一种差别化戊烷发泡剂的制备方法与流程

本发明涉及发泡剂领域，尤其涉及一种差别化戊烷发泡剂的制备方法。

背景技术：

戊烷发泡剂是一种正异戊烷烃的混合物，根据其混合比例的不同有不同的型号，因烷烃发泡剂臭氧消耗潜值为零、温室效应很小、无毒、对环境影响极小，且戊烷发泡剂的产量高、自然资源丰富，价格低，正逐步成为氟氯烃发泡剂的替代品。但由于戊烷发泡剂基本上由正戊烷和异戊烷两种异构体组成，其化学结构简单，导致其物理化学性质相对固定，戊烷发泡剂的品质也比较单一，其在发泡材料上的应用范围相对较窄，产品质量也受到限制，如泡沫材料力学等结构性能不高，隔热、阻燃、吸音等功能性不强等，因此开发戊烷发泡剂的新品种具有重要的意义。

为改善戊烷发泡剂的性能，通常添加不同的改性组份。目前在相关的文献或专利中，主要介绍的是一些不同的性质的发泡剂，如环戊烷、氟氯烃等，与戊烷发泡剂按不同的比例复配后，得到一些新品质的发泡剂，从而改善发泡材料相应的理化性能等，但其调节的功能范围小，一般主要影响隔热、阻燃等性能。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种差别化戊烷发泡剂的制备方法。本发明通过向戊烷发泡剂中添加无机晶须和无机粉体材料的方式来开发戊烷发泡剂的新品种，从而达到改善发泡剂材料的力学性能或功能性的目的。

本发明的具体技术方案为：一种差别化戊烷发泡剂的制备方法，包括如下步骤：

a）按质量份数，将1-1.2份无机晶须与5-6份浓度为20wt%的季铵碱水溶液混合，在高能球磨机中研磨2-4h，移到内衬为聚四氟乙烯的反应器中，在100-120℃温度和0.3-0.5mpa压力下搅拌反应3-5h，然后加入0.5-1份多孔性无机粉体，至双向旋转式冲击粉碎机中混合粉碎0.5-1h，将物料进行过滤，洗涤至中性，再以co2为介质进行超临界干燥，在球磨机中粉碎，再移到搅拌式等离子体反应器中，在搅拌下以氮气为载气，在40-60pa、30-80w功率下进行射频等离子体处理5-10min，然后再将所得粉体加到8-10份浓度为20wt%的有机硅的乙醇溶液中，混合均匀后在40-50℃下超声分散0.5-1h，加热至70-80℃回流10-12h，冷却后抽滤，并用无水乙醇充分洗涤，再加热干燥粉碎，并经200-300目过筛，得到改性粉体。

b）按质量份数，在连续搅拌下将4-8份戊烷发泡剂和2-4份有机溶液混溶，再依次加入0.5-1份助溶剂和1-2份步骤a）制得的改性粉体，加入到五级连续搅拌球磨机中研磨3-6h，然后在10-15℃下超声波分散2-3h，静置3-5d，除去液面的悬浮物和液底的沉淀物，取中间悬浮液，再在30-50r/min下离心0.5-1h，分离沉淀，经800-1000目过滤，制得改性戊烷发泡剂母液。

c）在戊烷发泡剂的主输送管道的支管上设置一个增压泵，将所述改性戊烷发泡剂母液经增压泵增压后，经支管进入到戊烷发泡剂的主输送管道内部，经支路分配至喷嘴，再喷射到主输送管道中流动的戊烷发泡剂中，再依次通过主输送管道中的静态混合器和超声波混合器作用，所得液体即为差别化戊烷发泡剂。

本发明通过向戊烷发泡剂中添加一些无机晶须和无机粉体材料的方式来开发戊烷发泡剂的新品种，从而达到改善发泡剂材料的力学性能或功能性的目的。这些粉体材料经过改性处理后在戊烷发泡剂中具有良好的分散性，在发泡剂参与发泡塑料珠粒或粉末的溶胀或混合时，这些无机粉体材料主要吸附在发泡塑料珠粒或粉末的表面，待这些发泡塑料珠粒或粉末通过模压或挤出等成型工艺制成泡沫材料后，这些无机改性粉体便存在于发泡塑料珠粒或粉末间的界面位置，从而达到增强或功能改性的目的。

