南工大塑料成型加工2015窦第九章泡沫塑料的成型.

第九章泡沫塑料的成型•9-1概述•9-2泡沫塑料的发泡方法及原理•9-3泡沫塑料的成型工艺9-1概述•泡沫塑料是以树脂为基础内部具有无数微孔性气体的塑料制品，又称为多孔性塑料。由于气孔的存在，它具有密度低（10～500Kg/m3）、隔音、隔热、防震等特点。广泛用于包装、防震、漂浮、运动、过滤材料。•生产泡沫塑料的材料:所有热塑性塑料和热固性塑料•常见的热固性塑料有：酚醛、脲甲醛UF、环氧树脂EP、有机硅等，所得泡沫硬度大，柔软性差，用于强度要求高的场合。工业上广泛应用的热塑性塑料泡沫塑料有：PE、PVC、PS、PU等。•泡沫塑料的成型方法：挤出、注射、模压、浇铸、压延。泡沫塑料的分类•1、按软硬程度分（即机械强度分）•软质泡沫塑料，在23℃和RH50%条件下，弹性模量小于70MPa,富有柔韧性、压缩硬度很小、应力解除后能恢复原状，残余变形较小；•硬质泡沫塑料，弹性模量高于700MPa，无柔韧性，压缩硬度大，应力达到一定值方产生变形，解除应力后不能恢复原状；•半硬质泡沫塑料，弹性模量在70～700MPa之间，性质介于两者之间。•2、按密度分•密度0.4g/cm3，气体/固体1.5的为低发泡；•密度=0.1～0.4g/cm3,气体/固体=1.5～9为中发泡；•密度为0.1g/cm3以下，气体/固体9为高发泡。•有的将发泡倍率5以下的称为低发泡，•发泡倍率5以上的为高发泡。•3、按气孔结构不同分•开孔泡沫塑料——孔与孔是相通的，具有良好的吸音性能和缓冲性能；•闭孔泡沫塑料——每一孔是独立的，具有较低的导热性能和较小的吸水性。常见泡沫塑料分类9-2泡沫塑料的发泡方法及原理•一、泡沫塑料的发泡方法•（一）物理发泡法•1、惰性气体发泡法•利用氮气、二氧化碳等无色无臭、化学活性较弱，很难与其它元素化合的惰性气体，在较高压力下，使其溶于熔融状态聚合物或糊状复合物中，而后在减压下使溶解气体释放出而发泡。•2、低沸点的液体发泡法•低沸点液体在高压下，压入熔态聚合物中，或掺入聚合物颗粒中，而后再减压或加热，使其在聚合物中汽化和发泡。•目前作为发泡剂使用的低沸点液体有：脂肪族碳氢化合物如丙烷、丁烷等；含氯和含氟的脂肪族的碳氢化合物如一氯甲烷、二氯甲烷、三氯氟甲烷（氟里昂）等对大气臭氧层破坏，目前已限制使用。它们的沸点大都在100℃以下。常用作为发泡剂的低沸点液体•3、溶出发泡法•先将细小颗粒的物质（如食盐和淀粉等）混入聚合物中，而后用溶剂或伴以化学的方法使其溶出而成为泡沫物。（如混在PVC中的淀粉，可先用水浸泡使其溶胀，而后再用热的稀硫酸处理，使其水解为糖，溶出成为PVC发泡物）。•4、交联发泡法（组合泡沫塑料）：•先将微型（直径20~250μm，壁厚2~3μm）的空心玻璃球、陶瓷球、空心塑料（如酚醛树脂）微球埋入熔融的聚合物或液态的热固性塑料中，而后通过冷却或交联作用固化成为泡沫体。•5、烧结发泡法：•将疏松的粉状热塑性塑料烧结在一起，使其分解放出气体成为泡状物。•物理发泡法的优点：操作中毒性小；发泡剂的原料成本低；没有发泡剂留下的残渣，因而对泡沫塑料性能无严重影响。•物理发泡法的缺点：某些过程所用设备投资较大。•工业上常用的是惰性气体发泡法和低沸点的液体发泡法。（二）化学发泡法•用于发泡的气体是由混合原料中的某些组分在成型过程中通过化学作用产生的。•1、化学发泡剂发泡法•发泡气体是由特意加入的热分解物质(称为化学发泡剂)在受热时产生的。•这种方法的特点是：所用设备通常都不很特殊和复杂，且适用于大部分热塑性塑料的发泡，因此应用广泛。•发泡剂应具备要求•a.逸出气体的温度范围应比较狭窄而固定；•b.逸出气体的速率应能控制，而且不受压力的影响和相当快的速率；•c.逸出的气体没有腐蚀性，最好是氮气，其次是二氧化碳；•d.发泡剂应能均匀地分散在原料中；•e.发泡剂和其分解后的残余物不应有毒性，并且对塑料的熔融和硬化都无影响；•f.发泡剂在分解时不应大量放热；•g.