塑料成型工艺学第九章泡沫塑料

发泡方法和发泡原理本章重点泡沫塑料是整体内含有无数微孔的塑料，采用不同的树脂和发泡方法，可制得性能各异的泡沫塑料,可在隔热保温、吸音、防震等方面使用。内容简介泡沫塑料成型简介泡沫塑料由于气相的存在，因而具有密度低、隔热保温、吸音、防震等优点。大部分热塑性和热固性塑料都能制成泡沫塑料。目前工业广泛应用的是聚乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯等做基材的热塑性树脂泡沫塑料，热固性树脂泡沫塑料亦有一定产量，但柔软性差，主要用作要求强度较高和阻燃性好的泡沫塑料制品。泡沫塑料制品特点泡沫塑料的分类泡沫塑料按其密度可分为：低发泡、中发泡和高发泡的泡沫塑料。密度小于0.1g／cm3的称为高发泡泡沫塑料，密度在0.l～0.4g/cm3之间称为中发泡泡沫塑料，密度大于g/cm3的称为低发泡泡沫塑料。泡沫塑料按其结构不同又可分为开孔型泡沫塑料和闭孔型泡沫塑料。泡沫塑料内各个气孔是相互连通的称为开孔型泡沫塑料同，如果泡沫是互相分隔的，则称为闭孔型泡沫塑料。泡沫塑料的分类泡沫塑料按其硬度不同又可分为软质泡沫塑料、半硬质泡沫塑料和硬质泡沫塑料。如按弹性模量为标准，在23℃和5％相对湿度时，弹性模量高于686MPa称为硬质泡沫塑料，弹性模量在68.6～686MPa之间称为半硬质泡沫塑料。弹性模量小于68.6MPa的称为软质泡沫塑料。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。9.1发泡方法和发泡原理泡沫塑料的品种很多，常用的发泡方法有物理发泡法、化学发泡法和机械发泡法等。（一)物理发泡法是指利用物理原理发泡的方法，包括以下三种：①在加压下把惰性气体压入熔融聚合物或糊状复合物中，然后降低压力，升高温度，使溶解的气体释放膨胀而发泡。目前聚氯乙烯和聚乙烯泡沫塑科等有用这种方法生产的。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。②利用低沸点液体蒸发气化而发泡。把低沸点液体压入聚合物中或在一定的压力、温度下，使液体溶入聚合物颗粒中，然后将聚合物加热软化，液体也随之蒸发气化而发泡，此法又称为可发性珠粒法。目前采用该法生产的有聚苯乙烯泡沫塑料和交联聚乙烯泡沫塑料。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。常用低沸点液体发泡剂的。③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。（二）化学发泡法发泡气体是由混合原料中的某些组分在成型过程中发生的化学作用而产生的。包括以下两种。（１)发泡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。常见的有碳酸氯钠、碳酸铵、偶氮二甲酰胺(俗称AＣ发泡刑)、偶氮二异丁腈和N，N—二甲基N，N－二亚硝基对苯二甲酰胺等。化学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发泡剂分解温度范围应比较狭窄稳定；②释放气体的速率必须能控制并且应合理地快速③放出的气体应无毒、无腐蚀性和具有难燃性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应无色、对发泡聚合物的物理和化学性能无影响⑧发泡剂分解时的发气量应较大。（２）发泡组分间相互作用产生气体的化学发泡法。此法是利用发泡体系中的两个或多个组分之间发生化学反应，生成惰性气体(如二氧化碳或氮气)而使聚合物膨胀发泡。发泡过程中为控制聚合反应和发泡反应平衡进行，保证制品有较好的质量，尚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。(三)机械发泡法此法是采用强烈地机械搅拌使空气卷入树脂乳液、悬浮液或溶液中成为均匀的泡沫体，然后再经过物理或化学变化使之胶凝，固化成为泡沫塑科。