5.5 泡沫塑料成型

高分子加工原理与技术湖北汽车工业学院材料学院李建§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术泡沫塑料-----是以树脂为基本组分，内部具有无数微孔性气体的塑料制品.几乎所有热固性和热塑性塑料都能制成泡沫塑料，但其发泡技术的难易差别很大。泡沫塑料成型过程比一般塑料成型过程要复杂得多，要在特制的成型定型设备中进行，并严格控制成型工艺，因此难度很大，而且机理不明。至今，常用作泡沫塑料的塑料品种有:聚氨基甲酸酯、PS、PVC、PE、酚醛以及聚甲醛等几种。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术泡沫塑料都有以下共性：①质轻，比强度高，比同品种的塑料要轻几倍，甚至几十倍；②泡沫塑料的气孔具有防止空气对流的作用，故保温和隔热性好；③由于塑料内无数微小气孔的存在，故吸音性能强。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术分类:1、根据软硬程度不同软质泡沫塑料半硬质泡沫塑料硬质泡沫塑料以塑料的弹性模量为标准大于700MPa介于70～700MPa小于70MPa§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术分类:开孔泡沫塑料（孔与孔是相通的）闭孔泡沫塑料（泡孔是相互隔开的）2、按气孔的结构分：3、泡沫塑料按其密度又可分为：低发泡、中发泡、高发泡。•低发泡是指密度为0.4g／cm3以上，气体／固体＜1.5；•中发泡是指密度为0.1～0.4g／cm3，气体／固体=1.5～9；•高发泡则指密度为0.1g／cm3以下，气体／固体＞9。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.1塑料发泡方法及其特点采用不同的树脂和发泡方法，可制成性能各异的泡沫塑料。在工业生产中，泡沫塑料的发泡方法归纳起来有三种：物理发泡法、化学发泡法、机械发泡法。•物理发泡是借助于发泡剂在树脂中使物理状态改变，形成大量的气泡，使聚合物发泡，在整个发泡过程中，发泡剂本身没有发生任何化学变化。•物理发泡剂按照发泡成型的特性，一般可以分为三类：惰性气体、低沸点液体、固态空气球（一）物理发泡法§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.1塑料发泡方法及其特点（一）物理发泡法优点：操作过程中毒性较小；原料成本低；发泡剂无残余体。缺点：生产设备投资大。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.1塑料发泡方法及其特点（二）化学发泡法•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通过化学作用产生的，则这种制造泡沫塑料的方法称为化学发泡法。•按照发泡的原理不同，化学发泡法分为两类:化学发泡剂发泡（由加入的化学发泡剂受热时释放出气体）；发泡组分间相互作用析出气体发泡。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.1塑料发泡方法及其特点（三）机械发泡法机械发泡法是用强烈的机械搅拌将空气卷入树脂中，使其形成均匀的泡沫物；而后再经过物理或化学变化，使之稳定而成为泡沫塑料的方法；为了缩短时间，可同时通入空气和加入乳化剂或表面活化剂等。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（一）泡沫塑料成型过程一步法：根据配方将所有原料（树脂、发泡剂、水、泡沫稳定剂、催化剂等）混合在一起发泡而形成泡沫塑料的成型方法；优点：原料组分粘度小、输送与处理方便、反应放热集中、生产周期短、生产设备简单。缺点：逸出较多有毒异氰酸酯气体、生产过程难以控制。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（一）泡沫塑料成型过程二步法：分预聚法和半预聚法两种。•预聚法：先使聚醚或聚酯与过量异氰酸酯反应，生成含有NCO端基的聚氨酯预聚体，然后再将其与其他助剂混合并发泡。