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發布時間：2024-12-24 00:53:35
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近年來綜合性能優異、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。聚丙烯微孔發泡聚丙烯是結晶聚合物，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。因此，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
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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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核心技術優勢：1、技術創新：·成套設備：自主研發的超臨界CO2微孔發泡成套裝備，將化學工程的技術手段應用于聚合物加工。·適用性好：工藝適用于多種聚合物材料的微孔發泡(PP、PA、TPU、TPAE、PVDF…)。·控制確：通過宏觀工藝參數(溫度、壓力)的確控制，實現了對泡孔結構的確控制。2、性能優勢：·多類別：從彈性體到工程塑料的多種聚合物輕量化材料產品 。·高性能：充分發揮多孔結構作用能并配合材料的功能化改性，實現材料的高性能化 。·輕量化：低密度(min) 30kg/m3 。重環保：純物理發泡，制程清潔環保，產品安全無毒。聚丙烯微孔發泡已實現量產的產品種類：1、M-PP：聚丙烯微孔發泡板材2、M-PVDF：聚偏氟乙烯微孔發泡板材3、M-PA12：尼龍12微孔發泡板材4、M-TPU：熱塑性聚氨酯彈性體微孔發泡板材5、M-TPEE：熱塑性聚酯彈性體微孔發泡板材6、M-PEBA：熱塑性聚酰胺彈性體微孔發泡板材
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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。國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。實驗方法聚丙烯微孔發泡將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，熔體壓力瞬間達到值。隨著GCP從0增加至0.8 MPa，熔體內部壓力從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。 GCP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。這是因為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對泡孔結構參數的影響GCP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。GCP提高了充模時的熔體壓力，有效地降低了泡孔的變形，且隨著GCP的升高，泡孔直徑增大，泡孔密度下降，發泡材料的質量減少整體趨于不變。結論隨著GCP從0增加至0.8 MPa，熔體內部的壓力從1.55 MPa增大到2.16 MPa，使充模過程中受流動影響的泡孔數減小，減小了泡孔受到的流動剪切力。隨著GCP的增大，泡孔變形層區域厚度所占比例從63.7%下降到45.4%，變形層的泡孔的變形度從0.530下降到0.304，泡孔的平均長度增大。GCP的增加有效地改善了泡孔形貌，減小了泡孔變形層的CP增加了熔體流動時的阻力，提高了注塑充模階段的熔體壓力，使得臨界成核點后移，泡孔的成核長大在充模后進行，進而改善了制品泡孔的形貌。
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隨著國內大煉化項目、PDH項目陸續上馬，國內聚丙烯（PP）市場成為群雄角力之地。新建項目投產，PP產能仍將快速增長，預計到2023年我國PP產能將超過3500萬噸，自給率將近90%。屆時，高性能產品將成為企業突出重圍的殺手锏。高性能PP成投資熱土2020年已經有三家企業成功投產聚丙烯裝置，浙江石化、恒力石化、利和知信。近一個月，聚烯烴行業掀起了新一波高性能PP投資熱潮：4月22日，總投資約100億美元的埃克森美孚廣東惠州乙烯項目正式動工，項目包括乙烯裝置和高端PE、PP等生產裝置，采用已經成功應用、先進的專有工藝和催化劑技術生產高性能聚合物。聚丙烯微孔發泡5月17日，總投資約56億美元的中海殼牌惠州三期乙烯項目合作框架協議簽約，項目產品包括聚α烯烴、高碳合成醇、茂金屬PE、共聚PP等，共14規模生產裝置。18日，徐州海天石化集團年產10萬噸高性能PP樹脂項目“云簽約”，落戶大慶龍鳳區。高性能產品研發能力不足我國已投入生產的高端聚丙烯專用樹脂有：三元共聚聚丙烯薄膜專用料F5606、管材專用料、薄壁注塑料M50T、高熔體強度薄膜專用料、丙丁共聚膜料、低溫抗沖注塑專用料、氫調法高流動注塑料、高透明注塑專用料、抗菌系列專用料、低灰分PP、快速成型PP、透明PP專用料等。但由于我國高端聚丙烯產品研發能力不足，且同質化嚴重，一些高性能和特殊性能產品，如茂金屬PP（mPP）、特種雙向拉伸聚丙烯（BOPP）膜、流延聚丙烯（CPP）膜等仍需大量進口來滿足國內市場需求。我國mPP年消費量約10萬噸，除燕山石化少量供應市場，基本依賴進口，主要用于生產醫用或食品用高透明PP制品、食品包裝薄膜、無紡布、超細旦丙綸纖維等領域。具有高拉伸速度與幅寬、超薄、超透及更好低溫熱封性能的特種BOPP薄膜、電工膜、電容器膜、鍍鋁膜等PP薄膜料以及汽車和家電用PP注塑料的年進口量均超百萬噸。PP管材料的年進口量約50萬噸。高性能PP開發方向1抗菌PP此次新冠肺炎疫情的肆虐，推動汽車生產商聚焦抗菌PP在內飾件中的應用，這或將成為車用PP下一個熱點應用領域。2玻纖增強PP長玻纖增強PP材料因具備更高的強度、剛度、韌度、尺寸穩定性，廣泛應用于儀表骨架板、車門組合件、前端組件、車身門板模塊、車頂面板、座椅骨架等汽車部件上。長玻纖增強PP材料在120℃時的高溫疲勞強度是普通玻纖增強PP材料的2倍，甚至比以耐熱性著稱的玻纖增強尼龍材料高10%，具有作為結構件所需的耐久性和可靠性。氣味散發耐刮擦PP隨著人們對汽車品質的追求，車用PP材料需要滿足的已不僅僅是力學性能，還有對外觀、環保等方面的高要求。目前市場上低氣味散發PP材料多被Basell、北歐化工等公司產品壟斷，國產替代進口任務艱巨。制造高抗刮擦汽車內飾件材料一方面要采用國外表面硬度較高的PP原料，另一方面需要添加助劑提升材料表面的爽滑度。但助劑在體系內受熱會有小分子散發影響車內空氣質量，同時又會出現表面遷移現象，影響內飾件外觀。因此，問題核心仍取決于PP基材的性能。