为缩短时间可通入空气和加入乳化剂或表面活性剂。常用该法生产的有聚甲醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶等泡沫塑料。9.2聚苯乙烯泡沫塑料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刑制得，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。聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板是以上下两层彩色钢板为表层，阻燃型聚苯乙烯泡沫塑料为芯层，用粘合剂压制而成的一种新型复合建筑板材，广泛应用于建筑物的墙体、屋面、装饰及组合冷库等。钢丝网架聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板是以阻燃型聚苯乙烯泡沫板为芯材，两侧配以2冷拔钢丝网片，插丝斜向交叉焊接而成，可以替代砖墙，用于内外墙、楼板、阳台、楼梯及屋面板，尤其适宜于框架结构的填充墙和楼房加层。聚苯乙烯泡沫塑料具有闭孔结构，吸水性很小，耐低温性好，耐溶冻性好，因此广泛用于制冷设备和冷藏设备中，如冷冻机、冷风机、冷风管道、冷冻车间、冷藏车、冷藏库、冷藏船舱等等。聚苯乙烯泡沫塑料具有重量轻、无毒，有一定弹性，可以模具成型，价格便宜的优点，因此被广泛用于各种精密仪器、仪表、贵重物品、水产品、水果等的包装。建筑物外墙保温，由阻燃聚苯乙烯泡沫板材，胶粘剂及罩面材料组成，可以起到保温节能作用。聚苯乙烯泡沫塑料质轻、极易进行切割、雕刻、粘结制成各种复杂开头的模型。广泛用于展览、商店的装璜、造型材料、也可用来制作各种教学模型。聚苯乙烯泡沫塑料无毒、无腐蚀性、吸水性小、体轻、保温、模具成型、搞酸碱腐蚀，可用于各种用途的管道保温。高密度的聚苯乙烯泡沫塑料板材具有很好的强度，可以承受一定荷载，保温隔热，价格便宜，可用于冷库的铺地材料。聚苯乙烯泡沫板材与其它屋面材料结合在一起，组成屋面覆盖系统，可以起到保温隔热、节约能源的作用。9.3聚氯乙烯泡沫塑料聚氯乙烯泡沫塑料按其配方和成型方法不同可制成为软质和硬质两种。软质泡沫塑料在配制时加入较多的增塑剂，成型后具有一定的柔软性。而硬质聚氯乙烯泡沫塑料在配制时加入溶剂将树脂溶解，成型过程中溶剂受热挥发而成为质地坚硬的泡沫制品。聚氯乙烯软质泡沫塑料聚氯乙烯软质泡抹塑料是采用化学发泡法，使树脂在熔融状态下充以一定量气体后迅速冷却，然后在常压下进行二次发泡制得的。聚氯乙烯软质泡沫塑料是一种发泡倍数高的闭孔型泡沫体，具有良好的隔音、防震、回弹性能，而且原料来源丰富，价格低廉。聚氯乙烯软质泡沫塑料块材主要用模压法成型，此种泡沫塑料广泛应用于工业、建筑业、人民生活各个领域。原料及典型配方配方中聚氯乙烯昀好选用SG－2、SG－3型树脂，其粘度大，所得泡沫制品弹性好、泡沫结构细腻。配方中选用邻苯二甲酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯混合增塑剂，可使物料具有良好的加工性能。发泡剂选用发泡剂AC（偶氮二甲酰胺），它有发气量大，无毒无臭，不留残渣等优点。三碱式硫酸铅为发泡剂的活化剂，可降低发泡剂的分解温度，使其与聚氯乙烯树脂的熔融温度接近，便于泡孔的形成。硬脂酸钡为润滑剂。生产工艺流程（1）捏合首先按配比称量各种原料、辅料，然后把聚氯乙烯树脂及粉状辅料加入高速捏合机内，开车后立即把增塑剂喷淋于捏合机之内。在90℃左右捏合10min后出料，捏合的混合料应当是松软有弹性，不结块，不存在离析的增塑料。（2）混炼把合格的捏合料称重后加入开放式炼塑机内进行混炼，保持前辊温度120℃及后辊温度110℃下混炼5min，混炼的目的是使各组分充分均化，以利于制成质量均匀的片坯。混炼时不允许发泡剂分解，因此在混炼过程中应始终保持昀低成片温度。（3）拉片和裁切混炼后拉片并辊成厚度为1.5或2.5mm的片坯，迅速冷却以防止粘连，随后按模具尺寸裁切成大小适当的小片坯，准确称重后层叠放入模腔内。