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發(fā)布時間：2024-07-02 01:03:41
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微發(fā)泡注塑，聚丙烯/橡膠/滑石粉復合材料，增強增韌聚丙烯微孔發(fā)泡聚丙烯作為一種經(jīng)濟高效的熱塑性聚合物，具有材料成本低、抗腐蝕性好、比強度高和易于成型加工等優(yōu)點，已廣泛應用于包裝工程、紡織、電子產(chǎn)品以及汽車工業(yè)。以汽車工業(yè)為例，聚丙烯的年均用量高達255.6百萬噸，研究表明汽車每減重10%就可以將燃料的利用率提高至少6%。因此，近年來為了節(jié)省材料和能源、減少環(huán)境污染進而實現(xiàn)經(jīng)濟社會的健康可持續(xù)發(fā)展，塑料制品的輕量化問題引起了廣大學者的研究興趣，而其中發(fā)泡注塑成型工藝被視為是一種非常有前途的輕量化實現(xiàn)方式。然而，由于聚丙烯的熔體強度低，導致其發(fā)泡能力非常差，常規(guī)微發(fā)泡注塑聚丙烯產(chǎn)品存在泡孔尺寸大且分布極其不均勻，嚴重降低了其力學性能，尤其是沖擊力學性能。針對上述問題，山東大學材料科學與工程學院王桂龍和合作者提出了一種利用橡膠和滑石粉的耦合作用改性聚丙烯的新途徑，顯著提高了聚丙烯熔體強度和促進了結(jié)晶，進而改善了聚丙烯的發(fā)泡能力，終通過微發(fā)泡注塑制備了具有優(yōu)異綜合力學性能的微孔聚丙烯制品。
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說到一次性容器你是不是認為紙比塑料更環(huán)保呢？這可不一定，塑料具有重量輕，不易受水和陽光影響的特點，適合制作容器，但也因為這樣的特點使得塑料不易被大自然分解，容易造成大量垃圾，因此后來出現(xiàn)紙質(zhì)容器，但紙質(zhì)容器也不是沒有缺點，甚至與傳統(tǒng)塑料相比問題還更大。首先因為紙張?zhí)焐滤龅剿蜁浕瑳]辦法單獨承裝液體，因此市面上常見的紙杯就需要在紙張表面加一層塑料淋膜，所以摸起來感覺滑滑的。但這種復合材質(zhì)的設計就會造成回收的難題，紙加塑料淋膜的設計當被送到回收廠時，如果沒有特殊技術(shù)是無法將紙與塑料淋膜分離，不能分離就無法重新回收材料再利用，而被放在自然環(huán)境中也因為是復合材料很難被分解，所以紙杯基本上只能焚燒。聚丙烯微孔發(fā)泡所以說材質(zhì)越單一越容易回收再利用，現(xiàn)在有一種PP發(fā)泡塑料就具有這種易回收利用的特點，耐熱，抗腐蝕又安全，還可以在微波爐內(nèi)加熱，只要經(jīng)過發(fā)泡加工處理，成為發(fā)泡聚丙烯就能制成又輕又安全的容器，并且材質(zhì)單一只要回收方式正確就能再利用。發(fā)泡技術(shù)是塑料在擠出，吹塑等加工過程中為了減輕產(chǎn)品的重量，將二氧化碳或氮氣注入到特殊的塑化裝置中，使氣體與原料充分混合，讓塑料產(chǎn)生反應形成具有微孔發(fā)泡的塑料制品過程，利用發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品具有輕量化，緩沖吸震，吸音，保溫等特點，廣泛應用于包裝，建筑建材等行業(yè)。塑料發(fā)泡歷史塑料發(fā)泡技術(shù)的發(fā)展已有幾十年的歷史了，在20世紀20年代出現(xiàn)了早的泡沫膠木，這種材料是用類似于制造泡沫橡膠的方法制取的，從那以后的三十年內(nèi)幾乎所有的塑料都能夠通過發(fā)泡技術(shù)制成泡沫塑料。