超声和水辅助高压流体制备高发泡倍率发泡材料的方法技术

本发明专利技术提供了超声和水辅助高压流体制备高发泡倍率发泡材料的方法，步骤如下：(1)将聚合物坯体用水浸泡至吸水饱和；(2)将吸水饱和的聚合物坯体置于高压腔体中，向高压腔体中加水，然后向高压腔体内通入高压流体对聚合物坯体进行溶胀渗透；(3)开启超声并保持至少5s，然后在开启或关闭超声的状态下将高压腔体内的压力卸压至常压使聚合物坯体发泡，卸压至常压后，继续超声0～30min，关闭超声，将发泡后的聚合物坯体淬冷或后硫化使泡孔结构定型，得到聚合物发泡材料；步骤(2)(3)中，超声波变幅杆和高压腔体中的液态水均不接触聚合物坯体，超声波变幅杆接触高压腔体中的液态水。本发明专利技术可有效提高聚合物发泡材料的发泡倍率。效提高聚合物发泡材料的发泡倍率。

【技术实现步骤摘要】
超声和水辅助高压流体制备高发泡倍率发泡材料的方法


[0001]本专利技术属于聚合物泡沫材料制备
，涉及一种超声和水辅助高压流体制备高发泡倍率发泡材料的方法。

技术介绍

[0002]聚合物发泡材料是以聚合物为基体，引入大量的泡孔后形成的多孔材料，集聚合物材料与泡沫材料的特性于一体。由于具有比重轻、韧性好、耐腐蚀性好、加工成型简单、可循环性能良好、可回收及可重复利用等优良特性，聚合物材料已广泛应用于包装、电器仪表、汽车、医疗、机械零件以及航空航天等领域。聚合物发泡材料除了具有聚合物材料的优良性能，还具有密度低、隔热隔音、比强度高以及缓冲性能好等优点，可用作密封、减震、绝缘以及绝热保温等高性能材料，因此在包装业、工业、农业、交通运输业、军事工业、航天工业以及日用品等领域都得到了广泛的应用。
[0003]聚合物发泡材料的制备方法包括物理发泡法和化学发泡法。传统的化学发泡方法存在着环境污染较为严重的问题，且化学发泡剂会残留在发泡制品中，导致发泡制品的安全性和环保性有限。随着人们环保意识的提高，采用洁净、廉价、环境友好的CO2和N2等作为物理发泡剂进行发泡的技术受到了广泛的关注，采用该方法发泡得到的微发泡材料具有独特的气固两相结构，使得其具有更好的韧性、隔热、隔音以及减震等性能，因而可广泛应用于食品包装、汽车工业、航空航天、隔热以及隔音等领域。较高的发泡倍率会使得聚合物泡沫材料拥有更为优良的隔热、隔音等性能。
[0004]目前，有在超临界流体发泡领域采用共发泡剂进行发泡的文献报道，但采用共发泡剂只能提升材料的部分发泡性能，而利用超声对泡孔进行控制的文献报道则较少。CN113444278A公开了一种利用超声辅助高压流体制备聚合物发泡材料的方法，将样品置于高压釜中，通入高压流体，于恒温恒压条件下保持一段时间，在饱和或/和卸压期间引入超声，其直接将超声变幅杆置于釜腔内部，从而有效减少了超声因穿过釜壁而造成的损失，该方法可以提升泡孔密度。CN101033306A公开了一种热塑性树脂发泡的方法，将在恒温恒压条件下饱和的样品取出，放入处于超声波环境的水浴或油浴中，使样品中的高压流体快速释放而成核发泡。该方法利用超声辅助成核过程，可提升成核密度，但在制备过程中需要转移样品，在样品转移过程中饱和的高压流体可能产生逃逸，而在实际操作中难以确保转移时间一致，因而发泡制品质量的一致性和稳定性难以得到保证。以上两种方法利用超声虽然在不同程度上提升了泡孔密度，但是，发泡倍率相对于未引入超声时的变化并不明显，无法制备出高发泡倍率的聚合物发泡材料，这就限制了超声辅助高压流体发泡技术的实际应用。因此，如何有效提升超声辅助高压流体发泡技术制备的发泡材料的发泡倍率，是超声辅助高压流体发泡技术走向工业化应用必须要解决的问题之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超声和水辅助高压流体制备高
发泡倍率发泡材料的方法，以有效提高聚合物发泡材料的发泡倍率。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种超声和水辅助高压流体制备高发泡倍率发泡材料的方法，该方法采用高压腔体与超声波振动系统进行发泡，超声波振动系统的超声波变幅杆设置于高压腔体内，包括以下步骤：
[0008](1)将聚合物坯体置于水中充分浸泡，直到聚合物坯体达到吸水饱和；
[0009](2)将吸水饱和的聚合物坯体置于高压腔体中，在高压腔体加水，然后向高压腔体内通入高压流体，控制高压腔体内的温度和压力对聚合物坯体进行溶胀渗透至高压流体和水分子在聚合物坯体中达到溶胀平衡；
[0010](3)完成溶胀渗透过程后，开启超声并保持至少5s，然后在开启或关闭超声的状态下将高压腔体内的压力卸压至常压使聚合物坯体发泡，卸压至常压后，继续超声0～30min，关闭超声，将发泡后的聚合物坯体淬冷或后硫化使泡孔结构定型，得到聚合物发泡材料；
[0011]在步骤(2)(3)的制备过程中，超声波变幅杆和高压腔体中的液态水均不接触聚合物坯体，超声波变幅杆接触高压腔体中的液态水。
