CN113024933A - 一种高强韧型珍珠棉材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及珍珠棉领域，具体公开了一种高强韧型珍珠棉材料及其制备方法，一种高强韧型珍珠棉材料，由包括下列重量份的物质经发泡后制成：45～50份低密度聚乙烯、6～8份聚乙烯颗粒、0.75～1.0份抗氧化剂和6～8份增韧改填料；所述增韧改性填料包括粒径为1000～2000目的二氧化钛微球颗粒。其制备方法包括：S1、原料处理，S2、共混挤出，S3、发泡处理和S4、洗涤干燥；本申请的高强韧型珍珠棉材料可用于产品的包装和运输，能较好地提高包装材料的运输性能和使用性能，具有良好的韧性强度机械性能。
Description
技术领域
本申请涉及珍珠棉领域，更具体地说，它涉及一种高强韧型珍珠棉材料及其制备方法。
背景技术
可发性聚乙烯，又称珍珠棉，其具有质轻、回复率高、性能优良、柔韧性好等特点，对产品尺寸的包容度大，广泛应用于各类产品的缓冲包装，尤其是易损产品的包装上。
相关技术中公开号为CN111621075A的中国专利，公开了一种枕芯材料用珍珠棉颗粒的制备方法，包括以下操作骤：（1）将硅酸钠溶液和碳酸氢钠溶液混合均匀，制得硅胶溶胶体系，然后加入聚乙烯醇、磷酸三钙、硅酸钠溶液、碳酸氢钠溶液，得到硅胶凝胶体系；（2）硅胶凝胶体系中加入环烷酸钴、硝酸镧溶液，反应后，得到抗菌剂；（3）将低密度高压聚乙烯、滑石粉、聚乳酸树脂加入至挤出机内，再向其中泵入丁烷、抗菌剂、香芹酚、单甘脂，反应后形成发泡体，将发泡体挤出、牵引、裁剪处理后，得到珍珠棉，再将珍珠棉采用家纺珍珠棉机处理后，得到枕芯材料用珍珠棉颗粒。
针对上述中的相关技术，发明人认为，现有珍珠棉材料为聚乙烯经发泡制备而成，由于聚乙烯发泡导致其结晶形态发生改变，导致聚乙烯发泡生产的珍珠棉材料的韧性强度和力学性能不佳。
发明内容
为了改善现有珍珠棉材料的韧性强度和力学性能不佳的缺陷，本申请提供一种高强韧型珍珠棉材料及其制备方法，采用如下的技术方案：
第一方面，本申请提供一种高强韧型珍珠棉材料，由包括下列重量份的物质经发泡后制成：45～50份低密度聚乙烯、6～8份聚乙烯颗粒、0.75～1.0份抗氧化剂和6～8份增韧改填料；所述增韧改性填料包括粒径为1000～2000目的二氧化钛微球颗粒。
通过采用上述技术方案，由于本申请选用了低密度聚乙烯和聚乙烯混合作为材料的基体，延缓了简单采用单一低密度聚乙烯材料进行发泡处理时的结晶速率，从而改变发泡后材料的流变性，提高了珍珠棉材料的力学强度和韧性性能；
在此基础上，本申请采用二氧化钛微球进行增韧改性，由于二氧化钛微球的比表面积大，其表面的物理和化学缺陷多，微球粒子与高分子链发生物理或化学结合，从而增加了树脂基体的强度，同时二氧化钛微球颗粒与基体接触面积大，当材料受冲击时，会产生比一般填料存在时更多的微开裂，吸收更多的冲击能，从而阻止和钝化裂纹进一步扩展，从而有效改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
进一步地，所述高强韧型珍珠棉材料还包括10～15重量份的无机晶须，所述无机晶须长径比为55～60。
通过采用上述技术方案，由于本申请还选用了无机晶须为增韧改性材料，由于无机晶须能够在高聚物中形成骨架结构，当复合材料受到应力作用时，能够帮助珍珠棉基体材料承担部分应力，从而使珍珠棉材料的韧性提高，从而有效改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
进一步地，所述无机晶须为四针状结构的氧化锌晶须。
通过采用上述技术方案，由于本申请优化了无机晶须的结构，采用了四针状结构的氧化锌晶须材料为增韧改性剂，由于四针状的晶须材料与一维的平直纤维结构不同，能有效避免其与聚合物共混过程中因聚合物熔体流动而带来的纤维混乱的现象，通过四针状结构的氧化锌晶须纤维取向，经拉伸、冲击，使其垂直于熔体流动的方向，提高了晶须材料在材料中的缠结结构，从而进一步优化了珍珠棉材料的结构性能，改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
第二方面，本申请提供一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，所述高强韧型珍珠棉材料的制备步骤包括：S1、原料处理：按配方将低密度聚乙烯、聚乙烯颗粒、抗氧化剂、增韧改填料和无机晶须搅拌混合并收集混合物料S2、共混挤出：将混合物料添加至挤出机中，经熔融共混并调节挤出机1～7区各区间温度为：150℃、155℃、160℃、165℃和160℃，挤出造粒并收集挤出粒料；S3、发泡处理：将挤出粒料、分散介质和分散剂混合，再添加发泡剂后，加热加压并发泡处理；S4、洗涤干燥：待发泡处理后，收集发泡材料并用去离子水洗涤，自然干燥，即可制备得所述高强韧型珍珠棉材料。
