一种耐冲击泡棉、制备方法以及应用
阅读说明：本技术 一种耐冲击泡棉、制备方法以及应用 (Impact-resistant foam, preparation method and application ) 是由 李沛 魏琼 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种耐冲击泡棉、制备方法以及应用,属于减震泡棉领域,其由丙烯酸系乳液物理搅拌机械发泡而成,泡棉内气泡为构成泡棉的丙烯酸系树脂组合物中直接形成的孔隙,气泡壁内面为丙烯酸系树脂组合物,泡棉气泡内壁不具有除形成泡棉的丙烯酸系树脂外的壳结构。其采用丙烯酸系乳液物理搅拌机械发泡而成,丙烯酸系乳液平均粒径为0.07～0.3μm,粘度为1000～9000mPas,丙烯酸系乳液由丙烯酸系单体在包括水、乳化剂、引发剂在内的物质共同作用下聚合而成。本发明泡棉即便在厚度较薄的情况下也具有较高的耐冲击性能,能解决现有泡棉存在厚度薄的情况下耐冲击性能不足的问题。(The invention discloses impact-resistant foam, a preparation method and application, belongs to the field of damping foam, and is formed by physically stirring and mechanically foaming acrylic emulsion. The acrylic emulsion is prepared by physically stirring and mechanically foaming acrylic emulsion, the average particle size of the acrylic emulsion is 0.07-0.3 mu m, the viscosity of the acrylic emulsion is 1000-9000 mPas, and the acrylic emulsion is prepared by polymerizing acrylic monomers under the combined action of substances including water, an emulsifier and an initiator. The foam of the invention has high impact resistance even under the condition of thin thickness, and can solve the problem that the existing foam has insufficient impact resistance under the condition of thin thickness.)
技术领域
本发明属于减震泡棉领域，更具体地，涉及一种耐冲击泡棉、制备方法以及应用。
背景技术
随着技术发展的日新月异，智能机的屏幕尺寸越做越大，后壳也多采用玻璃陶瓷材质，智能机厚度也越做越薄，相对应的智能机内部的缓冲材料也必须紧跟产品趋势发展，其厚度需要越来越薄。电子设备所使用的显示装置中，在设备表面的玻璃陶瓷材质与设备内部之间的部位，对于耐冲击的材料要求也越高。
目前，在智能机内常用聚烯烃泡棉或聚氨酯泡棉作为缓冲减震材料，然而，随着智能机结构的设计进展，相关的减震材料厚度也越做越薄，对于现有材料来说，若使厚度变小许多，则没有足够的耐冲击性能来保护设备表面的玻璃陶瓷材质不破损。
因此，需要开发一种即使在较薄厚度下，也有足够耐冲击吸收的泡棉材料，以满足智能机发展的需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种耐冲击泡棉、制备方法以及应用，通过成分和工艺的设计，采用丙烯酸系乳液物理搅拌机械发泡而成泡棉，这样的泡棉即便在厚度较薄的情况下也具有较高的耐冲击性能，旨在解决现有泡棉存在厚度薄的情况下耐冲击性能不足的的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种耐冲击泡棉，其由丙烯酸系乳液物理搅拌机械发泡而成，泡棉内气泡为构成泡棉的丙烯酸系树脂组合物中直接形成的孔隙，气泡壁内面为丙烯酸系树脂组合物，泡棉气泡内壁不具有除形成泡棉的丙烯酸系树脂外的壳结构。
