第8章泡沫塑料的成型,8.1概述質(zhì)量最輕的材料泡沫塑料泡沫塑料是由大量氣體微孔分散在固體塑料中形成的一類高分子材料，具有質(zhì)量輕、隔熱、吸音、減震等特性，用途很廣。最早開發(fā)的泡沫塑料是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)泡沫塑料，內(nèi)部芯層發(fā)泡，外部皮層不發(fā)泡，特點(diǎn)是外硬內(nèi)韌、強(qiáng)度高、消耗原料少，廣泛地代替木材，用于建筑和家具工業(yè)以及包裝材料?，F(xiàn)在，幾乎各種塑料都可以制成泡沫塑料。,一、發(fā)泡方法分類,1.機(jī)械發(fā)泡法是借助強(qiáng)烈攪拌，把大量空氣或其他氣體引入液態(tài)塑料中，工業(yè)上主要用此法生產(chǎn)脲醛樹脂泡沫塑料，它可用做影劇布景中的人造雪花。2.物理發(fā)泡法依據(jù)所用發(fā)泡劑可細(xì)分為：惰性氣體發(fā)泡法；低沸點(diǎn)液體蒸發(fā)汽化發(fā)泡法；液體介質(zhì)浸出物發(fā)泡法；加入中空微球后固化發(fā)泡法。3.化學(xué)發(fā)泡法可分兩類：采用化學(xué)發(fā)泡劑，它們?cè)谑軣釙r(shí)分解放出氣體。常用的發(fā)泡劑有偶氮二甲酰胺、偶氮二異丁腈、N，N-二亞硝基五亞甲基四胺、碳酸氫鈉；利用聚合過程中的副產(chǎn)物氣體進(jìn)行發(fā)泡。但無論采用什么方法發(fā)泡，其基本過程都是：在液態(tài)或熔融態(tài)塑料中引入氣體，產(chǎn)生微孔。使微孔增長(zhǎng)到一定的體積。通過物理或化學(xué)方法固定微孔結(jié)構(gòu)。,二、泡沫塑料的分種,1.泡沫塑料有開孔和閉孔之分泡沫塑料的微孔之間互相連通的稱為開孔型泡沫塑料，微孔之間互相封閉的稱為閉孔型泡沫塑料。2.泡沫塑料又有硬質(zhì)和軟質(zhì)之分按照美國(guó)試驗(yàn)和材料學(xué)會(huì)頒布的標(biāo)準(zhǔn)：在1829下，在時(shí)間5秒內(nèi)，泡沫塑料繞直徑為2.5厘米的圓棒一周，如果不斷裂，屬于軟質(zhì)泡沫塑料；如果斷裂，則屬于硬質(zhì)泡沫塑料。3.泡沫塑料還分為低發(fā)泡和高發(fā)泡兩類通常將發(fā)泡倍率（發(fā)泡后比發(fā)泡前體積增大的倍數(shù)）小于5者為低發(fā)泡產(chǎn)品，大于5者為高發(fā)泡產(chǎn)品。,三、應(yīng)用特性,1.質(zhì)輕2.彈性好3.隔熱4.強(qiáng)度高5.其他,8.2機(jī)械發(fā)泡法,機(jī)械發(fā)泡法(又稱氣體混入法)是用強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌將空氣卷入樹脂的乳液、懸浮液或溶液中使其成為均勻的泡沫物，而后再經(jīng)過物理或化學(xué)變化使之穩(wěn)定成為泡沫塑料。機(jī)械發(fā)泡法中常用的樹脂有脲甲醛、聚乙烯醇縮甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶膠等，這里即以脲甲醛開孔硬質(zhì)泡沫塑料為例說明。,一、樹脂的制備（脲甲醛，甘油）制造時(shí)，技配方先將甲醛水液加至反應(yīng)釜中，并用l0燒堿水液調(diào)其PH值使達(dá)到6.46.5。而后在攪拌和回流的情況下加入脲和甘油，并于l小時(shí)左右的時(shí)間內(nèi)將反應(yīng)混合物加熱到它的沸點(diǎn)。沸騰15分鐘后，用10甲酸水溶液使混合物的pH值降至5.05.5。繼續(xù)在沸騰溫度下使反應(yīng)進(jìn)展到混合物的粘度達(dá)到2530厘泊時(shí)為止。