泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理課件

1、模塊八 泡沫塑料成型1233項目一 概述項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理項目三 泡沫塑料的成型工藝返回項目一 概述泡沫塑料是整體內(nèi)含有無數(shù)微孔的塑料，它是以塑料(樹脂)構(gòu)成連續(xù)相并以氣體作為分散相的兩相體系。采用不同的樹脂和發(fā)泡方法，可制得性能各異的泡沫塑料。泡沫塑料有多種分類方法。泡沫塑料按其密度可分為:低發(fā)泡、中發(fā)泡和高發(fā)泡的泡沫塑料。泡沫塑料按其結(jié)構(gòu)不同又可分為開孔型泡沫塑料和閉孔型泡沫塑料。泡沫塑料內(nèi)各個氣孔是相互連通的稱為開孔型泡沫塑料，如果泡沫是互相分隔的，則稱為閉孔型泡沫塑料。泡沫塑料按其硬度不同又可分為軟質(zhì)泡沫塑料、半硬質(zhì)泡沫塑料和硬質(zhì)泡沫塑料。此外，還有結(jié)構(gòu)泡沫塑料和組合性泡

2、沫塑料之稱，前者具有不發(fā)泡或少發(fā)泡的皮層和發(fā)泡的芯層，后者則是把微小的中空玻璃、陶瓷微球加入已含固化劑的樹脂中，然后固化成型制得。返回項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理泡沫塑料的品種很多，常用的發(fā)泡方法有物理發(fā)泡法、化學(xué)發(fā)泡法和機械發(fā)泡法等。單元一物理發(fā)泡法物理發(fā)泡法是指利用物理原理發(fā)泡的方法。其包括以下三種。(1)惰性氣體發(fā)泡法。利用氮氣、二氧化碳等無色、無臭、化學(xué)活性較弱，很難與其他元素化合的惰性氣體，在較高壓力下，使其溶于熔融狀態(tài)聚合物或糊狀復(fù)合物中，而后在減壓下使溶解氣體釋放出而發(fā)泡。目前聚氯乙烯和聚乙烯泡沫塑料等有用這種方法生產(chǎn)的。優(yōu)點是氣體在發(fā)泡后不會留下殘渣，不影響泡沫塑料的性能和

3、使用。缺點是需要高的壓力和比較復(fù)雜的高壓設(shè)備。下一頁返回項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理(2)低沸點的液體發(fā)泡法。利用低沸點液體蒸發(fā)汽化而發(fā)泡。把低沸點液體壓入聚合物中或在一定的壓力、溫度下，使液體溶入聚合物顆粒中，然后將聚合物加熱軟化，液體也隨之蒸發(fā)汽化而發(fā)泡，此法又稱為可發(fā)性珠粒法。低沸點液體在高壓下，壓入熔態(tài)聚合物中，或摻入聚合物顆粒中，而后再減壓或加熱，使其在聚合物中汽化和發(fā)泡。(3)溶出發(fā)泡法。先將細(xì)小顆粒的物質(zhì)(如食鹽和淀粉等)混入聚合物中，而后用溶劑或伴以化學(xué)的方法使其溶出而成為泡沫物。(如混在PVC中的淀粉，可先用水浸泡使其溶脹，而后再用熱的稀硫酸處理，使其水解為糖，溶出成為P

4、V C發(fā)泡物)。上一頁下一頁返回項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理(4)交聯(lián)發(fā)泡法(組合泡沫塑料)。先將微型(直徑為20250m，壁厚為23 m)的空心玻璃球、陶瓷球、空心塑料(如酚醛樹脂)微球埋入熔融的聚合物或液態(tài)的熱固性塑料中，而后通過冷卻或交聯(lián)作用固化成為泡沫體。 (5)燒結(jié)發(fā)泡法。將疏松的粉狀熱塑性塑料燒結(jié)在一起，使其分解放出氣體成為泡狀物。物理發(fā)泡法的優(yōu)點是操作中毒性小;發(fā)泡劑的原料成本低;沒有發(fā)泡劑留下的殘渣，因而對泡沫塑料性能無嚴(yán)重影響。缺點是某些過程所用設(shè)備投資較大。工業(yè)上常用的是惰性氣體發(fā)泡法和低沸點的液體發(fā)泡法。上一頁下一頁返回項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理單元二化學(xué)發(fā)泡法

