南京可降解泡棉廠家
發布時間：2024-05-09 01:04:34
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編者按：目前，塑料部件在國內汽車上占重量的10%左右，在國外汽車上達到了15%至20%。微孔發泡技術能使塑料部件的重量降低15%至30%，廣泛應用于儀表板、電機支架、座位板、空調風罩、門嵌飾板等內外飾。本文作者從專利角度對微孔發泡技術的重點申請人進行分析，以期為行業企業提供參考。標題：微孔發泡技術讓汽車駛向輕量化丙烯微孔發泡汽車非金屬部件的輕量化領域，微孔發泡材料是行業競相研究的主要課題之一。目前，塑料部件在國內汽車上占重量的10%左右，在國外汽車上達到了15%至20%。微孔發泡技術能使塑料部件的重量降低15%至30%，廣泛應用于儀表板、電機支架、座位板、空調風罩、門嵌飾板等內外飾。該技術在20世紀80年代初被麻省理工學院提出，通常指孔徑小于10μm、泡孔密度大于109個/cm3的發泡材料，這種材料的孔密度非常高且為封閉泡孔，相對于其他發泡材料具有更好的剛性，在汽車零件等工業領域廣泛應用。本文中，筆者將從專利角度對微孔發泡技術的重點申請人進行分析，以期為行業企業提供參考。外注重工藝技術保護筆者通過專利數據庫檢索后發現，截至目前，全球共有4000多件與微孔發泡相關的專利申請，其中國外有1700余件，美國、日本、德國三國的相關專利申請量居前三位；國內相關專利申請有2400多件，其中企業占1556件，其次是科研院所，從申請人分布地區來看，廣東、江蘇、浙江等地的專利申請量較高。Trexel公司的MuCell技術是目前為成熟、商品化為廣泛的微孔發泡技術，該技術來源于麻省理工學院在20世紀80年代提出的發明專利。Trexel公司在1995年通過專利權轉讓獲得這項技術的全球開發和商品化推廣，并在此基礎上開發出連續微孔成型技術--MuCell。MuCell技術的核心即采用超臨界流體為發泡劑，發泡劑在聚合物中形成均勻分布的微小氣孔，通過壓力控制氣泡的生長使樹脂形成泡孔均勻的微孔結構。后來，Trexel公司基于MuCell技術提交相關專利申請共有33件，涉及微孔發泡工藝以及發泡設備結構的研發，旨在提高超臨界流體在聚合物中的溶解性以及控制超臨界流體的流量。為提高發泡劑超臨界流體的溶解性，Trexel公司通過加入液壓系統、設置旋轉擠壓系統以及在加熱工作缸內安裝旋轉的螺旋件等方法改進；在超臨界流體計量控制上，Trexel公司給出了在入口閥和出口閥之間設置儲料缸控制發泡劑計量、螺桿上添加超臨界流體的計量泵等解決手段。基于MuCell工藝的加工成本可降低10%至20%，減少材料消耗并縮短成型周期，成為汽車輕量化的優良解決方案。Demag Ergotech公司在微孔發泡技術方面也申請了較多專利，其早的相關專利申請是在1995年，申請的25件相關專利均為螺桿等機械結構的技術改進，其專利的商品化產品為Ergocell微孔發泡技術。該技術的核心是設置了氣體計量與混合模塊，使熔體/氣體混合物的均化過程獨立于塑化過程，獲得的制品具有較低的內應力，消除了翹曲和縮痕，較適用于汽車內飾。阿博格公司是全球領先的注塑機制造商，其在2015年公開了Profoam發泡技術，該技術工藝簡單，采用液體發泡劑，通過密封螺桿加料段來使料斗和塑化裝置之間形成壓力腔，從而使發泡劑在壓力下引入。