微孔泡沫塑料成型技術(shù)綜述

微孔泡沫塑料成型技術(shù)綜述第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四一、微孔泡沫塑料概述微孔泡沫塑料的定義及概念的提出

泡沫塑料是以塑料為主要組分，以氣體為填料的復(fù)合材料。

而目前正著力研究的微孔發(fā)泡塑料(microcellularfoam，簡稱MCF)是指一種泡孔直徑在0.1-10μm，泡孔密度在109一1015個/cm3左右的新型泡沫材料。

目前還有人提出了超細(xì)微孔塑料和極細(xì)微孔塑料的概念。第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四微孔發(fā)泡塑料最先由Martiai等在1981年

研制出設(shè)計思想當(dāng)泡沫塑料中泡孔的尺寸小于泡孔內(nèi)部材料的裂紋時,泡孔的存在將不會降低材料的機(jī)械性能微孔的存在將使材料原來存在的裂紋尖端鈍化,有利于阻止裂紋在應(yīng)力作用下的擴(kuò)展,從而使材料的性能得到提高。第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四微孔泡沫塑料的SEM圖片第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四微孔塑料發(fā)展史微孔塑料最早源于EastmanKodak公司提出的一個論題即如何在保證制品的物理力學(xué)性能和外觀不變差的基礎(chǔ)上,通過減少生產(chǎn)原料的使用量來降低生產(chǎn)成本。1981年J.E.Martini最先研制成功微孔泡沫塑料Martini認(rèn)為由于微孔泡沫塑料的泡孔極小且分布均勻,使聚合物中的微隙圓孔化,泡孔實際起到了一種類似橡膠顆粒增韌的作用,這些微小的泡孔通過鈍化裂紋尖端,增加傳播裂紋所需要的能量來阻止裂紋的擴(kuò)展。第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四此后J.SColton等進(jìn)行了多方面的改進(jìn)

在此設(shè)想的基礎(chǔ)上，Martini、Waldman和Suh等研制出采用氣體過飽和法制備微孔聚合物的基本工藝方法，并取得了相關(guān)材料的專利權(quán)。1982年Castor提出熱致相分離法，Waldman提出連續(xù)擠出微孔泡沫塑料的概念1985年J.H.Aubert和R.L.Clough提出了一種相分離法生產(chǎn)低密度PS微孔塑料。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四1993年，Dxion等人用超臨界流體沉析方法成功地制備了聚苯乙烯微孔塑料。1995年Texel公司取得了麻省理工學(xué)院關(guān)于微孔塑料的獨家專利,開始了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn),并推出了MuCellTM發(fā)泡技術(shù),開辟了微孔塑料生產(chǎn)的新途徑。目前，發(fā)達(dá)國家的高度重視,許多著名公司如美國Trexel公司、加拿大的Engel公司等都已致力于微孔發(fā)泡技術(shù)的實際應(yīng)用開發(fā)及商業(yè)化推廣。第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四微孔塑料的性能和應(yīng)用由于微孔泡沫塑料所具有的獨特的泡孔結(jié)構(gòu)，使微孔泡沫塑料呈現(xiàn)出許多優(yōu)良的特性。沖擊強(qiáng)度高韌性好比剛度大高的疲勞壽命介電常數(shù)低熱穩(wěn)定性高所用發(fā)泡劑環(huán)保熱傳導(dǎo)系數(shù)低質(zhì)輕……優(yōu)良性能第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四與一般的泡沫塑料制品相比

沖擊強(qiáng)度可以提高5一7倍

斷裂韌度提高5倍

疲勞壽命提高4~17倍

抗裂紋擴(kuò)展性提高2倍

比強(qiáng)度提高3一5倍

比剛度提高3一5倍第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四應(yīng)用應(yīng)用高壓電絕緣層汽車飛機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料食品包裝近年來,微孔塑料還被用作建筑材料、家電產(chǎn)品零部件、信息工程用品及運動器材等。第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四二、微孔塑料的成型原理微孔泡沫塑料的成型過程和一般泡沫塑料一樣也要經(jīng)過三個階段第一階段第二階段第三階段氣泡核的形成氣泡核的膨脹泡體的固化定型第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四