进一步的，泡棉厚度为0.05mm～0.3mm，密度为0.3g/cm3～0.8g/cm3。
进一步的，其冲击吸收≥60％，层叠于所述泡棉上方的1mm厚度的玻璃片可耐20g铁球从10cm高度下落冲击50次以上仍然保持完好。
按照本发明的第二个方面，还提供一种耐冲击泡棉的制备方法，采用丙烯酸系乳液物理搅拌机械发泡而成，丙烯酸系乳液平均粒径为0.07～0.3μm，粘度为1000～9000mPas，丙烯酸系乳液由丙烯酸系单体在包括水、乳化剂、引发剂在内的物质共同作用下聚合而成。
进一步的，丙烯酸系单体选自下面的一种或者多种：
甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丙酯、丙烯酸正丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸仲丁酯、丙烯酸仲丁酯、甲基丙烯酸正辛酯、丙烯酸正辛酯、甲基丙烯酸异辛酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸正戊酯、丙烯酸正戊酯、甲基丙烯酸正己酯、丙烯酸正己酯、甲基丙烯酸月桂酯、丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸正庚酯、丙烯酸正庚酯、甲基丙烯酸正壬酯、丙烯酸正壬酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸正壬酯、丙烯酸正壬酯、甲基丙烯酸正癸酯、丙烯酸正癸酯、甲基丙烯酸正烷基酯、丙烯酸正烷基酯、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酸2-羟基乙酯、甲基丙烯酸2-羟基丙酯、丙烯酸2-羟基丙酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异冰片酯、衣康酸、富马酸、马来酸半酯，马来酸酐、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺、N-甲基甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基甲基丙烯酰胺、N-乙基甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N,N-二乙基甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-丙基甲基丙烯酰胺、N-丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺类单体、甲基丙烯酸氨基乙酯、丙烯酸氨基乙酯、(甲基)丙烯酸叔丁基氨基乙酯、丙烯酸叔丁基氨基乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯和乙酰乙酸基甲基丙烯酸乙酯。
进一步的，所述乳化剂选自下面的一种或者多种：
十二烷基硫酸钠、硬脂酸钠盐、烷基硫酸盐、磺基琥珀酸盐、烷基酚聚氧乙烯醚类、烷基醇聚氧乙烯醚类、烯丙基聚醚硫酸盐、烯丙基磺基琥珀酸盐、十二烷基苯磺酸钙、十二烷基苯磺酸钠、油酸钾、油酸钠、琥珀酸酯磺酸钠、甘油硬脂酸酯、甘油油酸酯、月桂醇聚氧乙烯醚、月桂酸聚氧乙烯酯、改性月桂醇基硫酸钠、油酸聚氧乙烯酯、MX-188、N40、T-20和T-60，所述引发剂选自下面的一种或者多种：过硫酸钾、过硫酸铵和过硫酸钠。
进一步的，丙烯酸系乳液由烯酸系单体、水、乳化剂、引发剂的乳液组合物聚合而成，其中，水的质量为丙烯酸系单体总重量的0.7倍～1.5倍，所述乳化剂的用量为丙烯酸系单体总重量的0.5～5％，所述引发剂的用量为丙烯酸系单体总重量的0.2～3％，所述丙烯酸系单体总重量为乳液组合物总质量的30～70％。
进一步的，丙烯酸系乳液由下面物质共同作用聚合而成：
丙烯酸系单体、
水、
乳化剂、
引发剂以及
增稠剂、表面活性剂、抗静电剂、稳定剂、成核剂、交联助剂、颜料、阻燃剂中的一种或者多种。
进一步的，其包括如下步骤：
(1)将丙烯酸系单体、水、乳化剂、引发剂、其他需要的添加剂通过乳液聚合的方式，在乳化设备中进行乳化聚合，得到丙烯酸乳液。
