CN105419093A - 一种含双峰泡孔结构的泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其包括如下步骤：(a)称取聚合物A？50～90重量份，聚合物B？10～50重量份，单甘酯0.1～3重量份，其中所述聚合物A为聚丙烯，所述聚合物B为聚乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃弹性体中的至少一种；(b)将所述聚合物A、聚合物B和单甘酯混合得到一混合物，然后将该混合物加入第一挤出机内，熔融挤出得到预混物；(c)将所述预混物加入第二挤出机内，并在第二挤出机的螺杆的1/5～1/3处通入超临界态的二氧化碳，挤出发泡得到含双峰泡孔结构的泡沫材料。本发明还提供一种含双峰泡孔结构的泡沫材料。

Description

一种含双峰泡孔结构的泡沫材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种含双峰泡孔结构的泡沫材料及其制备方法。
背景技术
含双峰泡孔结构的泡沫材料是指兼具大泡和小泡的泡沫材料，其中，大泡的平均孔径在0.05mm～1.2mm之间，小泡的孔径为大泡孔径的5％～50％，大泡和小泡要占据整个泡沫材料90％以上的体积。由于这种独特的泡孔结构，其拥有较低的密度及优良的热绝缘性能。
目前，制备含双峰泡孔结构的泡沫材料的主要方法有两步间歇发泡法和双发泡剂挤出发泡法。比如公开号为CN103240884B的专利申请公开了一种具有双峰分布的聚碳酸酯微孔材料的制备方法，其采用两步卸压发泡法来制备兼具大小泡的泡沫材料。然而，该方法的制备效率较为低下，并且所得产品的膨胀倍率较低。美国专利US4455272公开了一种含双峰泡孔结构的聚苯乙烯泡沫的制备方法，其以水和碳氢化合物作为共发泡剂，采用挤出发泡法制备了含双峰泡孔结构的泡沫材料。但这种方法需要两套注气设备，成本较高、操作复杂，并且所采用的碳氢化合物易燃易爆，存在安全隐患。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种生产效率较高，操作过程简单、安全的含双峰泡孔结构的泡沫材料及其制备方法，以解决现有技术中技术问题。
本发明提供一种含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其包括如下步骤：
(a)称取聚合物A50～90重量份，聚合物B10～50重量份，单甘酯0.1～3重量份，其中所述聚合物A为聚丙烯，所述聚合物B为聚乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃弹性体中的至少一种；
(b)将所述聚合物A、聚合物B和单甘酯放入高速混合机中混合得到一混合物，然后将该混合物加入第一挤出机内，熔融挤出得到预混物；
(c)将所述预混物加入第二挤出机内，并在第二挤出机的螺杆的1/5～1/3处通入超临界态的二氧化碳，挤出发泡得到含双峰泡孔结构的泡沫材料。
优选的，步骤(a)中所述聚丙烯的熔融指数为0.1g/10min～50g/10min。
优选的，步骤(c)中所述超临界态的二氧化碳的质量占所述混合物的总质量的1％～20％。
优选的，步骤(c)中在第二挤出机的螺杆的1/4处通入超临界态的二氧化碳。
优选的，步骤(c)中所述第二挤出机的螺杆的前半区的温度为180℃～220℃，螺杆的后半区的温度为145℃～180℃。
优选的，步骤(c)中所述超临界态的二氧化碳的注入压力为7MPa～30MPa。
优选的，步骤(c)中所述第二挤出机内的压力为7MPa～25MPa。
本发明还提供一种采用上述制备方法得到的含双峰泡孔结构的泡沫材料，所述含双峰泡孔结构的泡沫材料包括多个大泡和多个小泡，所述大泡的平均孔径为200μm～500μm，所述小泡的平均孔径为30μm～100μm。
