超临界二氧化碳发泡绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料生产方法

摘要

一种超临界二氧化碳发泡绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料生产方法及其渐变混炼式螺杆和背压混炼式螺杆，该方法将成核剂、开孔剂、添加助剂和聚苯乙烯混合均匀；第一挤出机压力16Mpa至18Mpa，温度180℃至200℃；第二挤出机压力16Mpa至10Mpa，温度70℃至100℃；模头压力7Mpa至8Mpa，温度50℃至45℃；压力为16Mpa至18Mpa、温度为50℃至60℃的超临界状态的二氧化碳。本发明实现了绿色环保发泡，消除氟里昂对大气臭氧层的破坏，减少环境污染；其还极大地降低了生产成本，吨产品成本降低约4000元；其质量得到了极大地提高，板材的柔韧性提高了20％、压缩强度提高了20％、阻燃性稳定。

说明书

一、技术领域

本发明涉及绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料的技术领域，是一种超临界二氧化碳发泡绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料生产方法及其渐变混炼式螺杆和背压混炼式螺杆。

二、背景技术

通常的绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料生产工艺用氟里昂作发泡剂，由于氟里昂对大气臭氧层造成破坏，根据国际蒙特利尔公约，我国也禁止使用。目前，绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板行业暂时使用含氟替代品R22和142B(R22和142B均为含氟化合物，由于对臭氧层破坏系数较小，目前用于替代氟利昂作绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料的发泡剂)进行过渡，到2030年将全面禁止。因此，寻找新型发泡剂及工艺，成为该行业的世界难题，而目前采用具有环保性的超临界二氧化碳替代氟里昂作发泡剂是首要选择，但目前该项技术难度很大尚未取得突破性进展。

注：超临界二氧化碳状态是指当二氧化碳在温度31℃、压力7.38Mpa以上所处的状态为超临界状态，在该状态下，二氧化碳性质介于液态和气态之间，其特性是与其他物质的渗透、相溶、共混性能最好。

通常氟里昂发泡生产中的绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料第一挤出机螺杆为推进式螺杆，长径比为30比1，电机功率较小，该螺杆运行压力小，物料推进速度快，物料混炼效果差，当用于超临界二氧化碳发泡时，由于第一挤出机混炼和分散效果较差，进而影响第二挤出机的混炼效果，导致最终产品发泡倍率低、产品容重高、质量差，从而失去了商品价值。

通常氟里昂发泡生产中的绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料第二挤出机螺杆为推进式螺杆，长径比为28比1，电机功率较小，该螺杆运行压力小，物料推进速度快，物料混炼效果差，当用于二氧化碳发泡时，其混炼和分散效果较差，因而绝热用聚苯乙烯泡沫塑料发泡倍率较低，只有20至22倍，产品容重较重，为45kg/m³至50kg/m³；空洞较多，质量差，因此失去了商品价值。

三、发明内容

本发明提供了一种超临界二氧化碳发泡绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料生产方法，克服了上述现有技术之不足，其系统的解决了用超临界二氧化碳替代氟里昂作发泡剂的技术难题，实现了绿色环保发泡生产新工艺。

本发明还提供了一种渐变混炼式螺杆，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有推进式螺杆在用于二氧化碳发泡时无法使产品达到合格质量的问题。

