用於隔音和隔熱應用的聚烯烴泡沫的製作方法

2023-12-01 13:24:01 4

專利名稱：用於隔音和隔熱應用的聚烯烴泡沫的製作方法
技術領域：
本發明涉及可用於隔音和隔熱應用的開孔聚乙烯泡沫及其製備方法。
美國專利(USP)5,348,795公開了尺寸不變的開孔聚丙烯泡沫產品的製備方法。丙烯聚合物樹脂優選的是支鏈或輕度交聯的。與擠出聚結泡沫線材結構相關的實例具有34-72％的開孔量、孔徑0.36-0.85毫米(mm)且密度22.1-31.7千克/立方米(kg/m3)。本發明還公開了通過聚四氟乙烯薄板排列的石墨板的應用。
本發明的一個方面是一種包含丙烯聚合物材料的擠出、開孔、聚結泡沫線材，它的密度是22kg/m3或更小( )，優選20kg/m3，開孔量至少( )是50％，且孔徑2mm。
在相關方面，該聚合物物質的開孔量80％。優選不需機械誘導穿孔通道的結構。
本發明的第二方面是包含丙烯聚合物材料的擠出、開孔、聲學活躍的(acoustically active)、聚結泡沫線材，它的密度100kg/m3、開孔量50％、孔徑2mm且在其擠出方向上的降噪係數0.3。在此，該泡沫已經限定了大部分穿孔通道，這些通道的方向通常與擠出方向垂直。
本發明的第三方面是包含丙烯聚合物材料的擠出、開孔、聚結泡沫線材，它的密度20kg/m3且開孔量50％。
本發明的第四方面是包含丙烯聚合物材料的擠出、完全閉孔、聚結泡沫線材，它的密度是20kg/m3或更小、開孔量20％且孔徑2mm或更小。
本發明的第五方面是發泡設備，它包括d)泡沫擠出物接受輥軸裝置；e)第二輥軸裝置，它與泡沫擠出物接受輥軸裝置通過至少一個鉸接裝置相連；和f)泡沫拉伸裝置，它與第二輥軸裝置相隔離但有操作關係。在相關方面，該設備還包括制板裝置。該制板裝置可替換第二輥軸裝置或補充裝置a)和b)。作為替代品，該制板裝置優選通過至少一個鉸鏈裝置與泡沫擠出物接受輥軸裝置相連。作為補充物，該制板裝置優選通過相同的方式與第二輥軸裝置相連，且與泡沫拉伸裝置相隔離但有操作關係。該制板裝置優選操作上連接至少一個潤滑劑噴灑器。該潤滑劑噴灑器優選在該設備操作過程中向與泡沫材料相接觸的制板裝置表面提供潤滑物質。
圖2是與第五方面相關方面的示意圖。
本發明第一和第二方面的擠出、聚結泡沫線材或結構具有一種開孔量50％，優選70％，更優選80％的開孔結構。本發明第四方面的擠出、聚結泡沫線材具有完全閉孔結構，其開孔量小於20％。第三方面的物質要麼具有開孔量20-50％的開孔結構，要麼具有開孔量小於20％的開孔結構。美國測試和材料學會的測試D2856-A(ASTMD2856-A)簡要描述了測定開孔量的方法。
具有相對較低特定氣流阻力(國際標準組織(ISO)90531991(E))的開孔泡沫結構在聲音管理應用中提供足夠的聲吸收。聲吸收最適宜的特定氣流阻力值大約在800-2000帕斯卡秒/米。為在25mm厚度條件下具有這樣的特定氣流阻力，開孔泡沫應當具有大約32-80千帕秒/平方米(kPas/m2)的氣流阻率。雖然氣流阻率小於32kPas/m2的泡沫對聲吸收是次優選擇，但它也可用於聲音管理，具體來說，可用於隔音。
利用聚烯烴泡沫獲取這種氣流阻率出現了製造上的難題。本發明通過將線性聚烯烴樹脂轉化成高(如後面所限定的)開孔量的擠出、聚結泡沫線材結構克服了這些難題。所得泡沫結構在其擠出方向上的氣流阻率不超過( )70kPa s/m2。這在擠出方向上提供了滿意的吸音水平。為在與擠出方向垂直的方向上獲得滿意的聲吸收，優選在垂直方向上穿孔，比如利用針。
擠出、聚結泡沫線材在擠出方向的氣流阻率(AFR)70kPa s/m2，優選50kPa s/m2，更優選5-20kPa s/m2。依據ISO90531991(E)的方法A測定AFR。
該擠出泡沫線材可以，但優選，進行穿孔以使其具有限定的穿孔通道。穿孔有助於增加泡沫材料相對於其穿孔前的平均吸音係數(ASC)。ASC是在頻率250、500、1000和2000赫茲(Hz)下、依據ASTM E-1050測得的厚度為25mm的泡沫樣品吸音係數的數學平均值。只要泡沫材料的ASC大於等於( )0.3，優選大於(＞)0.3，任何穿孔模式或頻率都可以使用。合適的話，雖然可以使用頻率小於(＜)1孔/釐米2的穿孔模式，但是頻率1孔/釐米2且孔間距大約10mm的穿孔模式提供令人滿意的結果。優選頻率4孔/釐米2且孔間距大約5mm。熟練技術人員技術人員公認依據ASTM E-1050測得的實驗數據，如ASC，提供了物質降噪係數(NRC)的合理近似值。NRC是利用混響室在頻率250、500、1000和2000Hz條件下依據ASMC-423測量的吸音係數的數學平均值。ASTM E-1050方法依靠阻抗管。
適宜於聲音吸收應用的本發明聚結、擠出泡沫線材優選在泡沫擠出方向上的ASC 0.3。