相较于现有技术，本方法采用绿色环保的超临界态的二氧化碳作为发泡剂，通过工艺条件控制，对聚合物共混物进行连续挤出发泡，得到了含有双峰泡孔结构的泡沫材料。具体的，在挤出发泡过程中，由于聚合物A和聚合物B对超临界态的二氧化碳的溶解度不同，所以两种聚合物的成核能力有较大差异；其中，聚合物A对超临界态的二氧化碳的溶解度较大，因此聚合物A的成核能力较强，泡孔密度较高，泡孔尺寸较小；而聚合物B对超临界态的二氧化碳的溶解度较小，聚合物B的成核能力较弱，泡孔密度较小，泡孔尺寸较大；所以，在两种聚合物中形成的泡孔尺寸的差异使得共混物泡沫材料的泡孔结构呈双峰分布。
同时，在第二挤出机的熔体挤出口处压力释放时，由于超临界态的二氧化碳在聚合物A内的压力高于在聚合物B内的压力，二氧化碳会由聚合物A向聚合物B扩散，这样导致在聚合物B中形成的大泡变得更大，而在聚合物A中形成的小泡变得更小，从而增大了泡孔结构呈双峰分布的趋势。该方法生产效率较高，操作过程简单、安全，所得含双峰泡孔结构的泡沫材料在热绝缘性能等方面表现出了优良特性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的含双峰泡孔结构的泡沫材料的扫描电镜照片。
图2为对比例1制备的含单峰泡孔结构的泡沫材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面将对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其包括如下步骤：
a称取聚合物A50～90重量份，聚合物B10～50重量份，单甘酯0.1～3重量份，其中所述聚合物A为聚丙烯，所述聚合物B为聚乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃弹性体中的至少一种；
b将所述聚合物A、聚合物B和单甘酯混合得到一混合物，然后将该混合物加入第一挤出机内，熔融挤出得到预混物；
c将所述预混物加入第二挤出机内，并在第二挤出机的螺杆的1/5～1/3处通入超临界态的二氧化碳，挤出发泡得到含双峰泡孔结构的泡沫材料。
在步骤(a)中，可根据超临界态的二氧化碳在不同的聚合物中溶解度，而选择该聚合物A和聚合物B的种类，只要保证在一定的超临界态的二氧化碳含量下，二氧化碳在该聚合物A和聚合物B中的溶解度差别较大即可。所述聚合物A聚丙烯的熔融指数为0.1g/10min～50g/10min(此时测试条件为2.16kg/190℃)。所述单甘酯的作用为抑制泡孔收缩。
优选的，聚合物A60～90重量份，聚合物B10～40重量份，单甘酯0.5～2重量份，该优选重量份的各组分可实现得到的大泡和小泡分布均匀且比例适当。
在步骤(b)中，可先通过高速混合机将所述聚合物A、聚合物B和单甘酯混合得到所述混合物，然后再通过第一挤出机将所述混合物中的聚合物A与聚合物B于熔融状态下混合以使其混合更加均匀。所述混合物从第一挤出机的进料口加入第一挤出机内。所述第一挤出机具体可为双螺杆挤出机。所述第一挤出机的温度为180℃～220℃。
在步骤(c)中，通过工艺条件控制(改变温度、压力、超临界态的二氧化碳含量等)，确保超临界态的二氧化碳在两种聚合物中的溶解度不同，使得聚合物A与聚合物B的成核能力有差异，而得到多个尺寸不同的大泡和小泡，从而制备出含双峰泡孔结构的泡沫材料。该大泡和小泡均为闭孔结构。
所述超临界态的二氧化碳的质量占所述混合物的总质量的1％～20％。所述超临界态的二氧化碳的注入压力为7MPa～30MPa。所述第二挤出机为自主搭建的挤出发泡挤出机。所述第二挤出机的螺杆的前半区的温度为180℃～220℃，螺杆的后半区的温度为145℃～180℃。所述第二挤出机内的压力为7MPa～25MPa。