下面對幾種常用的氣泡成核機(jī)理進(jìn)行闡述：（1）利用高聚物分子中的自由空間為成核點高聚物是由許多大分子鏈堆砌而成,前人已用實驗證明其中存在“自由體積”(或稱自由空間)。由于高聚物分子中存在的這種自由空間,物理發(fā)泡劑(氣態(tài)或液態(tài))在一定的工藝條件下能滲入這些自由體積,進(jìn)而膨脹成氣泡核。分子架成核理論即出于此機(jī)理。第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四利用塑料熔體中的低勢能點為發(fā)泡成核點

熱點成核理論已由前人經(jīng)過較全面的論證指出,當(dāng)塑料熔體中同時出現(xiàn)大量過飽和氣體和大量熱點時就能形成大量氣泡核。從微觀上分析,溫度升高使高聚物分子的動能增加,勢能下降形成低勢能點,使不穩(wěn)定的過飽和氣體容易由此析出。目前采用加成核劑提高成核率,也是因為在成核劑與聚合物熔體間能形成勢能較低的界面,以充當(dāng)成核點的結(jié)果。氣液相混合直接形成氣泡核

此類成核過程一般都是通過劇烈攪拌使氣體與聚合物液體直接混合形成泡體。目前還未見到有研制成功的報道。第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四三、微孔塑料的制備方法相分離法

這是較早出現(xiàn)的一種制備開孔結(jié)構(gòu)微孔泡沫塑料的方法聚合物溶于溶劑溶劑體系呈均相升高溫度迅速降溫體系分離得到具有微孔結(jié)構(gòu)的聚合物升華干燥或臨界萃取溶劑與聚合物分離微孔泡沫材料第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四單體聚合法單體聚合法是利用微乳液的熱力學(xué)穩(wěn)定性和有序的微結(jié)構(gòu),將聚合單體分散在微乳液中進(jìn)行聚合得到微孔泡沫材料。超臨界流體法處于臨界溫度(Tc)和臨界壓力(Pc)以上的流體稱為超臨界流體。超臨界流體沒有明顯的氣液分界面,它既非氣態(tài)又非液態(tài),是一種氣液不分的狀態(tài),但其兼具二者的優(yōu)點,既像氣體一樣容易擴(kuò)散,又像液體一樣有很強(qiáng)的溶解能力,而且其粘度、溶解能力等與密度相關(guān)的性能都可通過調(diào)節(jié)壓力來控制。第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四

超臨界流體沉析法是以超臨界流體作為反溶劑,將聚合物溶液通過毛細(xì)管噴入超臨界流體中,使聚合物干燥和玻璃化,經(jīng)高速擴(kuò)散和強(qiáng)烈霧化使體系產(chǎn)生相分離而形成帶有微孔的顆粒。第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四超飽和氣體法基本原理是:將聚合物在高壓(6~30MPa)下被惰性氣體所飽和,形成聚合物/氣體均相體系,再通過控制溫度和壓力來降低氣體在聚合物中的溶解度,產(chǎn)生過飽和態(tài),然后使聚合物發(fā)泡。根據(jù)方式不同，又分為間歇法和連續(xù)法。第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四

