泡沫塑料成型

,高分子加工原理與技術(shù),湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院材料學(xué)院,李建,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),泡沫塑料-是以樹(shù)脂為基本組分，內(nèi)部具有無(wú)數(shù)微孔性氣體的塑料制品.幾乎所有熱固性和熱塑性塑料都能制成泡沫塑料，但其發(fā)泡技術(shù)的難易差別很大。泡沫塑料成型過(guò)程比一般塑料成型過(guò)程要復(fù)雜得多，要在特制的成型定型設(shè)備中進(jìn)行，并嚴(yán)格控制成型工藝，因此難度很大，而且機(jī)理不明。至今，常用作泡沫塑料的塑料品種有:聚氨基甲酸酯、PS、PVC、PE、酚醛以及聚甲醛等幾種。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),泡沫塑料都有以下共性：,質(zhì)輕，比強(qiáng)度高，比同品種的塑料要輕幾倍，甚至幾十倍；泡沫塑料的氣孔具有防止空氣對(duì)流的作用，故保溫和隔熱性好；由于塑料內(nèi)無(wú)數(shù)微小氣孔的存在，故吸音性能強(qiáng)。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),分類(lèi):,1、根據(jù)軟硬程度不同,軟質(zhì)泡沫塑料,半硬質(zhì)泡沫塑料,硬質(zhì)泡沫塑料,以塑料的彈性模量為標(biāo)準(zhǔn),大于700MPa,介于70700MPa,小于70MPa,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),分類(lèi):,開(kāi)孔泡沫塑料（孔與孔是相通的）閉孔泡沫塑料（泡孔是相互隔開(kāi)的）,2、按氣孔的結(jié)構(gòu)分：,3、泡沫塑料按其密度又可分為：低發(fā)泡、中發(fā)泡、高發(fā)泡。,低發(fā)泡是指密度為0.4gcm3以上，氣體固體1.5；中發(fā)泡是指密度為0.10.4gcm3，氣體固體=1.59；高發(fā)泡則指密度為0.1gcm3以下，氣體固體9。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.1塑料發(fā)泡方法及其特點(diǎn),采用不同的樹(shù)脂和發(fā)泡方法，可制成性能各異的泡沫塑料。在工業(yè)生產(chǎn)中，泡沫塑料的發(fā)泡方法歸納起來(lái)有三種：物理發(fā)泡法、化學(xué)發(fā)泡法、機(jī)械發(fā)泡法。,物理發(fā)泡是借助于發(fā)泡劑在樹(shù)脂中使物理狀態(tài)改變，形成大量的氣泡，使聚合物發(fā)泡，在整個(gè)發(fā)泡過(guò)程中，發(fā)泡劑本身沒(méi)有發(fā)生任何化學(xué)變化。物理發(fā)泡劑按照發(fā)泡成型的特性，一般可以分為三類(lèi)：惰性氣體、低沸點(diǎn)液體、固態(tài)空氣球,（一）物理發(fā)泡法,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.1塑料發(fā)泡方法及其特點(diǎn),（一）物理發(fā)泡法,優(yōu)點(diǎn)：操作過(guò)程中毒性較小；原料成本低；發(fā)泡劑無(wú)殘余體。缺點(diǎn)：生產(chǎn)設(shè)備投資大。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.1塑料發(fā)泡方法及其特點(diǎn),（二）化學(xué)發(fā)泡法,制造泡沫塑料時(shí)，如果發(fā)泡的氣體是由混合原料的某些組分在過(guò)程中通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生的，則這種制造泡沫塑料的方法稱為化學(xué)發(fā)泡法。按照發(fā)泡的原理不同，化學(xué)發(fā)泡法分為兩類(lèi):化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡（由加入的化學(xué)發(fā)泡劑受熱時(shí)釋放出氣體）；發(fā)泡組分間相互作用析出氣體發(fā)泡。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.1塑料發(fā)泡方法及其特點(diǎn),（三）機(jī)械發(fā)泡法,機(jī)械發(fā)泡法是用強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌將空氣卷入樹(shù)脂中，使其形成均勻的泡沫物；而后再經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)變化，使之穩(wěn)定而成為泡沫塑料的方法；為了縮短時(shí)間，可同時(shí)通入空氣和加入乳化劑或表面活化劑等。