5、發(fā)泡氣體是由混合原料中的某些組分在成型過程中發(fā)生的化學(xué)作用而產(chǎn)生的。包括以下兩種。(1)發(fā)泡氣體是由加入的熱分解型發(fā)泡劑受熱分解而產(chǎn)生的，這種發(fā)泡劑稱為化學(xué)發(fā)泡劑。常見的有碳酸氫鈉、碳酸鉸、偶氮二甲酞胺(俗稱AC發(fā)泡劑)、偶氮二異丁腈和N,N一二甲基N,N一二亞硝基對苯二甲酞胺等。這種方法的特點是:所用設(shè)備通常都不很特殊和復(fù)雜，且適用于大部分熱塑性塑料的發(fā)泡，因此應(yīng)用廣泛。理想的分解型發(fā)泡劑應(yīng)具有以下性能:發(fā)泡劑分解溫度范圍應(yīng)比較狹窄、穩(wěn)定;上一頁下一頁返回項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理釋放氣體的速率必須能控制并且應(yīng)合理地快速;放出的氣體應(yīng)無毒、無腐蝕性和具有難燃性;發(fā)泡劑分解時不應(yīng)大量放熱

6、;發(fā)泡劑在樹脂中具有良好的分散性;價廉，在運輸和儲藏中穩(wěn)定;發(fā)泡劑及其分解殘余物應(yīng)無色、對發(fā)泡聚合物的物理和化學(xué)性能無影響;發(fā)泡劑分解時的發(fā)氣量應(yīng)較大。目前工業(yè)上常用的發(fā)泡劑:無機發(fā)泡劑常用的有堿金屬的碳酸鹽和碳酸氫鹽，如碳酸鉸和碳酸氫鈉等。上一頁下一頁返回項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理(2)發(fā)泡組分間相互作用產(chǎn)生氣體的化學(xué)發(fā)泡法。此法是利用發(fā)泡體系中的兩個或多個組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成惰性氣體(如二氧化碳或氮氣)而使聚合物膨脹發(fā)泡。發(fā)泡過程中為控制聚合反應(yīng)和發(fā)泡反應(yīng)平衡進(jìn)行，保證制品有較好的質(zhì)量，尚需加入少量催化劑和泡沫穩(wěn)定劑(或稱表面活性劑)。工業(yè)上用這種方法生產(chǎn)的主要有聚氨基甲酸酯泡

7、沫塑料，它是由異氰酸酯與聚酯或聚醚反應(yīng)所析出的二氧化碳，還有用苯酚與甲醛縮聚反應(yīng)所生成的水泡來制造酚醛泡沫塑料的。單元三機械發(fā)泡法此法是采用強烈地機械攪拌使空氣卷入樹脂乳液、懸浮液或溶液中成為均勻的泡沫體，然后再經(jīng)過物理或化學(xué)變化使之膠凝，固化成為泡沫塑料。上一頁下一頁返回項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理為縮短時間可通入空氣和加入乳化劑或表面活性劑。常用該法生產(chǎn)的有聚甲醛、聚乙烯醇縮甲醛、聚酯酸乙烯、聚氯乙烯溶膠等泡沫塑料。單元四泡沫塑料的發(fā)泡原理泡沫塑料的形成是把氣體溶解在液態(tài)聚合物中形成飽和溶液，然后通過成核作用生成泡沫。發(fā)泡劑可預(yù)先溶解在液態(tài)聚合物中，當(dāng)溫度升高、壓力降低時，就會放出氣體

