一种双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置及方法和应用与流程

本发明属于聚合物泡沫材料领域，尤其涉及一种双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置及方法和应用。

背景技术：

本发明背景技术公开的信息仅仅旨在增加对本发明总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

聚合物泡沫材料是一种以聚合物为基体，内部含有大量泡孔的聚合物材料，具有质轻、比强度高、韧性好以及隔音减震等特点，被广泛应用于包装材料、飞机和汽车零部件、运动器材以及生物医学材料等多个领域。双峰泡孔聚合物泡沫材料是聚合物泡沫材料中的一种特殊结构类型材料，其内部大、小两种泡孔并存，孔径呈现双峰分布。双峰泡孔聚合物泡沫材料兼具大、小两种泡孔的性能，其隔热与吸声性能比单峰泡孔聚合物泡沫更优，且在生物医学组织工程以及超疏水材料领域具有良好应用前景，近年来受到学术界和工业界的高度重视和广泛研究。

目前，制备双峰泡孔聚合物泡沫材料的方法主要有聚合物共混法、双发泡剂法、两步降压法以及升温降压法等。例如，专利文献cn105419093a公开了一种含双峰泡孔结构的泡沫材料及其制备方法，其基于“聚丙烯和聚乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃弹性体中的至少一种”共混挤出获得含双峰泡孔结构的泡沫材料的制备方法。专利文献cn104592543a公开了一种具有双峰孔结构的多孔聚合物材料及其制备方法，其先制备聚乳酸和聚己内酯共混物，后经超临界发泡形成闭孔结构小泡孔和选择性刻蚀形成开孔结构大泡孔,进而制备兼具开孔结构和闭孔结构泡孔的双峰孔结构多孔聚合物材料的方法。

然而，本发明人认为：上述两种方法只适合于共混聚合物。对于单一聚合物，专利文献us4455272公开了一种以水和碳氢化合物作为双发泡剂，采用挤出工艺制备含双峰泡孔结构的聚苯乙烯泡沫的方法，但这种方法需要两套注气设备，成本较高，操作也较复杂。另外，专利文献cn109385058a提出了一种超临界流体制备聚合物无模立体结构发泡制品的方法，其将聚合物原料加压成型得发泡预塑件，然后将发泡预塑件在预热系统内预热，升温至预热温度后将发泡预塑件送入立体发泡系统内，通入超临界流体，超临界流体向聚合物溶胀扩散完成后泄压即可，然而，该方法并不能制备双峰泡孔结构的发泡制品。

技术实现要素：

针对上述的现有技术中存在的一些问题，本发明旨在提供一种双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置及方法和应用。本发明通过计算机、plc控制器、温控箱、热电偶和加热装置，精确协同控制反应釜中聚合物试样的升降压阶数、各阶压力数值、各阶压力保压时间以及饱和温度、发泡温度等工艺参数，制备具有双峰泡孔结构的聚合物泡沫材料。

本发明的第一目的，是提供一种双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置。

本发明的第二目的，是提供一种双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备方法。

本发明的第三目的，是提供所述双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置及方法的应用

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开一种双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置，包括：高压超临界流体气源、高压针阀、第一压力传感器、气控比例减压阀、第一高压电磁阀、温控箱、空压机、低压气体截止阀、电气比例减压阀、泄压装置、第二高压电磁阀、第二压力传感器、温度传感器、计算机、plc控制器、反应釜和加热装置。

所述高压超临界流体气源、高压针阀、气控比例减压阀、第一高压电磁阀、泄压装置和第二高压电磁阀共同组成高压气路；其中，高压超临界流体气源、高压针阀、气控比例减压阀、第一高压电磁阀的入口顺序连接，第一高压电磁阀的出口与反应釜的入口和第二高压电磁阀的入口连接，所述第二高压电磁阀的出口与所述泄压装置连接；所述第一压力传感器、第二压力传感器分别与气控比例减压阀、反应釜连接。

所述空压机、低压气体截止阀、电气比例减压阀顺序连接组成低压气路，且电气比例减压阀的出口与气控比例减压阀的驱动气体入口连接。

所述温控箱、反应釜和加热装置共同组成聚合物泡沫材料发泡系统，其中，所述反应釜的入口端与第一高压电磁阀的出口连接，所述反应釜的出口端密闭；所述加热装置设置在反应釜外表面上；所述温度传感器置于反应釜的内部，所述温控箱与温度传感器和加热装置连接。

所述plc控制器与第一高压电磁阀、第二高压电磁阀、第一压力传感器和第二压力传感器连接并接收和输出信号；所述计算机与plc控制器连接并进行交互。

作为进一步的技术方案，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别设置在气控比例减压阀的入口和反应釜的入口处。