作为优选，步骤a）中，所述晶须材料为氮化硅晶须、碳酸钙晶须、氢氧化镁晶须、氧化硅晶须中的一种或几种。

作为优选，步骤a）中，所述季铵碱为四甲基氢氧化铵、二甲基二乙基氢氧化胺、四乙基氢氧化铵中的一种或几种。

作为优选，步骤a）中，所述多孔性无机粉体为二氧化硅气凝胶粉末、白炭黑、硅藻土中一种或几种。

本发明使用的改性剂主要有碳酸钙晶须、氢氧化镁晶须、氧化硅晶须、二氧化硅气凝胶、白炭黑、硅藻纯等，其中碳酸钙晶须、氢氧化镁晶须、氧化硅晶须具有较高的长径比，在发泡材料中主要起到增强的作用，而二氧化硅气凝胶、硅藻纯等则具有较多的孔隙，能吸附发泡剂等，从而能改变发泡剂在塑料珠粒或粉末中的分布，并改变发泡材料中的孔结构。

作为优选，步骤a）中，所述有机硅为氯甲基二甲基氯硅烷、氯甲基三氯硅烷、甲基三氯硅烷、乙基三氯硅烷中的一种或几种。

作为优选，步骤b）中，所述有机溶液为正己烷、异己烷、环己烷、苯、乙醚、乙丙醚中的一种或几种；所述助溶剂为乙酸乙酯、丙酮、丁二醇、丙二醇中的一种或几种。

作为优选，步骤c）中，所述改性戊烷发泡剂母液的添加量为戊烷发泡剂重量的1-10%。

作为优选，步骤b）中，所述五级连续搅拌球磨机包括横向设置的圆柱型搅拌筒体和搅拌装置；

所述搅拌筒体沿轴向由隔板分隔为五个搅拌室，五个搅拌室按物料流动方向依次记为搅拌室i至v，所述搅拌室i的顶部设有进料口，搅拌室v的顶部设有出料口；相邻搅拌室之间隔板的顶部设有溢流通道，所述溢流通道连通相邻的搅拌室，且溢流通道内设有分离筛网；每个搅拌室内填充有介质球。

所述搅拌装置包括设于搅拌筒体外的电机、转轴、内磁转子、隔离套、外磁转子、搅拌支架和搅拌叶片；所述转轴穿设搅拌筒体轴心并与所述电机轴联接，每个搅拌室中分别设有固定于转轴上的内磁转子，内磁转子外部套有与搅拌筒体一体的隔离套，每个搅拌室中分别设有套于隔离套外部的外磁转子，每个外磁转子上固定有搅拌支架，搅拌支架上设有搅拌叶片；其中，转轴与内磁转子同步转动，隔离套隔离内磁转子与外磁转子，外磁转子与隔离套可相对转动且外磁转子与搅拌支架同步转动。

上述装置的工作原理为：物料从进料口进入搅拌室i中进行搅拌，搅拌室i中满料后，物料从溢流通道流向下一个搅拌室，溢流通道中设有分离筛网，能够阻挡颗粒较大的物料流向下游。依次经过多个搅拌室多级搅拌后，物料颗粒逐渐细化，从出料口输出的物料中共混物之间处于彼此相互容纳、分散的液相稳定状态。

其中，搅拌装置中内磁转子与外磁转子可采用现有技术中常规装置。通过隔离套将内磁转子、转轴与外磁转子隔离，密封性好，能够防止物料侵蚀内磁转子和转轴。

作为优选，每个所述搅拌室内介质球的填充率为40%-70%，搅拌室i至v内介质球的直径分布依次为：30-20mm、19-15mm、14-10mm、9-5mm、4-1mm；且前两个搅拌室内搅拌叶片的数量为2片，后三个搅拌室内的搅拌叶片的数量为3片。

将上游至下游搅拌室中的介质球直径之间变小，能够实现分级研磨，使物料的研磨程度逐渐提高，从而使得最终成品物料中共混物之间处于彼此相互容纳、分散的液相稳定状态。

搅拌叶片越多，搅拌程度越高，上游的搅拌室搅拌叶片数量较少，下游的搅拌室搅拌叶片数量较多，能够配合介质球的设置，实现分级搅拌，使物料的搅拌程度逐渐提高，从而使得最终成品物料中共混物之间处于彼此相互容纳、分散的液相稳定状态。