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（一）泡沫塑料成型過(guò)程,一步法：根據(jù)配方將所有原料（樹(shù)脂、發(fā)泡劑、水、泡沫穩(wěn)定劑、催化劑等）混合在一起發(fā)泡而形成泡沫塑料的成型方法；,優(yōu)點(diǎn)：原料組分粘度小、輸送與處理方便、反應(yīng)放熱集中、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：逸出較多有毒異氰酸酯氣體、生產(chǎn)過(guò)程難以控制。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（一）泡沫塑料成型過(guò)程,二步法：分預(yù)聚法和半預(yù)聚法兩種。,預(yù)聚法：先使聚醚或聚酯與過(guò)量異氰酸酯反應(yīng)，生成含有NCO端基的聚氨酯預(yù)聚體，然后再將其與其他助劑混合并發(fā)泡。半預(yù)聚法：使部分聚醚或聚酯與所有的異氰酸酯反應(yīng)，生成含有NCO端基的預(yù)聚體與未反應(yīng)的異氰酸酯的混合物，然后再加入剩下的聚醚和聚酯與其他助劑混合并發(fā)泡。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（一）泡沫塑料成型過(guò)程,優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)過(guò)程易控制，異氰酸酯逸出程度小。缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，預(yù)聚體粘度大。,二步法：分預(yù)聚法和半預(yù)聚法兩種。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（二）泡沫塑料成型原理,泡沫塑料的成型過(guò)程，一般可以分為三個(gè)階段：,（1）泡沫的形成：氣體栽溶液中過(guò)飽和逸出成核。加入成核劑有利于提高泡沫生成速度，提高泡孔細(xì)度。如PU發(fā)泡通入少量空氣泡，PE發(fā)泡加入少量填料。（2）泡孔增長(zhǎng)：增加溶解氣體量和升高溫度使氣體膨脹，有利于促進(jìn)泡沫生長(zhǎng)。（3）泡孔的穩(wěn)定：穩(wěn)定有兩個(gè)途徑，一是加入表面活性劑降低界面張力，二是提高樹(shù)脂黏度，如冷卻和交聯(lián)。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（二）泡沫塑料成型原理,液體與氣體相混能否成為泡沫物主要決定于液體的性質(zhì)。當(dāng)液體與氣體形成泡沫時(shí)，液體表面機(jī)會(huì)有很大增加。衡量的尺度是液、氣界面張力與增加表面的乘積。從熱力學(xué)角度說(shuō)，這種能量的增加勢(shì)必造成該系統(tǒng)物的不穩(wěn)定。增加能量越大，穩(wěn)定性越小，越會(huì)受到該系統(tǒng)物為維持穩(wěn)定而進(jìn)行縮小表面的自發(fā)過(guò)程所控制。所以，作為形成泡沫物的首要條件就是液、氣的界面張力必須具有較小的數(shù)值。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（二）泡沫塑料成型原理,界面張力并不是形成泡沫物的足夠條件，實(shí)驗(yàn)證明，形成泡沫物的另一條件是液體必須具有多相性，且界面處的液體組分比率應(yīng)與液體主體部分有所不同。實(shí)踐表明：在純液體中加入表面活化劑不僅能夠滿足這種條件，而且還能使液、氣界面張力降低，因此容易使液體成為泡沫物，并且能使泡沫大小均勻。表面活化劑的分子結(jié)構(gòu)具有親液和疏液兩個(gè)部分，當(dāng)它與液體和氣體共存時(shí)，親液部分向著液體，疏液部分向著氣體，因此改善了液體和氣體間的吸引力，從而降低了液體和氣體間的表面張力。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（二）泡沫塑料成型原理,（4）影響泡孔結(jié)構(gòu)的因素,泡沫物是熱力學(xué)不穩(wěn)定體，它的持續(xù)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)。但這種持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于泡沫物中樹(shù)脂成為固體所需的時(shí)間，否則無(wú)法支撐泡沫塑料。泡沫物的持續(xù)時(shí)間很大程度上決定于其中液體的性質(zhì)。,由于液體是泡壁的構(gòu)成物，壁的機(jī)械強(qiáng)度越大，泡沫越能持久。