發(fā)泡成型原理概論

1、發(fā)泡塑料注塑成型原理概論發(fā)泡塑料是以熱塑性或熱固性樹脂為基體，其內(nèi)部具有無數(shù)微小氣孔的塑料。發(fā)泡是塑料加工的重要方法之一，塑料發(fā)泡得到的泡沫塑料含有氣固兩項(xiàng)-氣體和固體。氣體以泡孔的形式存在于泡沫體中，泡孔與泡孔互相隔絕的稱為閉孔，連通的稱為開孔，從而有閉孔泡沫塑料和開孔泡沫塑料之分。泡沫結(jié)構(gòu)的開孔或閉孔是由原材料性能及其加工工藝所決定的。塑料發(fā)泡的技術(shù)淵源久遠(yuǎn)。最早是20年代初期的泡沫膠木，用類似制造泡沫橡膠的方法制?。?0年代出現(xiàn)硬質(zhì)聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫；40年代有聚乙烯、聚氯乙烯、環(huán)氧樹脂、酚醛泡沫；50年代則有可發(fā)性聚苯乙烯泡沫和軟質(zhì)聚氨酯泡沫?，F(xiàn)在，基本上所有的塑料，包括熱塑性和

2、熱固性的都可以發(fā)泡為泡沫塑料。工業(yè)上的制備方法有：擠出發(fā)泡、注塑發(fā)泡、模塑發(fā)泡、壓延發(fā)泡、粉末發(fā)泡和噴涂發(fā)泡等等。其中，注塑發(fā)泡是最重要的成型方法之一，在這里重點(diǎn)講述注塑成型發(fā)泡。發(fā)泡成型原理塑料的發(fā)泡方法根據(jù)所用發(fā)泡劑的不同可以分為物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法兩大類。在這里首先簡單介紹一下發(fā)泡劑。發(fā)泡劑發(fā)泡劑可簡單粗分為物理發(fā)泡劑與化學(xué)發(fā)泡劑兩類。對(duì)物理發(fā)泡劑的要求是：無毒、無臭、無腐蝕作用、不燃燒、熱穩(wěn)定性好、氣態(tài)下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、氣態(tài)時(shí)在塑料熔體中的擴(kuò)散速度低于在空氣中的擴(kuò)散速度。常用的物理發(fā)泡劑有空氣、氮?dú)狻⒍趸?、碳?xì)浠衔铩⒎旱?；化學(xué)發(fā)泡劑是一種受熱能釋放出氣體諸如氮?dú)狻⒍趸嫉?/p>

3、的物質(zhì)，對(duì)化學(xué)發(fā)泡劑的要求是：其分解釋放出的氣體應(yīng)為無毒、無腐蝕性、不燃燒、對(duì)制品的成型及物理、化學(xué)性能無影響，釋放氣體的速度應(yīng)能控制，發(fā)泡劑在塑料中應(yīng)具有良好的分散性。應(yīng)用比較廣泛的有無機(jī)發(fā)泡劑如碳酸氫鈉和碳酸銨，有機(jī)發(fā)泡劑如偶氮甲酰胺和偶氮二異丁腈。物理發(fā)泡法簡單地講，就是利用物理的方法來使塑料發(fā)泡，一般有三種方法：（1）先將惰性氣體在壓力下溶于塑料熔體或糊狀物中，再經(jīng)過減壓釋放出氣體，從而在塑料中形成氣孔而發(fā)泡；（2）通過對(duì)溶入聚合物熔體中的低沸點(diǎn)液體進(jìn)行蒸發(fā)使之汽化而發(fā)泡；（3）在塑料中添加空心球而形成發(fā)泡體而發(fā)泡等。物理發(fā)泡法所用的物理發(fā)泡劑成本相對(duì)較低，尤其是二氧化碳和氮?dú)獾某杀镜?/p>