本发明还提供了一种背压混炼式螺杆，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有推进式螺杆在用于二氧化碳发泡时无法使产品达到合格质量的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种超临界二氧化碳发泡绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料生产方法，首先将重量比为4‰至7‰的成核剂、2％至5％的开孔剂、0.8％至1.5％的添加助剂和余量的聚苯乙烯混合均匀形成固态混合物，然后固态混合物进入到第一挤出机内，第一挤出机内的压力控制在16Mpa至18Mpa之间，温度控制在180℃至200℃之间，固态混合物被第一挤出机内的渐变混炼式螺杆充分搅拌混炼并逐渐变成液态混合物；压力为16Mpa至18Mpa、温度为50℃至60℃的超临界状态的二氧化碳从第一挤出机内与渐变混炼式螺杆的熔体混炼段相对应的二氧化碳进口进入到第一挤出机内与液态混合物充分混炼，然后一起进入到第二挤出机内被第二挤出机内的背压混炼式螺杆充分搅拌混炼并逐渐变为含有二氧化碳的液态混合物，第二挤出机的压力控制在16Mpa至10Mpa之间，温度控制在70℃至100℃之间，含有二氧化碳的液态混合物从第二挤出机挤入模头，模头内的压力控制在7Mpa至8Mpa之间，温度控制在50℃至45℃之间，然后含有二氧化碳的液态混合物从模头挤出并在压差作用下迅速膨胀发泡，经展平机展平、冷却定型、牵引、定尺、旋切后包装即成成品。

下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述成核剂可为3500目至5500目的滑石粉；开孔剂为乙烯苯乙烯均聚体；添加助剂为单甘酯。

上述第一挤出机内的渐变混炼式螺杆可包括第一转动头和第一杆体，第一转动头和第一杆体固定在一起，在第一杆体上有外螺纹，第一杆体靠近第一转动头的一端为进料端，第一杆体的另一端为出料端，该第一杆体分为6段，从第一杆体的进料端至出料端依序为第一塑化段、第二渐变径塑化段、第三塑化段、熔体混炼段、发泡剂与物料混合段和混合物输出段；第三塑化段、熔体混炼段和混合物输出段的底径相同，第一塑化段的底径小于第三塑化段的底径，第二渐变径塑化段的底径自靠近第一塑化段至靠近第三塑化段逐渐变大，第二渐变径塑化段靠近第一塑化段的一端的底径与第一塑化段的底径相同，第二渐变径塑化段靠近第三塑化段的一端的底径与第三塑化段的底径相同；发泡剂与物料混合段的底径自靠近熔体混炼段至靠近混合物输出段逐渐变大，发泡剂与物料混合段靠近熔体混炼段的一端的底径与第一塑化段的底径相同，发泡剂与物料混合段靠近混合物输出段一端的底径与混合物输出段的底径相同。

上述发泡剂与物料混合段上的外螺纹的牙底上可有回流槽。

上述第一杆体的长度与第一杆体外径的比值可为36比1。

上述第一塑化段的底径可为0.11米，第三塑化段、熔体混炼段和混合物输出段的底径为0.135米，而第二渐变径塑化段靠近第一塑化段的一端的底径为0.11米，第二渐变径塑化段靠近第三塑化段的一端的底径为0.135米；发泡剂与物料混合段靠近熔体混炼段的一端的底径为0.11米，发泡剂与物料混合段靠近混合物输出段一端的底径为0.135米。

上述第二挤出机内的背压混炼式螺杆可包括第二转动头和第二杆体，第二转动头和第二杆体固定在一起，在第二杆体上有外螺纹，第二杆体靠近第二转动头的一端为进料端，第二杆体的另一端为出料端，该第二杆体分为5段，从第二杆体的进料端至出料端依序为高温混炼段、降温增加推进力段、降温混合段、熔体推进增加背压段和熔体混合强降温段；各段的底径均相同。

上述高温混炼段上的外螺纹的牙底上可有回流槽，在降温增加推进力段的靠近高温混炼段的一侧的外螺纹的牙底上有回流槽，在熔体推进增加背压段和熔体混合强降温段的外螺纹的牙底上有回流槽。