該技術主要適用于纖維增強發泡材料，制得的發泡塑件多能減重30%。阿博格公司的專利申請量不多，主要涉及注塑機結構設計，其中具有顆粒鎖結構的注塑機是Profoam發泡工藝的關鍵技術。筆者認為，Trexel、Demag Ergotech等國外企業掌握了微孔發泡工藝的核心技術，國內企業在使用相關技術時必然面臨較高的專利許可費用。國內注重原料技術研發在國內專利申請人中，南京聚隆科技股份有限公司（下稱聚隆科技）和會通新材料股份有限公司（下稱會通新材料）的相關專利申請量多，這兩個申請人都是以微孔發泡材料的原料研發為主，涉及的技術均為通過原料選擇來提高發泡材料的熔體強度和流動性，以獲得泡孔均勻、外觀優良的微孔發泡產品。
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由于光降解材料的局限，以及廣泛的生物來源，目前的研究熱點更多地放在生物降解材料上，相對于光降解材料，生物降解材料的原料來源更加綠色，降解的產物對環境的污染性也更加小。生物可降解材料是一類在酶或微生物的作用下，使維持自身結構的分子鏈逐漸斷裂，形成對環境無害的小分子化合物的材料。 生物降解的方式有生物的物理、化學作用和酶的直接作用。根據來源的不同可以分為微生物降解型的生物材料、合成高分子型的生物降解材料、天然高分子型的生物降解材料。微生物降解材料是以有機物為碳源，微生物進行發酵轉化為高分子聚酯，利用這種高分子聚酯制作為塑料的材料。合成高分子型的生物降解材料是利用化學方法合成在自然界中與原本存在的利于降解的高分子化合物。天然高分子型的生物降解材料是在合成時以淀粉、纖維素、木質素等多糖化合物為原料，在必要的條件下加入生物降解添加劑或經氧化、改性而加工制成的塑料。其中，淀粉基構成的可降解材料和PLA構成的可降解材料是當今研究的熱點，PHB作為可降解材料也有較為廣泛的應用。 淀粉通過植物光合作用而形成的，易得，降解后仍以二氧化碳和水的形式回歸到生態環境中，是完全無污染的非常優良的生物降解材料。針對淀粉作為原料來源的淀粉基塑料是目前可降解材料領域研究的—大熱點。 PLA(聚乳酸）是多糖經過降解發酵制得、純化、聚合而成的環境友好型樹脂。PLA是由乳酸分子在一定條件下脫水縮合而成。PLA在土壤掩埋條件下，在溫度、氧氣、弱堿性的共同作用下，6~12個月降解為乳酸,最終經微生物代謝，形成二氧化碳和水。PLA因其優良的生物相容性和機械強度，被廣泛應用于新興功能型醫用高分子材料如醫用手術縫合線、骨科用固定材料等。 PHB(聚β-羥基丁酸酯）是細菌體內碳源和能源的以顆粒狀儲存的酯類積累物。PHB對氣體有阻擋性，能用于未添加抗氧化劑的食品的包裝袋;PHB有良好的生物相容性，可用于手術縫合線、骨折固定材料;因PHB能夠降解，可用于與農藥或貴重藥品的包埋處理。因為PHB用細菌發酵法進行生產，所以PHB的生產重點放在基因工程等技術。針對其易結晶、較脆、降解速度較慢的缺點，如何通過物理或化學的方法改善PHB的性能成為研究的重點對象。