4、，又能阻燃、無污染，因此應(yīng)用價(jià)值較高；而且物理發(fā)泡劑發(fā)泡后無殘余物，對(duì)發(fā)泡塑料性能的影響不大。但是它需要專用的注塑機(jī)以及輔助設(shè)備，技術(shù)難度很大。化學(xué)發(fā)泡法化學(xué)發(fā)泡法是利用化學(xué)方法產(chǎn)生氣體來使塑料發(fā)泡：對(duì)加入塑料中的化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行加熱使之分解釋放出氣體而發(fā)泡；另外也可以利用各塑料組分之間相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出的氣體而發(fā)泡。采用化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡塑料注塑的工藝基本上與一般的注塑工藝相同。塑料的加熱升溫、混合、塑化及大部分的發(fā)泡膨脹都是在注塑機(jī)中完成的?？傊?，不論選取哪一種塑料原料，也不論采用哪一種發(fā)泡方法，其發(fā)泡過程一般都要經(jīng)過形成氣泡核，氣泡核膨脹，泡體固化定型等階段。結(jié)構(gòu)發(fā)泡成型結(jié)構(gòu)發(fā)泡法（S

5、tructralFoamMolding）屬于化學(xué)發(fā)泡法，它是注射成型工藝技術(shù)中的一項(xiàng)革命。它保留了傳統(tǒng)注射成型工藝的許多優(yōu)點(diǎn)，又避免了傳統(tǒng)注塑工藝中遇到的一些問題，如制品強(qiáng)度不夠、生產(chǎn)周期太長、模塑率低等。另外，采用結(jié)構(gòu)發(fā)泡技術(shù)還可模塑大型復(fù)雜制品、使用低成本模具、多模腔可同時(shí)操作，從而降低制品生產(chǎn)成本。結(jié)構(gòu)發(fā)泡制品是一種具有致密表層的連體發(fā)泡材料，其單位重量強(qiáng)度和剛度比同種未發(fā)泡的材料高34倍。結(jié)構(gòu)發(fā)泡法最大的特點(diǎn)是可以不用增加設(shè)備，用普通的注塑機(jī)便可以注塑生產(chǎn)，不過采用模腔擴(kuò)大法發(fā)泡的高壓結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑機(jī)與普通注塑機(jī)相比，增加了二次合模保壓裝置。目前，震德公司已成功開發(fā)出CJ1000M3機(jī)用

6、于結(jié)構(gòu)發(fā)泡成型，并已服務(wù)于客戶，得到了客戶的好評(píng)。近年來，結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑成型技術(shù)得到了很廣泛的發(fā)展，成型方法也很多，但歸納起來可以分為三種：低壓發(fā)泡法；高壓發(fā)泡法（注：此處的低壓和高壓指模具模腔內(nèi)的壓力）；雙組分發(fā)泡法。低壓發(fā)泡法低壓發(fā)泡法注塑與普通注塑的區(qū)別在于其模具的模腔壓力較低，約27Mpa，而普通注塑在3060Mpa之間。低壓發(fā)泡注塑一般采用欠注法，即將一定量（不注滿模腔）的塑料熔體（含有發(fā)泡劑）注入模腔，發(fā)泡劑分解出來的氣體使塑料膨脹而充滿模腔。在普通注塑機(jī)上進(jìn)行低壓發(fā)泡注塑，一般是將化學(xué)發(fā)泡劑與塑料混合，在機(jī)筒內(nèi)塑化，必須采用自鎖式射嘴。注射時(shí)，由于氣體的擴(kuò)散速度很快，會(huì)造成制品的表

7、面粗糙，因此注塑機(jī)的注射速度要足夠快。一般采用增壓器來提高注射速度和注射量，使注射動(dòng)作在瞬間完成。高壓發(fā)泡法高壓發(fā)泡法的注塑模腔壓力在715Mpa之間，采用滿注方式，即一次注射量正好等于模具模腔的容積。為了使制件得到發(fā)泡膨脹，可以采用強(qiáng)制擴(kuò)大模腔，或者使一部分塑料分流出模腔。一般較多采用模腔擴(kuò)大法。采用擴(kuò)大模腔法的注塑機(jī)與普通注塑機(jī)相比，增加了二次合模保壓裝置，當(dāng)塑料和發(fā)泡劑的熔融混合物被注入到模腔后延時(shí)一段時(shí)間，然后合模機(jī)構(gòu)的動(dòng)模板向后移動(dòng)一小段距離，使模具的動(dòng)模和定模稍為分開，模腔擴(kuò)大，模腔內(nèi)的塑料開始發(fā)泡膨脹。制品冷卻后在其表面形成致密的表皮，由于塑料熔體的發(fā)泡膨脹受到動(dòng)模板的控制，因此