到了80年代美國人研制出了微孔發(fā)泡之后，人們對這種微孔新型塑料日益感興趣，并逐漸成為市場上主要的塑料發(fā)泡技術(shù)。發(fā)泡劑現(xiàn)在市場上普遍使用的發(fā)可以分為兩種。一種是物理發(fā)泡劑，這種發(fā)泡劑一般使用二氧化碳，氮氣，氨氣等氣體，并且這些氣體在氣態(tài)下不會發(fā)生化學反應，而且在氣態(tài)時在塑料中的擴散速度會低于在空氣中的擴散速度。另一種是化學發(fā)泡劑，它是一種當受熱后就會釋放如氮氣，二氧化碳等的物質(zhì)，釋放氣體的速度能夠控制，化學發(fā)泡劑一般有碳酸銨，碳酸氫鈉等。發(fā)泡工藝發(fā)泡工藝有三種一種是物理發(fā)泡法，就是將氣體在壓力下注入塑料糊狀熔體中，再經(jīng)過降壓釋放出氣體，從而就能在成型的塑料中形成很多小孔，這種發(fā)泡法由于成本較低，發(fā)泡后對不會留下殘余物，并且對發(fā)泡塑料性能不會改變。另一種是化學發(fā)泡法，這種是利用化學方法產(chǎn)生氣體來使塑料發(fā)泡，是對加入塑料中的化學發(fā)泡劑進行加熱后讓其分解釋放出氣體而發(fā)泡，還有一種就是利用塑料之間相互發(fā)生化學反應釋放出氣體而進行發(fā)泡。 后一種是機械發(fā)泡，使用機械攪拌的方法使氣體混入材料中，然后經(jīng)定型過程形成泡孔的泡沫塑料。發(fā)泡原理將發(fā)泡劑注入到塑料熔體中后，發(fā)泡劑的分子就會在塑料中形成很多微小氣泡（氣泡核），隨著塑料在熔化過程中溫度的升高和壓力增加，氣泡開始增長或者與其它氣泡合并變大，隨著塑料產(chǎn)品的成型后溫度和壓力開始降低，氣泡也會停止增長并且慢慢成型，這樣就會在塑料中形成很多或大或小的氣孔。所以不管采用什么發(fā)泡工藝，使用哪種發(fā)泡劑都要經(jīng)過形成氣泡核，氣泡核膨脹，氣泡固化成型這個過程。發(fā)泡膜包裝袋制造過程在所有的發(fā)泡產(chǎn)品中常用的就是發(fā)泡膜，也就是我們常說的珍珠棉，將它作為包裝材料來使用有很多的優(yōu)點，如防震，防潮，韌性好等，來看看我們包裝使用的發(fā)泡膜包裝袋是怎么制造出來的。發(fā)泡膜包裝袋使用的材料是聚乙烯，首先將聚乙烯原料顆粒按比例混合，通過管道將其吸入到擠出機入料口，同時在擠出機中還要加入發(fā)泡劑。在擠出機中需要加溫讓原料熔化，再通過噴淋冷卻降溫以達到發(fā)泡溫度讓其膨脹發(fā)泡，然后從機頭口模擠出圓筒形發(fā)泡膜。將圓筒型發(fā)泡膜切刨開，展平后收成卷，這樣就可切割后包裝產(chǎn)品了。讓成卷的發(fā)泡膜通過印刷機在上面印上需要的圖案或者文字。印刷好的發(fā)泡膜按照包裝袋的大小裁剪成片狀，后通過機器壓封成包裝袋，這樣就可以用于包裝產(chǎn)品了。塑料通過發(fā)泡技術(shù)能讓其內(nèi)部形成氣泡，能讓生產(chǎn)出來的產(chǎn)品更加輕便，還能起到包裝保護的功能，現(xiàn)在科學家研究出了一種氣泡金屬，也具有這樣的性能，它就像金屬的氣泡包裝材料。這種復合氣泡金屬是通過空心金屬周圍熔化鋁材來制造的，它是一種新型復合材料并不是普通的金屬，它比合金鋼要輕70%，能吸收超過普通鋼幾十倍的能量，具備防輻射，防彈，防火的能力，在遭遇壓力時其內(nèi)部的氣泡能起到緩沖保護的作用，也許將來我們就能用到這種氣泡金屬。隨著世界資源的減少和對環(huán)境要求的提高，怎么提高可持續(xù)性以及提升效率，推動材料和能源消耗的下降，以及材料性能的提升，成本降低，有些可以通過輕量化實現(xiàn)，而發(fā)泡技術(shù)就是輕量化未來發(fā)展的方向。那些用于包裝，汽車，建筑和日用消費品中的傳統(tǒng)固體材料都是朝著發(fā)泡，輕量化結(jié)構(gòu)在發(fā)展，很多高分子發(fā)泡材料被作為基礎原材料使用，各種利用發(fā)泡技術(shù)制造出來的塑料產(chǎn)品在我們生活中的使用將越來越廣泛。