任何常規穿孔方法都可用於對本發明擠出、聚結泡沫線材進行穿孔。機械方法，如一個2mm的錐形針或該類針的一個格柵，可產生非常滿意的結果。優選在與擠出方向垂直的方向上進行穿孔。
本發明的擠出、聚結泡沫線材適用於隔音應用(如，作為夾心板結構的核物質)。在此類應用中，該物質必須具有低動剛度。本發明的低密度、開孔、擠出、聚結泡沫線材具有低動剛度。如後面將描述的，此類泡沫材料的彈性化將產生更低的動剛度。優選彈性化技術包括快速施加足夠的壓力以使泡沫壓縮其初始厚度的50％，優選80％，更優選90％，再優選95％，然後釋放施加的壓力。
該彈性泡沫的動態彈性模數小於1牛頓/毫米2(N/mm2)，優選小於0.6牛頓/mm2，更優選小於0.4牛頓/mm2。根據定義，動態彈性模數大於0牛頓/mm2。
本發明擠出、聚結泡沫線材的孔徑優選不超過2mm。孔徑更優選1.5mm，再優選1mm。
本發明第二方面聚結線材的密度(ρ)100kg/m3，適宜密度60kg/m3，優選30kg/m3，更優選20kg/m3。第三和第四方面聚結線材的密度20kg/m3。對本發明的所有產品，無論是否具有在此限定的穿孔通道，其優選和更優選密度都能得到令人非常滿意的結果。密度同樣＞0kg/m3，適宜密度5kg/m3，優選10kg/m3，更優選10-20kg/m3。
本發明擠出、聚結泡沫線材還可用於隔熱，這是因為它們的導熱率是45毫瓦/米開氏度(mW/m°K)或更小，優選40mW/m°K或更小，更優選35mW/m°K或更小。適宜於隔熱應用的擠出、聚結泡沫線材可以是開孔量小於80％的開孔泡沫材料，優選開孔量小於70％，更優選小於60％。其它合適的聚結泡沫線材被認為是閉孔泡沫，因為它們的開孔量小於20％。
當用本發明第五方面或其相關方面的發泡設備製備該聚結泡沫線材時，它易於形成光滑外表面。
希望通過包含線性聚烯烴樹脂或線性聚烯烴樹脂和不同熱塑樹脂混合物的聚合體組合物來製備該聚結泡沫線材。當用作線性聚烯烴樹脂時，聚丙烯(PP)均聚物和聚丙烯共聚物樹脂提供滿意的結果。USP 5,527,573在第3欄、27-52行公開了適宜的丙烯聚合物，其製備方法在此引入作為參考。該丙烯聚合物包括(a)丙烯均聚物，(b)丙烯和一種選自乙烯、含4-10個碳原子(C1-4)的1-烯烴(α-烯烴)和C1-4二烯的烯烴的隨機和嵌段共聚物，和(c)丙烯和兩種選自乙烯和C4-10α-烯烴的單體的隨機三元共聚物。C4-10α-烯烴可以是直鏈烴或支鏈烴，但優選直鏈烴。合適的丙烯聚合物的熔體流動速率或MFR(ASTM D-1238，條件230℃/2.16千克(kg))是0.01-100克/10分(g/10min)，優選0.01-50g/10min，更優選0.05-10g/10min，再優選0.1-3g/10min。
如果需要，PP和丙烯共聚物樹脂可以是通過該領域中已知的分枝方法製備的高熔融強度樹脂。該方法包括用高能電子束照射(USP4,916,198)、與疊氮功能基矽烷耦合(USP 4,714,716)以及在多重乙烯基功能單體存在下與過氧化物反應(EP 879,844-A1)。但是，應用較便宜的樹脂或添加劑可以得到滿意的結果。
希望使用常規擠出方法和設備(如USP 3,573,152和USP4,824,720中描述的)製備適宜的聚結泡沫線材。這些專利中的方法在此提出用作參考。
在常規擠出發泡方法中，可將聚合物成分轉化成聚合物熔體並將發泡劑和其它添加劑(必要的話，如核)加入聚合物熔體中以形成可發泡凝膠。然後擠出可發泡凝膠穿過模具並進入降低了的或較低的壓力區以促進發泡並形成滿意產品。降低了的壓力低於發泡凝膠在擠出穿過模具前時的壓力。較低的壓力可以超過大氣壓或是低於大氣壓(真空)，但優選處於一個大氣壓水平。
為製備本發明的聚結泡沫線材產品，要將可發泡凝膠穿過多孔模具並進入較低壓力區以利於發泡。模具上的孔按一定要求排列以便於發泡過程中熔融擠出物相鄰股之間相互接觸且接觸表面通過足夠的粘結力相互粘結在一起以形成均勻的泡沫結構。從模具中流出的熔融擠出物每股都呈線或孔的形狀，它們按要求發泡、聚結、並相互粘結以形成均勻結構。令人滿意的是，聚結單根股線或外側面在均勻結構內相互粘結以避免這些股線在製備、成型和應用泡沫時所施加的壓力下分層。
在擠出可發泡凝膠穿過模具前，通常應將可發泡凝膠從促進熔融混合的溫度冷卻到較低的最優發泡溫度。凝膠可在擠出機或其它混合裝置中冷卻，也可在分離冷卻器內冷卻。最優發泡溫度通常超過每種聚合物成分的玻璃化轉變點溫度(Tg)，或對於具有熔點(Tm)的可充分結晶成分，接近Tm。「接近」是指處於、超過或低於且主要取決於穩定泡沫存在的溫度。滿意的溫度在Tm上下30度(℃)以內。對於本發明的泡沫，最優發泡溫度在泡沫不破裂的溫度範圍內。
發泡劑可與通過本領域內任何已知的方法(如利用擠出機、混合器或攪拌機)熔融的聚合物合併或混合在一起。發泡劑與在有效避免熔融聚合物明顯膨脹並使發泡劑在其內均勻分散的遞增壓力下熔融的聚合物相混合。選擇性地，在成塑或熔融前，可將熔融成核劑攪拌進熔融聚合物內或將乾燥成核劑與聚合物相混合。