8、，也就可以對(duì)制品的致密表層的厚度進(jìn)行控制。動(dòng)模板的移動(dòng)可以是整體移動(dòng)，也可以是部分移動(dòng)使局部發(fā)泡，從而得到不同密度的制品。高壓發(fā)泡法對(duì)模具的制造精度要求高，模具費(fèi)用高，并且對(duì)注塑機(jī)有二次鎖模保壓要求。雙組分發(fā)泡法雙組分發(fā)泡注塑是一種特殊的高壓結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑方法，它采用專門的雙組分注塑機(jī)。這種注塑機(jī)有兩套注塑裝置：一套用來注塑制品的芯部，一套用來注塑制品的表層。在注塑時(shí)，先注入皮層物料，然后通過同一澆口再注入混有發(fā)泡劑的芯部材料。由于芯部材料呈層流狀態(tài)流動(dòng)，這就保證了芯部材料均勻地包覆在皮層內(nèi)部，使型腔得到完全填充。當(dāng)熔料填滿型腔后，再注入少量不含有發(fā)泡劑的熔料，使?jié)部诜忾]。制品取出后，再去掉澆口

9、即得到具有不發(fā)泡致密表層和有芯部發(fā)泡的輕質(zhì)制品。微孔發(fā)泡成型微孔發(fā)泡成型屬于物理發(fā)泡法。常規(guī)泡沫塑料的泡孔直徑一般大于50mm，泡孔的密度（單位體積內(nèi)泡孔的數(shù)量）小于106個(gè)/cm3。這些大尺寸的泡孔受力時(shí)常常成為初始裂紋的發(fā)源地，降低了材料的機(jī)械性能。為了滿足工業(yè)上要求降低某些塑料產(chǎn)品的成本而不降低其機(jī)械性能的要求，20世紀(jì)80年代初期，美國麻省理工大學(xué)（MIT）的學(xué)者J.E.MartiniJ.Colton以及N.P.Suh等以C02、N2等惰性氣體作為發(fā)泡劑研制出泡孔直徑為微米級(jí)的泡沫塑料，并將泡孔直徑為1mm10mm，泡孔密度為1091012個(gè)/cm3的泡沫塑料定義為微孔塑料（Micro

10、celluarPlastics）。注射成型是微孔塑料制品的主要成型方法之一。塑料原料加入注塑機(jī)的料筒后，在螺桿剪切力及加熱圈外加熱作用下塑化，發(fā)泡劑直接注入注射螺桿熔融段末與熔體均勻混合，然后高壓高速注入模腔。在模腔內(nèi)突然降壓，使熔體中大量的過飽和氣體離析出來，發(fā)泡、膨脹、成型、定型形成微孔塑料制品。另外，也可以采用改變溫度的方法形成泡核，與改變壓力法相比，比較容易控制，但對(duì)于氣體溶解度對(duì)溫度不敏感的塑料不適用。開發(fā)微孔塑料注塑技術(shù)難度比較大，因?yàn)楹统Ｒ?guī)泡沫塑料相比，泡孔的尺寸要小得多，要想得到良好的微孔塑料制品，必須要保證對(duì)進(jìn)入機(jī)筒熔體中的超臨界流體精確計(jì)量，要求塑料熔體必須充分混合、均化、