上述第二杆体的长度与第二杆体外径的比值可为35比1。

上述高温混炼段、降温增加推进力段、降温混合段、熔体推进增加背压段和熔体混合强降温段的底径均可为0.135米。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种用于上述超临界二氧化碳发泡绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料生产方法中的渐变混炼式螺杆，其在第一挤出机内的渐变混炼式螺杆包括第一转动头和第一杆体，第一转动头和第一杆体固定在一起，在第一杆体上有外螺纹，第一杆体靠近第一转动头的一端为进料端，第一杆体的另一端为出料端，该第一杆体分为6段，从第一杆体的进料端至出料端依序为第一塑化段、第二渐变径塑化段、第三塑化段、熔体混炼段、发泡剂与物料混合段和混合物输出段；第三塑化段、熔体混炼段和混合物输出段的底径相同，第一塑化段的底径小于第三塑化段的底径，第二渐变径塑化段的底径自靠近第一塑化段至靠近第三塑化段逐渐变大，第二渐变径塑化段靠近第一塑化段的一端的底径与第一塑化段的底径相同，第二渐变径塑化段靠近第三塑化段的一端的底径与第三塑化段的底径相同；发泡剂与物料混合段的底径自靠近熔体混炼段至靠近混合物输出段逐渐变大，发泡剂与物料混合段靠近熔体混炼段的一端的底径与第一塑化段的底径相同，发泡剂与物料混合段靠近混合物输出段一端的底径与混合物输出段的底径相同。

下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：

在上述发泡剂与物料混合段上的外螺纹的牙底上有回流槽；第一杆体的长度与第一杆体外径的比值为36比1；第一塑化段的底径为0.11米，第三塑化段、熔体混炼段和混合物输出段的底径为0.135米，而第二渐变径塑化段靠近第一塑化段的一端的底径为0.11米，第二渐变径塑化段靠近第三塑化段的一端的底径为0.135米；发泡剂与物料混合段靠近熔体混炼段的一端的底径为0.11米，发泡剂与物料混合段靠近混合物输出段一端的底径为0.135米。

本发明的技术方案之三是通过以下措施来实现的：一种于上述超临界二氧化碳发泡绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料生产方法中的背压混炼式螺杆，其在第二挤出机内的背压混炼式螺杆包括第二转动头和第二杆体，第二转动头和第二杆体固定在一起，在第二杆体上有外螺纹，第二杆体靠近第二转动头的一端为进料端，第二杆体的另一端为出料端，该第二杆体分为5段，从第二杆体的进料端至出料端依序为高温混炼段、降温增加推进力段、降温混合段、熔体推进增加背压段和熔体混合强降温段；各段的底径均相同。

下面是对上述发明技术方案之三的进一步优化或/和改进：

在上述高温混炼段上的外螺纹的牙底上有回流槽，在降温增加推进力段的靠近高温混炼段的一侧的外螺纹的牙底上有回流槽，在熔体推进增加背压段和熔体混合强降温段的外螺纹的牙底上有回流槽；第二杆体的长度与第二杆体外径的比值为35比1；高温混炼段、降温增加推进力段、降温混合段、熔体推进增加背压段和熔体混合强降温段的底径均为0.135米。

本发明生产方法用超临界二氧化碳替代氟里昂发泡生产绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料，实现了绿色环保发泡，消除氟里昂对大气臭氧层的破坏，减少环境污染；其还极大地降低了生产成本，吨产品成本降低约4000元；其质量得到了极大地提高，板材的柔韧性提高了20％、压缩强度提高了20％、阻燃性稳定。

本发明渐变混炼式螺杆结构合理而紧凑，使用方便，特别适用于超临界二氧化碳发泡生产绝热用聚苯乙烯泡沫塑料第一挤出机专用螺杆，其增大了挤出机运行压力，提高了熔融物料的混炼效果和超临界二氧化碳在物料中的分散系数，使二氧化碳在熔融物料中分散均匀，为二氧化碳发泡生产绝热用聚苯乙烯泡沫塑料实现绿色环保发泡奠定了基础。