价格便宜，运输和储藏中稳定；•h.分解的残余物应无色、无味、无毒，应能与塑料混溶，并且对制品性能无影响。•目前工业上常用的发泡剂:•无机发泡剂常用的有碱金属的碳酸盐和碳酸氢盐，如：碳酸铵和碳酸氢钠等，它们的优点是价廉，不会降低塑料的耐热性，因为对聚合物无增塑作用。它们的缺点是不能与塑料混溶，很难在塑料中均匀分布，并且分解气体的速率严重受压力的影响。•有机发泡剂常用的是一些加热后分解放出氮气一些物质,如:偶氮二甲酰胺（AC）、偶氮二异丁腈等，氮气的化学行为比较迟钝，它对大多数聚合物的渗透性比氧气、二氧化碳、氨气都要小，在有机聚合物中有较大的分散性。•但是，绝大多数发泡剂都是易燃和可能发生爆炸的物质，甚至还可能放出有毒气体，因此必须保存于阴冷、干燥、通风好的场所。2、发泡组分间相互作用析出气体发泡法•发泡气体是形成聚合物的组分相互作用所产生的副产物，或者是形成聚合物的组分与其它物质作用的生成物。•工业上用这种方法生产的主要有聚氨基甲酸酯泡沫塑料，它是由异氰酸酯与聚酯或聚醚反应所析出的二氧化碳，还有用苯酚与甲醛缩聚反应所生成的水泡来制造酚醛泡沫塑料.•（三）机械发泡法•它是用强烈的搅拌使空气卷入树脂的溶液、乳液或悬浮体中，使其形成均匀的泡沫物，而后再通过物理和化学变化使其稳定而成为泡沫塑料。•为缩短时间，可同时通入空气和加入乳化剂或表面活性剂。用这种方法生产的有软PVC和脲甲醛泡沫塑料等。二、泡沫塑料的发泡原理•气发泡沫塑料的形成：是把气体溶解在液态聚合物中形成饱和溶液，然后通过成核作用生产泡沫。发泡剂可预先溶解在液态聚合物中，当温度升高、压力降低时，就会放出气体，形成泡沫。其泡沫的形成大体上分三个阶段：泡沫的形成、泡沫的增长、泡沫的稳定.•（一）泡沫的形成•当气体在溶液中达饱和限度而形成过饱和溶液时，气体又从溶液中逸出形成气泡，形成气泡的过程就是成核作用。这时，除聚合物液相外，产生了新相——气相，分散在聚合物中，成为泡沫。如果同时还存在很小的固体粒子或很小的气泡，即所谓的第二分散相，就会有利于这一过程的形成。这种加入第二相的物质叫做“成核剂”。•（二）泡沫的增长•气泡形成之后，由于气泡内气体压力与半径成反比，气泡越小，内部的压力越大。当两个大小不同的气泡接近时，由于气体从小气泡扩散到大气泡，造成气泡合并，通过成核剂的作用增加了气泡的数量，加上气泡的膨胀扩大了泡孔的直径，从而泡沫得到增长。•促使气泡增长的因素：溶解气体的增加；温度的升高；气体的膨胀；气泡的合并。•阻碍气泡增长的因素：表面张力和塑料的黏度。降低塑料熔体的表面张力和黏度对泡沫增长有利。但是如果熔体的黏度过低，会使泡孔壁膜减薄，使泡孔易破裂。•（三）泡沫的稳定•泡沫物是热力学不稳定体，它不会持续很长时间，所以必须保证泡沫稳定。•稳定泡沫的方法：•一是利用表面活性剂，以降低其表面张力，有利于形成细泡，减少气体的扩散作用，使泡孔稳定；•二是提高塑料熔体的黏度，防止泡壁进一步减薄来稳定泡沫。在发泡过程中，通过对物料的冷却或塑料的交联作用，都能提高塑料的熔体黏度。9-3泡沫塑料的成型工艺•一、聚苯乙烯泡沫塑料•聚苯乙烯泡沫塑料具有吸水性小，隔音、保湿、介电性优良等特点。•密度在0.015～0.02g/cm3用于包装材料；•密度为0.02～0.05g/cm3用于防水隔热材料；•密度为0.03～0.10g/cm3用于救生圈漂浮材料•聚苯乙烯泡沫塑料常用物理发泡法进行发泡。有两种生产方法：•一、是悬浮聚合的的聚苯乙烯颗粒中渗入低沸点的液体,使其成为可发性珠粒，然后经过预发泡、熟化和发泡成型而制成制品；•二、是将高分子量的乳液法聚合的粉状聚苯乙烯树脂、发泡剂及其它添加剂的混合物，通过挤出机挤出发泡，再经冷却定型而成泡沫制品。（一）可发性珠粒法•1、可发性聚苯乙烯珠粒的制造•采用的液体发泡剂大多是脂肪烃类化合物：有丁烷、正戊烷、异丁烷、石油醚等。其珠粒的制造方法有一步法、一步半法和两步法。•􀂉一步法：是发泡剂在聚合时加入。