任何常規發泡劑都可用於製備本發明的聚結泡沫線材產品。USP5,348,795在第3欄、15-61行公開了大量適宜的發泡劑，其製備方法在此引入用作參考。優選發泡劑包括含有1-9個碳原子的α-烴，尤其是丙烷、正丁烷和異丁烷，更優選異丁烷。
本發明的泡沫還可利用聚積擠出方法和設備(如USP 4,323,528和USP 5,817,705中所示)來製備，這些方法在此引入用作參考。這種設備，通常被看作是「擠出-聚積系統」，使得工作人員可以通過間歇過程而非連續過程進行操作。該設備包括可發泡凝膠保持不發泡的準備區或聚積器。準備區裝備有出口模具且其開口處位於較低壓力(如大氣壓)區。該模具有一個可開放或閉合的孔，優選用作準備區外部的閘門。該閘門的應用除了允許發泡組合物流經模具外，對其沒有其它影響。打開閘門並同時通過機械作用(如機械撞擊)將機械壓力施加到凝膠上以迫使凝膠穿過模具進入較低壓力區。該機械壓力可有效迫使可發泡凝膠以足夠快的速度穿過模具而避免其在模具內明顯發泡，而足夠慢的速度將降低、最好避免泡沫斷面區或外形上產生不規則形狀。這樣，非間歇操作，該方法和其成品與通過連續擠出方法製備的產品非常相似。
本發明的聚結泡沫線材可應用於隔熱和隔音。它們具備孔徑和開孔結構的組合，還可通過穿孔通道相互連接以使其能有效應用於兩種用途。
本發明的聚結泡沫線材可含有一種或多種常規添加劑。添加劑包括但不局限於，成核劑、無機填料、傳導型填料、色素、抗氧化劑、酸清除劑、阻燃劑、紫外線吸收體、加工助劑、擠出助劑、滲透性調節劑、抗靜態劑、輻射阻隔物和其它熱塑聚合物。特定添加劑，如無機和傳導型填料，也可用作成核劑，促進形成開孔或兼具兩種作用。聚結泡沫線材優選至少含有一種輻射阻隔物，如炭黑和阻燃劑。
固體顆粒添加劑，如輻射阻隔物和阻燃劑助劑(如二氧化銻或Sb2O3)利於成核，因此限制了泡沫膨脹並最終限制了泡沫斷面部分的尺寸。為抵消此作用，可添加孔徑放大劑，如熔點相對較低的含蠟物質(USP 4,229,396)或不含蠟的低分子量化合物(USP 5,489,407)。這兩個專利中的方法在此引入用作參考。
通過在聚結線材結構中、略(1-15℃，優選1-5℃)高於製備閉孔泡沫最高溫度的溫度下擠出PP樹脂來製備大孔泡沫，可選擇利用如第五方面或其相關方面所述的輥軸在模具內逐漸形成泡沫體。
附圖中，所用的每個數字，如第二泡沫拉伸裝置40，在每個圖中都指相同的成分。使用該數字的變形，如40』，指相似的成分。


圖1簡要顯示了發泡設備10。設備10包含泡沫擠出物接受輥軸裝置20、第二輥軸裝置30和泡沫拉伸裝置40。
泡沫擠出物接受輥軸裝置20具有第一組輥軸21和與第一組輥軸21隔離但與之平行的第二組輥軸25。第一組輥軸21包含第一輥軸架22和很多輥軸23。第二組輥軸25包含第二輥軸架26和很多輥軸27。
第二輥軸裝置30具有第三組輥軸31和與第三組輥軸31隔離但與之平行的第四組輥軸35。第三組輥軸31包含第三輥軸架32和很多輥軸33。第四組輥軸35包含第四輥軸架36和很多輥軸37。
第一輥軸架22通過至少一個，優選至少兩個鉸接裝置24(只顯示其中一個)與第三輥軸架32操作連接。第二輥軸架26通過至少一個，優選至少兩個鉸接裝置28(只顯示其中一個)與第四輥軸架36操作連接。
泡沫拉伸裝置40包含第一傳輸帶41和與第一傳輸帶41隔離但與之平行的第二傳輸帶46。第一傳輸帶41逆時針旋轉，第二傳輸帶46順時針旋轉。雖然圖1顯示了傳輸帶且傳輸帶提供非常滿意的結果，但熟練技術人員易於認為其它設備也可用作泡沫拉伸裝置。此類設備是一對反向驅動滾輪。
通過運行裝備有發泡模具12(優選多孔泡沫線材模具)的熔體加工設備11(顯示擠出機的部分剖面)將可發泡凝膠14填入由第一組輥軸21和第二組輥軸25限定的較低壓力區。該可發泡凝膠膨脹直到它與到兩組輥軸(21和25)接觸並至少部分凝固形成泡沫體15。
來自設備11的壓力與包含在輥軸組21和25中的輥軸的作用共同將泡沫體15從第一和第二組輥軸21和25移入第二輥軸裝置30，並使第三組輥軸31和第四組輥軸35隔離開。泡沫體15離開輥軸裝置30並進入泡沫拉伸裝置40，在此它與第一傳輸帶41和第二傳輸帶46接觸。傳輸帶41和46共同將泡沫體從第二輥軸裝置30抽出。
一旦泡沫拉伸裝置40開始起作用並推進泡沫體15穿過該裝置，可以調節裝置20中第一和第二組輥軸21和25間及裝置30中第三和第四組輥軸31和35間的空隙(如果必要或需要校準)以在泡沫體穿過設備10時向其施加更大或更小的壓縮力。
熟練技術人員公認鉸接裝置24使得第一組輥軸21和第三組輥軸31的臨近端向相同的方向移動。也就是說，如果輥軸組21的該端離開泡沫體15，輥軸組31的最近端或靠近端也將離開泡沫體15。連接第二組輥軸25和第四組輥軸35的鉸接裝置28與鉸接裝置24運作方式相同。