（4）模压用约0.7～0.8MPa蒸汽加热模具8～12min后，迅速通入冷水冷却至50℃以下开模出片。（5）发泡把所得片，立刻放入蒸汽加热的烘箱进行热处理发泡，加热蒸汽约为0.2一0.3MPa，热处理15min后开箱冷却再出片，即可得到发泡倍率2.5～3的软质泡沫块。对所得的泡沫块在常压下放置7天，待尺寸稳定后可进行再加工，如在压力机下冲裁成拖鞋底片，也可切割成不同厚度的聚氯乙烯薄片，并可进一步与其他材料复合。聚氯乙烯注塑发泡凉鞋PVC发泡凉鞋，是以聚氯乙烯树脂为主，加入适量的添加剂，经捏合造粒、注塑成型制得。发泡凉鞋的特点是鞋底发泡，中间部位为松软的泡沫层，大底表面为不发泡硬层，因而底部较全塑凉鞋柔软而富有弹性。注塑发泡凉鞋的鞋帮虽不发泡，但鞋帮表面仍较粗糙，需采用特殊漆料进行喷涂，以美化装饰鞋帮表面。原料及典型配方生产工艺流程与聚氯乙烯全塑凉鞋生产流程相比有两点不同，即配料工序增加了发泡剂浆料的三辊研浆操作，此外，在注塑后不仅要整修，而且增加了喷漆上光操作，然后才成昀终成品。9.4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。一、交联聚乙烯泡沫塑料成型原理聚乙烯是结晶聚合物，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，聚乙烯从熔融态转变为结晶态耍放出大量的结晶热，而熔融聚乙烯的比热较大，因此从熔融状态转变到固体状态的时间比较长，加上聚乙烯的透气率较高，这样既使得发泡气体易于逃逸，适于发泡的温度范围较窄，因此聚乙烯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，必须在聚乙烯分子间进行交联，将熔融物料的粘性和弹性调节在一定范围内，使的物理力学性能显著提高。通常采用的交联方法有化学交联和辐射交联聚乙烯挤出发泡网是在聚乙烯挤出网的基础上发展起来的。这是一种新型包装材料。它是在聚乙烯（LDPE）中加入以聚丁二烯系胶乳作物理交联剂，以AC等有机物为发泡剂，或以碳酸氢钠等为主的无机物为发泡剂，经挤出发泡成网的。这种发泡网质轻，具有一定的弹性，有防震、减震作用，特别适合包装像苹果、桃、梨、瓜等水果，以及陶瓷、玻璃制品和精密仪器等易损易破物品，在包装中有广泛的用途。原料及典型配方聚乙烯挤出发泡网配方常用100份LDPE中加入8份碳酸氢钠和10份聚丁二烯或聚丁二烯苯乙烯胶乳。使用碳酸氧钠作发泡剂，是因为它分解温度低（100℃～140℃），产气量大（247m3/kg），用聚丁二烯系胶乳作物理交联剂，是因为它与聚烯烃相容性较好，这种胶乳含界面活性剂，有助于发泡剂产生良好的效果，可使发泡剂在较低的温度下分解，从而使挤出发泡温度较低；聚丁二烯系聚合物作为水相分散粒子存在，客易和发泡剂一起均匀分散在聚乙烯中，混炼工序少，加工成本明显降低。生产工艺流程聚乙烯软质泡沫塑料卷材聚乙烯软质泡沫塑料卷材是以低密度聚乙烯（LDPE）为主要原料与助剂配合后经挤出、压光、交联、发泡而成。这种制品具有隔音、隔热、耐折、化学稳定性好等优点，且具有闭孔泡沫结构、使其尤为适宜用作民用住房、工业厂房、仓库、车辆、农业温室、温床的保温材料，其使用温度为一35℃～80℃。原料及典型配方本配方中低密度聚乙烯可采用燕山石化公司化工一厂牌号为1ZZA－1、熔体指数为2.0的树脂；偶氮二甲酰胺为发泡剂；过氧化二异丙苯为交联剂，氧化锌为引发剂；硬脂酸锌为稳定剂；滑石粉为成核剂。配方中各种助剂的使用可根据实际情况用等效产品代换，并经过试验改变原料配比。采用低密度聚乙烯，产品的柔韧性较好。生产工艺流程9.5聚氨酯泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料是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。发泡气体有时也可以是由异氰酸酯和水反应生成的二氧化碳。聚氨酯泡沫塑料具有整体密