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與傳統注塑制品相比，微孔發泡注塑制品具有質量更輕、翹曲和內部殘余應力更少、尺寸穩定性好、成型周期短等一系列優點。目前，欠注發泡成型是微孔注塑技術中應用為廣泛的工藝之一，具有操作簡單、效率高、能夠生產復雜制件，且能耗少，符合節約材料，降低成本這一發展理念，滿足發泡產品市場化的需求。然而，欠注發泡成型工藝也存在發泡制品內部泡孔易發生大量變形，泡孔尺寸分布不均勻，所得制品表面存在大量的氣痕、銀紋等缺陷，制約了其力學性能的提高和外觀視覺，阻礙了欠注發泡制品的進一步應用。家復合改性聚合物材料工程技術研究中心的何力團隊采用自主研發的氣體反壓裝置，利用化學欠注發泡工藝研究氣體反壓（GCP）對微孔注塑過程中發泡行為的影響。研究發現，采用氣體反壓可以減少發泡注塑制品的泡孔變形以及不均勻等缺點，改善了泡孔的形態。丙烯微孔發泡實驗方法將PP、發泡劑(AC)、發泡助劑[Zn(St)2／ZnO]按照98.5∶1∶0.5的比例混合均勻后加入料筒中進行塑化。然后打開氣體反壓裝置，在型腔中分別注入固定的GCP為0，0.2，0.4，0.6，0.8?MPa的氣體，隨后按照表1的工藝參數注射熔融樹脂進行發泡，冷卻后，取出PP發泡樣品。GCP對充模過程中熔體壓力的影響熔體注射完后，熔體壓力瞬間達到大值。隨著GCP從0增加至0.8?MPa，熔體內部大壓力從1.55?MPa增大到2.16?MPa，注射完成后，隨著氣體的排出，熔體壓力瞬間下降，隨著冷卻收縮，熔體壓力逐漸趨于0?MPa。由此可知，GCP可以明顯地提高熔體充模過程中的熔體壓力，改善欠注發泡過程中的熔體壓力環境。CP對泡孔質量的影響在沒有施加氣體反壓時，由于熔體流動速率遠大于泡孔的膨脹速率，泡孔發生流動剪切變形，導致末端位置的泡孔在皮層區域受到剪切作用時間和作用力較大，在流動方向上出現很大的變形，泡孔發生撕裂合并現象，泡孔形貌極不規則，而中間區域的泡孔形態受到剪切力較小，呈現規整圓形形態。同時發現，隨著GCP的增大，皮層附近撕裂變形的泡孔區域變小，熔體內部芯層泡孔從橢圓形向規整圓形形態轉變，規則泡孔區域所占比例增大，泡孔之間呈現獨立分布。當GCP達到0.8?MPa時，皮層附近泡孔呈現出相對較好的圓形形態，此時整體泡孔的變形較小。是因為GCP可以有效地降低泡孔在充模過程中受到的流動剪切作用，GCP值越大，泡孔在遷移過程中受到熔體壓力越大，泡孔受到熔體的約束力大，泡孔不易發生變形。GCP對結構參數的影響CP對泡孔結構參數的影響如下圖所示。可知，在常壓下泡孔的非變形層(也就是規則泡孔區)厚度僅占整個樣品厚度的10.9%；隨著GCP的增大，泡孔的非變形層所占比例逐漸升高，GCP為0.8 MPa時，升高至26.7%。而泡孔變形層區域厚度所占比例隨著GCP的增大而大幅度下降，從63.7%下降到45.4%，這說明GCP可以減小泡孔變形層，增大規則泡孔區域范圍。對變形層的泡孔變形度進行統計，如下圖所示，泡孔的平均長度隨著GCP的增加，整體呈現減小的趨勢，泡孔的平均寬度隨著GCP的增加而逐漸增大，泡孔的變形度隨GCP的增大而減小，由常壓下0.530的泡孔變形度降低到GCP為0.8?MPa下的0.304泡孔變形度，即GCP可以減小泡孔長度與寬度的差距，使變形區的泡孔變形程度減小。對不同GCP下泡孔非變形層的泡孔直徑進行統計，見圖c，隨著GCP的增加，當GCP為0.2?MPa時泡孔直徑略有減小，但隨著GCP的進一步增大，泡孔直徑從36.09?μm增大到41.93?μm。這是因為GCP的增大使得熔體的壓力也隨之增大，使得泡孔的成核臨界能壘升高，泡孔的成核速率下降，泡孔在充模過程中受到流動場的影響減弱，更多的氣體在卸壓階段促進泡孔的生長，因此熔體壓力越大，泡孔直徑越大。