通过采用上述技术方案，本申请先通过将各原料混合并共混处理，通过共混后形成的原料具有良好的结构性能和力学强度，优化了基体材料的结构性能，在此基础上再进行发泡处理，形成的珍珠棉材料由于调整了基体材料的结构，所成型的珍珠棉材料具有更加优异韧性强度，同时该方案制备的珍珠棉材料简单，在有效改善珍珠棉力学强度的同时提高了制备的效率。
进一步地，步骤S1所述的原料处理还包括氧化锌晶须表面活化处理，所述氧化锌晶须表面活化处理步骤包括：S11、按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、80～90份无水乙醇、3～5份硅烷偶联剂和20～30份氧化锌晶须，搅拌混合，得混合液；S12、对混合液中添加盐酸并调节pH至4.5，静置8h后，过滤并收集滤饼，洗涤干燥后，再在145℃下干燥活化6～8h，制备得表面活化氧化锌晶须。
通过采用上述技术方案，由于本申请对氧化锌晶须表面进行了活化处理，经活化处理的氧化锌晶须的表面能有效降低，改善了氧化锌晶须的表面强极性，从而提高了珍珠棉基体与填料之间的相容性和界面间相互作用活性，使氧化锌晶须能均匀稳定地分散在珍珠棉基体内部，防止氧化锌晶须在基体内部发生团聚，进一步改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
进一步地，步骤S2所述的分散介质为去离子水，所述分散剂、分散介质和挤出粒料的质量比为挤出粒料：分散介质：分散剂=3～5:15～20:1。
通过采用上述技术方案，由于本申请优化了分散剂、分散介质和挤出粒料的混合分量，使挤出粒料能在分散介质中有效分散的同时，将分散剂有效包覆在挤出粒料的表面，进一步改善了挤出粒料的表面分散性，从而提高了基体材料的表面性能。
进一步地，步骤S3所述的发泡剂为CO2。
通过采用上述技术方案，由于本申请选用二氧化碳为原料进行发泡处理，由于二氧化碳达到超临界状态条件温和，容易实现，通由于二氧化碳在聚合物中的溶解度大，成核密度大，可形成的泡孔尺寸小且分布均匀，在基体材料内部形成良好的扩散，从而使发泡制备的珍珠棉材料具有优异的结构性能和孔隙结构，进一步改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
进一步地，步骤S3所述的发泡处理步骤包括：
S31、将分散剂、分散介质和挤出粒料添加至反应釜中，添加CO2发泡剂至反应釜压强为2MPa，调节发泡温度至145℃，保温保压发泡处理20min。
通过采用上述技术方案，由于本申请优化了发泡的温度和压强，通过保温保压的发泡处理，提高珍珠棉发泡基体对二氧化碳的溶解度，使CO2气体更容易进入聚合物基体内，使其发泡得更加彻底，同时本申请在釜中优化了发泡的温度，发泡的温度的提高，分子链间的发泡剂气体扩散速率有效增加，有利于向气泡核方向扩散，提高了发泡剂的利用率，增加了泡孔的体积和聚合物的膨胀倍率，使制备的珍珠棉材料的均匀性和韧性强度进一步提高。
进一步地，步骤S3所述的分散剂为分子量为6000～8000的聚丙烯酸钠。
通过采用上述技术方案，由于本申请优选了分子量为6000～8000的聚丙烯酸钠为分散剂，由于该分散剂一方面具有良好的分散性能，能形成良好的分散体系，另一方面，本申请采用的该分散剂在后续的处理上，能有效地被去除，从而有效改善了制备过程中的制备效率，提高了生产的效率，降低了生产的成本。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
第一、本申请选用了低密度聚乙烯和聚乙烯混合作为材料的基体，延缓了简单采用单一低密度聚乙烯材料进行发泡处理时的结晶速率，从而改变发泡后材料的流变性，提高了珍珠棉材料的力学强度和韧性性能；
在此基础上，本申请采用二氧化钛微球进行增韧改性，由于二氧化钛微球的比表面积大，其表面的物理和化学缺陷多，微球粒子与高分子链发生物理或化学结合，从而增加了树脂基体的强度，同时二氧化钛微球颗粒与基体接触面积大，当材料受冲击时，会产生比一般填料存在时更多的微开裂，吸收更多的冲击能，从而阻止和钝化裂纹进一步扩展，从而有效改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
第二、本申请还选用了无机晶须为增韧改性材料，由于无机晶须能够在高聚物中形成骨架结构，当复合材料受到应力作用时，能够帮助珍珠棉基体材料承担部分应力，从而使珍珠棉材料的韧性提高，从而有效改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
