高分子合成材料成型加工 第八章

1NORTHEASTPETROLEUMUNIVERSITYShuJingCopyright2010第八章泡沫塑料成型Chapter8FoamMolding2本章内容8.1概述8.2泡沫塑料的发泡方法和发泡剂8.3泡沫塑料的形成原理8.4几种主要的泡沫塑料3•泡沫塑料是以塑料为基本组分而内部具有无数微孔的复合材料。•塑料为连续相气体为分散相两相体系•密度低、隔热保温、吸音、防震等•大部分热塑性和热固性塑料都能制成泡沫塑料。•热塑性树脂泡沫塑料：PE、PS、PU等做基材；热固性树脂泡沫塑料柔软性差，主要用作要求强度较高和阻燃性好的泡沫塑料制品。8.1概述48.1概述分类（1）按硬度分硬质泡沫塑料弹性模量700MPa半硬质泡沫塑料弹性模量700~70MPa软质泡沫塑料弹性模量70MPa（2）按密度分低发泡密度0.4g/cm3气体/固体1.5中发泡密度=0.4~0.1g/cm3气体/固体=1.5~9高发泡密度0.1g/cm3气体/固体958.1概述分类（3）按泡沫塑料结构分开孔式：气孔相互贯通闭孔式：气孔相互分隔开孔和闭孔结构是由其制造方法所决定的。密闭模生产的为闭孔性泡沫结构，而开式模具成型的为开孔型泡沫结构。开孔性泡沫具有吸水、吸音，而密孔性泡沫具有隔热、减震作用。此外，还有结构泡沫塑料和组合性泡沫塑料之称。前者具有不发泡或少发泡的皮层和发泡的芯层，后者则是把微小的中空玻璃、陶瓷微球加入已含固化剂的树脂中，然后固化成型制得。68.1概述应用日常用品：软质泡沫（PU）作为坐垫、床垫、服装、手套衬里、鞋底材料、箱、包材料。建材：壁纸、墙体材料、家具材料。工业用品：汽车、飞机的结构材料，如汽车保险缸、仪表盘、飞机行李箱、座椅等，电冰箱，冷库衬里材料。抗震包装：电器包装，陶瓷包装，工艺品包装，水果包装，保温包装。航海用品：救生圈，救生衣，浮标。农业园艺：无土种植（泡沫板作为根茎固定材料或吸水保肥材料）。78.2发泡方法和发泡剂发泡方法主要有三种：物理、机械、化学（一）物理发泡法利用一定条件下的气体-液体转变原理进行泡沫塑料生产的方法。具体可分为四种：（1）惰性气体发泡法利用He、CO2等可在一定压力下液化的特点，使其与树脂在一定条件下混合，然后通过降低压力和升高温度的方法，使溶解在树脂中的气体重新析出，而形成泡沫塑料。目前PVC和PE泡沫塑科等有用这种方法生产。优点是气体在发泡后不会留下残渣，不影响泡沫塑料的性能和使用。缺点是需要高的压力和比较复杂的高压设备。88.2发泡方法和发泡剂（一）物理发泡法（2）低沸点液体发泡法又称可发性珠粒法。将低沸点液体渗入树脂基体中，然后通过加热使树脂基体软化，同时低沸点液体受热气化，并形成一定的压力而膨胀，形成泡沫塑料。目前采用该法生产的有PS泡沫塑料和交联PE泡沫塑料。作发泡剂用的低沸点液体有脂肪族烃类(丁烷、戊烷等)，含氯脂肪族烃类(如二氯甲烷)和含氟脂肪族烃类(如F-11，F-12，F-114等)。此外，脂环烃类、芳香烃类、醇类、醚类、酮类和醛类等也可使用。98.2发泡方法和发泡剂（一）物理发泡法（3）中空微球法在塑料中加入中空微球后经固化而制成泡沫塑料。此种泡沫塑料称为组合泡沫塑料。（4）溶解组分法通过溶解掉聚合物中可溶组分而成微孔，所形成的塑料通常称为溶解泡沫塑料。（二）机械发泡法利用机械搅拌作用，将空气卷入树脂乳液、悬浮液或溶液中，使其成为均匀的泡沫物，再经过物理或化学变化使之胶凝、固化成为稳定的泡沫塑料。为缩短时间可通入空气和加入乳化剂或表面活性剂。常用该法生产的有POM、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶等泡沫塑料。108.2发泡方法和发泡剂（三）化学发泡法用于泡沫塑料形成的气体是由化学反应而产的方法，称化学发泡法。常见于两种形式：􀂄（1）化学发泡剂气体是由加入的热分解型发泡剂受热分解而产生的，这种发泡剂称为化学发泡剂或发泡剂。