一种聚乙烯发泡材料及其制备方法

技术领域

本发明属于环保材料领域，尤其涉及一种聚乙烯发泡材料及其制备方法。

背景技术

聚乙烯发泡材料是一种使用广泛的缓冲材料，具有密度小，化学性能稳定，不易受腐蚀，耐摩擦，加工性能好，易于成型等特点。聚乙烯发泡材料广泛用于精密仪器仪表、家用电器、玻璃、陶瓷制品、工艺品等的缓冲包装，还可制成冷冻食品和热食品的绝热容器等。

低密度聚乙烯发泡材料一般是采用低密度聚乙烯(LDPE)为基材，添加少量的助剂及发泡剂制备而成，其中的主要成分是聚乙烯(polyethylene，简称PE)，低密度聚乙烯是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂。当前生产乙烯的主要原料是石脑油，石脑油又称化工轻油，是以原油为原料加工生产的用于化工原料的轻质油。由于我国资源处于少油、缺气、富煤的格局，因此石脑油供应非常紧张，需依靠进口石脑油来弥补国内市场缺口。

因此，研发一种能够降低低密度聚乙烯发泡材料中聚乙烯的用量，同时保证材料原有性能的节能环保型聚乙烯发泡材料是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

为克服现有的低密度聚乙烯发泡材料存在起始原料石脑油短缺的缺陷，本发明提供了一种能显著降低聚乙烯发泡材料中聚乙烯用量、且达到与原有的聚乙烯发泡材料性能相似的节能环保型聚乙烯发泡材料及其制备方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种聚乙烯发泡材料，包括如下重量份数的原料：LDPE 5-10份，发泡剂2-4份，交联剂0.4-1份和由木质素磺酸钠改性的壳聚糖100-110份；

其中，所述由木质素磺酸钠改性的壳聚糖是由木质素磺酸钠在酸性条件下对壳聚糖进行改性得到的。

发明人经大量的实验研究发现，在酸性条件下，木质素磺酸钠中的磺酸基与壳聚糖中的羟基反应生成酯基，可实现木质素磺酸钠对壳聚糖的改性，且改性后的壳聚糖具有很好的分散性，无须分离纯化，可直接与其他原料混合进行发泡。由木质素磺酸钠改性的壳聚糖结合交联剂、发泡剂及少量的LDPE，各原料之间发挥协同作用：降低LDPE用量(现有的聚乙烯发泡材料中LDPE的用量至少在25wt％以上)，且制得的发泡材料不仅化学性能稳定，而且力学性能优异：与现有技术相比，其拉伸强度提升了一倍以上，断裂伸长率提升了25％以上，热粘抗拉强度提升了45％以上。此外，壳聚糖、木质素磺酸钠均来源广泛，获取容易，成本低廉。

本发明中提供的聚乙烯发泡材料，通过添加木质素磺酸钠改性的壳聚糖，可降低LDPE用量、降低发泡温度，提升发泡材料的力学性能；此外，该聚乙烯发泡材料还可回收再利用，易降解，对环境友好。

可选地，上述由木质素磺酸钠改性的壳聚糖的制备方法包括如下步骤：

将木质素磺酸钠在酸性水溶液中于50℃-60℃加热处理1h-2h后，加入壳聚糖并搅拌4h-5h后，冷却，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖。

通过限定木质素磺酸钠在酸性水溶液中加热处理的温度及时间，可根据需要调节制得的聚乙烯发泡材料的泡孔直径及回弹性。

可选地，上述壳聚糖与木质素磺酸钠的质量比为1:(2-3)。

通过限定木质素磺酸钠与壳聚糖的质量比，可进一步提高制得的聚乙烯发泡材料的力学性能。

可选地，上述木质素磺酸钠与酸性水溶液的质量比为1:(1-2)；所述酸性水溶液的pH为5-6。

通过进一步限定木质素磺酸钠与酸性水溶液的质量比及酸性水溶液的pH值，可进一步提高木质素磺酸钠改性后的壳聚糖的分散性，调节制得的聚乙烯发泡材料的泡孔。

可选地，上述发泡剂为AC发泡剂和发泡剂H，所述AC发泡剂与发泡剂H的质量比为1:(1.0-1.2)。

通过限定发泡剂的种类，结合AC发泡剂与发泡剂H的质量比，可进一步提高发泡的稳定性，并根据需要调节泡孔的直径。

可选地，上述交联剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、1,3-双(叔丁基过氧基异丙基)苯和2,5-二甲基-2,5-双己烷中的至少一种。

