可发性聚苯乙烯珠粒的制作方法以及使用该珠粒生产泡沫塑料的方法与流程

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1.本发明涉及泡沫塑料产品技术领域，特指一种用于电器包装用的泡沫塑料的制造方法。


背景技术：

2.可发性聚苯乙烯珠粒(expandable polystyrene monomer简称eps)是在聚苯乙烯珠粒中加入低沸点的液体发泡剂(如：戊烷)，在加温加压的条件下，渗透到聚苯乙烯珠粒中，使其溶胀，制成可发性聚苯乙烯(eps)珠粒。可发性聚苯乙烯(eps)珠粒在受热的情况下，聚苯乙烯软化而低沸点烷烃挥发导致聚苯乙烯珠粒膨胀。利用这一原理，将eps珠粒经过预发、熟化、成型、烘干及切割等加工工艺制得可发性聚苯乙烯制品。它既可用于制成不同密度、不同形状的泡沫塑料制品，又可以生产出各种厚度的泡沫塑料板材，广泛用于建筑、包装、日用品、工业品等领域。
3.可发性聚苯乙烯(eps)珠粒发泡成型的原理如下：
4.一、气泡核的形成
5.所谓气泡核就是指原泡，也就是气体分子最初聚集的地方。塑料发泡过程的初始阶段是在塑料熔体或液体中形成大量的气泡核，然后使气泡核膨胀成发泡体。根据分子架理论，在高分子聚合物的分子结构中存在压力为零的自由空间，不同的高分子聚合物具有不同大小的自由空间。有些高分子聚合物具有较大的自由空间，可以容纳某些发泡剂的渗入。一般来说，要同时具备以上两个条件才能形成气泡核。聚苯乙烯的可压缩性表明其分子架中存在着自由空间，其内压为零。温度低于tg时，聚苯乙烯的自由空间约占13％。戊烷进入这些空间的最大量为6.5％～8.5％。实验及生产实践证明戊烷在聚苯乙烯中的饱和容量是8％～8.25％，形成气泡核必须注意满足以下条件：
6.a、作为泡沫塑料基体的聚合物，其分子架中应用足够量的自由空间，以供聚集足够量的发泡剂，形成气泡核。
7.b、发泡剂一般采用低沸点的有机液体，在一定条件下能渗入聚合物分子架的自由空间中，并受到较大的作用力，使其不易挥发散发。另外，还要求发泡剂的沸点必须低于聚合物的软化点。
8.c、聚集在聚合物分子架中的低沸点发泡剂，其分子在不停地进行扩散运动。因此，含有低沸点发泡剂的聚合物不应在大气中久放。
9.二、气泡的膨胀过程
10.气泡增长的近似计算式：r(t)＝kdcot；其中，
11.r(t)
––
随时间t变化的气泡半径；
12.t
––
时间；
13.d
––
气体的扩散系数；
14.co
–––
气体的初始溶液；
15.k
–––
修正系数(与聚合物粘度和弹性有关)。
16.三、气泡的稳定和固化过程
17.任何一气固或气液相共存的体系，多数是不稳定的。已经形成的气泡可以继续膨胀，也可能合并、塌陷或破裂，因此必须对气泡进行固化。
18.1、固化方法：为了防止气泡破裂，一方面可以从提高熔体的粘弹性入手，使气泡壁有足够的强度，不易破裂。另一方面，控制膨胀速度，兼顾气泡壁应力松弛所需的时间。