用燒堿水液中和反應(yīng)混合物使pH值上另到6.87.0。冷至2030后，用水稀釋使反應(yīng)混合物中的樹脂含量達(dá)到2732。最后將樹脂溶液放在鋁制的貯槽中備用。,二、鼓泡（攪拌，加入發(fā)泡液）,鼓泡時(shí)，在攪拌情況下，向鼓泡設(shè)備先加入一定量的發(fā)泡液，2、3分鐘后便會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫。隨后，在12分鐘內(nèi)加入定量的樹脂溶液。繼續(xù)攪拌1520秒后，即可出料。,三、泡沫物的硬化,裝有泡沫物的塑模應(yīng)先在室溫下放置46小時(shí)，以便從模底瀝除一部分的水(約為總料量的l4)并使泡沫物得到一定程度的硬化。而后從塑模中脫出泡沫物并將它放在漏孔的托架上。由托架承托的泡沫物應(yīng)在嚴(yán)格控制溫度的供室內(nèi)進(jìn)行熱處理，處理的溫度和時(shí)間隨具體情況而定。處理時(shí)，泡沫物既有化學(xué)變化的交聯(lián)作用，又有物理變化的干燥作用，水分由80降至12)，所以溫度必須嚴(yán)格控制，否則不易得到質(zhì)量較好的制品。,8.3物理發(fā)泡法優(yōu)點(diǎn)：操作的毒性較小，用作發(fā)泡的原料成本低；發(fā)泡劑無殘余體。缺點(diǎn)：生產(chǎn)過程設(shè)備投資大。前述幾種物理方法中，以在塑料中溶入氣體和液體而后使其氣化發(fā)泡的兩種方法在生產(chǎn)中占有主要位置，適應(yīng)的塑料品種較多。現(xiàn)分別以聚苯乙烯和聚氯乙烯為例介紹這兩種方法。,8.3.1PS泡沫塑料,一、制造過程預(yù)發(fā)泡（PS、引發(fā)劑、發(fā)泡劑）軟化（發(fā)泡劑產(chǎn)生壓力，膨脹）（平衡）發(fā)泡氣體滲出，水蒸汽滲入氣泡中熟化預(yù)膨脹物冷卻（平衡）泡孔內(nèi)發(fā)泡劑、水蒸氣冷凝，氣體滲入氣泡模塑膨脹（平衡）受熱加壓氣泡滲出；外部加壓氣泡滲入,物理發(fā)泡法常將低沸點(diǎn)的烴類或鹵代烴溶解在塑料中，當(dāng)塑料受熱而軟化時(shí)，溶解在塑料中的烴類或鹵代烴液體就會(huì)揮發(fā)，同時(shí)膨脹發(fā)泡。例如制造聚苯乙烯泡沫塑料，可在苯乙烯聚合成聚本乙烯時(shí)，事先把戊烷溶解在苯乙烯單體中，聚合時(shí)就會(huì)發(fā)泡。也可以在加熱和加壓下用戊烷處理聚苯乙烯塑料，制得可發(fā)泡性聚苯乙烯塑料，然后使它在熱水或水蒸氣中預(yù)發(fā)泡，再放到模具中通入水蒸氣，使預(yù)發(fā)泡后的聚苯乙烯塑料二次膨脹，并互相熔結(jié)在一起，冷卻后即得到與模具形狀相同的制品。擠出成型的物理發(fā)泡法可用于聚苯乙烯塑料，使其熔融，再加入鹵代烴混合均勻，當(dāng)物料離開機(jī)頭時(shí)即膨脹發(fā)泡。物理發(fā)泡法還有中空微球法，是將熔化溫度很高的空心玻璃微珠與塑料熔融體相混合，然后在玻璃微珠不會(huì)破碎的條件下塑料成型，可制得特殊的閉孔型泡沫塑料。,二、聚氯乙烯泡沫塑料,由于聚氯乙烯本身并不能溶解惰性氣體，能夠溶解這種氣體的只是它的增塑劑或溶劑，所以采用溶解惰性氣體為發(fā)泡劑來生產(chǎn)聚氯乙烯泡沫塑料時(shí)須選用增塑劑含量大的聚氯乙烯糊或溶液為原料，以這種方法生產(chǎn)硬質(zhì)泡沫體而只用少量溶劑，就須施加很高的壓力(300、40大氣壓)。顯然，施加高壓對(duì)設(shè)備的要求就高。如采用大量溶劑，則以后的溶劑脫除與回收都比較麻煩，不僅成本提高，還要采取嚴(yán)格的防火和防爆措施。所以用溶解惰性氣體發(fā)泡的方法大多用來生產(chǎn)軟質(zhì)聚氯乙烯泡沫塑料。