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什么是MPP？MPP又名微孔發(fā)泡聚丙烯，是特指泡孔尺寸小于100微米的聚丙烯多孔發(fā)泡材料(更嚴格地定義是泡孔尺寸小于10微米，泡孔密度大于10的9次方個/cm3)。由于材料內(nèi)部大量微米級泡孔的存在，MPP具有優(yōu)異的減震、緩沖、隔熱和吸聲等性能，可廣泛應用于包裝、交通工具、箱包、體育器材等領(lǐng)域，是傳統(tǒng)EVA、PU、PS發(fā)泡材料、EPE和EPP的佳替代物。聚丙烯微孔發(fā)泡MPP所需的原料制造MPP一般需要使用高熔體強度聚丙烯(high melt strength PP)。通用的PP由于其是線性的半結(jié)晶聚合物，加工窗口較窄，且難以得到封閉的泡孔結(jié)構(gòu)。性能與應用應用超臨界二氧化碳技術(shù)(supercritical carbon dioxide) 制備MPP，在高溫高壓下將二氧化碳氣體導入聚丙烯材料基體，并誘導其成核、發(fā)泡，形成含有大量微米尺度泡孔的微孔發(fā)泡材料。發(fā)泡過程清潔無污染，發(fā)泡制品衛(wèi)生環(huán)保。發(fā)泡過程PP材料未發(fā)生交聯(lián)，因此可回收循環(huán)使用。聚丙烯（PP）本身是無毒材料，是目前嬰兒奶瓶和可微波加熱餐盒的常用材料。清潔衛(wèi)生的MPP特別適合于醫(yī)療器械、食品等包裝材料衛(wèi)生等級要求較高的領(lǐng)域。也可應用于兒童拼圖、玩具等對產(chǎn)品健康要求較高的領(lǐng)域，代替常用的由AC發(fā)泡劑制造的交聯(lián)PE泡沫，EVA泡沫。 PP是半結(jié)晶聚合物，其熔點一般150~170℃。相比于耐溫只有70~80℃的PE、PS、PU發(fā)泡材料，MPP的使用溫度可達120℃，因此MPP特別適合高溫包裝、高溫保溫等領(lǐng)域。MPP集增強、隔熱和降噪為一體，也特別適用于對材料輕量化要求較高的領(lǐng)域，如汽車、軌道交通，船舶，風機葉片等。輕質(zhì)高強的MPP厚板作為結(jié)構(gòu)泡沫使用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的結(jié)構(gòu)泡沫如PVC/PU互穿結(jié)構(gòu)泡沫、PET結(jié)構(gòu)泡沫等，特別是作為三明治夾芯復合材料的芯材使用。MPP微米尺度的泡孔賦予材料的特別之處有： 1) 同等發(fā)泡倍率(或表觀密度)下，由于泡孔較小，微孔發(fā)泡材料的機械性能損失較小。這意味著使用MPP可以更加節(jié)約材料，更加降低制品重量和體積。(2) 由于泡孔尺寸在1-100μm之間可控，MPP可以被剖切成厚度小于0.1mm的超薄片材，而片材表面不會穿孔，可應用于微電子器件的包裝(3) 由于表面大量微米級泡孔的存在，MPP適合作為液晶顯示器背光模組的反射板，提高漫反射率。(4) 微米尺度的泡孔有效降低了泡孔內(nèi)氣體的對流，從而有效降低了由空氣對流引起的熱傳遞。因此高倍率的微孔發(fā)泡材料具有較低的、依賴于泡孔結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定的低導熱系數(shù)。(5) 輕質(zhì)高強的MPP片材適合于作為揚聲器振膜使用。