圖2簡要顯示了發泡設備10』。設備10』包含泡沫擠出物接受裝置20、制板裝置50和泡沫拉伸裝置40。
圖2中顯示的熔體加工設備11、泡沫擠出物接受裝置20和泡沫拉伸裝置40與圖1顯示的相應部分最好相同。圖中在比例上顯示的任何差異完全是偶然造成的。
制板設備50具有上層板裝置51和與上層板裝置51隔離但與之平行的下層板裝置55。上層板裝置51包含上層基座殼52、與殼52操作連接的小摩擦泡沫接觸板53、以及與殼52操作連接並與接觸板53有液體聯繫的潤滑劑噴灑器54。潤滑劑噴灑器54的另一端與潤滑劑源有液體聯繫(未示出)。下層板裝置55包含下層基座殼56、與殼56操作連接的小摩擦泡沫接觸板57、以及與殼56操作連接並與接觸板57有液體聯繫的潤滑劑噴灑器58。潤滑劑噴灑器58的另一端與潤滑劑源有液體聯繫(未示出)。
第一輥軸架22通過至少一個，優選至少兩個鉸接裝置24(只顯示其中一個)與上層板裝置51操作連接。第二輥軸架26通過至少一個，優選至少兩個鉸接裝置28(只顯示其中一個)與下層板裝置55操作連接。
運行時，熔體加工設備11最好與圖1描述的相同設備運作方式相同。
來自設備11的壓力與包含在輥軸組21和25中的輥軸的作用共同將泡沫體15從第一和第二組輥軸21和25移入制板裝置50，並使上層板裝置51與下層板裝置55隔離開。泡沫體15離開制板裝置50並進入泡沫拉伸裝置40，在此它與第一傳輸帶41和第二傳輸帶46接觸。傳輸帶41和46共同將泡沫體從第二輥軸裝置30抽出。
一旦泡沫拉伸裝置40開始起作用並推進泡沫體15穿過該裝置，可以調節裝置20中第一和第二組輥軸21和25間及裝置50中上層和下層板間的空隙(如果必要或需要校準)以在泡沫體穿過設備10』時向其施加更大或更小的壓縮力。
考慮制板裝置50和第二輥軸裝置30間的差異，鉸接裝置24和28與它們在圖1中的相應部件運作方式應當相同。
下面的實施例解釋但決不限制本發明的範圍。阿拉伯數字表示本發明的實施例而字母表示對比實施例。除非指明，所有等分和百分比都是按重量計算且溫度以℃為單位。實施例1在進料、熔融和測量的標準連續區之後，使用具有兩個額外混合及冷卻連續區的兩寸長(2」)(50.8mm)螺旋形擠出機。在測量和混合區之間提供開口用於注入發泡劑。在冷卻區之後附著具有在此限定的132個圓孔(共6排，每排22孔)的線材底模。每個孔的直徑是0.8mm。孔以等邊三角形的模式排列，孔間距3.6mm。雖然該實施例使用圓孔，熟練技術人員認為，如果需要也可使用其它孔形。
將PP均聚物樹脂顆粒(PP-1，MoplenD50G，0.3g/10minMFR，Montell Polyolefins)同每百份重量PP(pph)中含0.05份的抗氧化劑(AO-1，Irganox1010，Ciba-Geigy Corp.)一起以55kg/小時(kg/h)的速率填入擠出機。使擠出機維持在下面設定溫度進料區＝160℃，熔融區＝190℃，測量區＝200℃，混合區＝200℃。以17pph的均勻比率將異丁烷注入混合區。
將冷卻區和底模的溫度降低到160℃。調整底模內的模空隙以製備不會預發泡的穩定聚結泡沫線材結構。該結構雖然穩定，但仍含有軟核。
將聚結泡沫線材推入本發明的發泡設備，優選如圖1所示(第五方面)，以生產用於試驗1.1的樣品。輥軸裝置和泡沫拉伸裝置組合使用可生產表面光滑的聚結泡沫線材，且斷面面積超過不組合使用所得線材的50％以上。
將冷卻區和底模溫度降低到157℃並獲得穩定的聚結泡沫線材結構。取出一些泡沫線材結構的樣品用於試驗1.2。
進一步將冷卻區和底模溫度降低到155℃生產完全閉孔的聚結泡沫線材。
表1列出了試驗1.1和1.2的特性和參數。
表1
*T＝厚度，W＝寬度試驗1.1泡沫的線材中有大量開口或互連內孔。試驗1.2的泡沫比試驗1.1的泡沫具有更多完整的內孔。開孔量支持該測定。試驗1.1和1.2泡沫的導熱係數分別是38.5毫瓦/米開氏度(mW/m°K)和42.2mW/m°K。實施例2重複實施例1，試驗1.2用以實施試驗2.1，並通過去除應用發泡設備修改試驗2.1以實施試驗2.2。表2A和2B列出了試驗2.1和2.2的特性和參數。依據ASTM D3575，測定10％偏差時擠出方向(E)和垂直方向(V)的壓縮力。
表2A
表2B
表2A和2B中的數據表明使用該發泡設備生產的泡沫(試驗2.1)比不使用該設備生產的相同的泡沫組合物(試驗2.2)的斷面面積大62％以上。此外，相對於不使用該發泡設備，使用該設備加工相同泡沫組合物可增加模壓。
