第8章 泡沫塑料的成型

第8章泡沫塑料的成型•8.1概述•质量最轻的材料――泡沫塑料•泡沫塑料是由大量气体微孔分散在固体塑料中形成的一类高分子材料，具有质量轻、隔热、吸音、减震等特性，用途很广。最早开发的泡沫塑料是20世纪60年代发展起来的结构泡沫塑料，内部芯层发泡，外部皮层不发泡，特点是外硬内韧、强度高、消耗原料少，广泛地代替木材，用于建筑和家具工业以及包装材料。现在，几乎各种塑料都可以制成泡沫塑料。一、发泡方法分类•1.机械发泡法是借助强烈搅拌，把大量空气或其他气体引入液态塑料中，工业上主要用此法生产脲醛树脂泡沫塑料，它可用做影剧布景中的人造雪花。•2.物理发泡法依据所用发泡剂可细分为：惰性气体发泡法；低沸点液体蒸发汽化发泡法；液体介质浸出物发泡法；加入中空微球后固化发泡法。•3.化学发泡法可分两类：采用化学发泡剂，它们在受热时分解放出气体。常用的发泡剂有偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、N，N′--二亚硝基五亚甲基四胺、碳酸氢钠；利用聚合过程中的副产物气体进行发泡。但无论采用什么方法发泡，其基本过程都是：①在液态或熔融态塑料中引入气体，产生微孔。②使微孔增长到一定的体积。③通过物理或化学方法固定微孔结构。二、泡沫塑料的分种•1.泡沫塑料有开孔和闭孔之分•泡沫塑料的微孔之间互相连通的称为开孔型泡沫塑料，微孔之间互相封闭的称为闭孔型泡沫塑料。•2.泡沫塑料又有硬质和软质之分•按照美国试验和材料学会颁布的标准：在18～29℃下，在时间5秒内，泡沫塑料绕直径为2.5厘米的圆棒一周，如果不断裂，属于软质泡沫塑料；如果断裂，则属于硬质泡沫塑料。•3.泡沫塑料还分为低发泡和高发泡两类•通常将发泡倍率（发泡后比发泡前体积增大的倍数）小于5者为低发泡产品，大于5者为高发泡产品。三、应用特性•1.质轻•2.弹性好•3.隔热•4.强度高•5.其他8.2机械发泡法•机械发泡法(又称气体混入法)是用强烈的机械搅拌将空气卷入树脂的乳液、悬浮液或溶液中使其成为均匀的泡沫物，而后再经过物理或化学变化使之稳定成为泡沫塑料。机械发泡法中常用的树脂有脲甲醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶等，这里即以脲甲醛开孔硬质泡沫塑料为例说明。•一、树脂的制备（脲甲醛，甘油）•制造时，技配方先将甲醛水液加至反应釜中，并用l0％烧碱水液调其PH值使达到6.4～6.5。而后在搅拌和回流的情况下加入脲和甘油，并于l小时左右的时间内将反应混合物加热到它的沸点。沸腾15分钟后，用10％甲酸水溶液使混合物的pH值降至5.0～5.5。继续在沸腾温度下使反应进展到混合物的粘度达到25～30厘泊时为止。用烧碱水液中和反应混合物使pH值上另到6.8～7.0。冷至20～30℃后，用水稀释使反应混合物中的树脂含量达到27％～32％。最后将树脂溶液放在铝制的贮槽中备用。二、鼓泡（搅拌，加入发泡液）•鼓泡时，在搅拌情况下，向鼓泡设备先加入一定量的发泡液，2、3分钟后便会产生大量的泡沫。随后，在1～2分钟内加入定量的树脂溶液。继续搅拌15～20秒后，即可出料。三、泡沫物的硬化•装有泡沫物的塑模应先在室温下放置4～6小时，以便从模底沥除一部分的水(约为总料量的l4％)并使泡沫物得到一定程度的硬化。而后从塑模中脱出泡沫物并将它放在漏孔的托架上。由托架承托的泡沫物应在严格控制温度的供室内进行热处理，处理的温度和时间随具体情况而定。•处理时，泡沫物既有化学变化的交联作用，又有物理变化的干燥作用，水分由80％降至12％)，所以温度必须严格控制，否则不易得到质量较好的制品。8.3物理发泡法•优点：操作的毒性较小，用作发泡的原料成本低；发泡剂无残余体。•缺点：生产过程设备投资大。•前述几种物理方法中，以在塑料中溶入气体和液体而后使其气化发泡的两种方法在生产中占有主要位置，适应的塑料品种较多。现分别以聚苯乙烯和聚氯乙烯为例介绍这两种方法。