(6) 同樣由于其微米尺度的泡孔，MPP具有極佳的表面保護性能，可應用于液晶面板等防護性要求較高的包裝領(lǐng)域。 MPP的阻燃著下游應用范圍的不斷擴大以及性能要求的提升，對MPP阻燃要求日益劇增，巴斯夫BASF無鹵阻燃劑Flamestab?NOR116在MPP中添加量非常低，添加1%即可達到UL94 VTM-2阻燃等級，對材料的物理性能及發(fā)泡性能幾乎不影響，NOR116除優(yōu)異的阻燃效果外，它還有出色的光和熱穩(wěn)定性，以及不與酸性環(huán)境以及含鹵阻燃劑中的酸性成份發(fā)生反應的優(yōu)點。MPP的光老化MPP是一款容易受光老化的產(chǎn)品，巴斯夫光穩(wěn)定劑Tinuvin? XT55在MPP微孔發(fā)泡聚丙烯上能夠達到非常高效的光老化，延長MPP長時間在戶外暴曬的時間，防止材料老化降解； BASF Tinuvin? XT55除了優(yōu)異的光老化外，同時還具有形態(tài)顆粒化，加工方便，潔凈，無粉塵污染等特點。
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隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，制造汽車的各種原材料也迅速發(fā)展和更新?lián)Q代，越來越多的汽車零部件開始采用改性塑料替代金屬制件。塑料在汽車上的應用已有近50年的歷史，目前汽車用改性塑料的使用量已成為衡量汽車設計和制造水平高低的一個重要標志，塑料飾件的大量應用，促進了汽車的減重節(jié)能，提高了汽車的美觀舒適度。PP以密度小、性價比高、具有優(yōu)異的耐熱性能、耐化學藥品腐蝕性、剛性、易于成型加工和回收利用等特性在汽車上得到了廣泛的應用。近來更是有把汽車內(nèi)飾和外裝材料統(tǒng)一到PP系列材料的趨勢。由于高性能基礎樹脂的開發(fā)生產(chǎn)周期長、投資巨大、技術(shù)要求高，且需要高精尖的集成先進綜合技術(shù)，所以對現(xiàn)有PP樹脂需要進行更廣泛、更有效、更經(jīng)濟、更實用的改性。延伸性、機械的強度和抗斷裂性無機填料和彈性體增韌增強改性PP主要是“三高”。是由 PP樹脂、三元乙丙橡膠(EPDM)和乙烯-辛烯共聚物(POE)等增韌彈性體及滑石粉、碳酸鈣等無機填料的復合物，其主要用于汽車保險杠的注射成型，且改性PP保險杠具有成本低、質(zhì)輕、易涂裝、可循環(huán)使用等優(yōu)點。滑石粉填充改性PP材料具有高剛性、低熱膨脹系數(shù)和低收縮率，且其抗化學腐蝕性能強，尤其是經(jīng)表面處理的滑石粉填充PP可有效改善PP的沖擊性能，提高材料的模量和熱變形溫度。聚丙烯微孔發(fā)泡玻璃纖維增強改性PP玻璃纖維增強改性PP材料尤其是LGFPP材料在汽車部件上的研究與應用(如在前端模塊、儀表板骨架、車門模塊等典型部件的應用)是多年來的研究熱點之一。LGFPP制品指含有長度為10～25mm的玻璃纖維改性的PP復合材料經(jīng)過注塑等工藝形成的三維結(jié)構(gòu)。10～25mm的長玻璃纖維增強聚合物相比普通4～7mm的短玻璃纖維增強聚合物具有更高的強度、剛度、韌性，以及尺寸穩(wěn)定性好、翹曲度低等優(yōu)勢。此外，LGFPP材料比短玻璃纖維增強PP(GFPP)有著更好的抗蠕變性能，即使經(jīng)受100℃的高溫也不會產(chǎn)生明顯的蠕變。與金屬材料和熱固性復合材料相比，LG-FPP的密度低，相同部件的質(zhì)量可減輕20%～50%;LGFPP能為設計人員提供更大的設計靈活性，可成型形狀復雜的部件、提高集成汽車零部件的能力、節(jié)約模具成本(一般長玻璃纖維增強聚合物注塑模具的成本約為金屬沖壓模具成本的20%)、減少能耗(長玻璃纖維增強聚合物的生產(chǎn)能耗僅為鋼制品的60%～80%，鋁制品的35%～50%)、簡化裝配工序。