表2A和2B的數據還表明，使用該發泡設備(試驗2.1)比不使用該設備(試驗2.2)產生更大的密度、導熱率和垂直方向(V/E)上的相對強度。雖然兩種泡沫材料都適合本發明的目的，但是試驗2.1的泡沫提供了比2.2更優的性能。實施例3重複實施例1，但進料速率降低到50kg/h，把抗氧化劑換成IrganoxXP 621(Ceiba-Geigy Corp.)，並修改組合物使分別在2.5pph、3pph和1pph的水平下添加炭黑、阻燃劑和三氧化銻(Sb2O3)。阻燃劑是四溴雙酚A-雙(2，3-二溴丙基)醚(PE-68TM，Great Lakes ChemicalCorp.)。阻燃劑以在低密度聚乙烯(LDPE)中的30wt％濃縮物形式、Sb2O3以在LDPE中的80wt％濃縮物形式且炭黑(Aerosperse15，Engineered Carbons)以在聚烯烴塑料(POP)中的30wt％濃縮物形式添加。該LDPE的熔融指數(I2)是20克/10分鐘(g/10min)(ASTMD-1238，190℃/2.16kg)。該POP的密度(ρ)是0.9g/cm3且I2是1.0(AFFINITY*PL 1880，陶氏化學公司)。*陶氏化學公司的一個商標。
冷卻區和底模使用150℃的溫度以生產穩定的泡沫，其樣品用於試驗3.1。該溫度使得底模中的一些孔被堵。由於失去股線，孔被堵塞進而將在泡沫中產生一些開孔通道。試驗3.1的泡沫厚22mm、寬88mm、密度19.2kg/m3、孔徑0.4mm、開孔量87vol％。其導熱係數(TC)是34.0mW/m°K。實施例4重複實施例3，但是除去炭黑，將阻燃劑減少到2.5pph，將Sb2O3增加到1.25pph，並且將冷卻區和底模溫度增加到155℃。Sb2O3以在非晶態聚丙烯(TMS級(粒徑0.9-1.8微米)Sb2O3，Fyrebloc5AO-080Y8，Great Lakes Chemical Corporation)中的濃縮物形式添加。表3A和3B列出了試驗4.1和4.2的特性和參數。試驗4.2使用實施例1的發泡設備。試驗4.1不使用該設備且它不是本發明的實施例。
表3A
表3B
如實施例2，表3A和3B中的數據表明使用本發明的發泡設備可得到滿意的性能結果。導熱係數值表明泡沫產品可用於隔熱(依據德國工業標準(DIN)4102的B2級)。實施例5重複實施例3，但是用2.5pph石墨(PF-426級，Graphite Sales Inc.)取代炭黑，將阻燃劑含量降低至2.5pph，將進料速率降低至45kg/h，將抗氧化劑含量增加到0.1pph，並將冷卻區和底模溫度調至156℃(試驗5.1)和154℃(試驗5.2)用以製備泡沫材料。試驗5.1和5.2中含有在POP中的10％甘油單硬脂醯酯(GMS，Atmer129，ICIAmericas)濃縮物，這足以為試驗5.1提供0.5pph的GMS並為試驗5.2提供1.5pph的GMS。試驗5.2使用實施例1的發泡設備，但試驗5.1不使用。試驗5.1和5.2的泡沫比實施例1的泡沫具有更多的閉孔結構，但是它們的導熱係數(參照表4)足夠低而可有效用於隔熱材料。表4A和4B列出了試驗5.1和5.2的特性和參數。
表4A
*非本發明的實施例表4B
*非本發明的實施例表4A和4B中的數據證明了使用實施例1描述的發泡設備的好處和該泡沫產品由於其相對低的導熱係數而應用於隔熱的適用性。實施例6重複實施例1並做幾處改動來製備用於試驗6.1的泡沫樣品。將模具調整為120孔的模具(8排，每排15孔，且如實施例1描述的，孔以等邊三角形的模式排列，孔徑0.9mm，孔間距3.46mm)。調整聚合物為90wt％的PP樹脂(PP-2，Pro-fax6823，0.5g/10min MFR，Montell Polyokefins)和10wt％的用於實施例2的POP的混合物。將進料速率提高到60kg/h並將異丁烷降低至16pph。在冷卻區和底模溫度為160℃時製備該泡沫。
試驗6.1的泡沫是每股線中有很多氣孔的聚結泡沫線材產品。氣孔利於在泡沫的每股線中產生空心通道。試驗6.1的泡沫厚30mm、寬68mm、密度20.8kg/m3、孔徑0.6mm、開孔量87％。實施例7重複實施例1並做幾處改動來製備用於試驗7.1、7.2和7.3的泡沫樣品。使用6」(152.4mm)擠出機而非實施例1中的2」(50.8mm)擠出機和具有孔徑1.02mm以孔間距3.92mm呈三角形排列的多孔模具。選擇性開放足夠的孔以達到滿意的斷面尺寸。
使用三種樹脂的混合物用於製備試驗7.1、7.2和7.3。所選樹脂是PP-2、PP-3和實施例3的POP，並有如下的重量比試驗7.1和7.2的泡沫是68/20/12，試驗7.3的泡沫是49/39/12。PP-3是一種高熔融強度的PP樹脂(Pro-faxPF-814，3g/10min MFR，MontellPolyokefins)。將混合物以363kg/h的速率填入擠出機。對試驗7.1和7.2注入14pph異丁烷發泡劑，而對試驗7.3注入12pph。