常见的有碳酸氯钠、碳酸铵、偶氮二甲酰胺(俗称AＣ发泡刑)和N，N-二甲基-N，N－二亚硝基对苯二甲酰胺等。118.2发泡方法和发泡剂（三）化学发泡法（1）化学发泡剂发泡剂的分解温度和发气量，决定其在某一塑料中的应用。理想的分解型发泡剂应具有以下性能：①分解温度范围较窄且稳定；②释放气体速率可控且合理快速；③气体无毒、无腐蚀性和难燃；④发泡剂分解时不应大量放热；⑤发泡剂在树脂中具有良好的分散性；⑥价廉，在运输和贮藏中稳定；⑦发泡剂及其分解残余物无色、对发泡聚合物的物理和化学性能无影响；⑧发气量较大128.2发泡方法和发泡剂（三）化学发泡法（2）发泡气体是由形成聚合物过程中的某些组分相互作用所形成的副产物（如聚氨酯泡沫生产时异氯酸酯与水反应形成二氧化碳）。为控制聚合反应和发泡反应平衡进行，保证制品质量，需加入少量催化剂和泡沫稳定列(或称表面活性剂)。聚氨酯泡沫塑料常用此法生产。138.3泡沫塑料的形成原理泡沫塑料的成型过程和定型过程，一般可以分为三个阶段：（1）气泡核的形成（2）气泡核的膨胀（3）泡体的稳定和固化148.3泡沫塑料的形成原理（一）气泡核的形成•气泡核是指原始的微泡，也就是气体分子最初聚集的地方。•气泡核的形成阶段对成型泡沫体的质量起着关键性的作用，若在熔体中同时产生大量均匀分布的气泡核，则有利于得到泡孔均匀细密的优质产品；如在熔体中只产生少量气泡核，则最终形成的泡沫体必定是密度较大，质量较差。158.3泡沫塑料的形成原理（一）气泡核的形成•热点成核机理该机理指出：分布在聚合物熔体或溶液中的气体分子不能形成大量均匀的气泡核，但这些气体易在粘度低、表面张力小的热点聚集，形成气泡核。•许多结晶型化合物可以成为热点成核剂，如苯甲酸钙、苯甲酸钠等，其机理为随温度下降，由熔点开始结晶时放出结晶潜热，使该点温度高于基体温度成为热点。•实验表明，在相同条件下，成核剂浓度增加10倍，气泡数将增加4倍，每个气泡体积将下降至原来的1/50。168.3泡沫塑料的形成原理（二）气泡的膨胀过程促进气泡膨胀的因素：（1）溶解气体量的增加（2）温度升高（熔体粘度下降，气体压力增大）（3）气泡之间的合并影响因素（1）原料•熔体粘性粘度对气泡膨胀影响很明显，粘度越大，气泡膨胀速度越小，泡径也越小。•熔体弹性弹性对气泡膨胀过程影响从两个相反方向进行。增加弹性可减少气泡膨胀阻力，利于加速气泡膨胀；弹性大，贮存能量的能力增加，弹性收缩导致气泡减小。178.3泡沫塑料的形成原理（二）气泡的膨胀过程•发泡剂成型中发泡剂主要消耗在三个方面：使气泡膨胀、扩散损失和残留在塑料中。要提高发泡效率就要设法减少后两项的损耗。扩散损失与气体分子大小有关。小分子气体发泡剂不易成型高发泡制品。•气体扩散系数提高气体的扩散系数可以加速气泡的膨胀速度。影响因素（1）原料188.3泡沫塑料的形成原理（二）气泡的膨胀过程影响因素（2）工艺因素•温度重要工艺参数，与许多性能密切相关􀂄①影响气体在熔体中的扩散系数温度↗，气体扩散系数↗，加速气体在熔体中的扩散。熔体中气体过饱和时，有助于气体膨胀。􀂄②影响气体在熔体中的溶解度温度↗，气体溶解度↗。􀂄③影响熔体粘度温度↗，粘度↘，利于气体膨胀；但粘度过低会使泡孔破裂和塌陷，也不利于泡沫的成型。198.3泡沫塑料的形成原理（二）气泡的膨胀过程影响因素（2）工艺因素•压力主要工艺参数􀂄压力改变直接影响熔体中溶解气体的压力，而溶解气体压力直接影响气泡膨胀的速度。􀂄对气体在熔体中的溶解度有影响。P↑，溶解度↑。208.3泡沫塑料的形成原理（三）气泡的稳定和固化过程•任何一个气液相共存体系都是不稳定的，已经形成的气泡可能继续膨胀，也可能合并、塌陷或破裂。为了使已达到膨胀倍数的泡体结构固定下来，应选择时机将体系固化，使液-气体系转化为气-固体系。•这种转化过程，热固性塑料和热塑性塑料的经历和要求都各不相同。（1）热塑性塑料的固化主要通过冷却来进行，由于泡沫体是热的不良导体，常常出现表层已固化而芯层温度还很高的现象，因此要保证泡沫制品有足够的冷却定型时间，以防止制品变形。