汽車部件用礦物纖維增強PP的新產(chǎn)品，具有強度高、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、阻燃性能好、低浮纖、低翹曲、低收縮 等特點。發(fā)泡改性PPPP發(fā)泡材料是通過提高PP的熔體強度，從而提高發(fā)泡倍率而制成的低密度物質(zhì)，其具有質(zhì)輕、耐熱、耐高溫等優(yōu)點。隨著汽車輕量化的發(fā)展，選用PP發(fā)泡材料已成為汽車減重的重要途徑，目前其在汽車內(nèi)飾上的應用也越來越多，其中PP發(fā)泡材料在各種汽車上的使用占比為轎車占45%，卡車、工程機械車占20% ，客車、商務車占35%。汽車用PP發(fā)泡材料主要為化學微發(fā)泡材料，因為普通微發(fā)泡PP制品的表觀質(zhì)量很不理想，僅適合于需要表面覆皮的高端車，不僅增加了制造成本，也限制了PP發(fā)泡材料的推廣和應用;而化學微孔發(fā)泡是以熱塑性材料為基體，化學發(fā)泡劑為氣源，通過自鎖工藝使得氣體形成超臨界狀態(tài)，注入模腔后氣體在擴散內(nèi)壓的作用下，使制品中間分布著直徑從十幾到幾十微米的封閉微孔泡，且其理想的泡孔直徑應 <50μm ，但目前國內(nèi)行業(yè)實際生產(chǎn)的微發(fā)泡PP的微泡孔直徑約為80～350μm 。對于微孔發(fā)泡主要有注塑微發(fā)泡、吹塑微發(fā)泡和擠出微發(fā)泡等，注塑微發(fā)泡適用于各種汽車內(nèi)外飾件，如車身門板、尾門、風道等;擠出微發(fā)泡適用于密封條、頂棚等;吹塑微發(fā)泡適用于汽車風管等。利用微發(fā)泡技術(shù)可使PP制品的質(zhì)量減少約10%～20% ，較傳統(tǒng)材料在部件上可實現(xiàn)50%的減重，注射壓力降低約30%～50% ，鎖模力降低約20% ，循環(huán)周期減少10%～15%，同時還能提高汽車的節(jié)能性，較傳統(tǒng)材料可實現(xiàn)30%的節(jié)能，并且能改善制品的翹曲變形性，使產(chǎn)品和模具的設計更靈活。在一些部件中，如汽車風管、風道，還可實現(xiàn)隔熱、降噪的效果，減少后道工序的成本。密 度 為0.06g/cm3的輻射交聯(lián)PP高發(fā)泡片材具有良好的力學性能，作為汽車車頂，可降低汽車的質(zhì)量，同時其還可用于汽車的內(nèi)飾件，有利于汽車的輕量化。耐刮擦PP相對于工程塑料來說，PP、橡膠改性PP、熱塑性聚烯烴和熱塑性彈性體等聚烯烴材料具有可回收、質(zhì)輕、成本低的優(yōu)勢，因而被越來越多地應用于汽車以及其他領(lǐng)域，然而聚烯烴材料的耐刮擦性能明顯較差，而這一性能卻是儀表板、操控臺和門板表皮等汽車內(nèi)部應用部件的關(guān)鍵性能，也是汽車外部應用部件、全地形車輛(ATVs)的重要性能之一，而且表面性能提高的聚烯烴能很好地代替金屬和工程塑料，同時還有利于涂色，因此積極尋找提高聚烯烴材料耐刮擦性能的解決方案十分重要。通過添加涂層、無機礦物和某些功能助劑可提高聚烯烴的耐刮擦性能，例如添加耐刮擦劑可制備耐刮擦汽車內(nèi)飾用PP復合材料。汽車用改性PP的回收利用塑料作為一種環(huán)保材料，因其可塑性強、質(zhì)輕、回收再利用率高等特性，在汽車工業(yè)中的應用非常廣泛，無論是內(nèi)飾件、外飾件還是功能性結(jié)構(gòu)件，都越來越多地用到了塑料。我國汽車保有量達到1.75億輛，對應用于汽車的塑料的粉碎再回收無疑變得越來越重要，且汽車塑料的回收將會形成一個巨大的市場，是一個前景廣闊的領(lǐng)域，學術(shù)界和企業(yè)在這方面都有很多的研究和實踐。