19.2、影响固化因素：热塑性泡沫塑料的固化主要是通过冷却来进行的，冷却也是影响固化速度主要因素。为了使泡体的热量通过各种传热途径，散入周围的空气或冷却介质中。采用较多的是用空气或冷却介质直接或间接冷却泡体的表面。但是，由于泡体是热的不良导体，冷却时常常出现表层的泡体已被冷却固化定型，芯部的温度还很高的现象。这时如冷却定型不够，虽然皮层已固化定型，但是芯部的大量热量会继续外传，使皮层的温度回升，再加上芯部泡体的膨胀力，就可能使已定型的泡体形状变形或破坏。因此，发泡制品的冷却固化需要有足够的冷却定型时间和冷却效率来保证。但冷却速度也不宜过快，特别是对收缩率较大的聚合物泡体。
20.根据上面所述，采用可发性聚苯乙烯珠粒(eps)生产家用电器包装用泡沫塑料时，其生产过程如下：
21.1、可发性聚苯乙烯珠粒(eps)的气泡核形成阶段：因可发性聚苯乙烯珠粒(eps)中加入了化学发泡剂——戊烷或气体，当加温或降压时，就会生出气体而形成泡沫，当气体在熔体或溶液中超过其饱和限度而形成过饱和溶液时，气体就会从熔体中逸出而形成气泡。在一定的温度和压力下，溶解度系数的减小将引起溶解的气体浓度降低，放出的过量气体形成气泡。
22.2、可发性聚苯乙烯珠粒(eps)的气泡核增长：在可发性聚苯乙烯珠粒(eps)的发泡过程中，泡孔增长速率是由泡孔内部压力的增长速率和泡孔的变形能力决定的。在气泡形成之后，由于气泡内气体的压力与半径成反比，气泡越小，内部的压力越高，并通过成核作用增加了气泡的数量，加上气泡的膨胀扩大了泡沫体积增长。促进泡沫体积增长的因素主要是溶解气体的增加、温度的升高、气体的膨胀和气泡的和并。
23.3、可发性聚苯乙烯珠粒(eps)泡沫的稳定固化：如果泡孔增长过程在某一阶段未被中断的话，一些泡孔可以增长到非常大，使形成泡孔壁的材料达到材料的破裂极限，最后所有泡孔会相互串通，使得泡沫结构瘪塌，或会出现所有的气体从泡孔中缓慢地扩散到大气中的现象，泡沫中气体的压力逐渐地衰减，那么泡孔会渐渐地变小并消失。因此，在泡沫形成中控制泡孔的增长率和稳定是非常重要的。这可以通过使聚合物母体发生突然固化或使母体变形性逐渐的降低来完成。许多稳定泡沫的方法，可降低其表面张力，减少气体扩散作用，使泡沫稳定。比如，在发泡过程中，通过对物料的冷却能达到稳定泡沫的目的。
24.如何进一步提高可发性聚苯乙烯珠粒在发泡过程中泡孔的稳定，同时提高生产效率，是本发明人一直以来致力解决的技术问题，经过不断的实验和测试，本发明人提出了以下技术方案。


技术实现要素：

25.本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种可发性聚苯乙烯珠粒的制作方
法。
26.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种可发性聚苯乙烯珠粒的制作方法，该制作方法包括以下步骤：第一步：将油性的苯乙烯单体和成核剂微粒在通过搅拌、分散剂的作用下，分散成微小的油珠均相地悬浮于作为反应载体的去离子水中，同时，在经加热89～90℃后，在低温引发剂的引发进行自由基聚合成形成聚苯乙烯珠粒；第二步：在上述第一步中，苯乙烯单体聚合成聚苯乙烯珠粒的聚合反应后段，在压力作用下加入发泡剂戊烷，经高温阶段及高温引发剂的引发作用，残留的苯乙烯单体继续聚合成聚苯乙烯珠粒，戊烷充分渗透到聚苯乙烯珠粒内部，戊烷的总渗透量在6.5～7.0％之间，形成气泡核，成为可发性聚苯乙烯珠粒。
27.进一步而言，上述技术方案中，所述的成核剂为晶态聚乙烯蜡，其相对苯乙烯单体的浓度为：1000～1500ppm。