生產(chǎn)軟質(zhì)聚氯乙烯泡沫塑料有間歇法和連續(xù)法兩種。間歇法比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)時(shí)，適當(dāng)?shù)木勐纫蚁┖湃爰訅焊?，然后在攪拌下?030大氣壓的二氧化碳通入釜內(nèi)，壓力穩(wěn)定到規(guī)定數(shù)值時(shí)。即將充氣的聚氯乙烯糊由釜底噴嘴放至塑模中，并在較短的時(shí)間內(nèi)送至110135的烘室中烘熔，而后經(jīng)過冷卻和脫模，獲得泡沫塑料制品。,8.4化學(xué)發(fā)泡,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程中的化學(xué)作用產(chǎn)生的，則這種方法即稱為化學(xué)發(fā)泡法。按照發(fā)泡的原理不同，工業(yè)上常用的化學(xué)法有兩種：(1)發(fā)泡氣體是特意加入的熱分解物質(zhì)(常稱為化學(xué)發(fā)泡劑或發(fā)泡劑)在受熱時(shí)產(chǎn)生的；(2)發(fā)泡氣體是由形成聚合物的組分相互作用所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，或者是這類組分與其它物質(zhì)作用的生成物。,一、化學(xué)發(fā)泡劑,1.化學(xué)發(fā)泡劑的性能采用化學(xué)發(fā)泡劑，它們?cè)谑軣釙r(shí)分解放出氣體。化學(xué)發(fā)泡劑分為無機(jī)化學(xué)發(fā)泡劑和有機(jī)化學(xué)發(fā)泡劑兩類。（1）無機(jī)化學(xué)發(fā)泡劑（簡(jiǎn)稱無機(jī)發(fā)泡劑）無機(jī)發(fā)泡劑的主要特性是：價(jià)廉，不影響塑料的熱性能，分解時(shí)是吸熱反應(yīng)：但分解氣體的速率受壓力的影響較大，分解反應(yīng)進(jìn)行緩慢，難于均勻分布在塑料中?？稍谒芰现惺褂玫臒o機(jī)發(fā)泡劑有：碳酸鹽類用做發(fā)泡劑的碳酸鹽主要有碳酸銨（NH4）2CO3、碳酸氫銨（NH4HCO3）和碳酸氫鈉（NaHCO3）。前兩種雖然價(jià)格低，但由于分解產(chǎn)物碳酸鈉（Na2CO3）具有強(qiáng)堿性，主要用于橡膠制品，有時(shí)也可作為PF、醇酸樹脂等塑料制品的發(fā)泡劑。亞硝酸鹽類亞硝酸銨是極不穩(wěn)定的化合物，作為發(fā)泡劑使用的亞硝酸銨實(shí)質(zhì)上是氯化銨（NH4CL）和等摩爾的亞硝酸鈉（NaNO2）的混合物。該混合物配入橡膠后經(jīng)加熱放出氮?dú)猓∟2）。,（2）有機(jī)化學(xué)發(fā)泡劑（簡(jiǎn)稱有機(jī)發(fā)泡劑）有機(jī)化學(xué)發(fā)泡劑是目前工業(yè)上最廣泛使用的發(fā)泡劑。在它們的分子中幾乎都含有NN或NN結(jié)構(gòu)，這些化學(xué)鍵和發(fā)泡劑分子中其它化學(xué)鍵相比是不穩(wěn)定的，因此，在熱的作用下很容易斷裂而放出氮?dú)猓ㄍ瑫r(shí)也可能有少量的NH3、CO、CO2、H2O以及其它氣體的生成），從而起到發(fā)泡作用。有機(jī)發(fā)泡劑的主要優(yōu)點(diǎn)是：在聚合物中分散性好；分解溫度狹窄且能控制，分解產(chǎn)生的氣體以N2為主，因此不會(huì)燃燒、爆炸，也不易液化，并且擴(kuò)散速度小，不容易從發(fā)泡的物料中逸出，因而發(fā)泡效率高。有機(jī)發(fā)泡劑存在的主要問題是：,有機(jī)發(fā)泡劑分子內(nèi)不穩(wěn)定NN或NN的鍵發(fā)生熱分解后，其余部分是比較穩(wěn)定的。這些比較穩(wěn)定的部分就成為殘?jiān)ㄆ渲幸灿兴蛽]發(fā)性等物質(zhì)）而留在塑料中。