第三、本申请优化了无机晶须的结构，采用了四针状结构的氧化锌晶须材料为增韧改性剂，由于四针状的晶须材料与一维的平直纤维结构不同，能有效避免其与聚合物共混过程中因聚合物熔体流动而带来的纤维混乱的现象，通过四针状结构的氧化锌晶须纤维取向，经拉伸、冲击，使其垂直于熔体流动的方向，提高了晶须材料在材料中的缠结结构，从而进一步优化了珍珠棉材料的结构性能，改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
第四、本申请先通过将各原料混合并共混处理，通过共混后形成的原料具有良好的结构性能和力学强度，优化了基体材料的结构性能，在此基础上再进行发泡处理，形成的珍珠棉材料由于调整了基体材料的结构，所成型的珍珠棉材料具有更加优异韧性强度，同时该方案制备的珍珠棉材料简单，在有效改善珍珠棉力学强度的同时提高了制备的效率。
具体实施方式
以下结合制备例、实施例和对比实施例对本申请作进一步详细说明。
若无特殊说明，本申请的实施例、对比例和对比实施例的原料均能通过市售购得；
抗氧化剂：抗氧化剂1010；
硅烷偶联剂：硅烷偶联剂KH550；
电子万能试验机：MEGA1510。
制备例
表面活化氧化锌晶须制备
制备例1
取5.0kg去离子水、9kg无水乙醇、0.5kg硅烷偶联剂和3kg长径比为55的四针状结构氧化锌晶须，搅拌混合，得混合液，对混合液中添加0.1mol/L盐酸并调节pH至4.5，静置8h后，过滤并收集滤饼，洗涤干燥后，再在145℃下干燥活化8h，制备得表面活化氧化锌晶须1。
制备例2
取4.7kg去离子水、8kg无水乙醇、0.4kg硅烷偶联剂和2.5kg长径比为57的四针状结构氧化锌晶须，搅拌混合，得混合液，对混合液中添加0.1mol/L盐酸并调节pH至4.5，静置8h后，过滤并收集滤饼，洗涤干燥后，再在145℃下干燥活化7h，制备得表面活化氧化锌晶须2。
制备例3
取5.0kg去离子水、9kg无水乙醇、0.5kg硅烷偶联剂和3kg长径比为60的四针状结构氧化锌晶须，搅拌混合，得混合液，对混合液中添加0.1mol/L盐酸并调节pH至4.5，静置8h后，过滤并收集滤饼，洗涤干燥后，再在145℃下干燥活化8h，制备得表面活化氧化锌晶须3。
实施例
实施例1
S1、原料处理：取45kg低密度聚乙烯、6kg聚乙烯颗粒、0.75kg抗氧化剂、6kg的1000目的二氧化钛微球颗粒和10kg表面活化氧化锌晶须1搅拌混合并收集混合物料；
S2、共混挤出：将混合物料添加至挤出机中，经熔融共混并调节挤出机1～7区各区间温度为：150℃、155℃、160℃、165℃和160℃，挤出造粒并收集挤出粒料；
S3、发泡处理：将3kg挤出粒料、15kg分散介质和1kg的分子量为6000的聚丙烯酸钠混合，再添加CO2发泡剂至反应釜压强为2MPa，调节发泡温度至145℃，保温保压发泡处理20min；
S4、洗涤干燥：待发泡处理后，收集发泡材料并用去离子水洗涤，自然干燥，即可制备得所述高强韧型珍珠棉材料。
实施例2～5
实施例2～5：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，实施例中各原料的添加组分如表1所示，其余制备步骤和制备环境均与实施例1相同。
表1实施例1～5各原料组分配比表
实施例6：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于实施例6的二氧化钛微球颗粒粒径为1500目，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
实施例7：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于实施例7的二氧化钛微球颗粒粒径为2000目，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
实施例8：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于实施例8的聚丙烯酸钠的分子量为7000，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
实施例9：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于实施例9的聚丙烯酸钠的分子量为8000，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
对比例
对比例1：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，对比例1中采用1000目氧化锌颗粒代替实施例1中的二氧化钛微球颗粒，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