28.进一步而言，上述技术方案中，所述的晶态聚乙烯蜡分子量为：1000～4000。
29.进一步而言，上述技术方案中，所述的晶态聚乙烯蜡分子量为：2500～3000。
30.进一步而言，上述技术方案中，所述的低温引发剂为过氧化二本甲酰类引发剂；所述的高温引发剂是过氧化苯甲酸叔丁酯类引发剂。
31.进一步而言，上述技术方案中，所述第二步中，苯乙烯单体聚合成聚苯乙烯珠粒的聚合反应后段是指残留的苯乙烯单体含量在20％～25％。
32.进一步而言，上述技术方案中，所述第二步中的高温阶段为：110～130℃。
33.进一步而言，上述技术方案中，所述的发泡剂相对苯乙烯单体的浓度为：4.8～7.5％。
34.进一步而言，上述技术方案中，所述第二步中，残留的苯乙烯单体继续聚合成聚苯乙烯珠粒，最终达到残留的苯乙烯单体下降至0.15％以下。
35.本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种使用可发性聚苯乙烯珠粒生产泡沫塑料的方法。其采用的技术方案为：采用上述的可发性聚苯乙烯珠粒，生产泡沫塑料的方法以下步骤：(1)预发，将可发性聚苯乙烯珠粒在预发机内通过蒸汽逐渐加热至少80℃，可发性聚苯乙烯珠粒开始软化，珠粒内的发泡剂受热汽化产生压力，而使珠粒膨胀，并形成互不连通的泡孔；(2)熟化，将预发好的珠粒放置于空气中进行熟化，熟化的环境温度在22～25℃，时间为：2-4小时，得到熟化后的聚合物泡粒；(3)成型，熟化好聚合物泡粒在成型机的模具腔体内通过蒸气进行加热，加热温度105℃～110℃)，聚合物泡粒中残留的发泡剂及空气受热膨胀后产生压力，压力的总和大于聚合物泡粒外面所加热的蒸气压力，聚合物受热软化，残留发泡剂汽化后泡孔内的压力大于外面的压力，聚合物泡粒再度膨胀，形成与模具形状相同的泡沫塑料制品，经过冷却、脱模形成泡沫塑料。
36.采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
37.1、在聚苯乙烯珠粒的悬浮聚合过程中，晶态成核剂微粒先在苯乙烯单体中细微分散，在苯乙烯单体逐渐聚合成聚苯乙烯珠粒的过程中，因成核剂微粒与聚苯乙烯无物理相容性，因此就形成了苯乙烯单体聚合成聚苯乙烯珠粒的非常好“核心”，使得苯乙烯单体分散的微小油珠能够在短时间内形成细微均匀的聚苯乙烯粒子，提高了聚合的速率，最终聚合成一定粒度范围的聚苯乙烯粒子。
38.2、在可发性聚苯乙烯珠粒加入的晶态成核剂具有以下优点：
39.首先，可使可发性聚苯乙烯珠粒预发泡时的泡孔大小均匀，泡孔孔径可以达到150微米，较之前可提高50％以上；降低了单个可发性聚苯乙烯珠粒中苯乙烯的含量，即：提高了可发性聚苯乙烯珠粒聚合的成品产出率。
40.其次，本发明中加入的晶态成核剂的分子链短且属于直链系，其分子量相对较大，从而提高了可发性聚苯乙烯珠粒的泡孔结构稳定性，泡孔间抗压强度大、韧性好。
41.最后，提高可发性聚苯乙烯珠粒分子链的抗压强度，使其韧性更好。
42.3、提升了泡沫塑料的生产效率，主要体现在以下方面：
43.首先，预发速度快。在预发过程中，预发形成的泡孔直径大，水蒸汽渗透到已膨胀泡孔中的速率也大大加快，从而快速增加了泡孔内的总压力。随着压力也不断增大，珠粒的体积也不断增加。同理，可发性聚苯乙烯珠粒中发泡剂从珠粒中向外渗出的速率也大大加快，从而使珠粒预发到相应倍率的速度加快。