可选地，上述聚乙烯发泡材料还包括硬脂酸0.5-1份。

硬脂酸与其它组分相互配合，不仅可以降低发泡温度即AC发泡剂的分解温度，吸收AC发泡剂在发泡过程中释放的氨气，而且可起到助发泡剂的作用，并根据需要调节聚乙烯发泡材料泡孔的分布。此外，通过调整硬脂酸的用量，还可调整制得的聚乙烯发泡材料表面的粗糙度。

本发明还提供了上述聚乙烯发泡材料的制备方法，包括如下步骤：

将由木质素磺酸钠改性的壳聚糖与发泡剂混合得预混物，然后依次加入LDPE、交联剂，混合后经薄炼成片，模压成型，发泡，即得所述聚乙烯发泡材料。

本发明提供的聚乙烯发泡材料的制备方法，通过由木质素磺酸钠改性的壳聚糖与其他原料混合进行发泡；结合特定的加料顺序：先将由木质素磺酸钠改性的壳聚糖与发泡剂混合后，再依次加入LDPE、交联剂，可降低发泡温度(常规的发泡剂分解温度为195℃-220℃，在其它条件相同的情况下，本发明的发泡温度可降至150℃-170℃)。

本发明提供的聚乙烯发泡材料的制备方法制得的发泡材料不仅化学性能稳定，而且力学性能优异，可回收利用，易降解，节能环保。此外，壳聚糖、木质素磺酸钠均来源广泛，获取容易，成本低廉，且具有良好的生物相容性。

可选地，上述木质素磺酸钠改性的壳聚糖与发泡剂混合的压力为0.4MPa-0.6MPa，时间为10min-20min；

加入LDPE、交联剂后混合时间为3min-5min。

可选地，上述薄炼成片是指将混合后的物料在90℃-100℃薄炼至厚度5mm-8mm。

可选地，上述聚乙烯发泡材料的制备方法还包括将硬脂酸与由木质素磺酸钠改性的壳聚糖、发泡剂一起混合的步骤。

通过将硬脂酸与木质素磺酸钠改性后的壳聚糖、发泡剂一起混合，可进一步降低发泡温度，吸收AC发泡剂在发泡过程中释放的氨气，防止对环境及空气的污染，而且可起到助发泡剂的作用，可根据需要调节制得的聚乙烯发泡材料泡孔的分布性。此外，该步骤还可进一步提高制得的聚乙烯发泡材料表面的粗糙度，防止材料表面太光滑，影响使用。

可选地，上述发泡温度为150℃-170℃，时间为40min-50min，压力为10MPa-15MPa。

通过限定发泡时间、压力及温度，可进一步调节泡孔直径的分布，防止产品内部有洞或发泡剂分解不完全，导致泡孔直径的均匀性较差。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将60kg木质素磺酸钠于180kg pH为5醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理1.5h后，再加入30kg壳聚糖并搅拌5h，冷却至室温，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取110kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖与3kg发泡剂(1.42kg AC发泡剂与1.58kg发泡剂H)、0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入8kg LDPE、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

实施例2

本实施例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将90kg木质素磺酸钠于180kg pH为6醋酸水溶液中于50℃-55℃加热处理2h后，加入30kg壳聚糖并搅拌4h，冷却至室温，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取105kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖与4kg发泡剂(1.82kg AC发泡剂与2.18kg发泡剂H)、0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼20min得预混物；然后依次加入10kg LDPE、0.6kg交联剂过氧化苯甲酰，继续混炼3min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度5mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡45min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

实施例3

本实施例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将75kg木质素磺酸钠于75kg pH为5醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理2h后，冷却至室温后再加入30kg壳聚糖并搅拌4.5h，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取100kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖与2kg发泡剂(AC发泡剂1kg与发泡剂H1kg)、1kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼10min得预混物；然后依次加入5kg LDPE、1kg交联剂(过氧化二异丙苯0.5kg和2,5-二甲基-2,5-双己烷0.5kg)，继续混炼4min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度8mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡50min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