（2）热固性塑料发泡和交联固化过程同时进行。塑料液体粘度的逐渐增大，为气泡的稳定提供条件。218.4几种主要的泡沫塑料（一）聚苯乙烯泡沫塑料•主要用于冷库保温，水产品保鲜，养殖浮具，船舶隔热，建筑装饰材料，各种防震包装材料。•聚苯乙烯泡沫塑料的成型方法很多，主要有模压法、可发性珠粒法和挤出发泡法。模压法是采用乳液法聚苯乙烯和热分解型发泡研制的，是早期使用的方法，现在用的很少。目前大且使用的是可发性珠粒法和挤出发泡法。228.4几种主要的泡沫塑料（一）聚苯乙烯泡沫塑料•可发性珠粒法生产工艺工艺过程可分为可发性聚苯乙烯珠粒的生产、珠粒的预发泡、熟化、模压成型等四步。􀂄（1）可发性聚苯乙烯珠粒的生产在加温加压条件下，使低沸点液体发泡剂渗透到珠粒中去，使珠粒溶胀而制成。具体操作：按配比把水，液体发泡剂（丁烷、石油醚、戌烷）、分散剂分别放入热压釜，在不断搅拌下把筛选好的聚苯乙烯珠粒通过旋风加料器定量加入热压釜，热压釜夹套通入蒸汽，使釜内温度80~90℃，压力约为0.88MPa，经5小时浸渍后降温到40℃以下，放料至活动洗料车，冲洗后送入冷却房滤水贮存一天，再送入吹干机干燥装袋并存放半月左右。238.4几种主要的泡沫塑料（一）聚苯乙烯泡沫塑料•可发性珠粒法生产工艺􀂄（2）预发泡可发性珠粒受热时，液体发泡剂汽化产生压力，珠粒软化并膨胀，制成预发泡粒子。珠粒膨胀除因发泡剂的汽化外还由于蒸汽不断渗透到膨胀的珠粒中也使得膨胀的粒子中总压力不断增加，而体积更加增大。预发泡过程必须严格控制加热温度与加热时间，要使可发泡珠粒软化呈橡胶态但不熔化，使珠粒有足够的强度以与内部总压平衡，借以避免预发泡粒子的破裂。预发泡过程在预发泡机内完成，该机采用蒸汽加热，温度控制在80~100℃，物料在机桶内一般停留2~4min，发泡约20倍。248.4几种主要的泡沫塑料（一）聚苯乙烯泡沫塑料•可发性珠粒法生产工艺􀂄（3）熟化熟化目的是使空气逐步渗入泡孔，令泡孔内外压力达到平衡，有使冷凝的发泡剂再渗透到粒子中去的作用，进而为热压成型创造条件。熟化处理就是在室温下存放12个小时左右。258.4几种主要的泡沫塑料（一）聚苯乙烯泡沫塑料•可发性珠粒法生产工艺􀂄（4）热压发泡成型将熟化的预发泡珠粒装进具有特定型腔的模具中，模具底部、顶部、侧面都设有蒸汽通道，以便通入蒸汽加热。预发泡珠粒受热软化，且由于泡内气体膨胀物理发泡剂挥发，蒸汽再次充满泡孔，珠粒进一步发泡膨大，并相互粘结成整块，形成与模具状态相同的泡沫塑料制品。模具通常先通入压力约为0.098兆帕蒸汽，预热半分钟，加料后用压力约为0.098~0.196兆帕的蒸汽加热30s，然后立即改通冷水冷却后脱模。脱模后的制品应在50℃下干燥24h。268.4几种主要的泡沫塑料（二）聚乙烯泡沫塑料•聚乙烯泡沫塑料具有密度低、耐低温及抗化学性能优良等优点，并具有一定的力学强度，可用作日用品、精密仪器的包装材料，保温材料和水上漂浮材料等。高发泡聚乙烯钙塑材料广泛用于建筑装饰，近年来聚乙烯泡沫塑料的用途日渐扩大，发展速度较快。278.4几种主要的泡沫塑料（二）聚乙烯泡沫塑料•PE是结晶聚合物，在结晶熔融温度以下几乎不流动，而在熔融温度以上其熔融粘度急剧下降，发泡过程中产生的气体很难包住。此外，PE从熔融态转变为结晶态要放出大量结晶热，而熔融PE比热较大，从熔融状态转变到固体状态的时间比较长，加上PE的透气率较高，使得发泡气体易于逃逸，适于发泡的温度范围较窄，因此PE泡沫塑料的研制工作较晚。•除挤出发泡制得无交联的高倍率发泡材料外，欲制得更高发泡倍效的泡沫塑料，必须在分子间进行交联，将熔融物料的粘性和弹性调节在一定范围内，使物理力学性能显著提高。•可采用化学发泡法和物理发泡法。•交联方法通常采用有化学交联和辐射交联。288.4几种主要的泡沫塑料（三）聚氨酯泡沫塑料•以多元异氰酸酯和多元醇为主要原料，加入催化剂、发泡剂和表面活性剂等，在充分混合下反应形成的轻质发泡材料。