44.其次，熟化时间缩短。由于刚预发好的泡粒因其泡孔直径大大提高，泡孔壁强度也大大提升，使得其干燥速率明显加快；空气通过泡孔膜渗透到泡孔内部，使泡孔内的压力与外界压力相平衡，珠粒具有弹性的速率大大加快。即：熟化过程大大加快，实践证明熟化2-4小时即可正常进行后续成型作业，较同行业产品预发后的熟化时间8-16小时，缩短了熟化时间，大大提高了客户的生产效率。
45.最后，成型的周期缩短。熟化后的泡粒因其泡孔直径大大提高，泡孔壁强度也大大提升，故在成型后期进行抽真空冷却时，可以大大加快抽走最后残余的发泡剂——戊烷、空气、水蒸汽等的速率。从而缩短成型周期时间，大大提高生产效率，降低生产成本。
附图说明：
46.图1是本发明与现有技术中珠粒预发后的显微镜成像图。
具体实施方式：
47.本发明提供了一种可发性聚苯乙烯珠粒的制作方法，以及使用该珠粒生产泡沫塑料的方法。具体说明如下。
48.一、可发性聚苯乙烯珠粒的制作方法。
49.第一步，聚苯乙烯(polystyrene monomer简称：ps)珠粒的制作，采用悬浮聚合方式。将油性的苯乙烯单体(styrene monomer简称：sm)和成核剂微粒在机械搅拌、分散剂等的作用下，分散成微小的油珠均相地悬浮于反应载体——去离子水中，经加热89～90℃，在低温引发剂的引发进行自由基聚合成聚苯乙烯(ps)珠粒。
50.在聚苯乙烯珠粒的悬浮聚合过程中，成核剂微粒先在苯乙烯单体中细微分散，在苯乙烯单体逐渐聚合成聚苯乙烯珠粒的过程中，因成核剂微粒与聚苯乙烯无物理相容性，因此就形成了苯乙烯单体聚合成聚苯乙烯珠粒的非常好“核心”，使得苯乙烯单体分散的微小油珠能够在短时间内形成细微均匀的聚苯乙烯粒子，最终聚合成一定粒度范围的聚苯乙烯粒子。
51.第二步：可发性聚苯乙烯珠粒的制作。在上述第一步中，苯乙烯单体聚合成聚苯乙烯珠粒的聚合反应后段，在压力作用下加入发泡剂戊烷，经高温阶段(温度在：110～130℃。优选120℃)及高温引发剂的引发作用，残留的苯乙烯单体继续聚合成聚苯乙烯珠粒，最终
残留的苯乙烯单体下降至0.15％以下，如100份苯乙烯单体下降至0.15份以下。戊烷充分渗透到聚苯乙烯珠粒内部，戊烷的总渗透量在6.5～7.0％之间，形成气泡核，成为可发性聚苯乙烯珠粒。
52.所加入的成核剂采用聚乙烯蜡，其相对苯乙烯单体加入浓度为：1000～1500ppm。晶态聚乙烯蜡分子量为：1000～4000，优选2500～3000。
53.所述的低温引发剂为过氧化二本甲酰类引发剂；所述的高温引发剂是过氧化苯甲酸叔丁酯类引发剂。
54.所述第二步中，苯乙烯单体聚合成聚苯乙烯珠粒的聚合反应后段是指残留的苯乙烯单体含量下降至20％～25％后的阶段。
55.本发明通过在可发性聚苯乙烯珠粒(eps)聚合过程中加入晶态成核剂，可改变聚苯乙烯(ps)珠粒的“气泡核”，进而改变可发性聚苯乙烯珠粒(eps)产品的后续使用时的加工(预发、熟化、成型)性能，具体表现如下：新型成核剂对可发性聚苯乙烯珠粒(eps)的“气泡核”的改变：