实施例4

本实施例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将60kg木质素磺酸钠于180kg pH为5醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理1.5h后，再加入30kg壳聚糖并搅拌5h，冷却至室温，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取110kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖与3kg AC发泡剂、0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入8kg LDPE、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

实施例5

本实施例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将60kg木质素磺酸钠于180kg pH为5醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理1.5h后，再加入30kg壳聚糖并搅拌5h，冷却至室温，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取110kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖与3kg发泡剂(2.0kg AC发泡剂与1.0kg发泡剂H)、0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入8kg LDPE、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

实施例6

本实施例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将60kg木质素磺酸钠于180kg pH为5醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理1.5h后，再加入30kg壳聚糖并搅拌5h，冷却至室温，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取110kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖与3.0kg发泡剂(1.42kg AC发泡剂与1.58kg发泡剂H)在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入8kg LDPE、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

实施例7

本实施例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将60kg木质素磺酸钠于180kg pH为4醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理1.5h后，再加入30kg壳聚糖并搅拌5h，冷却至室温，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取110kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖与3.0kg发泡剂(1.42kg AC发泡剂与1.58kg发泡剂H)、0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入8kg LDPE、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼4次，每次厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在160℃-170℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

实施例8

本实施例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将60kg木质素磺酸钠于150kg pH为4醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理1.5h后，再加入30kg壳聚糖并搅拌5h，冷却至室温，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取110kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖与3.0kg(1.42kg AC发泡剂与1.58kg发泡剂H)、0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入8kg LDPE、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

实施例9

本实施例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将60kg木质素磺酸钠于180kg pH为5醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理1.5h后，再加入30kg壳聚糖并搅拌5h，冷却至室温，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取110kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖与3.0kg发泡剂(1.42kg AC发泡剂与1.58kg发泡剂H)、0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入8kg回收的聚乙烯发泡材料(实施例1制得的聚乙烯发泡材料应用于高速公路的水泥伸缩缝后回收的)、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

对比例1

本对比例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将60kg木质素磺酸钠、30kg壳聚糖与3.0kg发泡剂(1.42kg AC发泡剂与1.58kg发泡剂H)、0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入8kg LDPE、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

对比例2

本对比例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将60kg海藻酸钠于180kg pH为5醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理1.5h后，再加入30kg壳聚糖并搅拌5h，冷却至室温，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取110kg上述海藻酸钠改性后的壳聚糖与3.0kg发泡剂(1.42kg AC发泡剂与1.58kg发泡剂H)、0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入8kg LDPE、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

对比例3

本对比例提供一种聚乙烯发泡材料，其制备方法如下：

将40kg木质素磺酸钠于200kg pH为5醋酸水溶液中于55℃-60℃加热处理1.5h后，冷却至室温后再加入30kg壳聚糖并搅拌5h，即得木质素磺酸钠改性后的壳聚糖；

先取110kg上述木质素磺酸钠改性后的壳聚糖和0.5kg硬脂酸在空气压力为0.4MPa-0.6MPa的密闭式炼胶机中混炼15min得预混物；然后依次加入3.0kg发泡剂(1.42kgAC发泡剂与1.58kg发泡剂H)、8kg LDPE、0.4kg交联剂过氧化二异丙苯，继续混炼5min至均匀，出料得混炼体；

将混炼体在开放式密炼机上于90℃-100℃薄炼至厚度6mm，然后切割得到的切割体，并将切割体预压成与模具相近的长方体料块装入油压机的模具中，用10MPa-15MPa的油压锁模，在150℃-160℃发泡40min取出发泡体，即得所述聚乙烯发泡材料。

实验例

将各实施例及对比例制得的聚乙烯发泡材料经水利部海河水利委员会基本建设工程质量检测中心检测产品所达到的物理性能指标如下表所示。

表1测试结果

由上表中的数据可知，在酸性条件下，由木质素磺酸钠改性的壳聚糖结合交联剂、发泡剂及少量的LDPE，各原料之间可发挥协同作用，在降低LDPE用量的前提下，制得的发泡材料不仅化学性能稳定，力学性能优异，而且可回收再利用，易降解，节能环保。通过调节各原料的用量及制备过程的参数，可调节制得的聚乙烯发泡材料的密度及泡孔直径的分布，以满足不同领域的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。