8、，形成泡沫。其泡沫的形成大體上分三個階段:泡沫的形成、泡沫的增長、泡沫的穩(wěn)定。1.泡沫的形成上一頁下一頁返回項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理當(dāng)氣體在溶液中達(dá)飽和限度而形成過飽和溶液時，氣體又從溶液中逸出形成氣泡，形成氣泡的過程就是成核作用的過程。這時，除聚合物液相外，產(chǎn)生了新相氣相，分散在聚合物中，成為泡沫。2.泡沫的增長氣泡形成之后，由于氣泡內(nèi)氣體壓力與半徑成反比，氣泡越小，內(nèi)部的壓力越大。當(dāng)兩個大小不同的氣泡接近時，由于氣體從小氣泡擴散到大氣泡，造成氣泡合并，通過成核劑的作用增加了氣泡的數(shù)量，加上氣泡的膨脹擴大了泡孔的直徑，從而泡沫得到增長。促使氣泡增長的因素:溶解氣體的增加;溫度的升高;

9、氣體的膨脹;氣泡的合并。上一頁下一頁返回項目二 泡沫塑料的發(fā)泡方法及原理阻礙氣泡增長的因素:表面張力和塑料的黏度。3.泡沫的穩(wěn)定泡沫物是熱力學(xué)不穩(wěn)定體，它不會持續(xù)很長時間，所以必須保證泡沫穩(wěn)定。穩(wěn)定泡沫的方法:利用表面活性劑，以降低其表面張力，有利于形成細(xì)泡，減少氣體的擴散作用，使泡孔穩(wěn)定;提高塑料熔體的黏度，防止泡壁進(jìn)一步變薄來穩(wěn)定泡沫。在發(fā)泡過程中，通過對物料的冷卻或塑料的交聯(lián)作用，都能提高塑料的熔體黏度。上一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝單元一聚苯乙烯泡沫塑料聚苯乙烯泡沫塑料具有吸水性小，隔聲、保濕、介電性優(yōu)良等特點。聚苯乙烯泡沫塑料的成型方法很多，主要有模壓法、可發(fā)性珠粒法和擠出發(fā)泡

10、法。模壓法是采用乳液法聚苯乙烯和熱分解型發(fā)泡劑制得，是早期使用的方法，現(xiàn)在用得很少。目前大多使用的是可發(fā)性珠粒法和擠出發(fā)泡法。聚苯乙烯泡沫塑料常用物理發(fā)泡法進(jìn)行發(fā)泡。有兩種生產(chǎn)方法:一是懸浮聚合的聚苯乙烯顆粒中滲入低沸點的液體，使其成為可發(fā)性珠粒，然后經(jīng)過預(yù)發(fā)泡、熟化和發(fā)泡成型而制成制品;下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝二是將高分子量的乳液法聚合的粉狀聚苯乙烯樹脂、發(fā)泡劑及其他添加劑的混合物，通過擠出機擠出發(fā)泡，再經(jīng)冷卻定型而成泡沫制品。(一)可發(fā)性珠粒法1.可發(fā)性聚苯乙烯珠粒的制造采用的液體發(fā)泡劑大多是脂肪烴類化合物，如丁烷、正戊烷、異丁烷、石油醚等。其珠粒的制造方法有一步法、一步半法和

11、兩步法。 (1)一步法:其是指發(fā)泡劑在聚合時加入的方法。(2)一步半法:其是指發(fā)泡劑在反應(yīng)中期加入的方法。這種方法減少了發(fā)泡劑的阻聚作用，分子量有所提高。上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝(3)兩步法:其是指聚合反應(yīng)形成PS珠粒后，在加溫加壓下，將低沸點的液體滲入到PS中，使其溶脹，經(jīng)冷卻后留在珠粒中的方法。操作工序較多，發(fā)泡劑滲透時間較長，顆粒度已經(jīng)過篩選，不合格的已事先剔除，有助于提高泡沫制品的質(zhì)量，塑料加工廠常用。2.預(yù)發(fā)泡(1)預(yù)發(fā)泡的作用:憑加熱使可發(fā)性珠粒膨脹到一定程度，這樣可以使模塑制品密度更低，并且減小密度梯度，使發(fā)泡制品均勻。(2)預(yù)發(fā)泡方法:水蒸氣、熱水、熱空氣和紅