56.首先，可使可发性聚苯乙烯珠粒预发泡时的泡孔大小均匀，泡孔孔径可以达到150微米，较之前可提高50％以上；降低了单个eps颗粒中苯乙烯的含量，即：提高了可发性聚苯乙烯珠粒聚合的成品产出率；
57.其次，因新型成核剂的分子链短且属于直链系，其分子量相对较大，从而提高了可发性聚苯乙烯珠粒的泡孔结构稳定性，泡孔间抗压强度大、韧性好；
58.最后，提高可发性聚苯乙烯珠粒分子链的抗压强度，使其韧性更好。
59.二、可发性聚苯乙烯珠粒生产家用电器包装用泡沫塑料具体生产过程如下：
60.1、预发：
61.a、预发机理：预发过程中，将上述制作的可发性聚苯乙烯珠粒珠粒缓缓加热至80℃以上(如二次发泡时温度可以更低)，就开始软化。珠粒内的发泡剂受热汽化产生压力，而使珠粒膨胀，并形成互不连通的泡孔(闭孔)，预发后气泡的直径可达到150微米，每立方厘米约有0.50万个小气泡，泡孔壁的厚度虽然只有1～2微米，但由于成核剂的作用，泡孔壁的强度也大大提升。见图1所示，这是本技术人采用现有现有技术eps和本发明提出的eps进行预发后的泡孔直径对比图，可以看到，较现有技术产品，本发明预发后的炮孔的孔径从80微米左右提高到了150微米，其泡孔壁强度也大大提升，故泡粒内部不会出现“塌陷”现象，反而泡粒弹性增强。
62.与此同时，预发的蒸气渗透到已膨胀的泡孔中，增加了泡孔内的总压力。随着蒸气不断渗入，压力也不断增大，珠粒的体积也不断增加。在预发过程中，蒸气的不断渗透，增加泡孔内的总压力是很重要的。仅靠发泡剂汽化，即使全部无损耗，珠粒最多只能增大约25倍，之所以发泡倍率可高达100多倍，是由于蒸气渗入到膨胀的泡孔中，从而增加了泡孔内的总压力，才使气泡孔的体积得到了进一步的膨胀。即：珠粒的高倍率膨胀是发泡剂受热气化外压和蒸汽渗入泡孔提高总压的共同结果。需要指出的是蒸气对eps珠粒薄膜的透过速率比发泡剂戊烷气体或空气要快好几倍，而影响它的透过速率的主要因素是温度。加热时，发泡剂也会由珠粒中向外渗出，所以预发时，应使蒸气透入泡孔的速率超过发泡剂从泡孔中渗出的速率，使发泡气体绝大多数留在泡孔内，从而使泡孔中总压力增加，发泡剂在泡孔中来不及逸出，使聚合物牵伸呈橡胶状态，其强度足以平衡内部的压力，从而使珠粒预发，
使聚合物得到延伸，珠粒得到预膨胀。由于泡孔直径大，水蒸汽渗透到已膨胀泡孔中的速率也大大加快，从而快速增加了泡孔内的总压力。随着压力也不断增大，珠粒的体积也不断增加。同理，eps珠粒中发泡剂从珠粒中向外渗出的速率也大大加快，从而使珠粒预发到相应倍率的速度加快。
63.b、预发方法：预发机分连续式和间歇式两种，无论哪种预发机，都是将eps原料加入机内，通过蒸气加热，将eps发泡。显然，各种不同的原料，其发泡倍率和发泡速度均不一致。而各种不同的原料，其发泡倍率和发泡速度均不一致。而各种类型的预发机，都可以通过调整各项参数来控制发泡倍率。
64.以连续式预发机为例，在一定的机身体积和蒸气流量的条件下，我们可以通过调整进料速度和调整出料口的高度，从而控制eps的预发容重。
65.间歇式预发机，是指该机投一次eps料后，待该次料预发到一定的体积后，再将机内的料放完、吹净。然后再投料、预发、放料
……
如此周而复始。由于每批投料量一定，每批料的预发体积也一定，这样预发后的容重就有保证。