本发明背压混炼式螺杆结构合理而紧凑，使用方便，从进料端到出料端全部为混炼式，由于增大了挤出机运行压力和出口背压，提高了熔融物料的混炼效果和超临界二氧化碳在物料中的分散系数，使二氧化碳在熔融物料中分散均匀；又增大了第二挤出机运行压力和出口背压，增大了模口压差和发泡动力；降低了模口物料温度，提高物料粘度，阻止二氧化碳在模口压力释放时逃逸，从而使绝热用聚苯乙烯泡沫塑料产品发泡倍率提高到28.5至31倍，容重降低为35kg/m³至32kg/m³，柔韧性提高20％，压缩强度提高20％，因此产品的质量得到了较大的提高，实现了二氧化碳绿色环保发泡生产绝热用聚苯乙烯泡沫塑料的目的。

四、附图说明

附图1为本发明最佳实施例的生产方法流程示意图。

附图2为本发明中渐变混炼式螺杆的主视结构示意图。

附图3为本发明中背压混炼式螺杆的主视结构示意图。

附图中的编码分别为：1为第一转动头，2为第一杆体，3为外螺纹，4为第二转动头，5为第二杆体，A为第一塑化段，B为第二渐变径塑化段，C为第三塑化段，D为熔体混炼段，E为发泡剂与物料混合段，F为混合物输出段，G为第一杆体外径，H为高温混炼段，I为降温增加推进力段，J为降温混合段，K为熔体推进增加背压段，L为熔体混合强降温段，M为第二杆体外径。

五、具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1所示，首先将重量比为4‰至7‰的成核剂、2％至5％的开孔剂、0.8％至1.5％的添加助剂和余量的聚苯乙烯混合均匀形成固态混合物，然后固态混合物进入到第一挤出机内，第一挤出机内的压力控制在16Mpa至18Mpa之间，温度控制在180℃至200℃之间，固态混合物被第一挤出机内的渐变混炼式螺杆充分搅拌混炼并逐渐变成液态混合物；压力为16Mpa至18Mpa、温度为50℃至60℃的超临界状态的二氧化碳从第一挤出机内与渐变混炼式螺杆的熔体混炼段相对应的二氧化碳进口进入到第一挤出机内与液态混合物充分混炼，然后一起进入到第二挤出机内被第二挤出机内的背压混炼式螺杆充分搅拌混炼并逐渐变为含有二氧化碳的液态混合物，第二挤出机的压力控制在16Mpa至10Mpa之间，温度控制在70℃至100℃之间，含有二氧化碳的液态混合物从第二挤出机挤入模头，模头内的压力控制在7Mpa至8Mpa之间，温度控制在50℃至45℃之间，然后含有二氧化碳的液态混合物从模头挤出并在压差作用下迅速膨胀发泡，经展平机展平、冷却定型、牵引、定尺、旋切后包装即成成品。

可根据实际需要，对上述超临界二氧化碳发泡绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料生产方法作进一步优化或/和改进：

如附图1所示，成核剂为3500目至5500目的滑石粉；开孔剂为乙烯苯乙烯均聚体，添加助剂为单甘酯。

如附图2所示，第一挤出机内的渐变混炼式螺杆包括第一转动头1和第一杆体2，第一转动头1和第一杆体2固定在一起，在第一杆体2上有外螺纹3，第一杆体2靠近第一转动头1的一端为进料端，第一杆体2的另一端为出料端，该第一杆体2分为6段，从第一杆体的进料端至出料端依序为第一塑化段A、第二渐变径塑化段B、第三塑化段C、熔体混炼段D、发泡剂与物料混合段E和混合物输出段F；第三塑化段C、熔体混炼段D和混合物输出段F的底径相同，第一塑化段A的底径小于第三塑化段C的底径，第二渐变径塑化段B的底径自靠近第一塑化段A至靠近第三塑化段C逐渐变大，第二渐变径塑化段B靠近第一塑化段A的一端的底径与第一塑化段A的底径相同，第二渐变径塑化段B靠近第三塑化段C的一端的底径与第三塑化段C的底径相同；发泡剂与物料混合段E的底径自靠近熔体混炼段D至靠近混合物输出段F逐渐变大，发泡剂与物料混合段E靠近熔体混炼段D的一端的底径与第一塑化段A的底径相同，发泡剂与物料混合段E靠近混合物输出段F一端的底径与混合物输出段F的底径相同。