作为优选，所述分离筛网的网孔目数按物料流动方向依次为：100-150目、200-300目、400-500目、600-700目、800-1000目。

分离筛网的网孔逐渐减小，能够实现分级细化研磨，防止较大颗粒物料进入下游搅拌室中。

作为优选，步骤c）中，所述主输送管道按流向依次分为射流混合段、静态混合段和超声混合段；

所述射流混合段内设有输送改性戊烷发泡剂母液的支管，所述支管上按输出方向依次设有增压泵、支管计量泵，支管压力计接口；支管的输出端设有与主输送管道流向逆向喷射且呈伞面状分布的若干支路，所述支路的输出端上设有喷嘴；射流混合段上位于所述支管的上游设有主管计量泵；

所述静态混合段内设有静态混合器；

所述超声混合段内依次设有多个超声波混合器及对应的超声波混合器接口；超声波混合段上设有主管压力计接口和温度计接口。

本发明上述的装置具有以下技术效果：

1、在射流混合段，改性戊烷发泡剂母液以较高的速度喷射到缓慢流动的戊烷发泡剂中，在射流边界，由于改性戊烷发泡剂母液和戊烷发泡剂之间的速度差，而形成了一个混合层，该混合层沿着射流流动方向扩展，通过夹带和混合，使母液不断进入戊烷发泡剂中，实现母液与戊烷发泡剂的快速分散混合。

2、在静态混合段，戊烷发泡剂与母液的混合流体受到混合元件的约束，产生分流、合流、旋转,使混合流体达到充分的混合。

3、超声混合段，由与超声波作用具有强烈的机械作用和空化作用，可以使母液与戊烷发泡剂的混合流体达到微观尺寸内的快速汇合。

4、以上三种混合段依次设置在戊烷发泡剂的主流动管道中，可以使改性的戊烷发泡剂达到优良的连续快速混合效果，与分开的间歇式混合模式相比，具有混合速度快、分散效果好，能耗利用率高，成本低的特点。

作为优选，所述主输送管道为圆管；静态混合段、超声混合段的通径断面积为射流混合段通径断面积的2.5-5倍。

作为优选，所述超声波混合器上设有换能器；多个所述超声波混合器上的通孔在流向上相互错位设置。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

本发明创造地开发了差别化的戊烷发泡剂，即通过向戊烷发泡剂中添加碳酸钙晶须、氧化硅晶须、二氧化硅气凝胶、硅藻纯等改性组分，从而得到一种新的戊烷发泡剂，其改善了传统戊烷发泡剂的性能，达到提高发泡材料性能的目的。这种差别化的戊烷发泡剂在进行发泡时，这些改性组分主要存在于发泡塑料珠粒或粉末的界面，其中碳酸钙晶须、氧化硅晶须等具有较高的长径比，可以链接不同的发泡塑料珠粒或粉末，从而起到增强发泡材料力学性能的作用；二氧化硅气凝胶、硅藻纯等是多孔材料，具有良好的吸附性，能够吸附戊烷发泡剂或其它改性剂粉末等，一方面可以改变戊烷发泡剂在发泡材料中的分布，从而达到调整发泡材料中的发泡孔结构，另一方面可以提高改性剂在发泡材料中的含量，从而提高相应的性能。

附图说明

图1为本发明主输送管道的一种结构示意图；

图2为图1中各超声波混合器错位排列的侧视图；

图3是本发明种五级连续搅拌球磨机的一种剖视图；

图4是图3中a-a截面图；

图5是图3中b-b截面图。

附图标记为：主输送管道1、射流混合段2、静态混合段3、超声混合段4、支管5、超声波混合器6、超声波混合器接口7、主管计量泵8、增压泵9、支管计量泵10、支管压力计接口11、支路12、喷嘴13、换能器14、通孔15、主管压力计接口16、温度计接口17、静态混合器18、搅拌筒体100、隔板101、搅拌室102、进料口103、出料口104、溢流通道105、分离筛网106、电机107、转轴108、内磁转子109、隔离套110、外磁转子111、搅拌支架112、搅拌叶片113、介质球114。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1所示，一种制备差别化戊烷发泡剂的装置，包括输送戊烷发泡剂的圆形主输送管道1，所述主输送管道按流向依次分为射流混合段2、静态混合段3和超声混合段4。其中所述静态混合段、超声混合段的通径断面积为射流混合段通径断面积的3倍。

所述射流混合段上位于所述支管的上游设有主管计量泵8，射流混合段内设有输送改性戊烷发泡剂母液的支管5，所述支管上按输出方向依次设有增压泵9、支管计量泵10，支管压力计接口11。支管的输出端设有与主输送管道流向逆向喷射且呈伞面状分布的若干支路12，每一个支路的输出端上设有喷嘴13。