作为进一步的技术方案，所述温度传感器为热电偶；所述泄压装置为泄压阀。

作为进一步的技术方案，所述加热装置为加热圈；所述反应釜为高压不锈钢反应釜。

其次，本发明公开利用所述装置制备双峰泡孔聚合物泡沫材料的方法，包括如下步骤：

(1)聚合物试样的“冲洗”：

首先，将聚合物试样放入密封的反应釜中，打开高压针阀和低压气体截止阀；

然后，在计算机的程序界面点击“冲洗”命令，plc控制器接收来自计算机的“冲洗”指令，并打开第一高压电磁阀和第二高压电磁阀，并调整电气比例减压阀输出的压缩空气压力，进而调控气控比例减压阀的输出压力，使高压气路全接通，利用压缩空气对反应釜中的聚合物试样进行冲洗；

最后，冲洗完毕后plc控制器发出指令关闭第一高压电磁阀和第二高压电磁阀；

(2)聚合物试样的饱和：

步骤(1)完成后，首先，在温控箱设定聚合物试样的饱和温度，开启加热装置对反应釜中的聚合物试样开始加热，当温度传感器测量的反应釜内部温度达到设定的饱和温度值时，进入精确保温阶段；

然后，在计算机中输入聚合物试样发泡工艺的压力参数控制方案，交互到plc控制器，plc控制器接收到饱和压力工艺信号后，打开第一高压电磁阀并保持第二高压电磁阀关闭，控制电气比例减压阀的低压气体输出压力，并据此调控气控比例减压阀的输出压力达到设定的聚合物试样饱和压力，对反应釜进行增压；

最后，当第二压力传感器检测到的压力值达到设定的饱和压力值时，进入精确保压阶段；聚合物试样在设定的饱和温度和饱和压力下进行饱和，直到达到饱和压力保压时间；

(3)聚合物试样的一次过饱和发泡：

步骤(2)完成后，对聚合物试样进行二次升温，当温度传感器测量的反应釜内部温度达到设定的发泡温度时，进入发泡温度保温阶段；在聚合物试样二次升温的同时，plc控制器根据设定的一次降压压力，打开第二高压电磁阀，反应釜中的气体经溢流阀泄出，压力降低，当压力降到设定的一次降压压力值时，plc控制器发出信号关闭第二高压电磁阀，进入一次降压压力保压阶段；聚合物试样在升温和一次降压的协同作用下进入一次过饱和发泡，直至达到一次降压压力的保压时间；

(4)聚合物试样的二次过饱和发泡和冷却：

步骤(3)完成后，plc控制器发出指令打开第二高压电磁阀，对反应釜进行完全泄压，聚合物试样进入二次过饱和发泡；完成后plc控制器发出指令关闭第二高压电磁阀，同时关闭温控箱，将反应釜取下浸入到冰水中进行冷却，冷却完成后取出试样，即得。

作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述气控比例减压阀的输出压力为0.5～1mpa。

作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述聚合物试样的冲洗时间为20～30s。

作为进一步的技术方案，步骤(2)中，所述聚合物试样的压力参数包括：饱和压力、饱和压力保压时间、一次降压压力、一次降压压力保压时间。

作为进一步的技术方案，步骤(3)中，所述聚合物试样的发泡温度高于饱和温度。

作为进一步的技术方案，步骤(3)中，所述聚合物试样的一次过饱和发泡时间为系统的一次降压压力保压时间。

作为进一步的技术方案，所述电气比例减压阀的压力控制范围为0.1～0.8mpa。

作为进一步的技术方案，所述气控比例减压阀的压力控制范围为0～30mpa。

最后，本发明公开所述双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置及方法在包装材料、飞机和汽车零部件、运动器材以及生物医学材料等的制备中的应用。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：本发明提供的双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置及方法，利用计算机、plc控制器和温控箱，控制反应釜的饱和压力、饱和压力保压时间、一次降压压力、一次降压压力保压时间、饱和温度、发泡温度等参数，实现反应釜中聚合物试样发泡过程中温度和压力的协同控制，实现聚合物试样过饱和过程的调控，且调控精度高，成功地制备出了双峰泡孔结构聚合物泡沫，且制备的双峰泡孔聚合物泡沫材料具有泡孔分布均匀、孔径双峰分布明显的特点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1中双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置的结构示意图。

图2为本发明实施例3中制备的双峰泡孔聚合物泡沫材料的sem图。

图中标记代表：1-高压超临界流体气源、2-高压针阀、3-第一压力传感器、4-气控比例减压阀、5-第一高压电磁阀、6-温控箱、7-空压机、8-低压气体截止阀、9-电气比例减压阀、10-泄压阀、11-第二高压电磁阀、12-第二压力传感器、13-热电偶、14-计算机、15-plc控制器、16-反应釜、17-加热装置、18-聚合物试样。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，现有双峰泡孔聚合物泡沫材料仍然存在诸多问题。因此，本发明提出一种双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置及方法；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

一种双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置，参考图1，包括：高压超临界流体气源1、高压针阀2、第一压力传感器3、气控比例减压阀4、第一高压电磁阀5、温控箱6、空压机7、低压气体截止阀8、电气比例减压阀9、泄压装置10、第二高压电磁阀11、第二压力传感器12、温度传感器13、计算机14、plc控制器15、反应釜16和加热装置17。