在微孔塑料的研究中,最早采用的是間歇法,又稱兩步法,其主要加工步驟分為兩步。第一步是在室溫和等靜壓條件(一般為5MPa~7MPa)下,將聚合物試件浸泡在CO2或N2等惰性氣體中,經(jīng)過一段時間(一般在24小時以上)后形成過飽和狀態(tài)。第二步是將聚合物試件從等靜壓容器中取出,快速降低壓力或提高溫度,使CO2或N2等惰性氣體在聚合物中的溶解度迅速降低,從而在含有飽和氣體的聚合物中誘導(dǎo)出極大的熱動力學(xué)不穩(wěn)定性,激發(fā)氣泡的成核和長大。第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四連續(xù)擠出成型法微孔塑料連續(xù)擠出成型法的加工示意圖如下圖。第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四幾種方法優(yōu)缺點比較加工方法優(yōu)點缺點相分離法孔徑調(diào)節(jié)范圍寬,孔徑較均勻泡孔易塌陷，要求聚合物的分子量分布范圍窄,對溶劑要求高,不適合大批量生產(chǎn)。單體聚合法微孔結(jié)構(gòu)容易被破壞。超臨界流體法成核速率及微孔尺寸容易控制。只能用于制備微孔顆粒,無法制備微孔泡沫塑料制件。間歇法成核速率高，泡孔易于控制，可以方便地制備結(jié)構(gòu)微孔塑料。生產(chǎn)周期長、產(chǎn)量低,限制了微孔塑料的商業(yè)應(yīng)用。連續(xù)法連續(xù)擠出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，廣泛使用。長徑比大的快速降壓口模限制了產(chǎn)量和擠出流率的提高。第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四四、微孔泡沫塑料成型難點及方向

(1)如何提高微孔泡沫塑料制品的表面質(zhì)量是當(dāng)前急需解決的難題。(2)如何用微孔塑料擠出成型生產(chǎn)厚的產(chǎn)品如管材、棒材等還有待進(jìn)一步研究。(3)影響泡孔長大的因素很多,怎么控制。第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四(4)本構(gòu)關(guān)系、斷裂、疲勞和蠕變等力學(xué)行為的模擬(5)為了建立更為合理的微孔泡沫塑料的力學(xué)模型,必須對這類材料進(jìn)行更多的宏觀、微觀力學(xué)實驗,正確認(rèn)識這類材料的形變和失效規(guī)律。

（6）建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，擴(kuò)大微孔發(fā)泡技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，提高生產(chǎn)效率，加緊實現(xiàn)工業(yè)化;第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四五、新進(jìn)展微孔復(fù)合材料

以前的微孔塑料往往為單一品種樹脂制造,這樣的微孔塑料性能上往往不能滿足工程上的應(yīng)用,因此仿照普通復(fù)合材料的原理,出現(xiàn)了兩種樹脂或多種樹脂混合發(fā)泡塑料,制得的微孔塑料能結(jié)合各個組分性能上的優(yōu)點,達(dá)到取長補短的效果,以滿足工程上耐高溫、高強(qiáng)度、高抗沖擊等需要。第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四微孔生物醫(yī)學(xué)材料發(fā)泡材料因其多孔滲水和透氣性而在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用非常廣泛。而微孔發(fā)泡材料因其更加微小的泡孔尺寸,使其更加適用于生物細(xì)胞(如造骨細(xì)胞)的成活和生長,達(dá)到生物分子級的相容。如果材料是可降解生物材料,制成的微孔發(fā)泡材料也可以用來包覆藥物,使藥物在體內(nèi)的分布和釋放更加均勻;還可以制成可降解的醫(yī)學(xué)材料,不僅無毒,而且多孔透氣,使其應(yīng)用在人體上比起傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)材料更加舒適和安全。第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四微孔橡膠材料

傳統(tǒng)的橡膠發(fā)泡材料使用的發(fā)泡劑為化學(xué)發(fā)泡劑,化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡雖然在工藝上比較容易實現(xiàn),發(fā)泡效果也比較好,但其缺點也很明顯,主要是分解后的殘留物全部留在聚合物體系之中,且分解的氣體中?；煊杏卸練怏w,氣味也難聞。另外,橡膠發(fā)泡材料因其強(qiáng)度、剛度較差,不常用于工程領(lǐng)域,而常用于體育器材、汽車和生物醫(yī)學(xué)中,因以上缺點使其應(yīng)用受到限制。超臨界流體的出現(xiàn)使這一問題得以解決。其它微孔塑料除了以上各種新的品種和應(yīng)用,在其它領(lǐng)域還有很多特殊用途。例如應(yīng)用在光滑地板表面的最好的防滑材料，胺凈化劑，綠色高效的PUR微孔薄膜等。