12、外線。其中以水蒸氣常用。預(yù)發(fā)泡過程中嚴(yán)格控制加熱溫度和時間，使可發(fā)性珠粒軟化呈高彈態(tài)，但不要熔化，使珠粒有足夠的強度以與內(nèi)部總壓力平衡，避免預(yù)發(fā)泡粒子破裂。上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝3.熟化 (1)熟化的目的:預(yù)發(fā)泡后在空氣中暴露一段時間使空氣逐步滲入泡孔，令泡孔內(nèi)外壓力達(dá)到平衡，使冷凝的發(fā)泡劑再滲透到粒子中去。(2)熟化原理:因為預(yù)發(fā)泡后，氣泡中的氣體因冷卻而凝結(jié)，此時凝結(jié)成液體的發(fā)泡劑又重新溶入聚苯乙烯中，一部分還會向外滲出，當(dāng)氣體初凝結(jié)的一段時間內(nèi)，氣泡的壓力會有較大的下降，以致出現(xiàn)真空，因此預(yù)發(fā)泡顆粒很脆弱。隨著成熟時間的遞延，外界空氣逐漸滲入氣泡，預(yù)發(fā)泡顆粒就變成具有

13、彈性而又不能用手輕易捏碎的物體。(3)熟化方法:將預(yù)發(fā)泡顆粒放入大型料斗中進(jìn)行?？諝鈴牧隙返撞烤従徦瓦M(jìn)，由頂部排出。上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝熟化時最好使空氣很快地滲入預(yù)發(fā)泡珠粒中，而不使發(fā)泡劑太多滲出，否則預(yù)發(fā)物在模塑時的膨脹就差。4.模塑成型(1)過程:常用的模塑方法是蒸汽箱模塑法。熟化珠粒入模，送入液壓機蒸氣室，加熱發(fā)泡劑氣化膨脹、塑料軟化、進(jìn)一步膨脹。(2)工藝控制。溫度:溫度盡快達(dá)到110135，蒸汽壓偏高達(dá)0. 2940.329 MPa。時間:蒸汽的加熱時間依制品的厚度而定，一般5 60S。冷卻:若制品密度大于0.025 g/cm3，可用洗淋的方法;若制品密度小于0

14、. 025到cm，因為容易碎裂和收縮，最好用空氣冷卻。上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝5.擠出成型(1)發(fā)泡過程:硼酸和碳酸氫鈉起成核劑的作用，它們在擠出機料筒中受熱分解出不溶于聚苯乙烯的氣體，均勻地混合在熔融的樹脂中，混合物一出口模，就處于常壓下，由成核劑形成的氣體由于解除了壓力，而立即氣化膨脹，形成互不連通的泡孔核，熔融在樹脂中的發(fā)泡劑就進(jìn)入泡孔核內(nèi)，使泡孔連續(xù)膨脹，生成密度降低的泡沫制品。(2)發(fā)泡方法和設(shè)備:擠出時易用吹塑法制成筒狀發(fā)泡膜，再在生成線上用刀剖開成片狀，因為直接擠出成泡沫片材會在制品上出現(xiàn)膨脹而形成波紋。上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝有機過氧化物的反

15、應(yīng)是從分解開始的，當(dāng)交聯(lián)劑分解到其濃度一半時所需的時間，稱為半衰期。而交聯(lián)時間取預(yù)定交聯(lián)溫度下半衰期的1012倍的時間。在發(fā)泡成型過程中，要防止交聯(lián)劑過早達(dá)到分解溫度，選擇過氧化物的穩(wěn)定性要適合交聯(lián)起始要求和加工的要求。2.聚乙烯泡沫塑料的成型聚乙烯泡沫塑料的成型一般用模壓法，模壓法可分為一步法和二步法。1)一步法混合在室溫下進(jìn)行?；鞜挏囟仍跇渲娜埸c以上，交聯(lián)劑和發(fā)泡劑的分解溫度以下(110120 )。上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝(3)工藝控制:擠出溫度應(yīng)比擠出聚苯乙烯一般制品時低，不超過120。吹脹比約為6，并配合較快的牽引速度，以便擠出物在張力作用下，大分子沿牽伸方向定向，