試驗7.1和7.2使用的AO-1和AO-2均為0.1pph。試驗7.3使用0.6pph的AO-1和0.1pph的AO-2。AO-2是另一種抗氧化劑(Ultranox626，通用電器)。試驗7.1和7.2使用0.2pph的硬脂酸鈣和0.4pph的滑石用作成核劑而試驗7.3則使用0.2pph的硬脂酸鈣和0.65pph的滑石。
使用下列設定溫度進料區＝170℃，熔融區＝190℃，測量區＝210℃，混合區＝195℃。以表5顯示的規定速率注入異丁烷。以167℃的冷卻區和底模溫度生產用作試驗7.1泡沫的穩定泡沫。降低溫度至165℃生產用作試驗7.2泡沫的完全閉孔泡沫。進一步降低溫度至160℃生產用作試驗7.3泡沫的完全閉孔泡沫。
表5列出了試驗7.1、7.2和7.3的特性和參數。
表5
*非本發明的實施例表5中的數據表明當利用大型設備來製備開孔聚結泡沫線材板製品時，需保持冷卻區的溫度高於生產閉孔泡沫冷卻區的溫度。實施例8重複實施例1，但是將擠出機進料速率提高至60kg/h、使用均為0.035pph的AO-1和AO-2與0.05pph的滑石、將異丁烷進料比率提高至21pph並將發泡溫度降低至158℃以製備用於試驗8.1和8.2的完全閉孔泡沫。表6A和6B列出了試驗8.1和8.2的特性和參數。試驗8.2使用實施例1的發泡設備。試驗8.2不用且它不是本發明的實施例。
表6A
表6B
表6A和6B中的數據表明使用實施例1的發泡設備(試驗8.2)可製備出完全閉孔結構(開孔量＜20vol％)的低密度泡沫且大面積的斷面可通過發泡進行製備。實施例9對實施例1、3、6和7的泡沫進行氣流阻率試驗(ISO 90531991(E)方法A)。對每種試驗材料，疊加足夠多的樣品以產生足夠的厚度用於取出直徑65mm、厚35mm(厚度方向上排列的泡沫線材)的圓柱形試驗樣品。試驗前用填縫化合物填充試驗3.1的開孔通道。表7列出了指示試驗泡沫的氣流阻率和開孔量。
表7
*非用於聲音隔離的本發明實施例表7以氣流阻率的降序進行排列。氣流阻率通常和開孔量呈反向關係。試驗7.2和7.3的泡沫是在擠出方向上具有高氣流阻率的完全閉孔泡沫。低氣流阻率利於在聲音隔離中的應用。實施例10重複實施例3，但是做大量改動。降低阻燃劑含量至2.5pph、炭黑含量至2pph。提高AO-1含量至0.1pph、異丁烷至19pph且發泡溫度至151℃。利用實施例4的Sb2O3濃縮物提供含量1pph的Sb2O3、實施例5的GMS濃縮物提供含量0.4pph的GMS。對試驗10.2-10.4，向混合區注入2pph的商標VORANOL*9287的聚醚型多元醇(陶氏化學公司)和乙醇以75/25重量比混合的混合物用於孔徑放大。*陶氏化學公司的商標。試驗10.1和10.3不使用實施例1的發泡設備且不能代表本發明。試驗10.2和10.4使用該設備。表8A和8B列出了試驗10.1-10.4的特性和參數。該泡沫達到與實施例4泡沫相同的B2級DIN可燃率。
表8A
表8B
表8A和8B中的數據表明在不增加開孔量的條件下，發泡對模壓、泡沫斷面尺寸、泡沫密度和孔徑有很好的效果。此外，VORANOL/乙醇混合物的應用可有效降低生成泡沫的密度。實施例11利用來自丹麥Naerum，Brueel and kjaer A/S的4206型聲學阻抗管和3555型信號分析儀，對實施例1、3、6和7的泡沫試驗樣品進行聲吸收試驗。它根據ASTM E-1050測量了正入射吸音係數。對29mm和100mm直徑的樣本進行了測試。
29mm的樣本得到比100mm樣本更精確的高頻聲吸收數據。低頻時相反。100mm樣本的低頻數據和29mm樣本的高頻數據組合起來形成了合成聲吸收曲線。
通過在垂直方向上疊加兩個或更多泡沫板以增大樣品厚度來製備具有長25mm的試驗樣本。在擠出方向上從疊加塊中鑽孔製備試驗樣本。
對於垂直方向的聲學測試，疊加兩個或更多樣品以使每個樣品的厚度互相疊加。第一組樣本完全沒有穿孔(V0h)。第二組用2mm的針穿孔並產生密度1孔/cm2(孔間距約10mm)(V1h)的穿孔通道。第三組用2mm的針穿孔並產生密度4孔/cm2(孔間距約5mm)(V4h)的穿孔通道。表9A-D列出了聲學測試數據。對所有表9A-D，E＝擠出方向，Max＝如果有的話，在第一個峰處測得的最大吸收係數，其出現在合成聲吸收曲線的低頻端。fmax＝最大吸收發生的頻率。
表9A
表9B
表9C
*指非本發明的實施例表9D