所述静态混合段内设有静态混合器18，其为sv静态混合器组合。

所述超声混合段内依次设有四个超声波混合器6及对应的超声波混合器接口7。所述超声波混合器上设有换能器14。如图2所示，其中四个超声波混合器上的通孔15在流向上相互错位设置。所述超声波混合段上还设有主管压力计接口16和温度计接口17。

实施例2

如图3所示：一种五级连续搅拌球磨机，包括横向设置的圆柱型搅拌筒体100和搅拌装置。

所述搅拌筒体沿轴向由隔板101分隔为五个搅拌室102，五个搅拌室按物料流动方向依次记为搅拌室i至v，所述搅拌室i的顶部分别设有进料口103，搅拌室v的顶部设有出料口104；相邻搅拌室之间隔板的顶部设有溢流通道105，所述溢流通道连通相邻的搅拌室，且溢流通道内设有分离筛网106，分离筛网的网孔按物料流动方向依次减小，分离筛网的网孔目数按物料流动方向依次为：120目、250目、450目、650目、900目。每个搅拌室内填充有氧化锆介质球114。介质球的填充率为55%，且搅拌室i至n中介质球的直径依次变小，各搅拌室内介质球的直径分布依次为：30-20mm、19-15mm、14-10mm、9-5mm、4-1mm。

所述搅拌装置包括设于搅拌筒体外的电机107、转轴108、内磁转子109、隔离套110、外磁转子111、搅拌支架112和搅拌叶片113；所述转轴穿设搅拌筒体轴心并与所述电机轴联接，每个搅拌室中分别设有固定于转轴上的内磁转子，内磁转子外部套有与搅拌筒体一体的隔离套，每个搅拌室中分别设有套于隔离套外部的外磁转子，每个外磁转子上固定有搅拌支架，搅拌支架上设有搅拌叶片；其中，转轴与内磁转子同步转动，隔离套隔离内磁转子与外磁转子，外磁转子与隔离套可相对转动且外磁转子与搅拌支架同步转动。

如图4、图5所示，所述搅拌叶片横向固定于搅拌支架上，前两个搅拌室内搅拌叶片的数量为2片，后三个搅拌室内的搅拌叶片的数量为3片。

实施例3

一种差别化的戊烷发泡剂的制备方法，采用如下步骤：

a）按质量份数，将0.4份的碳酸钙晶须、0.4份的氢氧化镁晶须、0.3份的氧化硅晶须与5.5份质量分数为20%的四甲基氢氧化铵水溶液混合，在45℃下用高能球磨机研磨1.5h，移到内衬有聚四氟乙烯的反应器中，在110℃温度和0.4mpa压力下搅拌反应4h，然后加入0.4份的二氧化硅气凝胶粉末，0.3份的硅藻土粉体，至双向旋转式冲击粉碎机中混合粉碎0.7h，将物料进行过滤，洗涤至中性，再以co2为介质进行超临界干燥，在球磨机中粉碎，再移到搅拌式等离子体反应器中，在搅拌下以氮气为载气，在50pa、60w功率下进行射频等离子体处理7min，然后在将所得粉体加到9份质量分数为20%氯甲基二甲基氯硅烷的乙醇溶液中，混合均匀后在45℃下超声分散0.7h，加热至75℃回流11h，冷却后抽滤，并用无水乙醇充分洗涤，再加热干燥粉碎，并经250目过筛，即得改性粉体。

b）按质量份数，在连续搅拌下将6份的戊烷发泡剂和3份的异己烷有机溶液混溶，再依次加入0.7份的丙酮助溶剂和1.5份由a）制得的改性粉体，加入到五级连续搅拌球磨机中研磨4h，然后在12℃下超声波分散2.5h，静置4d，除去液面的悬浮物和液底的沉淀物，取中间悬浮液，再在40r/min下离心0.7h，分离沉淀，经900目过滤，，制得改性戊烷发泡剂母液。

c）采用实施例1的装置，将改性戊烷发泡剂母液经增压泵增压后，经支管进入到戊烷发泡剂的主输送管道内部，经支路分配至喷嘴，再喷射到主输送管道中流动的戊烷发泡剂中，其中所述改性戊烷发泡剂母液的添加量为戊烷发泡剂重量的5%，再依次通过主输送管道中的静态混合器和超声波混合器作用，所得液体即为差别化戊烷发泡剂。

经检测，在所述实施例中所加无机改性组分在戊烷发泡剂中的含量为0.21%，其悬浮稳定性（25±2℃，14天）大于95%。

采用实施例3所得的差别化戊烷发泡剂制备了密度为21.3kg/m³的包装材料用聚苯乙烯泡沫塑料，按照qb/t1649-1992的标准测得压缩强度为105kpa、断裂弯曲负荷为17n、含水量为3.5%。