•半预聚法：使部分聚醚或聚酯与所有的异氰酸酯反应，生成含有NCO端基的预聚体与未反应的异氰酸酯的混合物，然后再加入剩下的聚醚和聚酯与其他助剂混合并发泡。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（一）泡沫塑料成型过程优点：反应过程易控制，异氰酸酯逸出程度小。缺点：设备复杂，生产周期长，预聚体粘度大。二步法：分预聚法和半预聚法两种。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（二）泡沫塑料成型原理泡沫塑料的成型过程，一般可以分为三个阶段：（1）泡沫的形成：气体栽溶液中过饱和逸出成核。加入成核剂有利于提高泡沫生成速度，提高泡孔细度。如PU发泡通入少量空气泡，PE发泡加入少量填料。（2）泡孔增长：增加溶解气体量和升高温度使气体膨胀，有利于促进泡沫生长。（3）泡孔的稳定：稳定有两个途径，一是加入表面活性剂降低界面张力，二是提高树脂黏度，如冷却和交联。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（二）泡沫塑料成型原理液体与气体相混能否成为泡沫物主要决定于液体的性质。当液体与气体形成泡沫时，液体表面机会有很大增加。衡量的尺度是液、气界面张力与增加表面的乘积。从热力学角度说，这种能量的增加势必造成该系统物的不稳定。增加能量越大，稳定性越小，越会受到该系统物为维持稳定而进行缩小表面的自发过程所控制。所以，作为形成泡沫物的首要条件就是液、气的界面张力必须具有较小的数值。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（二）泡沫塑料成型原理界面张力并不是形成泡沫物的足够条件，实验证明，形成泡沫物的另一条件是液体必须具有多相性，且界面处的液体组分比率应与液体主体部分有所不同。实践表明：在纯液体中加入表面活化剂不仅能够满足这种条件，而且还能使液、气界面张力降低，因此容易使液体成为泡沫物，并且能使泡沫大小均匀。表面活化剂的分子结构具有亲液和疏液两个部分，当它与液体和气体共存时，亲液部分向着液体，疏液部分向着气体，因此改善了液体和气体间的吸引力，从而降低了液体和气体间的表面张力。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（二）泡沫塑料成型原理（4）影响泡孔结构的因素泡沫物是热力学不稳定体，它的持续时间不会很长。但这种持续时间应大于泡沫物中树脂成为固体所需的时间，否则无法支撑泡沫塑料。泡沫物的持续时间很大程度上决定于其中液体的性质。由于液体是泡壁的构成物，壁的机械强度越大，泡沫越能持久。所有具有凝胶结构的液体泡沫物的持久性具有有利作用。其次，组成泡壁的液体受自重会向下流动，使泡壁薄化以至破裂，因此应加大液体黏度，增加泡沫物持续时间。在次，形成泡壁的液体不应有很大的挥发度，不然泡壁也会因液体不断的散失而破裂。因为液体黏度和挥发度都是温度的函数，所以还应控制温度。①泡沫的稳定§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（二）泡沫塑料成型原理（4）影响泡孔结构的因素②发泡剂的选择——a.物理发泡剂无臭气、无毒性、无腐蚀性；不可燃；不影响聚合物本身的物理和化学性能；具有对热和化学药品的稳定性；在室温下，蒸汽压力低，呈液态，以便贮存、输送和操作；低比热容和低潜能，以利于快速汽化；相对分子质量低，相对密度高；通过聚合物膜壁的扩散速度应比空气小；来源广，廉价。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（二）泡沫塑料成型原理（4）影响泡孔结构的因素②发泡剂的选择——b.化学发泡剂发气量大而迅速，分解放出气体的温度范围应稳定，能调节，但不宜太宽；发泡剂的放气速度应能用改变成型工艺条件进行控制调节；发泡剂分解放出的气体和留下的残余物应无毒、无味、无腐蚀性、无色，对聚合物及其它助剂无不良影响；发泡剂在塑料中有良好的分散性；发泡剂分解时的放热量不能太大；化学性能稳定，便于贮存和运输，在贮存过程中不会分解；价格便宜，来源广。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.2泡沫塑料成型过程及原理（二）泡沫塑料成型原理（4）影响泡孔结构的因素②发泡剂的选择——b.