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當熱塑性聚氨酯聚合物在1950年代問世時，TPE成為商業現實。在1960年代，苯乙烯嵌段共聚物問世，在1970年代，各種TPE出現。TPE的全球使用量（1990年為680000噸/年）以每年約9%的速度增長。由于聚苯乙烯和聚丁二烯之間的不相容性，苯乙烯-丁二烯材料具有兩相微觀結構塊，前者根據確切的成分分成球體或棒。由于聚苯乙烯含量低，該材料具有彈性，聚丁二烯的特性占主導地位。通常，它們提供比傳統交聯橡膠更廣泛的性能，因為其成分可以變化以適應最終的構造目標。嵌段共聚物很有趣，因為它們可以“微相分離”以形成周期性納米結構，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）嵌段共聚物。這種聚合物被稱為Kraton，用于鞋底和粘合劑。由于微細結構，需要透射電子顯微鏡（TEM）來檢查結構。丁二烯基質用四氧化鋨染色以在圖像中提供對比度。該材料是通過活性聚合制成的，因此塊體幾乎是單分散的，因此有助于形成非常規則的微觀結構。由于大多數聚合物彼此不相容，形成嵌段聚合物通常會導致相分離，并且自從引入SBS嵌段聚合物以來，該原理已被廣泛采用，特別是在其中一種嵌段是高度結晶的情況下。不相容規則的一個例外是Noryl材料，其中聚苯乙烯和聚苯醚或PPO相互形成連續共混物。其他TPE具有結晶域，其中一種嵌段與相鄰鏈中的其他嵌段共結晶，例如在共聚酯橡膠中，實現與SBS嵌段聚合物相同的效果。取決于嵌段長度，由于較高的晶體熔點，域通常比后者更穩定。該點決定了材料成型所需的加工溫度，以及產品的最終使用溫度。這樣的材料包括Hytrel，一種聚酯-聚醚共聚物和Pebax，一種尼龍或聚酰胺-聚醚共聚物。熱塑性彈性體（TPE），有時也稱為熱塑性橡膠，是一類共聚物或聚合物（通常是塑料和橡膠）的物理混合物，由具有熱塑性和彈性體特性的材料組成。雖然大多數彈性體是熱固性塑料，但相比之下，熱塑性塑料在制造中相對容易使用，例如通過注塑成型。熱塑性彈性體顯示出橡膠材料和塑料材料的典型優勢。使用熱塑性彈性體的好處是能夠拉伸到適度的伸長率并恢復到接近原始形狀的能力，從而比其他材料具有更長的使用壽命和更好的物理范圍。熱固性彈性體和熱塑性彈性體之間的主要區別在于其結構中的交聯鍵類型。事實上，交聯是賦予高彈性性能的關鍵結構因素。類型商業TPE有六類通用類別（名稱符合ISO18064）：苯乙烯嵌段共聚物，TPS（TPE-s）；熱塑性聚烯烴彈性體；熱塑性硫化橡膠，TPV（TPE-v或TPV）；熱塑性聚氨酯，TPU（TPU）；熱塑性共聚酯，TPC（TPE-E）；熱塑性聚酰胺，TPA（TPE-A）；未分類的熱塑性彈性體，TPZ。來自嵌段共聚物組的TPE材料的例子包括CAWITON、THERMOLASTK、THERMOLASTM、Arnitel、Hytrel、Dryflex、Mediprene、Kraton、Pibiflex、Sofprene和Laprene。這些苯乙烯嵌段共聚物（TPE-s）中有CAWITON、THERMOLASTK、THERMOLASTM、Sofprene、Dryflex和Laprene。