实施例4

一种差别化的戊烷发泡剂的制备方法，采用如下步骤：

a）按质量份数，将0.4份的碳酸钙晶须、0.3份的氢氧化镁晶须、0.3份的氧化硅晶须与5份质量分数为20%的四甲基氢氧化铵水溶液混合，在40℃下用高能球磨机研磨1h，移到内衬有聚四氟乙烯的反应器中，在100℃温度和0.3mpa压力下搅拌反应3h，然后加入0.3份的二氧化硅气凝胶粉末，0.2份的硅藻土粉体，至双向旋转式冲击粉碎机中混合粉碎0.5h，将物料进行过滤，洗涤至中性，再以co2为介质进行超临界干燥，在球磨机中粉碎，再移到搅拌式等离子体反应器中，在搅拌下以氮气为载气，在40pa、30w功率下进行射频等离子体处理5min，然后在将所得粉体加到8份质量分数为20%氯甲基二甲基氯硅烷的乙醇溶液中，混合均匀后在40℃下超声分散0.5h，加热至70℃回流10h，冷却后抽滤，并用无水乙醇充分洗涤，再加热干燥粉碎，并经200目过筛，即得改性粉体；

b）按质量份数，在连续搅拌下将4份的戊烷发泡剂和2份的异己烷有机溶液混溶，再依次加入0.5份的丙二醇助溶剂和1份由a）制得的改性粉体，加入到五级连续搅拌球磨机中研磨3h，然后在10℃下超声波分散2h，静置3d，除去液面的悬浮物和液底的沉淀物，取中间悬浮液，再在30r/min下离心0.5h，分离沉淀，经800目过滤，制得改性戊烷发泡剂母液；

c）在戊烷发泡剂的主输送管道的支管上设置一个增压泵，将由b）制得的改性戊烷发泡剂母液经增压泵增压后，经支管进入到戊烷发泡剂的主输送管道内部，经支路分配至喷嘴，再喷射到主输送管道中流动的戊烷发泡剂中，其中所述改性戊烷发泡剂母液的添加量为戊烷发泡剂重量的1%，再依次通过主输送管道中的静态混合器和超声波混合器作用，所得液体即为差别化戊烷发泡剂。

实施例5

一种差别化的戊烷发泡剂的制备方法，采用如下步骤：

a）按质量份数，将0.4份的碳酸钙晶须、0.4份的氢氧化镁晶须、0.4份的氧化硅晶须与6份质量分数为20%的四甲基氢氧化铵水溶液混合，在50℃下用高能球磨机研磨2h，移到内衬有聚四氟乙烯的反应器中，在120℃温度和0.5mpa压力下搅拌反应5h，然后加入0.5份的二氧化硅气凝胶粉末，0.5份的硅藻土粉体，至双向旋转式冲击粉碎机中混合粉碎1h，将物料进行过滤，洗涤至中性，再以co2为介质进行超临界干燥，在球磨机中粉碎，再移到搅拌式等离子体反应器中，在搅拌下以氮气为载气，在60pa、80w功率下进行射频等离子体处理10min，然后在将所得粉体加到10份质量分数为20%氯甲基二甲基氯硅烷的乙醇溶液中，混合均匀后在50℃下超声分散1h，加热至80℃回流12h，冷却后抽滤，并用无水乙醇充分洗涤，再加热干燥粉碎，并经300目过筛，即得改性粉体；

b）按质量份数，在连续搅拌下将8份的戊烷发泡剂和4份的异己烷有机溶液混溶，再依次加入1份的丁二醇助溶剂和2份由a）制得的改性粉体，加入到五级连续搅拌球磨机中研磨6h，然后在15℃下超声波分散3h，静置5d，除去液面的悬浮物和液底的沉淀物，取中间悬浮液，再在50r/min下离心1h，分离沉淀，经1000目过滤，制得改性戊烷发泡剂母液；

c）采用实施例1的装置，将改性戊烷发泡剂母液经增压泵增压后，经支管进入到戊烷发泡剂的主输送管道内部，经支路分配至喷嘴，再喷射到主输送管道中流动的戊烷发泡剂中，其中所述改性戊烷发泡剂母液的添加量为戊烷发泡剂重量的10%，再依次通过主输送管道中的静态混合器和超声波混合器作用，所得液体即为差别化戊烷发泡剂。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。