聚烯烃发泡板材技术版支持.doc

聚烯烃发泡板材的技术支持软质聚氯乙烯在混炼时加入适量的发泡剂，经发泡加工成型可制成泡沫塑料，用作泡沫拖鞋，凉鞋，鞋垫，坐垫和防震缓冲的包装材料。聚氯乙烯也可以用挤出机制成发泡硬质板材，替代木材作为建筑材料。聚氨酯为材料的发泡塑料，由于在发泡过程中会产生有毒的异氰酸酯残留物、不能回收，也限制了它的发展。相对而言，聚烯烃发泡塑料存在很多优点，比如其具有优良的耐热性(最高使用温度可达130200)，常温下较高的韧性，拉伸强度和冲击强度，优异的耐微波性和可降解性，以及从挤出发泡到热成型总的加工成本低于发泡PS等，引起了人们的高度重视。由于聚烯烃发泡材料的无与伦比的优点及在不同领域的应用，其市场发展空间相当的广阔。比如，交联聚乙烯发泡片材具有良好保温特性、弹性好、不透气、不腐烂、抗老化、质量轻、造价低，是用于塑料大棚保温被的最佳材料。在我国且不论温室棚菜生产这个农业支撑产业，单在利用大棚发展养殖业就有十分诱人的市场空间。据不完全统计，我国用于种养业的塑料大棚达6000万亩以上 ,并以每年10%的速度增长。若有5%的用户改用此种材料保温，每年就需300余万亩的大棚保温被，可创净利润近500万元，年交税额达到79万元。因此，在一些工业发达国家，聚烯烃发泡塑料的生产已经成为一种重要的行业，开发聚烯烃发泡材料以满足不同环境下的应用已经成为一个时代要求。1.2立项意义1本项目的研究实现了以塑代木并与现代社会所倡导的环保、节能、高效、合理的利用资源的理念相一致，同时对缓解当前国际社会对塑料需求量与环境保护矛盾的压力有显著作用。2本项目关键技术的集成和示范，将形成生产聚烯烃发泡材料的理论和工艺指导文件，它可以推动我市塑胶行业企业实现产品的转型升级，通过项目的进一步孵化，吸引一批企业投资进入发泡材料生产领域，从而推动地方经济发展。3聚烯烃发泡材料广泛应用于汽车零配件行业，在具有汽车零配件基地之称的瑞安具有很大的市场空间，可带动瑞安原材料和生产设备产业的整体发展。4可以为企业为主体的科技创新载体提供可资借鉴的经验，产学研联合开发，用研究成果的直接产业化创造的经济效益来激活发展民营研发机构，形成良性循环，增强区域技术创新能力和创新水平，促进我国科技事业更好更快发展。2. 国内外研究的现状和发展趋势1931年瑞典的Munters和Tandberg发明了泡沫聚苯乙烯并于1935年获得了美国专利。1940年前后德国的OttoBayer发明了聚氨酯泡沫塑料并在第二次世界大战中首先用于军用飞机上。1958年美国的DOW化学公司用挤出法生产出高发泡的聚乙烯，但是这种方法仅能生产薄的片材。20世纪60年代初又发明了聚乙烯的化学交联方法，提高聚乙烯的熔体强度。20世纪60年代中期日本的积水化学公司与东丽公司各自独立开发了辐射交联的方法生产聚乙烯泡沫。欧州大约从七十年代开始生产交联聚乙烯发泡材料,交联发泡聚丙烯1980年才实现工业化。据1999年的统计日本辐射交联聚乙烯泡沫塑料的产量已达15000吨。20世纪70年代联邦德国BASF公司又发明了注射成型聚烯烃泡沫塑料。近年来，其它一些国家也开发出不同用途的聚丙烯发泡产品。意大利AMUT公司的挤出发泡PP片材是泡沫塑料产品的最新进展。它应用Montell公司的高熔体强度聚丙烯(HMSPP)、PP均聚物VA及低臭氧消耗潜值(ODP)化学发泡剂，生产出具有细小且均匀分布微孔的聚丙烯发泡片材(FPP)，密度为0.6g/cm3，发泡PP用的HMSPP仅占12.5%，具有极大的经济和环境意义。英国的Packaging Trays公司已经在旋转热成型机上热成型发泡PP片材。该公司采用化学交联剂生产的发泡PP片材密度为0.5g/cm3，主要用于汽车工业，制造地毯背衬材料、遮光板、门衬和行李架等。JSP（株）开发出一种无交联高发泡聚乙烯板材，添加有永久防静电聚合物助剂，还具有缓冲性、节省资源和可回收等特点，可用于防止静电引起的灰尘等的吸附、IT相关制品、食品等的缓冲包装材料。目前全世界范围内已有JSP、BASF、GEFINEX等公司的多家工厂在生产PP发泡模塑制品。