11、分散，形成均相混合體，保證熔體中的成核點(diǎn)必須多于109個(gè)/cm3、及時(shí)控制成核氣泡的膨脹等等。這對(duì)設(shè)備本身及注塑工藝參數(shù)的要求都非常之高。采用該技術(shù)的特點(diǎn)是：制品重量約減少50；注射壓力約降低3050；鎖模力降低20；循環(huán)周期減少1015；采用一套帶計(jì)量控制裝置的氣體輸入設(shè)備。據(jù)報(bào)道，國外一些注塑機(jī)生產(chǎn)商已成功開發(fā)出微孔塑料注塑機(jī)，比如美國Trexel公司、德國Arburg公司、奧地利Engel公司等。目前還有Milacron、Husky、Battenfeld等公司正在加緊發(fā)展自己的微孔塑料注射成型設(shè)備。國內(nèi)華南理工大學(xué)從1995年開始研究微孔塑料，在理論上取得了一定進(jìn)展，并已在實(shí)驗(yàn)室制備出多

12、種型號(hào)的微孔塑料。隨后，其它高校也相繼進(jìn)行了微孔塑料的研究。但離微孔塑料的產(chǎn)業(yè)還有一段距離，目前國內(nèi)還未有微孔塑料注射成型設(shè)備的產(chǎn)品。結(jié)語：發(fā)泡塑料由于有氣泡的存在，因此具有質(zhì)輕、省料、能吸收沖擊載荷、隔熱和隔音的性能、比強(qiáng)度高等特性，特別是可以節(jié)省材料、減小能耗、降低成本方面，使得可以大力推廣應(yīng)用。微孔發(fā)泡塑料除了具有上述一般泡沫塑料的優(yōu)點(diǎn)外，還有更加優(yōu)良的力學(xué)性能。因此，泡沫塑料的應(yīng)用范圍十分廣泛，特別是在制作汽車、飛機(jī)和各種運(yùn)輸器材等領(lǐng)域有特殊的應(yīng)用價(jià)值?？梢灶A(yù)計(jì)，發(fā)泡注塑尤其是微孔發(fā)泡注塑將是塑料加工機(jī)械及制品加工的一個(gè)熱點(diǎn)。泡沫塑料有三種發(fā)泡方式：物理發(fā)泡將惰性氣體在加壓下使其溶于聚

13、合物熔體或糊狀復(fù)合物中，經(jīng)減壓釋放高壓氣體而發(fā)泡；利用低沸點(diǎn)液體蒸發(fā)而發(fā)泡；利用液體介質(zhì)吸附溶解塑料中事先添加的固體物質(zhì)而發(fā)泡；在塑料中加入中空微球后經(jīng)固化而形成泡沫材料；機(jī)械發(fā)泡利用機(jī)械的攪拌作用，混入空氣而發(fā)泡；化學(xué)發(fā)泡利用化學(xué)發(fā)泡劑加熱后分解放出的氣體而發(fā)泡利用原料組份間的化學(xué)反應(yīng)所放出的氣體而發(fā)泡泡沫材料的分類：按照軟硬程度軟質(zhì)、半硬質(zhì)和硬質(zhì)泡沫塑料。在相對(duì)濕度為23%和50%時(shí)，彈性模量大于700MPa的為硬質(zhì)泡沫，介于70-700MPa的為半硬質(zhì)泡沫，低于70MPa的軟質(zhì)泡沫；按照密度大小低發(fā)泡、中發(fā)泡和高發(fā)泡塑料。低發(fā)泡是指密度為0.4g/cm3,氣體/固體1.5的泡沫；中發(fā)泡是

14、指密度為0.1-0.4g/cm3,氣體/固體=1.5-9的泡沫；中發(fā)泡是指密度為0.1g/cm3,氣體/固體9的泡沫；物理發(fā)泡法特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是毒性小、發(fā)泡原料成本低、發(fā)泡劑無殘留；缺點(diǎn)是設(shè)備投資較大實(shí)例（聚苯乙烯泡沫塑料）方法1.將高相對(duì)分子量的聚苯乙烯在擠出機(jī)內(nèi)熔融塑化，在高壓下把發(fā)泡劑（二氯甲烷和氯甲烷）注入塑化段，從口模中把混合物擠出，經(jīng)過氣體膨脹、緩冷和切割等處理聚苯乙烯片材；其缺點(diǎn)是泡孔尺寸不容易控制。方法2.將高相對(duì)分子量的聚苯乙烯與發(fā)泡液體預(yù)制成易于流動(dòng)的球狀半透明可發(fā)性的聚苯乙烯球粒，然后通過蒸汽箱模塑法、擠出法或注射法來生產(chǎn)泡沫制品；機(jī)械發(fā)泡法成型特點(diǎn)和材料強(qiáng)烈的機(jī)械力使氣體卷入