为了保证二氧化碳气体和聚合物有较好的混合效果，以及得到的泡沫材料中有更好的大泡和小泡的出泡效果和比例，优选的，在第二挤出机的螺杆的1/4处通入超临界态的二氧化碳，所述超临界态的二氧化碳的质量占所述混合物的总质量的5％～15％，所述超临界态的二氧化碳的注入压力为10MPa～20Mpa，所述第二挤出机的螺杆的前半区的温度为190℃～210℃，螺杆的后半区的温度为150℃～170℃，所述第二挤出机内的压力为8MPa～18MPa。
本发明还提供一种采用上述制备方法得到的含双峰泡孔结构的泡沫材料。所述含双峰泡孔结构的泡沫材料包括多个大泡和多个小泡。所述大泡的平均孔径为200μm～500μm，小泡的平均孔径为30μm～100μm。该大泡和小泡均为闭孔结构。可以理解，该含双峰泡孔结构的泡沫材料中的大泡和小泡绝大部分为闭孔结构，但并不排除极少数的一部分为开孔的情形。由于该大泡和小泡均为闭孔结构，因此该含双峰泡孔结构的泡沫材料具有较好的热绝缘性能。该含双峰泡孔结构的泡沫材料的膨胀倍率为5倍～50倍。
相较于现有技术，本方法采用绿色环保的超临界态的二氧化碳作为发泡剂，通过工艺条件控制，对聚合物共混物进行连续挤出发泡，得到了含有双峰泡孔结构的泡沫材料。具体的，在挤出发泡过程中，由于聚合物A和聚合物B对超临界态的二氧化碳的溶解度不同，所以两种聚合物的成核能力有较大差异；其中，聚合物A对超临界态的二氧化碳的溶解度较大，因此聚合物A的成核能力较强，泡孔密度较高，泡孔尺寸较小；而聚合物B对超临界态的二氧化碳的溶解度较小，聚合物B的成核能力较弱，泡孔密度较小，泡孔尺寸较大；所以，在两种聚合物中形成的泡孔尺寸的差异使得共混物泡沫材料的泡孔结构呈双峰分布。
同时，在第二挤出机的熔体挤出口处压力释放时，由于超临界态的二氧化碳在聚合物A内的压力高于在聚合物B内的压力，二氧化碳会由聚合物A向聚合物B扩散，这样导致在聚合物B中形成的大泡变得更大，而在聚合物A中形成的小泡变得更小，从而增大了泡孔结构呈双峰分布的趋势。该方法生产效率较高，操作过程简单、安全，所得的含双峰泡孔结构的泡沫材料在热绝缘性能等方面表现出了优良特性。
下面结合具体实施例对本发明的含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法进行说明：
实施例1：
称取约80重量份聚丙烯、20重量份聚苯乙烯及0.5重量份单甘酯。
将上述各原料经高速混合机混后加入第一挤出机中，熔融挤出得到预混物。
将预混物加入第二挤出机中；其中，螺杆的前半区温度设为190℃，螺杆的后半区温度设为160℃；在螺杆的1/4处注入约7重量份超临界态的二氧化碳，注入压力设为15MPa；第二挤出机内的压力维持在9MPa，挤出发泡得到泡沫材料。
实施例2：
称取约70重量份聚丙烯、30重量份聚苯乙烯及1重量份单甘酯。
将上述各原料经高速混合机混后加入第一挤出机中，熔融挤出得到预混物。
将预混物加入第二挤出机中；其中，螺杆的前半区温度设为200℃，螺杆的后半区温度设为165℃；在螺杆的1/4处注入约5重量份超临界态的二氧化碳，注入压力设为18MPa；第二挤出机内的压力维持在10MPa，挤出发泡得到泡沫材料。
实施例3：
称取约90重量份聚丙烯、10重量份聚乙烯及1.5重量份单甘酯。
将上述各原料经高速混合机混后加入第一挤出机中，熔融挤出得到预混物。
将预混物加入第二挤出机中；其中，螺杆的前半区温度设为195℃，螺杆的后半区温度设为155℃；在螺杆的1/4处注入约9重量份超临界态的二氧化碳，注入压力设为16MPa；第二挤出机内的压力维持在12MPa，挤出发泡得到泡沫材料。
实施例4：
称取约60重量份聚丙烯、40重量份聚烯烃弹性体及0.5重量份单甘酯。
将上述各原料经高速混合机混后加入第一挤出机中，熔融挤出得到预混物。
将预混物加入第二挤出机中；其中，螺杆的前半区温度设为210℃，螺杆的后半区温度设为160℃；在螺杆的1/4处注入约7重量份超临界态的二氧化碳，注入压力设为20MPa；第二挤出机内的压力维持在8MPa，挤出发泡得到泡沫材料。
对比例1：
称取约100重量份聚丙烯及1重量份单甘酯。
将上述各原料经高速混合机混后加入第一挤出机中，熔融挤出得到预混物。
