸熱分解、成核效果好的特點。發泡劑NaHCO3在115℃開始分解，熱分解溫度較低，隨著溫度升高，分解趨於平緩，分解速度較為緩慢，190℃分解完畢。AC和NaHCO3共用，形成複合發泡劑，提高發泡劑AC在相對較低的溫度下的發氣量，從而滿足製備本發泡材料的製備工藝。
氧化鋅，作為穩定劑使用。
鋁鈦複合偶聯劑，市購。
高嶺土，俗稱白泥，其結構為Al2O3(SiO2)2H2O，可塑性和結合性強，絕緣性好，耐火度高，其顆粒大小，對其可塑性、離子交換量、成型性能、乾燥性能均有很大影響。
一種聚乙烯複合泡沫材料的製備方法，包括以下步驟：
步驟一.混合主料的製備：將聚乙烯溶於異丙醇，然後再與納米ZnCO3和鋁鈦複合偶聯劑混合，並用超聲波分散3h，超聲波速度為1500m/s，頻率為15KHz~10MHz，波長為0.01~10.00cm，乾燥揮發異丙醇後製得混合主料；將混合主料在烘乾機中進行烘乾處理，使水分含量小於1%；
納米ZnCO3作為一種無機填料，粒子表面的性質是親水疏油的，在聚合物中難以均勻分散，且與聚合物基體之間界面結合強度低。經過偶聯劑處理後，納米ZnCO3和聚乙烯之間的具有一定的結合強度。並且，經過超聲後，納米ZnCO3和聚乙烯相互滲透，接觸面積增大，提升了兩者的粘結強度。
步驟二.混合輔料的製備：將發泡劑AC和發泡劑NaHCO3混合後研磨並過80目篩，製得複合發泡劑；然後將複合發泡劑、高嶺土、硬脂酸一起放入高速混合機中混合均勻後得到混合輔料；
高嶺土，本技術方案創設性地在加入1.0u粒度的高嶺土，用以改變天然橡膠和聚乙烯的流變性能，使兩者具有很好的粘度，用以保證聚乙烯和納米ZnCO3分散均勻後不再團聚。
同時，高嶺土進一步提高了本材料的可泡性。高嶺土分解產生的Al和Si離子對其它離子有極化作用，增加了聚乙烯的收縮率，提高了複合材料的可塑性和黏度，從而提高材料的可泡性。
步驟三.密煉：將天然橡膠在50℃~60℃條件下與氧化鋅混煉40~50秒，然後加入混合主料混煉60~70秒，再加入混合輔料並將溫度升至160℃~180℃，混煉時間為7~8分鐘，停放12~24小時後出片，製得可發泡片材；
步驟四.硫化：將可發泡片材在平板硫化機上進行模壓發泡成型，硫化溫度為160℃至170℃，模壓壓力1MPa，保壓保溫3~5分鐘，製得聚乙烯複合泡沫材料。
本方案採用了一步混煉法。一步混煉法相對於二步混煉法，混煉時間短，效率高，但是容易出現成分分散不均勻的缺陷。本技術方案採用一步混煉法，並確定了一個合理的混煉順序、混煉時間以及混煉溫度，保證了成分分散的均勻性。
本發泡材料，泡孔密度為8.9×109~10.3×109個/cm3，相對於市購材料的泡孔密度4~5×109個/cm3，提升了約一倍左右。
本發泡材料，孔隙率為92~93%，相對於市購材料的孔隙率75%，提升了約22.6%。
本發泡材料，密度為0.22g/cm3，市購材料的密度約為0.35g/cm3。
本發泡材料，氣孔細密、均勻，閉孔率高，具有較好的綜合力學性能，彈性模量約等於550MPa，彎曲強度≥78MPa，加工性能良好。
本發明按照實施例進行了說明，在不脫離本原理的前提下，本裝置還可以作出若干變形和改進。應當指出，凡採用等同替換或等效變換等方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。