8.3.1PS泡沫塑料•一、制造过程•预发泡（PS、引发剂、发泡剂）→软化（发泡剂产生压力，膨胀）→（平衡）发泡气体渗出，水蒸汽渗入气泡中→熟化→预膨胀物冷却→（平衡）泡孔内发泡剂、水蒸气冷凝，气体渗入气泡→模塑→膨胀→（平衡）受热加压气泡渗出；外部加压气泡渗入•物理发泡法常将低沸点的烃类或卤代烃溶解在塑料中，当塑料受热而软化时，溶解在塑料中的烃类或卤代烃液体就会挥发，同时膨胀发泡。例如制造聚苯乙烯泡沫塑料，可在苯乙烯聚合成聚本乙烯时，事先把戊烷溶解在苯乙烯单体中，聚合时就会发泡。也可以在加热和加压下用戊烷处理聚苯乙烯塑料，制得可发泡性聚苯乙烯塑料，然后使它在热水或水蒸气中预发泡，再放到模具中通入水蒸气，使预发泡后的聚苯乙烯塑料二次膨胀，并互相熔结在一起，冷却后即得到与模具形状相同的制品。•挤出成型的物理发泡法可用于聚苯乙烯塑料，使其熔融，再加入卤代烃混合均匀，当物料离开机头时即膨胀发泡。物理发泡法还有中空微球法，是将熔化温度很高的空心玻璃微珠与塑料熔融体相混合，然后在玻璃微珠不会破碎的条件下塑料成型，可制得特殊的闭孔型泡沫塑料。二、聚氯乙烯泡沫塑料•由于聚氯乙烯本身并不能溶解惰性气体，能够溶解这种气体的只是它的增塑剂或溶剂，所以采用溶解惰性气体为发泡剂来生产聚氯乙烯泡沫塑料时须选用增塑剂含量大的聚氯乙烯糊或溶液为原料，以这种方法生产硬质泡沫体而只用少量溶剂，就须施加很高的压力(300、40大气压)。显然，施加高压对设备的要求就高。如采用大量溶剂，则以后的溶剂脱除与回收都比较麻烦，不仅成本提高，还要采取严格的防火和防爆措施。所以用溶解惰性气体发泡的方法大多用来生产软质聚氯乙烯泡沫塑料。•生产软质聚氯乙烯泡沫塑料有间歇法和连续法两种。间歇法比较简单，生产时，适当的聚氯乙烯糊放入加压釜中，然后在搅拌下用20～30大气压的二氧化碳通入釜内，压力稳定到规定数值时。即将充气的聚氯乙烯糊由釜底喷嘴放至塑模中，并在较短的时间内送至110～135℃的烘室中烘熔，而后经过冷却和脱模，获得泡沫塑料制品。8.4化学发泡•制造泡沫塑料时，如果发泡的气体是由混合原料的某些组分在过程中的化学作用产生的，则这种方法即称为化学发泡法。按照发泡的原理不同，工业上常用的化学法有两种：•(1)发泡气体是特意加入的热分解物质(常称为化学发泡剂或发泡剂)在受热时产生的；•(2)发泡气体是由形成聚合物的组分相互作用所产生的副产物，或者是这类组分与其它物质作用的生成物。一、化学发泡剂•1.化学发泡剂的性能•采用化学发泡剂，它们在受热时分解放出气体。化学发泡剂分为无机化学发泡剂和有机化学发泡剂两类。•（1）无机化学发泡剂（简称无机发泡剂）•无机发泡剂的主要特性是：价廉，不影响塑料的热性能，分解时是吸热反应：但分解气体的速率受压力的影响较大，分解反应进行缓慢，难于均匀分布在塑料中。可在塑料中使用的无机发泡剂有：•①碳酸盐类•用做发泡剂的碳酸盐主要有碳酸铵［（NH4）2CO3］、碳酸氢铵（NH4HCO3）和碳酸氢钠（NaHCO3）。前两种虽然价格低，但由于分解产物碳酸钠（Na2CO3）具有强碱性，主要用于橡胶制品，有时也可作为PF、醇酸树脂等塑料制品的发泡剂。•②亚硝酸盐类•亚硝酸铵是极不稳定的化合物，作为发泡剂使用的亚硝酸铵实质上是氯化铵（NH4CL）和等摩尔的亚硝酸钠（NaNO2）的混合物。该混合物配入橡胶后经加热放出氮气（N2）。（2）有机化学发泡剂（简称有机发泡剂）•有机化学发泡剂是目前工业上最广泛使用的发泡剂。在它们的分子中几乎都含有═N—N═或—N═N—结构，这些化学键和发泡剂分子中其它化学键相比是不稳定的，因此，在热的作用下很容易断裂而放出氮气（同时也可能有少量的NH3、CO、CO2、H2O以及其它气体的生成），从而起到发泡作用。•有机发泡剂的主要优点是：在聚合物中分散性好；分解温度狭窄且能控制，分解产生的气体以N2为主，因此不会燃烧、爆炸，也不易液化，并且扩散速度小，不容易从发泡的物料中逸出，因而发泡效率高。•有机发泡剂存在的主要问题是：•①有机发泡剂分子内不稳定═N—N═或—N═N—的键发生热分解后，其余部分是比较稳定的。