這些殘?jiān)袝r(shí)會(huì)引起異臭或表面噴霜等現(xiàn)象。有機(jī)發(fā)泡劑在熱分解時(shí)必然會(huì)放出一定的分解熱。如果使用分解熱大的發(fā)泡劑，發(fā)泡物料內(nèi)部的溫度就會(huì)比外部的溫度高的多。若內(nèi)部溫度過高，就會(huì)損害聚合物的性能，有時(shí)甚至使制品中心完全炭化。因此在生產(chǎn)較厚的泡沫塑料時(shí)要特別注意。有機(jī)發(fā)泡劑幾乎都易燃的，分解溫度比較低，所以在貯存和使用時(shí)都應(yīng)注意防火。,2.化學(xué)發(fā)泡劑的特征與選擇沒有一種發(fā)泡劑是可以用于制造各種泡沫塑料而皆合適的，這是因?yàn)楦鞣N樹脂的固有性能不可能相同，加工條件也不一樣。此外，為了求得性能各異的同一種泡沫塑料，加入的助劑也往往不同。毫無疑義，這些不同都是選擇發(fā)泡劑的根據(jù)。選擇時(shí)就是在這些根據(jù)和發(fā)泡劑特性之間求得平衡。下面是對(duì)遠(yuǎn)擇中所用的幾項(xiàng)主要特性進(jìn)行討論。,（1）分解溫度發(fā)泡劑的分解溫度就是它開始產(chǎn)生氣體的溫度，所選發(fā)泡劑的分解溫度要與塑料的熔融溫度接近，發(fā)泡劑應(yīng)能在一狹窄的溫度范圍內(nèi)迅速分解，即當(dāng)熱塑性樹脂達(dá)到適宜的粘度或熱固性樹脂達(dá)到所需的交聯(lián)度時(shí)的溫度范圍內(nèi)均勻放氣，否則是很難取得密度均勻的制品的，發(fā)泡劑的分解作用必須要在較短的時(shí)間全部完成，以便迎合工藝上對(duì)發(fā)泡體的快速冷卻定型，否則就不能提高生產(chǎn)效率或不能有效地利用發(fā)泡劑。,（2）分解速率發(fā)泡劑的分解速率是隨溫度變化的。用實(shí)驗(yàn)方法求得。有機(jī)發(fā)泡劑受熱后，一般能住很短時(shí)間內(nèi)分解完。但是無機(jī)發(fā)泡劑受熱后的分解反應(yīng)卻進(jìn)行得較慢，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成，（3）反應(yīng)熱量有機(jī)發(fā)泡劑分解時(shí)是放熱反應(yīng)，而無機(jī)發(fā)泡劑分解則是吸熱反應(yīng)。放熱可以提高發(fā)泡時(shí)原料的溫度，而吸熱則正相反。為此，工業(yè)上必須作出相應(yīng)的措施，否則即會(huì)影響制品質(zhì)量，除非吸收或放出的熱量很小，才可以不計(jì)。,（4）發(fā)泡劑分解的抑制和促進(jìn)任何化學(xué)發(fā)泡劑都是在一定的溫度下進(jìn)行熱分解而產(chǎn)生氣體的。但是，可以借助于某些助劑來調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量，并控制它的分解溫度和分解速率。例如磺酰肼系發(fā)泡劑，可借助于磷酸酯系、苯二甲酸酯系增強(qiáng)劑來控制其分解速率；又如偶氮甲酰胺的分解溫度較高，?？捎谄渲屑尤脬U、鋅等鹽類來降低其分解溫度。（5）發(fā)泡效率有機(jī)發(fā)泡劑分解出的氮?dú)獗葻o機(jī)發(fā)泡劑分解出的二氧化碳?xì)怏w發(fā)泡效率高，這是因?yàn)槎趸紝?duì)塑料泡壁的擴(kuò)散速度比氮?dú)飧?，所以二氧化碳?xì)怏w的發(fā)泡效率低，制造低比重的泡沫塑料是比較困難的。（6）發(fā)泡劑的并用當(dāng)有機(jī)與無機(jī)發(fā)泡劑并用時(shí)較單獨(dú)使用有機(jī)或無機(jī)發(fā)泡劑能顯示較好的效果。,二、聚氯乙烯泡沫塑料的生產(chǎn),1.