[0012]上述技术方案的步骤(2)中，向高压腔体中加入的水的量优选为高压腔体容积的2％～15％。
[0013]上述技术方案的步骤(3)中，从第一次开启超声到最后一次关闭超声之间的时间间隔不超过60min。
[0014]进一步地，上述技术方案的步骤(3)中，完成溶胀渗透过程后，开启超声并保持5s～30min，然后在开启或关闭超声状态下将高压腔体的压力卸压至常压使聚合物坯体发泡。
[0015]上述技术方案中，步骤(3)通过超声波振动系统施加的超声波的功率优选为45～1500W、频率优选为20～50kHz。
[0016]上述技术方案的步骤(3)中，施加的超声为连续超声或间歇超声，当施加的超声为间歇超声时，间歇超声的占空比为10％～90％。
[0017]上述技术方案的步骤(2)中，溶胀渗透时高压腔体内的温度和压力根据所采用的高压流体以及聚合物坯体的聚合物基体的种类进行确定，通常，控制高压腔体的温度为0～400℃、压力为0.5～30MPa。进一步地，溶胀渗透的目的是希望高压流体和水分子在聚合物坯体中达到饱状态和或者平衡状态，具体的溶胀渗透的时间，与高压腔体的温度、压力，以及聚合物坯体的厚度等因素有关，通常，控制溶胀渗透时间为0.1～6h。
[0018]上述技术方案的步骤(1)中，将聚合物坯体置于水中浸泡的时间，与聚合物坯体的吸水速率及吸水量有关，而聚合物坯体的吸水速率及吸水量与聚合物坯体的厚度、聚合物坯体的组成等因素有关，所述浸泡至聚合物坯体达到吸水饱和是指浸泡指聚合物坯体达到吸水平衡。
[0019]上述技术方案中，所述聚合物坯体由聚合物基体材料100质量份、0～50质量份填料以及0～10质量份硫化剂经共混、热压成型制备得到。进一步地，所述聚合物基体材料为热塑性聚合物或弹性体。例如，热塑性聚合物可以选自聚苯乙烯、聚乳酸、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮等材料中的任意一种或多种。弹性体可选自聚氨酯、乙烯
‑
辛烯共聚物、聚酰胺类弹性体、丁苯橡胶、丁基橡胶、硅橡胶、顺丁橡胶以及天然橡胶等材料中的任意一种或多种。
[0020]上述技术方案中，所述填料可以为纳米级填料或微米级填料，具体的填料的种类和尺度，根据实际应用需求进行选择。例如，常见的填料包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米蒙脱土、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米晶须、纳米磷灰石、碳黑、玻璃微珠、云母等中的任意一种或多种。
[0021]上述技术方案中，当聚合物基体材料为橡胶弹性体时，在制备聚合物坯体时需要添加硫化剂并且在热压成型时控制热压成型温度使聚合物坯体在热压成型过程中发生预硫化，在卸压发泡后，对发泡后的聚合物坯体进行后硫化使泡孔结构定型。
[0022]上述技术方案中的步骤(2)中，所述高压流体可以是高压二氧化碳、高压氮气、高压空气、高压氩气、高压氦气中的至少一种。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声和水辅助高压流体制备高发泡倍率发泡材料的方法，其特征在于，该方法采用高压腔体与超声波振动系统进行发泡，超声波振动系统的超声波变幅杆设置于高压腔体内，包括以下步骤：(1)将聚合物坯体置于水中充分浸泡，直到聚合物坯体达到吸水饱和；(2)将吸水饱和的聚合物坯体置于高压腔体中，向高压腔体中加水，然后向高压腔体内通入高压流体，控制高压腔体内的温度和压力对聚合物坯体进行溶胀渗透至高压流体和水分子在聚合物坯体中达到溶胀平衡；(3)完成溶胀渗透过程后，开启超声并保持至少5s，然后在开启或关闭超声的状态下将高压腔体内的压力卸压至常压使聚合物坯体发泡，卸压至常压后，继续超声0～30min，关闭超声，将发泡后的聚合物坯体淬冷或后硫化使泡孔结构定型，得到聚合物发泡材料；在步骤(2)(3)的制备过程中，超声波变幅杆和高压腔体中的液态水均不接触聚合物坯体，超声波变幅杆接触高压腔体中的液态水。2.根据权利要求1所述超声和水辅助高压流体制备高发泡倍率发泡材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，向高压腔体中加入的水的量为高压腔体容积的2％～15％。3.根据权利要求1所述超声和水辅助高压流体制备高发泡倍率发泡材料的方法，其特征在于，步骤(3)中，从第一次开启超声到最后一次关闭超声之间的时间间隔不超过60min。4.根据权利要求1所述超声和水辅助高压流体制备高发泡倍率发泡材料的方法，其特征在于，步骤(3)通过超声波振动系统施加的超声波...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖霞，杨亚光，王波，李光宪，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：