据不完全统计，美国1999年PP泡沫塑料的消耗量350kt，欧洲为170kt，日本为10kt，亚洲其它国家为7kt。美国将JSP公司的PP泡沫塑料主要用来制造汽车零部件，欧洲将JSP公司60%的PP泡沫塑料用于汽车零部件的制造，其余40%主要用于包装行业，亚洲其它国家将JSP公司的PP泡沫塑料用于汽车零部件的制造，30%左右用于包装制品。我国发泡PP的研究始于70年代末期。上海化工厂采用中部进料的螺杆机头法挤出成型宽度为400mm左右，厚度为12-15mm的低发泡PP板材，其皮层厚度约1.5-2mm，密度为0.50g/cm3，交联度为7.8%。中国石油化工集团公司北京化工研究所承担了国家科技部的“九五”攻关课题，研制出具有较高熔体强度的新型改性PP，可用来生产发泡倍率在10倍以上的PP泡沫，也可以应用于热成型等其他方面。但目前聚烯烃发泡材料在国内工业化较为缓慢，且存在产品易变形、易燃、成本高等缺点。这是因为该项生产具有很高的技术难度，诸如泡孔结构、配方、原料、工艺等等，虽然国内多个大学和研究单位也从事这方面的研究，但是一直没有对产业起到支撑作用，究其原因主要为该产品开发生产涉及到材料、设备、模头、工艺及其集成和资金等系统技术和管理问题，仅仅靠一个科研院（所）难以解决所有的难题，因此，该生产的技术和材料受制于国外，致使许多已开工生产的企业举步维艰，进度缓慢，面对国内巨大的市场至今无法形成产业化规模。我们只有拥有自主知识产权，产品立足于自主开发，才能带来经济效益和服务于广大人民群众。基于这样的思路，我们决心以自已的力量开发研究聚烯烃发泡材料，为我国发泡技术的发展创出一条新路。3. 项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点3.1 项目研究开发主要内容针对国内聚烯烃发泡板开发中存在的原料、设备、技术和工艺优化等关键技术问题，本项目在聚烯烃自由发泡板及结皮发泡板的研制、设备改造、生产工艺开发及开拓应用领域等方面开展研究，主要包括：3.1.1 聚烯烃自由发泡板材的研制 聚烯烃自由发泡板的性能主要由配方、原料、设备及生产工艺等因素决定。对于配方，用于聚烯烃低密度自由发泡挤出板材的物料，是以聚烯烃树脂为主料，添加稳定剂、改性剂、润滑剂、发泡剂、成核剂、阻燃剂等辅料经混合而成，主、辅材料的种类和质量直接影响加工性能，因此，我们通过对聚烯烃自由发泡板材生产工艺、产品性能及应用场合要求的分析,采用正交化试验方法、Brabender流变仪、双螺杆挤出机等先进设备进行一系列的优化试验，考察发泡剂、稳定剂、高分子改性剂、成核剂、阻燃剂等添加剂对产品性能的影响，并筛选出阻燃性能好、密度低、产品性能好的配方。然后根据所选择的配方进行生产工艺参数（包括混合工序、挤出工序、后续工序）的设定，如投料方法、混料温度、加工温度、机头压力、螺杆转速及牵引速度等，并对实验进行分析校正，最后择优确定工艺参数。3.1.2 聚烯烃结皮发泡板材的研制 聚烯烃结皮发泡表面能形成一层硬皮，表面平整光滑，不吸水，绝缘，隔热，具有优良的化学稳定性，耐腐蚀性，能与木材同等加工等优点。我们通过考虑成型工艺及产品使用性能要求、各助剂之间的相互影响、助剂与树脂的相溶性、助剂合理的添加量以及成本因素，对配方进行设计，并研究了挤出机料筒及模具温度、挤出速度、冷却模温度等生产工艺条件对产品性能的影响，确定最佳生产工艺条件。另外，对生产过程中产生的一系列质量缺陷，如结皮发泡材料表面局部或整体结皮薄、硬度低、断面有比较大的气泡、表面有收缩痕、凹线凹凸不平等问题，进行分析研究，寻求解决方法。3.1.3 关键设备单元的改进和创新研究 聚烯烃发泡片材挤出机其塑化、混合能力对泡沫体的质量有着极其重要的影响 ,混合均化能力不足是无法生产泡孔均匀致密、密度小的泡沫制品的。为了提高螺杆的混合均化能力,并且能稳定地挤出，我们通过适当地缩短螺距来增加物料停留时间，提高螺杆的塑化均化能力；混和段和均化段前半部分开设反螺纹方向的螺旋槽，增强分流混合的效果，大幅度地提高熔体各组分的分散性,以促进气泡核大量、细密地增长。