(2)将丙烯酸乳液放入搅拌容器内，根据最后需要得到的泡棉密度来调节搅拌转速和搅拌时间，将空气、氮气、二氧化碳以及其他惰性气体混入丙烯酸乳液内，其中，搅拌转速为800～2500rpm、搅拌时间为5～50min，增加搅拌转速或搅拌时间，引入到丙烯酸树脂内的气体总体积会增多，相应的泡棉密度也会降低，搅拌时间增加到50min以上时，引入丙烯酸树脂内的气体会达到饱和，增加搅拌转速到2500rpm以上时，丙烯酸树脂乳液会有破乳的可能，或可能由于搅拌产生的摩擦热会使树脂发生局部聚合固化，影响泡棉性能的稳定性，优选搅拌转速为1200～2200rpm、搅拌时间为10～30min。
(3)将搅拌好的丙烯酸乳液通过涂布的方式涂布在基膜上得到乳液湿膜，根据最终泡棉的厚度调节涂布厚度。
(4)将涂布好的乳液湿膜送入烘道内，乳液在烘道内完成聚合交联过程，得到丙烯酸树脂发泡膜材。
按照本发明的第三个方面，还提供一种耐冲击泡棉的应用，其用作智能机屏下或背板部位的缓冲材料或粘胶带基材。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明中，使用丙烯酸树脂作为泡棉的主体材料，是由于丙烯酸树脂聚合物本身即具备由一定的耐冲击性能，结合气泡结构后，可以得到具有优越耐冲击性能的泡棉材料。具体的，随着社会对环保的要求越来越高，使用机械发泡，避免了采用化学发泡剂发泡可能产生的废气废料，且使用机械发泡，泡棉内气泡为构成泡棉的树脂组合物中直接形成的孔隙，气泡壁内面即树脂组合物，而不是具有化学发泡剂残留的壳结构的气泡，泡棉气泡内壁不具有除泡棉树脂外的壳结构，则气泡不易在受到冲击时而内壁受损甚至破裂，因而能够提升泡棉的耐冲击性能。此外，采用乳液液体原料进行涂布生产，相较于传统聚烯烃泡棉生产时的拉伸工艺，可以得到更薄的泡棉产品，更适用于手机轻薄化的设计趋势和要求。
附图说明
图1是本发明实施例中制备耐冲击泡棉方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的泡棉由丙烯酸系乳液物理搅拌机械发泡而成，厚度为0.05～0.3mm，密度为0.3～0.8g/cm3，冲击吸收≥60％，放置在所述泡棉上方的1mm厚度的玻璃片可耐20g铁球从10cm高度下落冲击50次以上；其特征在于，所述丙烯酸系乳液平均粒径为0.07～0.3μm，粘度为1000～9000mPas。上述丙烯酸系乳液平均粒径为0.07～0.3μm，优选0.1～0.2μm。丙烯酸乳液树脂粒径必须小于泡棉厚度，优选小于0.05mm，进一步，如果乳液平均粒径小于0.07μm，则乳液粘度过高，若平均粒径大于0.3μm，则树脂的耐水性增加，不利于乳液的聚合，为了混入的气体气泡在乳液内的稳定性，树脂乳液粒径为0.07～0.3μm，优选0.1～0.2μm。
上述丙烯酸系乳液粘度为1000～9000mPas，优选1500～5000mPas。乳液粘度过低，则机械搅拌混入气泡容易在乳液中上浮，使得得到的泡棉产品内气泡分布不均匀，不利于泡棉的耐冲击性能；乳液粘度过高，在机械搅拌混入气泡过程中，容易产生剪切热，使得乳液发生局部聚合，得到的泡棉产品上会有许多小疙瘩，表观不合格，且影响配方设计中的各组成配比，使得生产不出所需要的泡棉产品。
上述丙烯酸系乳液由丙烯酸系单体在水、乳化剂、引发剂作用下聚合而成。其中所述水的质量为丙烯酸系单体总重量的0.7～1.5倍；所述乳化剂的用量为丙烯酸系单体总重量的0.5～5％，所述引发剂的用量为丙烯酸系单体总重量的0.2～3％；所述丙烯酸系单体总重量为乳液组合物总质量的30～70％范围内。这样设计可以使乳液聚合形成的乳液更稳定，不容易产生分相，且可以得到粘度在要求范围内的乳液，使得引入的气泡在乳液中能稳定存在。
作为本发明进一步改进的方案，丙烯酸系单体选自下面的一种或者多种：甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丙酯、丙烯酸正丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸仲丁酯、丙烯酸仲丁酯、甲基丙烯酸正辛酯、丙烯酸正辛酯、甲基丙烯酸异辛酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸正戊酯、丙烯酸正戊酯、甲基丙烯酸正己酯、丙烯酸正己酯、甲基丙烯酸月桂酯、丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸正庚酯、丙烯酸正庚酯、甲基丙烯酸正壬酯、丙烯酸正壬酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸正壬酯、丙烯酸正壬酯、甲基丙烯酸正癸酯、丙烯酸正癸酯、甲基丙烯酸正烷基酯、丙烯酸正烷基酯、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酸2-羟基乙酯、甲基丙烯酸2-羟基丙酯、丙烯酸2-羟基丙酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异冰片酯、衣康酸、富马酸、马来酸半酯，马来酸酐、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺、N-甲基甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基甲基丙烯酰胺、N-乙基甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N,N-二乙基甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-丙基甲基丙烯酰胺、N-丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺类单体、甲基丙烯酸氨基乙酯、丙烯酸氨基乙酯、(甲基)丙烯酸叔丁基氨基乙酯、丙烯酸叔丁基氨基乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯和乙酰乙酸基甲基丙烯酸乙酯。
上述乳化剂是十二烷基硫酸钠、硬脂酸钠盐、烷基硫酸盐、磺基琥珀酸盐、烷基酚聚氧乙烯醚类、烷基醇聚氧乙烯醚类、烯丙基聚醚硫酸盐、烯丙基磺基琥珀酸盐、十二烷基苯磺酸钙、十二烷基苯磺酸钠、油酸钾、油酸钠、琥珀酸酯磺酸钠、甘油硬脂酸酯、甘油油酸酯、月桂醇聚氧乙烯醚、月桂酸聚氧乙烯酯、改性月桂醇基硫酸钠、油酸聚氧乙烯酯、MX-188、N40、T-20、T-60中的一种或多种。上述引发剂是过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠中的一种或多种。
需要说明的是，在不损害本发明的目的的范围内，上述丙烯酸乳液中还可以有增稠剂、表面活性剂、抗静电剂、稳定剂、成核剂、交联助剂、颜料、阻燃剂、等其他添加剂。
此外，上述的丙烯酸系单体、乳化剂和引发剂只有相互在成分上不冲突，都能相互组合和搭配。
图1是本发明实施例中制备耐冲击泡棉方法的流程示意图，由图可知，上述丙烯酸泡棉制备方法如下：
(1)乳液聚合：将丙烯酸系单体、水、乳化剂、引发剂、其他添加剂通过乳液聚合的方式，在乳化设备中进行乳化聚合，得到丙烯酸乳液；
(2)机械发泡：将丙烯酸乳液放入搅拌容器内，根据最后需要得到的泡棉密度来调节搅拌转速和搅拌时间，将空气或氮气或二氧化碳等惰性气体混入丙烯酸乳液内；
(3)涂布：以PET或离型膜或其他基材作为基膜，将搅拌好的丙烯酸乳液通过涂布的方式涂布在基膜上得到乳液湿膜，在此步骤内调节涂布厚度；
(4)聚合交联：将涂布好的乳液湿膜送入烘道内，乳液在烘道内完成聚合交联过程，得到丙烯酸树脂发泡膜材；
(5)收卷：将丙烯酸树脂发泡膜材进行收卷，最终得到所需的丙烯酸泡棉。
下面结合更具体的实施例进一步详细说明
实施例1
(1)乳液聚合：将甲基丙烯酸单体、丙烯酰胺单体、水、乳化剂十二烷基硫酸钠、引发剂过硫酸钾按质量分数在乳化机内进行乳液聚合，得到丙烯酸乳液。甲基丙烯酸单体和丙烯酰胺单体组成丙烯酸系单体，本实施例中，水的质量为丙烯酸系单体总重量的1.0倍，所述乳化剂的用量为丙烯酸系单体总重量的2.5％，所述引发剂的用量为丙烯酸系单体总重量的1.5％。
(2)机械发泡：将上述得到丙烯酸乳液放入搅拌容器内，搅拌转速1000rpm，搅拌时间10min，混入乳液气体为空气；
(3)涂布：以离型PET膜作为基膜，采用逗号刮刀涂布方式，将搅拌好的丙烯酸乳液在基膜上进行涂布，得到乳液湿膜，调节乳液湿膜厚度为0.25mm；
(4)聚合交联：将涂布好的乳液湿膜送入烘道内，烘道内温度设置为100℃，烘道长20米，设备运行速度为2m/min，乳液在烘道内完成聚合交联过程，得到丙烯酸树脂发泡膜材，泡棉厚度为0.15mm；
(5)收卷：将丙烯酸树脂发泡膜材进行收卷，最终得到所需的丙烯酸泡棉。
取样进行上述测试，评价其耐冲击性能。
实施例2
与实施例1不同之处在于，将搅拌转速增加至2000rpm，其他与实施例1相同，取样进行上述测试，评价其耐冲击性能。
实施例3