Laripur、Desmopan或Elastollan是熱塑性聚氨酯（TPU）的例子。Sarlink、Santoprene、Termoton、Solprene、THERMOLASTV、Vegaprene、或Forprene是TPV材料的例子。熱塑性烯烴彈性體（TPO）化合物的例子是For-TecE或Engage。Ninjaflex用于3D打印。為了符合熱塑性彈性體的資格，材料必須具有以下三個基本特征：1.拉伸到適度伸長的能力。2.并在消除應力后恢復到接近其原始形狀的狀態.3.可在高溫下作為熔體加工,沒有明顯的蠕變。TPE用于傳統彈性體無法提供產品所需物理性能范圍的地方。這些材料在汽車領域和家用電器領域有大量應用。2014年，TPE的全球市場規模達到約167億美元。大約40%的TPE產品用于汽車制造。例如，共聚酯TPE用于雪地摩托軌道，其中剛度和耐磨性非常重要。熱塑性烯烴（TPO）越來越多地用作屋頂材料。TPE也廣泛用于導管尼龍嵌段共聚物為患者提供了一系列理想的柔軟度。熱塑性有機硅和烯烴混合物用于擠出玻璃滑道和動態擋風雨條汽車型材。苯乙烯嵌段共聚物因其易于加工而用于鞋底，并廣泛用作粘合劑。 由于在對各種熱塑性基材進行雙組分注塑成型方面具有無與倫比的能力，工程TPS材料還涵蓋了從汽車市場到消費品和醫療產品的廣泛技術應用。例如，柔軟的抓握表面、設計元素、背光開關和表面，以及密封件、墊圈或阻尼元件。TPE通常用于制造汽車性能應用的懸架襯套，因為與常規橡膠襯套相比，它具有更大的抗變形能力。由于改性塑料樹脂的功能、成本效益和適應性，熱塑性塑料在供暖、通風和空調（HVAC）行業經歷了增長成各種蓋子、風扇和外殼。TPE還可用于醫療設備、電纜護套和內絕緣、性玩具和一些耳機電纜。 不僅用于工業用途，還用于運動鞋和背包等消費品。您可以在許多運動和戶外品牌產品中看到基于TPE的材料“ARIAPRENE”。2021年，全新的TPE回收理念問世，稱為APTERRA，它是GRS（全球回收標準）收集和再生泡沫織物廠廢料，因為每次生產運行總是有20%的廢料。
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年來綜合性能優異、可回收易降解的聚丙烯發泡材料已成為泡沫塑料家族中的“新寵”，是聚合物泡沫材料中增長速度快的品種。超臨界二氧化碳(CO2)發泡聚合物技術是制備聚丙烯微孔發泡材料的關鍵核心技術，近日華東理工大學化工學院趙玲教授團隊在該技術領域取得了實質性突破，成功開發了高性能聚丙烯微孔發泡材料綠色制備過程的優化和強化技術。聚合物發泡有物理發泡劑和化學發泡劑兩大類。化學發泡劑存在化學殘留、發泡過程難控制和不易獲得高發泡倍率等缺點;物理發泡劑中的氟氯烴類則對臭氧層有破壞作用，已逐漸被禁止和限制使用;而一些新型氟碳氫化合物的全球變暖潛能值仍相對較高，烷烴類發泡劑則易燃燒不安全。相比這些傳統的發泡劑，超臨界CO2發泡聚合物技術作為綠色制造技術，已被工信部列入我國優先發展的產業關鍵共性技術，而且CO2進入聚合物后會引起熔點、表面張力和黏度下降、結晶行為改變等一系列變化，可以制備微孔甚至納米泡孔材料。丙烯微孔發泡丙烯是結晶聚合物，低溫固態發泡受結晶限制，很難制備高發泡倍率產品;高溫發泡聚合物熔體強度不夠無法保持完整泡孔，可操作窗口窄。因，大規模制造具有穩定均勻泡孔形貌和外形尺寸的高發泡倍率微孔材料難度大。