*指非本發明的實施例正如所預期的，實施例1、3和6製備的多孔開孔泡沫在低氣流阻力、擠出方向上吸音效果很好。試驗7.1的部分開孔泡沫在擠出方向上顯示出很小的聲吸收特徵。試驗7.2和7.3製備的完全閉孔泡沫在擠出方向上的吸音效果不能令人滿意。即使是對於一些適於無穿孔應用的試驗6.1的泡沫(空心泡沫)，穿孔也可增強垂直方向上的聲吸收。沒有穿孔，所有泡沫(空心聚結泡沫線材(試驗6.1)或許例外)都不能在垂直方向上有令人滿意的聲吸收，而該方向是泡沫的常用方向。一些泡沫材料要求比其它物質更多的穿孔以使ASC達到0.3或更高。還有一些泡沫材料根本就不需穿孔以使ASC達到0.3或更高。實施例12對試驗1.1、7.1和7.2的泡沫進行動剛度測試。從泡沫上切取兩組10cm×10cm的樣本。一組樣本在不壓縮態下進行測試，其厚度列於表11。另一組先進行壓縮、使其自由回復、然後切成表11所列厚度。壓縮或彈性化是通過施加足夠的壓力使樣本壓縮至其初始厚度的95％，然後釋放所施加壓力並使泡沫回復。在泡沫樣本上放置一10cm×10cm、2kg的重物以提供200千克/米2(kg/m2)的表面重力並依據ISO 9052-1測定動剛度。將動剛度測量值與樣本厚度相乘計算動態模量。表11指明了泡沫試驗號、樣本厚度(T，單位mm)、樣品是否彈性化(壓縮)、動剛度(DS，單位兆牛頓/米3(MN/m3))和動態模量(DM，單位牛/毫米2(N/mm2))。
表11
*指非本發明的實施例表11中的數據表明，和試驗*7.2的閉孔泡沫相比，本發明的開孔泡沫(試驗1.1和7.1)具有較低的動剛度和動態模量(特別是經過壓縮/彈性化之後)。從動剛度和動態模量都有接近7倍的變化可看出，泡沫試驗1.1易於彈性化。這種泡沫可用作夾心板或石膏板層(PBL)以及衝擊聲隔離應用的插入物。所得板層可用於牆結構的熱和聲音隔離。實施例13重複實施例1，但是利用裝備有實施例7模具的3-1/2寸(89mm)擠出機將70/30重量比的聚丙烯/乙烯-辛烯-1(PP/EO)聚合物混合物轉化成試驗11.1的泡沫。將擠出機保持在下面的設定溫度進料區＝170℃，熔融區＝205℃，測量區＝220℃，混合區＝190℃，冷卻區和擠出模＝153℃。AO-1和AO-2均以0.13pph的比率、滑石以0.15pph的比率、HCFC-142b以12pph的比率進行填充。
PP是熔體流動速率(MFR)為0.6克/10分(g/10min)(ASTMD-1238，230℃/2.16kg)(Himont Incorporated)的發展性高熔融強度樹脂合成物。該合成物是支鏈PP共聚物樹脂(MFR為2g/10min)和常規PP均聚物(MFR為0.3g/10min)以50/50重量比混合的混合物。該EO是乙烯/辛烯-1共聚物(AFFINITY*FW 1650.密度0.902g/cm3，熔融指數(I2)3.0g/10min(ASTM D-1238，190℃/2.16kg)，陶氏化學公司)。
所得泡沫具有完全開孔結構(依據ASTM D 2856的方法A，開孔量85％)且孔徑為0.94mm。該泡沫的密度為40.4g/m3、斷面面積為45mm×505mm。
對該泡沫進行如實施例11的聲吸收測試(如表12顯示的使用較少的頻率)並將結果列於表12中。
表12
利用105cm×205cm的薄板依據ISO 717/1-1982測量聲衰減指數(R』w)數據。利用試驗用兩種結構中之一種並使用初生泡沫(只是形成而無穿孔)或如V1h的穿孔泡沫。一種結構(稱為「I」)是厚50mm的平面泡沫板。另一種結構(稱為「W」)是由間隔205mm位於板交錯側的泡沫帶支撐的40mm厚的泡沫板。該泡沫帶寬40mm、厚5mm。測試機構如Centre Experimental de Recherche et d』Etudes duBatimen et des Travaux Publics(CEBP)易於進行這種測試。
初生泡沫的R』w在I結構中是31dB，在W結構中是33dB。穿孔泡沫的R』w是39dB。此數據表明穿孔的益處。實施例14重複實施例1並做幾處改動來製備用於泡沫試驗14.1的泡沫材料。將擠出機換成6」(152.4mm)擠出機並將模具換成1950孔的模具(13排，每排150孔，如實施例1中的三角形模式排列，孔徑0.84mm，孔間距3.53mm)。將PP-2樹脂同0.2pph的抗氧化劑粉末(Ultranox815P，通用電器(AO-3))和0.8pph的AO-1濃縮物(15wt％，熔融指數(I2)1.8克/10分(g/10min)(ASTM D-1238，190℃/2.16kg)且密度0.923g/cm3的低密度聚乙烯樹脂中，基於AO-1濃縮物重量)一起以544kg/h的速率填入擠出機。改變設定溫度如下進料區＝170℃、熔融區＝190℃、測量區＝210℃、混合區＝195℃。降低異丁烷的進料比率至16.5pph。將冷卻區和底模溫度設定為158℃以製備穩定泡沫。
表13列出了試驗14.1的特性和參數。
表13
表13中的數據顯示了利用大型設備製備本發明的開孔聚結泡沫線材板製品。實施例15對試驗14.1的泡沫進行如實施例12的動態模量和動剛度測試，並進行如實施例10的吸音係數測試。擠出並穿孔後測試泡沫(如實施例10的V4h)並對其進行壓縮處理測試(如實施例12)。表14A和14B列出了試驗數據。
表14A列出了試驗15的動態模量和氣流阻率。
表14A
表14B列出了試驗15的吸音係數。