与实施例2不同之处在于，将搅拌时间增加至20min，其他与实施例2相同，取样进行上述测试，评价其耐冲击性能。
实施例4
与实施例1不同之处在于，乳液聚合过程中，将配方配比改为：甲基丙烯酸单体、丙烯酰胺单体、水、乳化剂十二烷基硫酸钠，引发剂为过硫酸钾。其中，甲基丙烯酸单体和丙烯酰胺单体组成丙烯酸系单体，其中，水的质量为丙烯酸系单体总重量的1.5倍，所述乳化剂的用量为丙烯酸系单体总重量的5％，所述引发剂的用量为丙烯酸系单体总重量的0.2％。
取样进行上述测试，评价其耐冲击性能。
实施例5
与实施例1不同之处在于，乳液聚合过程中，将配方配比改为甲基丙烯酸单体、苯乙烯、丙烯酰胺单体、水、乳化剂十二烷基硫酸钠、引发剂过硫酸钾。其中，甲基丙烯酸单体、苯乙烯和丙烯酰胺单体组成丙烯酸系单体。本实施例中，水的质量为丙烯酸系单体总重量的0.7倍，所述乳化剂的用量为丙烯酸系单体总重量的0.5％，所述引发剂的用量为丙烯酸系单体总重量的3％。
取样进行上述测试，评价其耐冲击性能。
实施例6
与实施例1不同之处在于，乳液聚合过程中，将配方配比改为甲基丙烯酸单体、丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、水、乳化剂月桂醇聚氧乙烯醚、引发剂过硫酸铵。其中，甲基丙烯酸单体、苯乙烯和丙烯酰胺单体组成丙烯酸系单体。本实施例中，水的质量为丙烯酸系单体总重量的1.3倍，所述乳化剂的用量为丙烯酸系单体总重量的0.6％，所述引发剂的用量为丙烯酸系单体总重量的2.8％。
将丙烯酸乳液放入搅拌容器内，根据最后需要得到的泡棉密度来调节搅拌转速和搅拌时间，将空气、氮气、二氧化碳以及其他惰性气体混入丙烯酸乳液内，其中，搅拌转速为1800rpm、搅拌时间为25min。
取样进行上述测试，评价其耐冲击性能。
实施例7
与实施例1不同之处在于，乳液聚合过程中，将配方配比改为甲基丙烯酸单体、甲基丙烯酸氨基乙酯、丙烯酰胺单体、水、乳化剂十二烷基硫酸钠、引发剂过硫酸钾。其中，甲基丙烯酸单体、苯乙烯和丙烯酰胺单体组成丙烯酸系单体。本实施例中，水的质量为丙烯酸系单体总重量的1.2倍，所述乳化剂的用量为丙烯酸系单体总重量的3.5％，所述引发剂的用量为丙烯酸系单体总重量的1.6％。
将丙烯酸乳液放入搅拌容器内，根据最后需要得到的泡棉密度来调节搅拌转速和搅拌时间，将空气、氮气、二氧化碳以及其他惰性气体混入丙烯酸乳液内，其中，搅拌转速为2100rpm、搅拌时间为41min。
取样进行上述测试，评价其耐冲击性能。
对比例1：
选取与实施例3得到的泡棉产品厚度、密度相同的商品聚乙烯泡棉，测试评价其耐冲击性能。
对比例2：
选取与实施例3得到的泡棉产品厚度、密度相同的商品聚氨酯泡棉，测试评价其耐冲击性能。
在以下实施例中，对发泡片材采用的测试方法如下：
(1)泡棉厚度：基于ASTM D3574标准中记载的方法测定，使用底座面积≥650mm2的软质泡棉专用测厚规进行厚度测试，在10cm*10cm的发泡片材样品上采取9点法(样品中心点、靠近样品四边中心点、靠近样品四角点)测厚度，计算平均值。
(2)泡棉密度：选取10cm*10cm的发泡片材标准样品，基于ASTM D3574标准中记载的方法测定厚度后，称量质量，计算出密度。
(3)泡棉的冲击吸收测试：标准实验室环境下，准备5cm*10cm的泡棉样品，防置在底部应力感应装置平台上。使用20g小球从,20cm高度自由下落，读取放置泡棉前后的最大应力，冲击吸收＝(放置泡棉前最大应力值-放置泡棉后最大应力值)/放置泡棉前最大应力值*100％。
(4)泡棉的耐冲击测试：标准实验室环境下，准备5cm*10cm的泡棉样品，防置在平面平台上，泡棉样品上方放置1mm*5cm*10cm的玻璃片。使用20g铁球从20cm高度自由下落撞击玻璃片，重复下落试验，记录玻璃片破裂时，铁球下落撞击玻璃的次数，次数越多，说明泡棉的耐冲击性能越好。
(5)乳液粒径测试：使用BETTERSIZE2600激光粒度分布仪，测试粒径。
(6)乳液粘度测试：使用旋转粘度计，测试粘度，测试时使用3#转子，转速设定为30rpm，粘度单位mPas。
本发明中，耐冲击泡棉可以用作智能机屏下或背板部位的缓冲材料或粘胶带基材，其即使在较薄厚度下，也有足够耐冲击吸收能力。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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