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塑料部件在國內(nèi)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(fā)泡技術(shù)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(diào)風罩、門嵌飾板等內(nèi)外飾。聚丙烯使用量占比塑料部件50%以上。讓汽車用上更多的塑料部件，還有很多功課可以開展。全球微孔發(fā)泡相關(guān)的專利申請，前三位為：美國、日本、德國。Trexel公司的MuCell技術(shù)是目前為成熟、商品化為廣泛的微孔發(fā)泡技術(shù)，該技術(shù)來源于麻省理工學院在20世紀80年代提出的發(fā)明專利。Trexel公司在1995年通過專利權(quán)轉(zhuǎn)讓獲得這項技術(shù)的全球開發(fā)和商品化推廣，并在此基礎上開發(fā)出連續(xù)微孔成型技術(shù)--MuCell。MuCell技術(shù)的核心即采用超臨界流體為發(fā)泡劑，發(fā)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(jié)構(gòu)。聚丙烯微孔發(fā)泡微孔發(fā)泡技術(shù)讓汽車駛向輕量化——在汽車非金屬部件的輕量化領(lǐng)域，微孔發(fā)泡材料是行業(yè)競相研究的主要課題之一。2018年，中石化就將聚丙烯微孔發(fā)泡材料應用技術(shù)開發(fā)列為重點課題。國內(nèi)微孔發(fā)泡材料注重原料技術(shù)研發(fā)。在高校方面，北京化工大學在微孔發(fā)泡工藝的專利申請量上占有主要地位，主要發(fā)明人為楊衛(wèi)民課題組和何亞東課題組。楊衛(wèi)民課題組的研究方向主要是微孔發(fā)泡專用注射機的結(jié)構(gòu)改進，在專利申請方向上側(cè)重于改進螺桿結(jié)構(gòu)和設置滲透釜來獲得聚合物熔體/超臨界氣體均相體系。近期，華東理工大學化工學院趙玲教授領(lǐng)銜的“高性能聚丙烯微孔發(fā)泡材料綠色制備過程的優(yōu)化和強化”項目斬獲上海市科技進步獎一等獎。北京化工大學教授、教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授楊衛(wèi)民，華東理工大學化工學院院長、聯(lián)合化學反應工程研究所所長、教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授趙玲，兩位教授將出席“2020中國聚烯烴大會”，并介紹聚烯烴發(fā)泡技術(shù)與材料開發(fā)。國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排發(fā)展趨勢愈加顯著，對汽車輕量化提出了更高要求。特別是在車市持續(xù)萎靡、新能源汽車競爭愈發(fā)激烈的情況下，輕量化成為汽車產(chǎn)業(yè)從困境中突圍的重要方向。整車廠、改性塑料企業(yè)都在加大輕量化材料領(lǐng)域的布局。汽車輕量化要求更高，對聚丙烯微孔發(fā)泡材料的需求正在進一步放大！在這個領(lǐng)域有哪些新的進展和要求？有哪些新的技術(shù)研發(fā)？趙玲教授將在“2020中國聚烯烴大會”開講。