為了攻克這一難題，趙玲團隊聯合無錫會通、中石化北化院、浙江新恒泰、鎮海煉化等單位，在合適物料體系、可控工藝過程和高效工業裝備等方面開展了超臨界CO2發泡聚丙烯的優化、強化和工程化等系列工作，形成了“適合超臨界CO2發泡的聚丙烯專用料”“分步/分段發泡新工藝”“優化構建流場結構實現高效規模制備”三大技術創新。趙玲介紹，在低于流動溫度的可變形區發泡，既可突破結晶的制約，又能保證發泡材料微孔結構和外形尺寸穩定成型。基于這一發泡機制，他們開發了兼具較寬發泡溫度窗口和較強的CO2溶解擴散能力的聚丙烯發泡專用料，以及能改善泡孔結構和表觀形態的新型功能助劑/添加劑。CO2變壓飽和提高了過程效率和發泡倍率，氣泡成核和生長的分段實施減小了高壓設備體積;同時釜壓發泡、模壓發泡等高壓設備和聚合物預成型體的結構優化設計，保證了均勻的壓力場、溫度場和速度場，實現了低密度聚丙烯微孔發泡材料的規模制造和柔性生產。利用上述創新技術，項目團隊建設了2套年產3萬立方米模壓發泡裝置，實現了低密度聚丙烯微孔厚板的制造;新建了4套、優化改造了3套年產4萬~6萬立方米的釜壓發泡裝置，生產效率提高25%，成品率提高到99%以上，發泡專用料已在鎮海煉化生產，2016~2018年新增產值3.31億元、利稅1.09億元。此外，該團隊已獲得授權發明專利8件、實用新型專利8件;相關研究成果發表了46篇SCI/EI收錄論文。趙玲表示，超臨界CO2模壓發泡技術通用性強，除聚丙烯外，還可用于聚氨酯彈性體微孔發泡材料的生產，多種熱塑性聚合物及其復合材料的中試已經完成。采用該技術生產的聚丙烯發泡專用料，除可應用于汽車零部件和內飾、緩沖包裝等傳統領域，還可滿足兒童玩具、食品、醫療、家居用品等領域對綠色材料的需求。由于微孔賦予了聚丙烯獨特的性能，聚丙烯微孔發泡材料還可應用于更多的新興領域，如新能源汽車動力電池墊片、5G通信微波中繼天線罩、高檔汽車音響振膜、防彈衣背板等。
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新材料是現代科技發展之本，可降解塑料是新興的塑料新材料。隨著全球對改善環境的訴求越來越強烈，使用生物降解塑料被認為是根治一次性塑料“白色污染”最有效的解決方案。著眼于中國的雙碳戰略目標，生物基生物降解塑料全生命周期排放的溫室氣體總量較低。在此背景下，本報告深入研究可降解塑料行業現狀。從性能上看，PLA、PBAT、PHA等生物降解塑料性能接近普通塑料，為替代不可降解塑料創造了條件；從技術上看，PLA生產的中間原料丙交酯技術難以完全突破，限制產能釋放，而PBAT國內生產工藝不受限于國外，產能快速擴張；從應用上看，可降解塑料主要應用在餐飲、醫療和農業等領域。根據艾瑞測算，至2025年，外賣包裝、農膜和醫療領域將會釋放可降解塑料需求494.8億元、72.7億元和0.172億元。長遠來看，可降解塑料產業發展面臨不確定性：一，可降解塑料的成本高于傳統塑料，靠政策驅動的市場可持續性存在風險，產品的推廣最終取決于產業降本提效的空間；二，國內掌握生物降解塑料技術的企業不多，而且在關鍵環節與國外企業相比仍有較大差異，若后續技術無法突破，存在產能無法按時釋放的風險；三，多數可降解塑料的降解基于工業堆肥集中處理或特定的溫度、濕度、菌類等條件，而實際在使用后，能否有效地收集可降解塑料并滿足降解的環境條件還有待驗證。