如附图2所示，发泡剂与物料混合段E上的外螺纹3的牙底上有回流槽。

如附图2所示，第一杆体2的长度与第一杆体外径G的比值为36比1。

如附图2所示，第一塑化段A的底径为0.11米，第三塑化段C、熔体混炼段D和混合物输出段F的底径为0.135米，而第二渐变径塑化段B靠近第一塑化段A的一端的底径为0.11米，第二渐变径塑化段B靠近第三塑化段C的一端的底径为0.135米；发泡剂与物料混合段E靠近熔体混炼段D的一端的底径为0.11米，发泡剂与物料混合段E靠近混合物输出段F一端的底径为0.135米。

如附图3所示，第二挤出机内的背压混炼式螺杆包括第二转动头4和第二杆体5，第二转动头4和第二杆体5固定在一起，在第二杆体5上有外螺纹3，第二杆体5靠近第二转动头4的一端为进料端，第二杆体5的另一端为出料端，该第二杆体5分为5段，从第二杆体的进料端至出料端依序为高温混炼段H、降温增加推进力段I、降温混合段J、熔体推进增加背压段K和熔体混合强降温段L；各段的底径均相同。

如附图3所示，高温混炼段H上的外螺纹的牙底上有回流槽，在降温增加推进力段I的靠近高温混炼段H的一侧的外螺纹的牙底上有回流槽，在熔体推进增加背压段K和熔体混合强降温段L的外螺纹的牙底上有回流槽。

如附图3所示，第二杆体5的长度与第二杆体外径M的比值为35比1。

如附图3所示，高温混炼段H、降温增加推进力段I、降温混合段J、熔体推进增加背压段K和熔体混合强降温段L的底径均为0.135米。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

本发明最佳实施例的生产流程：首先将重量比为4‰至7‰的成核剂、2％至5％的开孔剂、0.8％至1.5％的添加助剂和余量的聚苯乙烯混合均匀形成固态混合物，然后固态混合物进入到第一挤出机内，第一挤出机内的压力为16Mpa至18Mpa，温度在180℃至200℃，固态混合物在运行中逐渐变为液态，当固态混合物进入到渐变混炼式螺杆的第二渐变径塑化段B和第三塑化段C时，由于第一杆体2的杆径逐渐变大，第一杆体2与第一挤出机壳体之间的间距变小，从而使物料被挤压而变得更加细小和均匀，而且还增加了推进力，在熔体混炼段D处，超临界状态的二氧化碳进入第一挤出机内，在发泡剂与物料混合段E处与熔融物料充分的混合，由于发泡剂与物料混合段E的底径变小，留有混炼空间，而且还设有回流槽，使物料在向前运行的同时还往回运行，从而使二氧化碳在熔融物料中分散均匀，随着发泡剂与物料混合段E的底径逐渐变大，至混合物输出段F时第一杆体2的推进力增大，液态混合物被送出第一挤出机而进入到第二挤出机内，当液态混合物依序进入到背压混炼式螺杆的高温混炼段H、降温增加推进力段I、降温混合段J、熔体推进增加背压段K和熔体混合强降温段L时均能进行混炼而使二氧化碳与物料充分分散和熔混，将机身温度控制在100℃至70℃左右，出料端的模头温度控制在50℃至45℃，机身压力控制在16Mpa至10Mpa，模头内的压力控制在7Mpa至8Mpa。这样，用低温度提高物料粘度和对二氧化碳亲合、阻隔性能，防止二氧化碳在模头压力释放时逃逸；提高模头内的压力至7Mpa，可增大模头压差，增强模头挤出物料的发泡动力，从而可提高发泡倍率，降低产品容重。含有二氧化碳的液态混合物从模头挤出并在压差作用下迅速膨胀发泡，经展平机展平、冷却定型、牵引、定尺寸、旋切后包装即成成品。