这些比较稳定的部分就成为残渣（其中也有水和挥发性等物质）而留在塑料中。这些残渣有时会引起异臭或表面喷霜等现象。•②有机发泡剂在热分解时必然会放出一定的分解热。如果使用分解热大的发泡剂，发泡物料内部的温度就会比外部的温度高的多。若内部温度过高，就会损害聚合物的性能，有时甚至使制品中心完全炭化。因此在生产较厚的泡沫塑料时要特别注意。•③有机发泡剂几乎都易燃的，分解温度比较低，所以在贮存和使用时都应注意防火。•2.化学发泡剂的特征与选择•没有一种发泡剂是可以用于制造各种泡沫塑料而皆合适的，这是因为各种树脂的固有性能不可能相同，加工条件也不一样。此外，为了求得性能各异的同一种泡沫塑料，加入的助剂也往往不同。毫无疑义，这些不同都是选择发泡剂的根据。选择时就是在这些根据和发泡剂特性之间求得平衡。下面是对远择中所用的几项主要特性进行讨论。（1）分解温度•①发泡剂的分解温度就是它开始产生气体的温度，所选发泡剂的分解温度要与塑料的熔融温度接近，•②发泡剂应能在一狭窄的温度范围内迅速分解，即当热塑性树脂达到适宜的粘度或热固性树脂达到所需的交联度时的温度范围内均匀放气，否则是很难取得密度均匀的制品的，•③发泡剂的分解作用必须要在较短的时间全部完成，以便迎合工艺上对发泡体的快速冷却定型，否则就不能提高生产效率或不能有效地利用发泡剂。（2）分解速率•发泡剂的分解速率是随温度变化的。用实验方法求得。有机发泡剂受热后，一般能住很短时间内分解完。但是无机发泡剂受热后的分解反应却进行得较慢，需要较长的时间才能完成，（3）反应热量•有机发泡剂分解时是放热反应，而无机发泡剂分解则是吸热反应。•放热可以提高发泡时原料的温度，而吸热则正相反。为此，工业上‘必须作出相应的措施，否则即会影响制品质量，除非吸收或放出的热量很小，才可以不计。（4）发泡剂分解的抑制和促进•任何化学发泡剂都是在一定的温度下进行热分解而产生气体的。但是，可以借助于某些助剂来调节产气量，并控制它的分解温度和分解速率。•例如磺酰肼系发泡剂，可借助于磷酸酯系、苯二甲酸酯系增强剂来控制其分解速率；又如偶氮甲酰胺的分解温度较高，常可于其中加入铅、锌等盐类来降低其分解温度。（5）发泡效率•有机发泡剂分解出的氮气比无机发泡剂分解出的二氧化碳气体发泡效率高，这是因为二氧化碳对塑料泡壁的扩散速度比氮气高，所以二氧化碳气体的发泡效率低，制造低比重的泡沫塑料是比较困难的。（6）发泡剂的并用•当有机与无机发泡剂并用时较单独使用有机或无机发泡剂能显示较好的效果。二、聚氯乙烯泡沫塑料的生产•1.软质聚氯乙烯泡沫塑料•（1）挤出法•一种是将原料在低于发泡剂分解温度的料筒内塑化并挤出一定形状的中间产品，再在挤出机外生温发泡，低密度制品。L/D=15，έ=1:3，料温140℃，料筒温度125～140℃，烘室温度175～205℃，时间5～10min。•另一种采用含有低温发泡剂的原料，发泡在料筒内进行，脱离口模的挤出物在冷却后进行冷却成制品。密度高。L/D=16，έ=1.5～3，料温180～190℃，料筒温度145～190℃，烘室温度175～205℃，时间5～10min。口模应比料温低25～30℃。•（2）注射法•只限于高密度的低发泡物。与一般注射不同的是：每次注射量要相等，每次注射的料的体积要比型腔小，在型腔充满后，模内压力只有寻常注射模塑的10%～20%。一般用较高的注射速率。•（3）压延法•压延制品主要是人造革。•（4）压制法•包括配料制糊、装料入模并使模内的糊料在加压和加热的情况下发泡和塑化、冷却。脱出泡沫物、在适当温度下使泡沫构进一步膨胀成为制品。•按照上列积序制造的成品都是闭孔型的。如果要制品成为开孔型的，则可将模具改为敞开式的，也就是发泡和烘熔均在烘室中不加压的情况下进行。•生产中，各种条件的确定都是实验的结果，其大致范围是：发泡和烘熔的温度是120～180℃，时间是10～30分钟，施加压力时所用的压力约为300公斤／厘米2。后烘的温度为100～175℃，时间约为20分钟。•2.硬质聚氯乙烯泡