采用最先进的高效双螺旋流道叠加共挤模头，二元预分配系统结合螺旋型芯的设计，保证了最短的驻留时间和熔体各部分之间的均匀的温度，大大节省了动力，减少机械损耗。3.1.4 聚烯烃发泡板材应用范围的拓宽研究鉴于聚烯烃发泡板材的性能，其应用领域是有限的。例如传统的聚烯烃自由发泡材料广泛应用于广告刻字，建筑及装饰材料，交通运输工具的内装饰材料及家具门窗的装饰材料。但是，聚烯烃发泡板本身具有很多潜在的优点，因此通过研究扩大其应用范围是可能的。比如，聚乙烯发泡板作为一种新型的接缝止水材料由于制作简单、运输方便、安装方便、美观等原因正广泛应用于水利工程。聚丙烯发泡板具有优良的物理、环保和安全性能, 符合汽车工业轻量化、舒适性、安全性、环保性和同质化的技术发展趋势，已被研究出作为轻量环保型汽车内饰材料。因此，我们通过研究聚烯烃发泡板的潜在优点，并添加一些特殊助剂来拓宽其应用领域，尽量地发挥其价值。3.2 拟解决的关键技术问题3.2.1 聚烯烃发泡板材配方的确定 配方是否合适直接影响产品的最终性能。然而研究配方是个复杂、烦琐的过程，因为配方中除了主料之外，稳定剂、改性剂、润滑剂、发泡剂、成核剂、阻燃剂等辅料经混合而成，每一种助剂的种类和用量对产品的性能都会产生较大的影响。我们采用正交化试验方法、Brabender流变仪、双螺杆挤出机等先进设备进行一系列的优化试验，研究了各助剂之间的相互影响、助剂与树脂的相溶性、助剂合理的添加量以及最佳经济效益，筛选出阻燃性能好、密度低、产品性能好、成本低的配方。3.2.2 熔体强度及机械强度的提高 聚烯烃发泡过程中普遍存在的问题是聚烯烃为结晶性聚合物，结晶度较高，在温度到达结晶熔融温度后,其熔体粘度迅速下降，使发泡过程中产生的气体很难保持住，因此如何提高聚烯烃的熔体强度是其发泡成型中一个必须解决的问题。另外，目前国内的聚烯烃发泡材料普遍存在机械强度不高，产品久置或加工后易变形的问题。为了改善聚烯烃发泡时的熔体强度和产品的机械强度，我们采用对聚合物基体进行共混改性以及化学交联改性。对于共混改性，通过研究共混物的种类，如聚乙烯、乙烯醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶、纤维素等，分子量及混合比来提高熔体强度。对于化学交联改性，技术关键是控制交联度，研究最佳的凝胶量。如果交联度过低，不能保持从发泡剂产生的气体；如果交联度过高，弹性过大，树脂不能充分膨胀，难以提高膨胀倍率。3.2.3 无卤阻燃性能的提高 聚烯烃发泡板被广泛应用于包装、运输、汽车、保温、建筑等领域，但由于其氧指数低，易燃烧，且燃烧时产生熔滴行为，极大地限制了其应用。目前对聚烯烃进行改性的阻燃材料大部分为含卤阻燃剂，火灾发生时，这类含卤阻燃剂会产生大量的烟雾和有毒的腐蚀性卤化氢气体，造成二次危害。鉴于此，我们采用碱式氢氧化物与阻燃增效剂组成的无卤阻燃复合体系，利用阻燃剂与聚烯烃熔融共混的改性方法，并通过研究阻燃剂与聚烯烃的比例、阻燃剂之间的协同效应、阻燃剂与聚烯烃相容性等对聚烯烃发泡板最终性能的影响，确定出最佳阻燃配方。3.3 主要创新点（1）研究了稳定剂、改性剂、润滑剂、发泡剂、成核剂、阻燃剂等助剂的种类、用量及相互作用对产品性能的影响，确定出阻燃性高、密度低、产品性能好、成本低的配方。（2）材料的改性和选择上实现性能和价格的优化。本项目以价格较低的通用聚烯烃材料为基材，通过与乙烯醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶、纤维素等聚合物的共混改性以及选用合适的交联剂进行化学交联改性来提高发泡过程中的熔体强度以及产品的机械强度，进而弥补了发泡板易变形的缺陷。（3）为了提高发泡板的阻燃性能，采用碱式氢氧化物与阻燃增效剂组成的无卤阻燃复合体系，利用阻燃剂与聚烯烃熔融共混的改性方法，并通过研究阻燃剂与聚烯烃的比例、阻燃剂之间的协同效应、阻燃剂与聚烯烃相容性等对聚烯烃发泡板最终性能的影响，确定出最佳阻燃配方。4. 项目预期目标（主要技术经济指标、社会效益、技术应用和产业化前景以及获取自主知识产权的情况）。