16、物料機械性能提高。擠出物應(yīng)在離開口模時立即發(fā)泡，并使泡孔能均勻地雙向膨脹。(二)PS一步法擠出發(fā)泡板材將PS樹脂和泡孔成核劑(滑石粉)、穩(wěn)定劑等，在長徑比較大的(L/D =(26 32) :1，也有高達(dá)50:1)，壓縮比較小(L/D= (1.13) :1)的擠出機內(nèi)塑化，在熔融段末端壓入發(fā)泡劑(常用發(fā)泡劑有脂肪烴類、二氯甲烷等)，在均化段熔體和發(fā)泡劑混合(或在另一擠出機內(nèi)均化混合)，再一起通過機頭口模擠出，出模后減壓發(fā)泡，再冷卻，得到具有一定厚度的結(jié)皮發(fā)泡制品。上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝制品密度可達(dá)0. 03 0. 08 g/cm3，也可以采用兩臺擠出機聯(lián)合擠出。生產(chǎn)時擠出溫度

17、應(yīng)嚴(yán)格控制，出模前保證熔體的黏度，使泡沫均勻。所以均化段的溫度要低于熔融段。單元二聚乙烯泡沫塑料聚乙烯泡沫塑料具有密度低、耐低溫及抗化學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點，并具有一定的力學(xué)強度，可用作日用品、精密儀器的包裝材料，保溫材料和水上漂浮材料等。1.交聯(lián)聚乙烯泡沫塑料成型原理聚乙烯是結(jié)晶聚合物，在結(jié)晶熔融溫度以下幾乎不流動，而在熔融溫度以上其熔融黏度急劇下降，發(fā)泡過程中產(chǎn)生的氣體很難包住。上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝此外，聚乙烯從熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)要放出大量的結(jié)晶熱，而熔融聚乙烯的比熱較大，因此從熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)變到固體狀態(tài)的時間比較長，加上聚乙烯的透氣率較高，這樣既使得發(fā)泡氣體易于逃逸，又適宜發(fā)

18、泡的溫度范圍較窄，因此聚乙烯泡沫塑料的研制工作較晚。除擠出發(fā)泡制得無交聯(lián)的高倍率發(fā)泡材料外，欲制得更高發(fā)泡倍率的泡沫塑料，必須在聚乙烯分子間進(jìn)行交聯(lián)，將熔融物料的黏性和彈性調(diào)節(jié)在一定范圍內(nèi)，使得物理力學(xué)性能顯著提高。為了改善聚烯烴類塑料的發(fā)泡缺陷，常采用樹脂分子間交聯(lián)的方法調(diào)節(jié)熔融物的黏彈性，使之達(dá)到發(fā)泡所需的條件，并提高泡沫塑料的物理機械性能。上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝混煉好后，按模具大小出片，厚度1 mm左右，按質(zhì)量稱量、裁切后，放入模壓模具，加熱(160左右)、加壓(7. 1210.78 MPa) 68 min，交聯(lián)劑交聯(lián)，后發(fā)泡劑分解，待發(fā)泡劑完全分解后，解除壓機的壓力

19、開模，使熱的物料膨脹彈出，在23s內(nèi)完成發(fā)泡。在發(fā)泡過程中特別要注意物料的黏彈性，如果黏彈性太低，如遇微小的機械阻力，就會導(dǎo)致泡沫塑料的龜裂，在生產(chǎn)中，有用開模前適當(dāng)降低物料的溫度，使其黏彈性提高，再開模的辦法。所以一步法所得泡沫塑料的發(fā)泡倍率不高，一般在315倍;而兩步法可得發(fā)泡倍率為30倍的PE泡沫塑料。2)兩步法上一頁下一頁返回項目三 泡沫塑料的成型工藝兩步法的成型工藝:首先將塑煉好的片材在壓機上模壓，溫度為150，時間根據(jù)片材的厚度常為30 min左右，去壓，開模，完成第一步發(fā)泡，密度為0. 098 g/cm3，此時70%的發(fā)泡劑沒有分解，然后趁熱置于165的油浴中加熱20 min，這一步材料的密度進(jìn)一步降低，但是尚有7%發(fā)泡劑沒有分解，從油浴中取出，室溫下冷卻，余下的發(fā)泡劑繼續(xù)分解10 min后，發(fā)泡完畢。所制得的制品泡孔細(xì)小