化学发泡剂主要特性：分解温度；分解速率；反应热；发泡剂分解的抑制与促进；发泡效率；发泡剂并用。③适宜的泡体冷却速度§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.3泡沫塑料成型设备和选用（一）机械发泡法设备机械发泡法是借助机械搅拌作用，往液态聚合物或复合材料中混入空气而发泡。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.3泡沫塑料成型设备和选用（二）物理发泡法设备（1）连续蒸汽预发泡机可发性珠粒自加料口送入，经螺旋进料器进入预发泡机桶。珠粒受来自鼓风机和进风口的热蒸汽烘吹，同时受到搅拌器的搅动而逐渐发泡上浮。达到预定发泡倍数后，自出料口送出机桶。物料在机桶内停留2～4min，发泡约20倍。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.3泡沫塑料成型设备和选用（二）物理发泡法设备（1）连续蒸汽预发泡机不足之处：为防止制品收缩或塌陷，预胀物在模塑前必须熟化，从而预发泡与模塑不能连续。更低密度制品需二次发泡或加压发泡得到，从而造成珠粒在发泡机内严重结块。珠粒大小不一，但停留时间一样，造成制品密度梯度很大。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.3泡沫塑料成型设备和选用（二）物理发泡法设备（2）真空预发泡机20世纪80年代，Sinclair-Kopper公司创立。制品的密度调节与控制简单易行。节省原料。缩短或去除熟化时间。缩短模塑时间。避免发泡机内结块。制品密度小且均匀。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.3泡沫塑料成型设备和选用（三）化学发泡法设备（1）加入化学发泡剂的化学发泡法设备压制法：闭孔型制品。挤出法：结皮泡沫棒材与板材。注塑法：高密度低发泡制品。压延法：泡沫人造革与泡沫壁纸。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.3泡沫塑料成型设备和选用（三）化学发泡法设备（2）聚氨酯化学发泡法设备高压混合系统低压混合系统§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.4典型泡沫塑料产品（一）合成木材在硬质PVC挤出工艺基础上，开发出了PVC低发泡基础技术；可制造材料密度轻、内部具有细微泡孔机构，表面类似于天然木材的“合成木材”。大截面：“塞露卡”可控膨胀挤出技术小截面：普通的自由发泡技术§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.4典型泡沫塑料产品（一）合成木材原料：树脂：最好选用乳液树脂。改性剂：基于丙烯酸盐或ABS、MBS改性剂，作用是改善泡壁的柔韧性以增加制品的冲击强度，增加熔体的弹性并使气泡结构改善。润滑剂：增加在螺杆中组分的胶化程度，并有助于表皮的形成。发泡体系：可控发泡技术采用无机体系；自由发泡技术采用有机体系。热稳定剂：锌、铅或镉，无机盐或有机锡化合物。填料与颜料：控制表面质量，降低成本，辅助成核。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.4典型泡沫塑料产品（一）合成木材工艺流程：PVC助剂高速混合挤出发泡成型冷却定型牵引切割成品熔体温度：160~190℃熔体压力：71.8kPa§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.4典型泡沫塑料产品（二）挤出聚烯烃片材非交联型：较好的吸震性能、耐化学性能和介电性能，吸水率和水蒸气透过率低，无毒、无臭，二次加工性能好。交联型：具有较好的压缩性能、热性能、耐化学药品性能及耐老化性能；较低的水蒸气通过率和吸水性。§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.4典型泡沫塑料产品（三）软质聚氨酯泡沫套垫一步法：块状发泡喷涂发泡模塑发泡沫状发泡§5.5泡沫塑料成型第5章热塑性塑料的主要成型加工技术5.5.4典型泡沫塑料产品（三）软质聚氨酯泡沫套垫发泡成型工艺影响因素：（1）物料混合原料的反