对比例2：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，对比例2中采用的二氧化钛微球颗粒粒径为500目，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
对比例3：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，对比例3中采用的二氧化钛微球颗粒粒径为3000目，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
对比例4：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，对比例4中采用长径比为55的碳纤维代替实施例1中的表面活化氧化锌晶须1，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
对比例5：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，对比例5中采用的未经表面活化氧化锌晶须代替实施例1中的表面活化氧化锌晶须1，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
对比例6：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，对比例6中采用挤出机挤出发泡，发泡剂为偶氮二甲酰胺，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
对比例7：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，对比例7中采用二氯二氟甲烷代替实施例1中的二氧化碳作为发泡剂进行物理发泡，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
对比例8：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，对比例8采用无机分散剂滑石粉，代替实施例1中采用的分散剂，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
对比实施例
对比实施例1：一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，与实施例1的区别在于，对比实施例1未添加无机晶须，其余制备方案和材料组成均与实施例1相同。
性能检测试验
分别对实施例1～9、对比例1～8和对比实施例1中制备的珍珠棉进行性能测试。
检测方法/试验方法
取制备的珍珠棉并裁剪成试样，在QYJ型缺口型制样机上制得V型缺口，缺口深度为2.5mm，除去缺口后的剩余厚度为10mm、缺口尖端曲率半径为0.25mm，加工好的缺口试样在冲击实验室的温度下放置12后，在XJU-22型冲击实验机上测试其冲击强度。每组测试个样条，结果取平均值，具体检测结果如下表2所示：
表2性能测试表
由上表2进行性能分析：
（1）由实施例1～9各组分配比结合表2可以发现，经本申请制备后的珍珠棉具有良好的冲击强度，说明本申请实施例制备的珍珠棉材料具有良好的韧性性能，也说明本申请技术方案选用了低密度聚乙烯和聚乙烯混合作为材料的基体，提高了珍珠棉材料的力学强度和韧性性能，在此基础上，本申请采用二氧化钛微球进行增韧改性，增加了树脂基体的强度，有效改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
（2）将对比例1～3与实施例1进行性能对比，由于对比例1～3改变了添加的增韧颗粒的组分，由表2可以看出，其性能显著降低，说明本申请技术方案采用二氧化钛微球进行增韧改性，通过微球粒子与高分子链发生物理或化学结合，增加了树脂基体的强度，同时，二氧化钛微球颗粒与基体接触面积大，当材料受冲击时，会产生比一般填料存在时更多的微开裂，吸收更多的冲击能，从而阻止和钝化裂纹进一步扩展，从而有效改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
（3）结合对比例4～5和实施例1进行对比，由表2看，其韧性强度有所降低，这说明本申请技术方案采用了四针状结构的氧化锌晶须材料为增韧改性剂，由于四针状的晶须材料能够避免一维平直纤维在与聚合物共混过程中因聚合物熔体流动而带来的纤维取向沿熔体流动方向，通过四针状结构的晶须纤维取向，经拉伸、冲击，使其垂直于熔体流动的方向，提高了晶须材料在材料中的缠结结构，从而进一步优化了珍珠棉材料的结构性能，改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