軟質(zhì)聚氯乙烯泡沫塑料,（1）擠出法一種是將原料在低于發(fā)泡劑分解溫度的料筒內(nèi)塑化并擠出一定形狀的中間產(chǎn)品，再在擠出機(jī)外生溫發(fā)泡，低密度制品。L/D=15，=1:3，料溫140，料筒溫度125140，烘室溫度175205，時(shí)間510min。另一種采用含有低溫發(fā)泡劑的原料，發(fā)泡在料筒內(nèi)進(jìn)行，脫離口模的擠出物在冷卻后進(jìn)行冷卻成制品。密度高。L/D=16，=1.53，料溫180190，料筒溫度145190，烘室溫度175205，時(shí)間510min。口模應(yīng)比料溫低2530。,（2）注射法只限于高密度的低發(fā)泡物。與一般注射不同的是：每次注射量要相等，每次注射的料的體積要比型腔小，在型腔充滿后，模內(nèi)壓力只有尋常注射模塑的10%20%。一般用較高的注射速率。（3）壓延法壓延制品主要是人造革。,（4）壓制法包括配料制糊、裝料入模并使模內(nèi)的糊料在加壓和加熱的情況下發(fā)泡和塑化、冷卻。脫出泡沫物、在適當(dāng)溫度下使泡沫構(gòu)進(jìn)一步膨脹成為制品。按照上列積序制造的成品都是閉孔型的。如果要制品成為開孔型的，則可將模具改為敞開式的，也就是發(fā)泡和烘熔均在烘室中不加壓的情況下進(jìn)行。生產(chǎn)中，各種條件的確定都是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其大致范圍是：發(fā)泡和烘熔的溫度是120180，時(shí)間是1030分鐘，施加壓力時(shí)所用的壓力約為300公斤厘米2。后烘的溫度為100175，時(shí)間約為20分鐘。,2.硬質(zhì)聚氯乙烯泡沫塑料,三、聚烯烴交聯(lián)泡沫塑料的生產(chǎn),用化學(xué)發(fā)泡法生產(chǎn)聚烯烴泡沫塑料制品都采用模壓法，具體實(shí)行時(shí)又有一步法和二步法兩種。生產(chǎn)密度高的用一步法，低的用二步法。現(xiàn)以高壓聚乙烯的制品生產(chǎn)為例說明如下。模壓發(fā)泡一步法的簡(jiǎn)單生產(chǎn)流程如下：,高壓聚乙烯常用過氧化二異丙苯作交聯(lián)劑，偶氮二甲酰胺為發(fā)泡劑。生產(chǎn)時(shí)，先按配方配齊原料，而后在二相機(jī)上進(jìn)行混煉，混煉溫度應(yīng)在樹脂熔點(diǎn)以上，但卻須保持在交聯(lián)劑和發(fā)泡劑分解溫度以下，以防過早交聯(lián)和發(fā)泡致使以后發(fā)泡不足或降低制品的質(zhì)量。經(jīng)過充分混煉的料片裁切后即加入模具并放進(jìn)壓機(jī)，在加熱加壓下，交聯(lián)劑分解使樹脂交聯(lián)，隨之再進(jìn)一步提高溫度使發(fā)泡劑分解而發(fā)泡。一般控制壓力為5010公斤厘米2。發(fā)泡劑分解完畢后，卸壓使熱的熔融物料膨脹彈出而完成發(fā)泡。,三、聚氨酯泡沫塑料的生產(chǎn),聚氨酯泡沫塑料可以做成軟質(zhì)、半硬質(zhì)和硬質(zhì)的，這主要由反應(yīng)后生成的聚氨酯大分子的結(jié)構(gòu)來決定的。1.原料（1）二異氰酸酯類采用最多的是TDI（甲苯二異氰酸酯），有2、4和2、6兩種同分異構(gòu)體，前者活性大，常用兩種異構(gòu)體的混合物。80/20。異構(gòu)比愈高，化學(xué)反應(yīng)愈快。易形成閉孔泡沫結(jié)構(gòu)；異構(gòu)比愈低，化學(xué)反應(yīng)愈慢。易形成開孔泡沫結(jié)構(gòu)。（2）聚酯或聚醚一般有二元羧酸和多元醇制成。制造軟泡沫塑料的都是線型或帶支鏈的結(jié)構(gòu)，相對(duì)分子量為20004000