发泡剂有阻聚作用，所以制得的可发性聚苯乙烯珠粒分子量偏低，在40000～50000，反应后有部分粉状物，需处理。•􀂉一步半法：发泡剂在反应中期加入，减少了阻聚作用，分子量有所提高。•两步法：聚合反应形成PS珠粒后，在加温加压下，将低沸点的液体渗入到PS中，使其溶胀，经冷却后留在珠粒中。操作工序较多，发泡剂渗透时间较长，颗粒度已经过筛选，不合格的已事先剔除，有助于提高泡沫制品的质量。塑料加工厂常用。•原料规格及配方：•浸渍工艺参数：体系内压力不超过0.98MPa；料温80～90℃，恒温4～12小时（由颗粒大小决定），降温至40℃以下出料，冷却后用自来水清洗、吹干。注意：不要烘干。设备简陋的厂也可以常温常压浸渍，所需时间长，发泡剂挥发量大。•EPS珠粒要求：发泡剂含量约为6%（5.5～7.5％），表观密度0.68g/cm3，颗粒的直径范围0.25～2mm。制造密度偏小的泡沫塑料制品时，宜用直径偏大的珠粒。注意可发性聚苯乙烯珠粒储存时，一定要密封包装，低温储存。2、预发泡•作用：是凭加热使可发性珠粒膨胀到一定程度，这样可以使模塑制品密度更低；并且减小密度梯度，使发泡制品均匀。•预发泡方法：水蒸气、热水、热空气和红外线。水蒸气常用。•预发泡过程中严格控制加热温度和时间，使可发性珠粒软化呈高弹态，但不要熔化，使珠粒有足够的强度以与内部总压力平衡，避免预发泡粒子破裂。一般温度控制在80～100℃。在机桶内停留2～4分钟，发泡倍数约20倍。•对预胀物要求：表观密度0.012g/cm3（即（12～16g/L），泡孔直径80～150μm，泡孔频数为55个/cm3。密度低于0.012g/cm3时，泡孔易破裂。•3、熟化•目的：预发泡后在空气中暴露一段时间使空气逐步渗入泡孔，令泡孔内外压力达到平衡；使冷凝的发泡剂再渗透到粒子中去。•熟化原理：因为预发泡后，气泡中的气体因冷却而凝结，此时凝结成液体的发泡剂又重新溶入聚苯乙烯中，一部分还会向外渗出，当气体初凝结的一段时间内，气泡的压力会有较大的下降，以致出现真空，因此预发泡颗粒很脆弱。随着成熟时间的进展，外界空气逐渐渗入气泡，预发泡颗粒就变成具有弹性而又不能用手轻易捏碎的物体。•熟化方法：•将预发泡颗粒放入大型料斗中进行。空气从料斗底部缓缓送进，由顶部排出。熟化时最好使空气很快地渗入预发泡珠粒中，而不使发泡剂太多渗出，否则预发物在模塑时的膨胀就差。一般熟化温度22～26℃，有时为加速熟化，可将空气温度提到32～38℃。熟化时间由所用珠粒的规格、制品的密度要求、送至料斗中的空气条件而定，有8～10小时，有的24小时左右，由试验而定。4、模塑成型•（1）过程：常用的模塑方法是蒸汽箱模塑法。熟化珠粒入模送入液压机蒸气室加热发泡剂气化膨胀、塑料软化进一步膨胀由于模具限制珠粒互相熔接成整体。•（2）工艺控制：•A、温度：温度尽快达110～135℃，蒸汽压偏高达0.294～0.329MPa。如果蒸汽压不足，会造成制品表面和中心密度不一致，严重时得不到整块制品。因为蒸汽量不足时，泡内的空气和发泡剂就会先期渗出，而后渗入的蒸汽的压力至多也只是能与外界压力相平衡。•B、时间：蒸汽的加热时间依制品的厚度而定，一般5～60秒。•C、冷却–若制品密度大于0.025g/cm3,可用洗淋的方法；–若制品密度小于0.025g/cm3，因为容易碎裂和收缩，最好用空气冷却。•快速冷却可使压力均匀地降低，制品密度梯度也小。但是如果冷却过快，水蒸气分压下降过快，聚合物因冷却硬化所具有的强度不能承受残存压力，因冷却承受的部分真空即会导致泡沫体的较大收缩。模塑发泡设备及制品5、挤出成型•可发性聚苯乙烯珠粒可直接用于挤出成型片材和薄膜，制品的密度偏高为0.32～0.80g/cm3。因为在挤出过程中很容易造成在机筒内塑化压实情况，所以制品密度偏高，为降低制品密度可加入1.6%的硼酸和1.8%的碳酸氢钠。•（1）发泡过程•硼酸和碳酸氢钠起成核剂的作用，它们在挤出机料筒中受热分解出不溶于聚苯乙烯的气体，均匀地混合在熔融的树脂中，混合物一出口