4.1 主要技术指标（1） 邵氏硬度（D）：45（2） 拉伸强度：12MPa（3） 简支粱冲击强度：11或不断裂（4） 氧指数（LOI）：264.2市场前景高性能泡沫塑料在市场上的份额逐渐增大，主要原因是此种塑料质量较轻和传统泡沫的的缓冲特性，外加高强度、耐热和阻燃性能、阻尼性能、耐化学性和生物惰性。其相比较于非发泡塑料、金属、天然或合成橡胶更具有竞争性。尤其是我们经过优良改性的微孔成型高性能发泡材料可应用于垫片、密封制品、热屏蔽、冲击和震动垫片、辅助装备和EMI/RFI的电磁屏蔽装置等高精尖产业，具有不可估量的广阔市场。 4.3 产品售价与盈利预测目前市场上普通发泡产品均价在10000元/吨左右，而高性能聚烯烃发泡材料，顾名思义由于其不可取代的优良性能，产品定位于高端产业消耗品，预计售价在22000元/吨，由于运输、电子、保健、工业设备、消费器械、建筑、靴子和运动产品等行业对其大量的需求，因而会很受欢迎。原材料成本仅约8000元/吨，毛利超过50。4.4 社会效益分析（1）项目完成后，建成年产400吨微孔成型高性能聚烯烃发泡材料生产线两条，预计需要50个工作岗位。（2）各行业的制造商正在力求生产质量更轻的运输车辆以便节约燃料，同时也向消费者提供更轻的移动电话、电脑和其它电子产品，但制造商不愿意以牺牲材料的性能或耐用性来减少重量，用以制造结构和绝缘的部件以保证低密度和表面粗糙，而微孔成型高性能聚烯烃发泡材料的各项性能更迎合了这一需求。4.5 技术应用和产业化前景很多工业操作上要求越来越高的温度，所以必须有效利用能源；其次，绝缘、垫片、密封材料等的利用正在急剧增加，而且要适应苛刻的环境，总的说这些材料还没有按照设想的发展。因此高性能发泡材料在接下来的几年时间具有广阔的发展前景。 4.6 知识产权情况通过机理分析和验证，找出制备微孔成型高性能聚烯烃发泡材料的关键因素，争取申请12个国家发明专利，早日产业化出具有自主知识产权的高科技产品，提高原材料、设备和应用领域的整体进步，为国家的科技创新作出贡献。5. 项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解5.1项目技术方案5.1.1原材料不同型号的聚烯烃、不同种类的（发泡剂、稳定剂、改性剂、润滑剂、泡孔调节剂、成核剂、交联剂）、乙烯醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶、纤维素等5.1.2仪器与设备双螺杆挤出机、模具、预冷却机构、三辊压光机、切边机构、油辊温控制器、冷却托架、牵引机、热变形维卡软化点测定仪、简支梁冲击试验机、塑料熔体流动速率测定仪、氧指数测定仪、邵氏硬度测定仪、转矩流变仪、伺服控制拉力试验机等5.1.3生产线 采用聚烯烃自由发泡板及结皮发泡板两条生产线5.2 生产流程图1 聚烯烃自由发泡板生产工艺流程图2 聚烯烃结皮发泡板生产工艺流程5.3组织方式和课题分解本项目分解为三个子课题，即聚烯烃自由发泡板及结皮发泡板的研制、关键设备单元的改进和创新研究、聚烯烃发泡板材应用范围的拓宽研究。项目课题分解和组织形式如下：（1）聚烯烃自由发泡板及结皮发泡板的研制子课题：通过对聚烯烃自由发泡板材生产工艺、产品性能及应用场合要求的分析，考察发泡剂、稳定剂、高分子改性剂、成核剂、阻燃剂等添加剂对产品性能的影响，并对聚烯烃基体进行共混改性及化学交联改性，筛选出阻燃性能好、密度低、产品性能好、成本低的配方；根据所选择的配方进行生产工艺参数（包括混合工序、挤出工序、后续工序）的设定，择优确定工艺参数；（2）关键设备单元的改进和创新研究子课题：采用最先进的高效双螺旋流道叠加共挤模头，二元预分配系统结合螺旋型芯的设计，保证了最短的驻留时间和熔体各部分之间的均匀的温度，大大节省了动力，减少机械损耗。适当地缩短螺距来增加物料停留时间，提高螺杆的塑化均化能力；在混和段和均化段前半部分开设反螺纹方向的螺旋槽，增强分流混合的效果，大幅度地提高熔体各组分的分散性,以促进气泡核大量、细密地增长。（3）聚烯烃发泡板材应用范围的拓宽研究子课题：通过研究聚烯烃发泡