所有具有凝膠結(jié)構(gòu)的液體泡沫物的持久性具有有利作用。其次，組成泡壁的液體受自重會(huì)向下流動(dòng)，使泡壁薄化以至破裂，因此應(yīng)加大液體黏度，增加泡沫物持續(xù)時(shí)間。在次，形成泡壁的液體不應(yīng)有很大的揮發(fā)度，不然泡壁也會(huì)因液體不斷的散失而破裂。因?yàn)橐后w黏度和揮發(fā)度都是溫度的函數(shù)，所以還應(yīng)控制溫度。,泡沫的穩(wěn)定,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（二）泡沫塑料成型原理,（4）影響泡孔結(jié)構(gòu)的因素,發(fā)泡劑的選擇a.物理發(fā)泡劑,無(wú)臭氣、無(wú)毒性、無(wú)腐蝕性；不可燃；不影響聚合物本身的物理和化學(xué)性能；具有對(duì)熱和化學(xué)藥品的穩(wěn)定性；在室溫下，蒸汽壓力低，呈液態(tài)，以便貯存、輸送和操作；,低比熱容和低潛能，以利于快速汽化；相對(duì)分子質(zhì)量低，相對(duì)密度高；通過(guò)聚合物膜壁的擴(kuò)散速度應(yīng)比空氣??；來(lái)源廣，廉價(jià)。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（二）泡沫塑料成型原理,（4）影響泡孔結(jié)構(gòu)的因素,發(fā)泡劑的選擇b.化學(xué)發(fā)泡劑,發(fā)氣量大而迅速，分解放出氣體的溫度范圍應(yīng)穩(wěn)定，能調(diào)節(jié)，但不宜太寬；發(fā)泡劑的放氣速度應(yīng)能用改變成型工藝條件進(jìn)行控制調(diào)節(jié)；,發(fā)泡劑分解放出的氣體和留下的殘余物應(yīng)無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)腐蝕性、無(wú)色，對(duì)聚合物及其它助劑無(wú)不良影響；發(fā)泡劑在塑料中有良好的分散性；發(fā)泡劑分解時(shí)的放熱量不能太大；化學(xué)性能穩(wěn)定，便于貯存和運(yùn)輸，在貯存過(guò)程中不會(huì)分解；價(jià)格便宜，來(lái)源廣。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.2泡沫塑料成型過(guò)程及原理,（二）泡沫塑料成型原理,（4）影響泡孔結(jié)構(gòu)的因素,發(fā)泡劑的選擇b.化學(xué)發(fā)泡劑,適宜的泡體冷卻速度,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.3泡沫塑料成型設(shè)備和選用,（一）機(jī)械發(fā)泡法設(shè)備,機(jī)械發(fā)泡法是借助機(jī)械攪拌作用，往液態(tài)聚合物或復(fù)合材料中混入空氣而發(fā)泡。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.3泡沫塑料成型設(shè)備和選用,（二）物理發(fā)泡法設(shè)備,（1）連續(xù)蒸汽預(yù)發(fā)泡機(jī),可發(fā)性珠粒自加料口送入，經(jīng)螺旋進(jìn)料器進(jìn)入預(yù)發(fā)泡機(jī)桶。珠粒受來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)風(fēng)口的熱蒸汽烘吹，同時(shí)受到攪拌器的攪動(dòng)而逐漸發(fā)泡上浮。達(dá)到預(yù)定發(fā)泡倍數(shù)后，自出料口送出機(jī)桶。物料在機(jī)桶內(nèi)停留24min，發(fā)泡約20倍。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.3泡沫塑料成型設(shè)備和選用,（二）物理發(fā)泡法設(shè)備,（1）連續(xù)蒸汽預(yù)發(fā)泡機(jī),不足之處：為防止制品收縮或塌陷，預(yù)脹物在模塑前必須熟化，從而預(yù)發(fā)泡與模塑不能連續(xù)。更低密度制品需二次發(fā)泡或加壓發(fā)泡得到，從而造成珠粒在發(fā)泡機(jī)內(nèi)嚴(yán)重結(jié)塊。珠粒大小不一，但停留時(shí)間一樣，造成制品密度梯度很大。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.3泡沫塑料成型設(shè)備和選用,（二）物理發(fā)泡法設(shè)備,（2）真空預(yù)發(fā)泡機(jī),20世紀(jì)80年代，Sinclair-Kopper公司創(chuàng)立。制品的密度調(diào)節(jié)與控制簡(jiǎn)單易行。節(jié)省原料?？s短或去除熟化時(shí)間?？s短模塑時(shí)間。