66.发泡剂含量过高将导致预发泡体不均匀、泡体开花、产品变形和开裂，并容易致发泡倍数降低、加热时间过长、成型过程中的eps珠粒之间粘结性差以及产品收缩和掉粒等，最佳发泡剂的含量应为4.8％～7.5％。
67.2、熟化
68.a、刚预发好的eps珠粒经一定时间的干燥、冷却和泡孔压力稳定的过程。
69.b、eps珠粒刚预发好时的明显现象：
70.a、刚预发好的珠粒都是潮湿；
71.b、预发时珠粒中保留的一定量的气态发泡剂和水蒸气，出机冷却时，骤然遇冷，致使峰窝状泡孔中气体冷凝，使泡孔内形成负压(部分真空)，此时发泡珠粒很软，易变形、无弹性，不能直接成型。
72.c、熟化机理：将刚预发好的eps珠粒放置于空气中一段时间，一方面使其干燥，另一方面使空气通过泡孔膜渗透到泡孔内部，使泡孔内的压力与外界压力相平衡，珠粒具有弹性。
73.d、熟化的必要性：改善预发珠粒在成型过程中进一步的膨胀性、珠粒间熔解性和珠粒的弹性，有利于提高eps制品质量。
74.e、注意要点：
75.1、泡粒贮存过程中发泡剂也同时向外扩散，所以预发后的eps珠体泡粒贮存期不能过长，一般以8～16小时为宜。
76.2、熟化温度也存在最佳值。根据实验测定及生产实践证明，熟化环境为18～22℃，外界空气向泡孔渗入，泡孔内戊烷气体基本上未向外扩散。温度高于22℃，泡孔内戊烷气体向外扩散的速度加快而损耗，温度低于18℃，冷凝的戊烷重新被吸入eps的速度减慢，空气渗入的速率变降低。因此，预发eps泡粒熟化的环境温度最佳值为20～25℃。理想的熟化库房应设置热空气(温度20～25℃)输送系统，以缩短熟化周期。
77.本发明中的预发好eps泡粒因其泡孔直径大大提高，泡孔壁强度也大大提升，使得其干燥速率加快明显。空气通过泡孔膜渗透到泡孔内部，使泡孔内的压力与外界压力相平衡，珠粒具有弹性的速率大大加快。即，熟化过程大大加快，实践证明熟化2-4小时即可正常
进行后续成型作业，较同行业产品预发后的熟化时间8-16小时，缩短了熟化时间，大大提高了客户的生产效率，降低生产成本效果十分明显。
78.3、成型
79.a、将熟化后的eps珠体泡粒填满密闭的模具腔体，在较短的时间内将热蒸气通过模具壁的气孔直接进入模具腔体中，使珠粒受热后软化膨胀。由于模具型腔的限制，膨胀的珠粒受热膨胀得以填满全部空隙，完全粘结为一整体，经过冷却定型后，脱离模型后即为泡沫塑料制品。
80.b、eps模压成型机理：模压成型包括二个阶段，蒸气加热和冷却定型。熟化后的eps珠体泡粒通过蒸气进行加热，约在20～60秒的时间内，泡粒中残留的戊烷及空气来不及逸出，受热膨胀后产生压力，压力的总和大于泡粒外面所加热的蒸气压力，此时聚合物受热软化，残留发泡剂汽化后泡孔内的压力大于外面的压力，泡粒珠体又再度膨胀，并胀满珠粒内部间隙而结成整块，形成与模具形状相同的泡沫塑料制品，冷却后便可以脱离模具成包装用成型品。
81.本发明采用的eps泡粒因其泡孔直径大大提高，泡孔壁强度也大大提升，故在成型后期进行抽真空冷却时，可以大大加快抽走最后残余的发泡剂——戊烷、空气、水蒸汽等的速率。从而缩短成型周期时间。根据实验测试，成型的时间可缩短15％，大大提高了生产效率与产量，进一步降低生产成本。
82.当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。