（4）结合对比例6～7和实施例1进行对比，由表2看，其韧性性能有所降低，这说明本申请技术方案选用二氧化碳为原料进行发泡处理，由于二氧化碳达到超临界状态条件温和，容易实现，通由于二氧化碳在聚合物中的溶解度大，成核密度大，可形成的泡孔尺寸小且分布均匀，在基体材料内部形成良好的扩散，从而使发泡制备的珍珠棉材料具有优异的结构性能和孔隙结构，进一步改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度，同时优化了发泡的温度和压强，通过保温保压的发泡处理，提高珍珠棉发泡基体对二氧化碳的溶解度，CO2气体更容易进入聚合物基体内，使其发泡得更加彻底，提高了发泡剂的利用率，增加了泡孔的体积和聚合物的膨胀倍率，使制备的珍珠棉材料的均匀型和韧性强度进一步提高。
（5）结合对比例8和实施例1进行对比，对比例8调整了分散剂的种类，由表2可以看出，其韧性性能不佳，这说明本申请技术方案选用的聚丙烯酸钠具有良好的分散性能。
（6）将对比实施例1和实施例1进行对比，对比实施例1不设置无机晶须，结合对比实施例1数据，可以进一步说明本申请技术方案选用了无机晶须为增韧改性材料，由于无机晶须能够在高聚物中形成骨架结构，当复合材料受到应力作用时，能够帮助珍珠棉基体材料承担部分应力，从而使珍珠棉材料的韧性提高，从而有效改善了珍珠棉材料的韧性性能和机械强度。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (9)
1.一种高强韧型珍珠棉材料，其特征在于，所述高强韧型珍珠棉材料由包括下列重量份的物质经发泡后制成：
低密度聚乙烯45～50份；
聚乙烯颗粒6～8份；
抗氧化剂0.75～1.0份；
增韧改填料6～8份；所述增韧改性填料包括粒径为1000～2000目的二氧化钛微球颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧型珍珠棉材料，其特征在于，所述高强韧型珍珠棉材料还包括10～15重量份的无机晶须，所述无机晶须长径比为55～60。
3.根据权利要求2所述的一种高强韧型珍珠棉材料，其特征在于，所述无机晶须为四针状结构的氧化锌晶须。
4.一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，其特征在于，所述高强韧型珍珠棉材料的制备步骤包括：
S1、原料处理：按配方将低密度聚乙烯、聚乙烯颗粒、抗氧化剂、增韧改填料和无机晶须搅拌混合并收集混合物料；
S2、共混挤出：将混合物料添加至挤出机中，经熔融共混并调节挤出机1～7区各区间温度为：150℃、155℃、160℃、165℃和160℃，挤出造粒并收集挤出粒料；
S3、发泡处理：将挤出粒料、分散介质和分散剂混合，再添加发泡剂后，加热加压并发泡处理；
S4、洗涤干燥：待发泡处理后，收集发泡材料并用去离子水洗涤，自然干燥，即可制备得所述高强韧型珍珠棉材料。
5.根据权利要求4所述的一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的原料处理还包括氧化锌晶须表面活化处理，所述氧化锌晶须表面活化处理步骤包括：
S11、按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、80～90份无水乙醇、3～5份硅烷偶联剂和20～30份氧化锌晶须，搅拌混合，得混合液；
S12、对混合液中添加盐酸并调节pH至4.5，静置8h后，过滤并收集滤饼，洗涤干燥后，再在145℃下干燥活化6～8h，制备得表面活化氧化锌晶须。
6.根据权利要求4所述的一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的分散介质为去离子水，所述分散剂、分散介质和挤出粒料的质量比为挤出粒料：分散介质：分散剂=3～5:15～20:1。
7.根据权利要求4所述的一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，其特征在于，步骤S3所述的发泡剂为CO2。
8.根据权利要求4所述的一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，其特征在于，步骤S3所述的发泡处理步骤包括：
S31、将分散剂、分散介质和挤出粒料添加至反应釜中，添加CO2发泡剂至反应釜压强为2MPa，调节发泡温度至145℃，保温保压发泡处理20min。
9.根据权利要求4所述的一种高强韧型珍珠棉材料的制备方法，其特征在于，步骤S3所述的分散剂为分子量为6000～8000的聚丙烯酸钠。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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