避免發(fā)泡機(jī)內(nèi)結(jié)塊。制品密度小且均勻。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.3泡沫塑料成型設(shè)備和選用,（三）化學(xué)發(fā)泡法設(shè)備,（1）加入化學(xué)發(fā)泡劑的化學(xué)發(fā)泡法設(shè)備,壓制法：閉孔型制品。擠出法：結(jié)皮泡沫棒材與板材。注塑法：高密度低發(fā)泡制品。壓延法：泡沫人造革與泡沫壁紙。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.3泡沫塑料成型設(shè)備和選用,（三）化學(xué)發(fā)泡法設(shè)備,（2）聚氨酯化學(xué)發(fā)泡法設(shè)備,高壓混合系統(tǒng),低壓混合系統(tǒng),5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.4典型泡沫塑料產(chǎn)品,（一）合成木材,在硬質(zhì)PVC擠出工藝基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了PVC低發(fā)泡基礎(chǔ)技術(shù)；可制造材料密度輕、內(nèi)部具有細(xì)微泡孔機(jī)構(gòu)，表面類(lèi)似于天然木材的“合成木材”。,大截面：“塞露卡”可控膨脹擠出技術(shù),小截面：普通的自由發(fā)泡技術(shù),5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.4典型泡沫塑料產(chǎn)品,（一）合成木材,原料：,樹(shù)脂：最好選用乳液樹(shù)脂。改性劑：基于丙烯酸鹽或ABS、MBS改性劑，作用是改善泡壁的柔韌性以增加制品的沖擊強(qiáng)度，增加熔體的彈性并使氣泡結(jié)構(gòu)改善。潤(rùn)滑劑：增加在螺桿中組分的膠化程度，并有助于表皮的形成。發(fā)泡體系：可控發(fā)泡技術(shù)采用無(wú)機(jī)體系；自由發(fā)泡技術(shù)采用有機(jī)體系。熱穩(wěn)定劑：鋅、鉛或鎘，無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)錫化合物。填料與顏料：控制表面質(zhì)量，降低成本，輔助成核。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.4典型泡沫塑料產(chǎn)品,（一）合成木材,工藝流程：,PVC,助劑,高速混合,擠出發(fā)泡成型,冷卻定型,牽引切割,成品,熔體溫度：160190熔體壓力：71.8kPa,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.4典型泡沫塑料產(chǎn)品,（二）擠出聚烯烴片材,非交聯(lián)型：較好的吸震性能、耐化學(xué)性能和介電性能，吸水率和水蒸氣透過(guò)率低，無(wú)毒、無(wú)臭，二次加工性能好。,交聯(lián)型：具有較好的壓縮性能、熱性能、耐化學(xué)藥品性能及耐老化性能；較低的水蒸氣通過(guò)率和吸水性。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.4典型泡沫塑料產(chǎn)品,（三）軟質(zhì)聚氨酯泡沫套墊,一步法：,塊狀發(fā)泡,噴涂發(fā)泡,模塑發(fā)泡,沫狀發(fā)泡,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.4典型泡沫塑料產(chǎn)品,（三）軟質(zhì)聚氨酯泡沫套墊,發(fā)泡成型工藝影響因素：（1）物料混合原料的反應(yīng)活性很高，反應(yīng)液體在發(fā)泡機(jī)混合頭內(nèi)停留的時(shí)間應(yīng)很短，一般不超過(guò)十幾秒，因此要求設(shè)備有極高的混合效率。（2）成型溫度成型中環(huán)境溫度及原料溫度均以2030為宜，并應(yīng)穩(wěn)定（波動(dòng)不超過(guò)1），溫度高低直接影響化學(xué)反應(yīng)速度的快慢。模具溫度則控制在4060。溫度低，發(fā)泡倍數(shù)小，表皮厚，溫度高則相反。（3）熟化溫度和時(shí)間原料在注入模具內(nèi)發(fā)泡后，應(yīng)在脫模前把制品與模具一起在較高的溫度環(huán)境中進(jìn)行熟化，以使化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行完全，熟化的溫度一般為60100，溫度越高，熟化時(shí)間越短。,5.5泡沫塑料成型,第5章熱塑性塑料的主要成型加工技術(shù),5.5.4典型泡沫塑料產(chǎn)品,（四）軟質(zhì)PVC襯墊,機(jī)械發(fā)泡法：,將PVC樹(shù)