所述高压超临界流体气源1、高压针阀2、气控比例减压阀4、第一高压电磁阀5、泄压装置10和第二高压电磁阀11共同组成高压气路；其中，高压超临界流体气源1、高压针阀2、气控比例减压阀4、第一高压电磁阀5的入口顺序连接，第一高压电磁阀5的出口与反应釜16的入口和第二高压电磁阀11的入口连接，所述第二高压电磁阀11的出口与所述泄压装置10连接；所述第一压力传感器3、第二压力传感器12分别与气控比例减压阀4、反应釜16连接。

所述空压机7、低压气体截止阀8、电气比例减压阀9顺序连接组成低压气路，且电气比例减压阀9的出口与气控比例减压阀4的驱动气体入口连接。

所述温控箱6、反应釜16和加热装置18共同组成聚合物泡沫材料发泡系统，其中，所述反应釜16的入口端与第一高压电磁阀5的出口连接，所述反应釜16的出口端密闭；所述加热装置18设置在反应釜16外表面上；所述温度传感器13置于反应釜16的内部，所述温控箱6通过导线与温度传感器13和加热装置18连接。

实施plc控制器15通过通信电线或电缆与第一高压电磁阀5、第二高压电磁阀11、第一压力传感器3和第二压力传感器12连接并并接收和输出信号；计算机14通过通信电线或电缆与plc控制器15连接并进行交互。

实施例2

一种双峰泡孔聚合物泡沫材料的制备装置，同实施例1，区别在于：所述第一压力传感器3和第二压力传感器12分别设置在气控比例减压阀4的入口和反应釜16的入口处。所述温度传感器13为热电偶；所述泄压装置为泄压阀。所述加热装置为加热圈；所述反应釜16为高压不锈钢反应釜。

实施例3

利用实施例2所述装置制备双峰泡孔聚合物泡沫材料的方法，包括如下步骤：

(1)聚合物试样的“冲洗”：所述控制系统开始工作时，将聚合物试样18放入高压不锈钢反应釜16中，并对反应釜16两端进行密封，打开高压针阀2和低压气体截止阀8；在计算机14的程序界面点击“冲洗”命令，plc控制器15接收来自计算机14的“冲洗”指令，发出信号同时打开第一高压电磁阀5和第二高压电磁阀11，并调整电气比例减压阀9输出的压缩空气压力，进而调控气控比例减压阀4的输出压力，使高压气路全接通，对高压不锈钢反应釜16中的聚合物试样进行冲洗；冲洗时间为20s，冲洗完毕后，plc控制器15发出指令，同时关闭第一高压电磁阀5和第二高压电磁阀11；

(2)聚合物试样的饱和：步骤(1)完成后，在温控箱6设定聚合物试样18的饱和温度为60℃，接通加热装置17的电源，对反应釜16中的聚合物试样18开始加热，当温度传感器13测量的反应釜内部温度达到设定的饱和温度值60℃时，进入精确保温阶段；然后，在计算机14的程序界面输入聚合物试样18发泡工艺的压力控制方案，即饱和压力15mpa和饱和时间3h，交互到plc控制器15，plc控制器15接收到饱和压力工艺信号后，打开第一高压电磁阀5并保持第二高压电磁阀11关闭，控制电气比例减压阀9的低压气体输出压力，并以此调控气控比例减压阀4的输出压力达到设定的试样饱和压力15mpa，对反应釜16进行增压，当第二压力传感器12检测到的压力值达到设定的饱和压力值时，进入精确保压阶段；聚合物试样18在设定的饱和温度和饱和压力条件下进行饱和，直到饱和压力保压时间3h达到；

(3)聚合物试样的一次过饱和发泡：步骤(2)完成后，当聚合物试样18达到设定的饱和压力保压时间，在温控箱6设定聚合物试样的发泡温度为110℃，对聚合物试样18进行二次升温，当温度传感器18测量的反应釜内部温度达到设定的发泡温度110℃时，进入发泡温度保温阶段；聚合物试样18升温的同时，plc控制器15根据设定的一次降压压力10mpa，打开第二高压电磁阀11，反应釜16中的气体经泄压阀10泄出，压力降低，当压力降到设定的一次降压压力压力值10mpa时，plc控制器15发出信号关闭第二高压电磁阀11，进入一次降压压力保压阶段；聚合物试样18在升温和一次降压的协同作用下进入一次过饱和发泡，直到一次降压压力保压时间0.5h达到；

(4)聚合物试样的二次过饱和发泡和冷却：步骤(3)完成后，当聚合物试样18的一次过饱和发泡达到设定的一次降压压力保压时间，plc控制器15发出指令打开第二高压电磁阀11，对反应釜进行完全泄压，聚合物试样18进入二次过饱和发泡；二次过饱和发泡(完全泄压)后，plc控制器15发出指令关闭第二高压电磁阀11，同时关闭温控箱6，将反应釜16取下浸入到冰水中进行冷却，冷却完成后取出试样，即得。

本实施例制备的聚合物试样内部泡孔结构如图2所示，可以看出：制备的聚合物泡沫材料内部呈现明显的大小泡孔共存的双峰结构，且分布均匀，满足双峰泡孔聚合物泡沫材料的结构要求。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。