15、樹脂乳液、懸浮液并成為均勻的泡沫物，隨后經(jīng)過物理或化學(xué)的變化使之穩(wěn)定而成為泡沫材料；脲甲醛、聚乙烯縮甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙稀等。發(fā)泡的工藝過程脲/甲醛水液（30%）/甘油=100/300/20，以配制脲甲醛溶液二丁基奈磺酸鈉/磷酸/間苯二酚/水=100/300/20，以配制發(fā)泡液在鼓泡設(shè)備中，發(fā)泡液和樹脂經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄嚢杌旌虾螅瑑A倒至木制或金屬敞口模具中傾倒至木制或金屬敞口模具中的物料要經(jīng)過在室溫下瀝去水份、不同的熱處理下經(jīng)過泡沫的化學(xué)反應(yīng)（交聯(lián)）及其物理作用（水份的干燥）過程來實(shí)現(xiàn)泡沫的硬化。化學(xué)發(fā)泡法化學(xué)發(fā)泡劑的要求和特點(diǎn)理想的發(fā)泡劑分解穩(wěn)定、速率更容易控制、氣體無毒性、無腐蝕性、在樹脂中

16、良好的分散性等（見表94）；發(fā)泡劑主要有有機(jī)發(fā)泡劑和無機(jī)發(fā)泡劑。有機(jī)發(fā)泡劑包括含有偶氮基、亞硝基、疊氮基等官能團(tuán)的偶氮甲酰胺、偶氮二異丁氰等；無機(jī)發(fā)泡劑主要是堿金屬的碳酸鹽和碳酸氫鹽，如碳酸氫鈉和碳酸氨等（見表96）。化學(xué)發(fā)泡劑的選擇選擇發(fā)泡劑要考慮的幾個(gè)因素有分解溫度、分解速率、反應(yīng)熱量、發(fā)泡劑的分解抑制和促進(jìn)、發(fā)泡效率、發(fā)泡劑的并用聚苯乙烯泡沫塑料聚苯乙烯泡沫塑料的成型方法很多，主要有模壓法、可發(fā)性珠粒法和擠出發(fā)泡法。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)在用的很少。目前大且使用的是可發(fā)性珠粒法和擠出發(fā)泡法PVC泡沫塑料聚氯乙烯泡沫塑料按其配方和成型方法不同可

17、制成為軟質(zhì)和硬質(zhì)兩種。軟質(zhì)泡沫塑料在配制時(shí)加入較多的增塑劑，成型后具有一定的柔軟性。而硬質(zhì)聚氯乙烯泡沫塑料在配制時(shí)加入溶劑將樹脂溶解，成型過程中溶劑受熱揮發(fā)而成為質(zhì)地堅(jiān)硬的泡沫制品。PE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(diǎn)，并具有一定的力學(xué)強(qiáng)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。高發(fā)泡聚乙烯鈣塑材料廣泛用于建筑裝飾，近年來聚乙烯泡沫塑料的用途日漸擴(kuò)大，發(fā)展速度較快。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(dòng)，而在熔融溫度以上其熔融粘度急劇下降，發(fā)泡過程中產(chǎn)生的氣體很難包住。此外，聚乙烯從熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)耍放出大量的結(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(shí)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，適于發(fā)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)泡倍效的泡沫塑料，必須在聚乙烯分子間進(jìn)行交聯(lián)，將熔融物料的粘性和彈性調(diào)節(jié)在一定范圍內(nèi)，使的物理力學(xué)性能顯著提高。通常采用的交聯(lián)方法有化學(xué)交聯(lián)和輻射交聯(lián)。聚氨酯泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料是以多元異氰酸酯和多元醇為主要原料