表14B
表14A和14B中的數據表明，當穿孔並壓縮時，試驗14中製備的泡沫材料變成具有低動剛度和高吸音係數的優質聲學材料。實施例16利用擠出泡沫(實施例14)和穿孔並壓縮的泡沫(實施例15)製備石膏板層(PBL)。在製備PBLs的過程中，平鋪第一層泡沫以製備厚77mm的泡沫板，然後將泡沫板壓成13mm厚的石膏板。用少許灰漿將每塊PBL粘合到160mm厚的混凝土牆上並完全覆蓋2.5m×4m的牆，並根據國際標準組織(ISO)測試717-1，對形成的結構在如表15中所列頻率下進行聲音傳輸損耗測量(單位分貝(dB))，並計算聲衰減指數(R』w)。測試機構如CEBTP進行了此測試。
表15
表15中的數據表明試驗14中製備的開孔泡沫用作隔音層效果很好，尤其是經過穿孔和壓縮。在PBL結構中，穿孔並壓縮泡沫比混凝土裸牆的R』w改善了9dB。
根據本發明製備的其它泡沫也可得到相似的結果，尤其是那些利用本發明發泡設備製備的泡沫。
權利要求
1.一種包含丙烯聚合物材料的擠出、開孔、聚結泡沫線材，其密度為22千克/立方米或更小、開孔量至少50％且孔徑為2毫米或更小。
2.一種包含丙烯聚合物材料的擠出、開孔、聲學活躍的、聚結泡沫線材，其密度為100千克/立方米或更小、開孔量至少50％、孔徑為2毫米或更小，且在其擠出方向上的降噪係數至少是0.3，該泡沫具有已限定的大部分穿孔通道，且這些通道的方向通常與擠出方向垂直。
3.一種包含丙烯聚合物材料的擠出、開孔、聚結泡沫線材，其密度22千克/立方米且開孔量80％。
4.一種包含丙烯聚合物材料的擠出、開孔、聚結泡沫線材，其密度20千克/立方米且開孔量50％。
5.根據權利要求1或2所述的材料，其中該泡沫還具有小於25千帕斯卡秒/米2的氣流阻率。
6.根據權利要求1或2所述的材料，其中開孔量至少是80％。
7.根據權利要求2所述的材料，其中穿孔通道的頻率至少是1孔/釐米2且孔間距10毫米。
8.根據權利要求2所述的材料，其中穿孔通道的頻率至少是4孔/釐米2且孔間距5毫米。
9.根據權利要求2所述的材料，其中穿孔通道由機械力產生。
10.根據權利要求2所述的材料，其中該材料在彈性化之後的動態彈性模數小於1牛頓/毫米2。
11.根據權利要求10所述的材料，其中動態彈性模數小於0.6牛頓/毫米2。
12.根據權利要求10所述的材料，其中動態彈性模數小於0.4牛頓/毫米2。
13.根據權利要求2所述的材料，其中密度小於或等於60千克/米3。
14.一種至少包含一層如權利要求10-12所述材料的隔音結構。
15.一種包含丙烯聚合物材料的擠出、完全閉孔、聚結泡沫線材，其密度為20千克/米3、開孔量小於20％且孔徑為2毫米或更小。
16.根據權利要求4或15所述的材料，其中該材料的導熱率不超過45毫瓦/米開氏度。
17.根據權利要求15所述的材料，其中還包含阻燃劑、輻射阻隔物或二者都有。
18.根據權利要求16所述的材料，其中導熱率不超過40毫瓦/米開氏度。
19.根據權利要求16所述的材料，其中導熱率不超過35毫瓦/米開氏度。
20.根據權利要求11所述的材料，其中該泡沫的壓縮強度比率(垂直方向和擠出方向之比)大於0.3。
21.一種發泡設備，它包括a)泡沫擠出物接受輥軸裝置；b)第二輥軸裝置，它與泡沫擠出物接受輥軸裝置通過至少一個鉸接裝置相連；和c)泡沫拉伸裝置，它與第二輥軸裝置相隔離但有操作關係。
22.根據權利要求21所述的設備，其中該泡沫擠出物接受輥軸裝置是一對對置、平行、但隔離的可調輥軸組，每個輥軸組具有第一端和第二端，且每個輥軸組的第二端靠近第二輥軸裝置。
23.根據權利要求21所述的設備，其中第二輥軸裝置是一對對置、平行、但隔離的可調輥軸組，每個輥軸組都與泡沫擠出物接受輥軸裝置的輥軸在同一平面，且具有第一端和第二端，第二輥軸裝置的每個輥軸組的第一端與泡沫擠出物接受輥軸裝置共面輥軸的第二端相靠近並鉸接。
24.根據權利要求21所述的設備，其中泡沫拉伸裝置是一對反向傳輸帶，傳輸帶相互隔離但彼此平行，每個傳輸帶都具有靠近第二輥軸裝置的進口端和與進口端隔離並處於另一端的出口端，傳輸帶的運動足以將材料從第二輥軸裝置的第二端推至傳輸帶的出口端。
25.一種發泡設備，其包括a)泡沫擠出物接受輥軸裝置；b)通過至少一個鉸接裝置與泡沫擠出物接受輥軸裝置連接的制板裝置；和c)泡沫拉伸裝置，它與制板裝置隔離但與之有操作關係。
全文摘要
一種丙烯聚合物擠出、聚結泡沫線材，它在開孔時可用於隔音應用而在閉孔時可用於隔熱應用。一種適於製備這種具有膨脹斷面的泡沫的設備。
文檔編號B29K105/04GK1464891SQ01806686
公開日2003年12月31日 申請日期2001年3月9日 優先權日2000年3月17日
發明者C·P·帕克, M·J·布呂克, G·埃申-勞爾, M·E·沙勒, J-F·柯尼希 申請人:陶氏環球技術公司