将预混物加入第二挤出机中；其中，螺杆的前半区温度设为190℃，螺杆的后半区温度设为160℃；在螺杆的1/4处注入约7重量份超临界态的二氧化碳，注入压力设为15MPa；第二挤出机内的压力维持在9MPa，挤出发泡得到泡沫材料。
对比例2：
称取约80重量份聚丙烯、20重量份聚苯乙烯及0.5重量份单甘酯。
将上述各原料经高速混合机混后加入第一挤出机中，熔融挤出得到预混物。
将预混物加入第二挤出机中；其中，螺杆的前半区温度设为200℃，螺杆的后半区温度设为165℃；在螺杆的1/4处注入约3重量份超临界态的二氧化碳，注入压力设为15MPa；第二挤出机内的压力维持在18MPa，挤出发泡得到泡沫材料。
对实施例1至4、对比例1和2所得到的产品进行泡孔尺寸、膨胀倍率和热性能表征，结果见表1。其中，泡孔尺寸表征：采用TM-1000扫描电子显微镜；膨胀倍率表征：采用GH-300A泡沫密度仪；热性能表征：采用LFA-457激光热导仪。
表1
由表1可见，相对于对比例1和2，实施例1至4得到的泡沫材料的泡孔呈双峰分布，且热导率较低。这说明本制备方法得到的含双峰泡孔结构的泡沫材料具有较低的密度和优良的热绝缘性能，利于产业化应用。
由图1和图2可见，对比例1中泡孔呈单峰分布，而本实施例1得到泡沫材料的泡孔呈双峰分布，其中大孔和小孔的尺寸差别较大。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其包括如下步骤：
(a)称取聚合物A50～90重量份，聚合物B10～50重量份，单甘酯0.1～3重量份，其中所述聚合物A为聚丙烯，所述聚合物B为聚乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃弹性体中的至少一种；
(b)将所述聚合物A、聚合物B和单甘酯混合得到一混合物，然后将该混合物加入第一挤出机内，熔融挤出得到预混物；
(c)将所述预混物加入第二挤出机内，并在第二挤出机的螺杆的1/5～1/3处通入超临界态的二氧化碳，挤出发泡得到含双峰泡孔结构的泡沫材料。
2.一种如权利要求1所述的含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中所述聚丙烯的熔融指数为0.1g/10min～50g/10min。
3.一种如权利要求1所述的含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)中所述超临界态的二氧化碳的质量占所述混合物的总质量的1％～20％。
4.一种如权利要求1所述的含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)中在第二挤出机的螺杆的1/4处通入超临界态的二氧化碳。
5.一种如权利要求1所述的含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)中所述第二挤出机的螺杆的前半区的温度为180℃～220℃，螺杆的后半区的温度为145℃～180℃。
6.一种如权利要求1所述的含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)中所述超临界态的二氧化碳的注入压力为7MPa～30MPa。
7.一种如权利要求1所述的含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)中所述第二挤出机内的压力为7MPa～25MPa。
8.一种采用如权利要求1至7任一项制备方法得到的含双峰泡孔结构的泡沫材料，其特征在于，所述含双峰泡孔结构的泡沫材料包括多个大泡和多个小泡，所述大泡的平均孔径为200μm～500μm，所述小泡的平均孔径为30μm～100μm。
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