泡沫塑料的成型.ppt

第四章泡沫塑料的成型FoamedPlastics 4 1概述4 2泡沫塑料的发泡方法及原理4 3泡沫塑料的成型工艺 4 1概述 泡沫塑料是以树脂为基础内部具有无数微孔性气体的塑料制品 又称为多孔性塑料 由于气孔的存在 它具有密度低 10 500Kg m3 隔音 隔热 防震等特点 广泛用于包装 防震 漂浮 运动 过滤材料 泡沫塑料的结构与特性 泡沫塑料是以合成树脂为基体 加入发泡剂及其它添加剂 经发泡作用形成的一种具有细孔梅绵状结构的物质 一般气泡的直径在50 500 m之间 气泡膜厚度在l 10 m之间 在lcm3泡沫塑料中有800 8000万个气泡 Structureofexpandedpolystyrene microscope Styroporbeica 200fachmitPolfilter Ausschnittca 500 mx500 m 泡沫塑料因其密度和结构的不同 性能也有所差异 从包装的角度来看 泡沫塑料一般具有以下特性 1 密度很小 一般在0 02 o 2g cm3之间 因此重量很轻 原料消耗少 既减少包装重量 降低运输费用 成本也不高 2 具有极好的冲击吸收性能 防震效果极好 能有效地保护被包装物品 3 机械性能好 有较好的抗压强度和回弹性能 特别是它可根据被包装物品的重量等要求来选择性能不同的泡沫塑料 4 化学稳定性好 对酸 碱 盐等化学药品均有较强的抗力 自身pH值处于中性 不会腐蚀包装物品 5 加工性能优良 既可以制成不同密度的软质和硬质泡沫塑料 又可以按包装物品的外形 尺寸模压成各种包装容器 还可以把泡沫板 块 材用多种粘合剂粘接 制成各种缓冲结构材料 6 有很好的耐水性和很低的吸湿性 即使在较湿的情况下也不会出现变形和毁体 影响其吸收外力的能力 7 对温度的变化有相当好的稳定性 完全可以满足一般正常包装的要求 8 由于泡沫塑料中含有大量微小气泡 故绝热性能优良 可作绝热材料 也可用于绝热包装 泡沫塑料的分类 软质泡沫塑料 弹性模量E700MPa半硬质泡沫塑料 70MPa E 700MPa 1 按软硬程度分 即机械强度分 2 按泡孔结构分 开孔泡沫塑料 opencell 泡孔之间相互连通 相互通气 气体和聚合物互为连续相闭孔泡沫塑料 closedcell 泡孔孤立存在 相互不连通 气泡完整无破碎 低发泡泡沫塑料 密度小于0 1g cm3气体 固体发泡倍率9 0 3 按制品密度分 此外 还有结构泡沫塑料Structurefoam和组合性泡沫塑料Integralfoamm之称 前者具有不发泡或少发泡的皮层 常见泡沫塑料分类 4 2泡沫塑料的发泡方法及原理 一 泡沫塑料的发泡方法 一 物理发泡法1 惰性气体发泡法利用氮气 二氧化碳等无色无臭 化学活性较弱 很难与其它元素化合的惰性气体 在较高压力下 使其溶于熔融状态聚合物或糊状复合物中 而后在减压下使溶解气体释放出而发泡 2 低沸点的液体发泡法低沸点液体在高压下 压入熔态聚合物中 或掺入聚合物颗粒中 而后再减压或加热 使其在聚合物中汽化和发泡 目前作为发泡剂使用的低沸点液体有 脂肪族碳氢化合物如丙烷 丁烷等 含氯和含氟的脂肪族的碳氢化合物如一氯甲烷 二氯甲烷 三氯氟甲烷 氟里昂 等对大气臭氧层破坏 目前已限制使用 它们的沸点大都在100 以下 常用作为发泡剂的低沸点液体 3 固态空心球先将微型 D 20 250 m 壁厚2 3 m 的空心玻璃球 空心陶瓷微球或空心塑料 例如酚醛树脂 微球埋入熔融的聚合物或液态的热固性树脂中 而后使其通过冷却或者交联作用而成为泡沫体 物理发泡法的优点 操作中毒性小 发泡剂的原料成本低 没有发泡剂留下的残渣 因而对泡沫塑料性能无严重影响 物理发泡法的缺点 某些过程所用设备投资较大 工业上常用的是惰性气体发泡法和低沸点的液体发泡法 二 化学发泡法 用于发泡的气体是由混合原料中的某些组分在成型过程中通过化学作用产生的 1 化学发泡剂发泡法发泡气体是由特意加入的热分解物质 称为化学发泡剂 在受热时产生的 这种方法的特点是 所用设备通常都不很特殊和复杂 且适用于大部分热塑性塑料的发泡 因此应用广泛 a 逸出气体的温度范围应比较狭窄而固定 b 逸出气体的速率应能控制 而且不受压力的影响和相当快的速率 c 逸出的气体没有腐蚀性 最好是氮气 其次是二氧化碳 d 发泡剂应能均匀地分散在原料中 e 发泡剂和其分解后的残余物不应有毒性 并且对塑料的熔融和硬化都无影响 f 发泡剂在分解时不应大量放热 g 价格便宜 运输和储藏中稳定 h 分解的残余物应无色 无味 无毒 应能与塑料混溶 并且对制品性能无影响 发泡剂应具备求要求 目前工业上常用的发泡剂 无机发泡剂常用的有碱金属的碳酸盐和碳酸氢盐 如 碳酸铵和碳酸氢钠等 它们的优点是价廉 不会降低塑料的耐热性 因为对聚合物无增塑作用 它们的缺点是不能与塑料混溶 很难在塑料中均匀分布 并且分解气体的速率严重受压力的影响 有机发泡剂常用的是一些加热后分解放出氮气一些物质 如 偶氮二甲酰氨 AC 偶氮二异丁腈等 氮气的化学行为比较迟钝 它对大多数聚合物的渗透性比氧气 二氧化碳 氨气都要小 在有机聚合物中有较大的分散性 但是 绝大多数发泡剂都是易燃和可能发生爆炸的物质 甚至还可能放出有毒气体 因此必须保存于阴冷 干燥 通风好的场所 几种优良发泡剂的性能 2 发泡组分间相互作用析出气体发泡法 发泡气体是形成聚合物的组分相互作用所产生的副产物 或者是形成聚合物的组分与其它物质作用的生成物 工业上用这种方法生产的主要有聚氨基甲酸酯泡沫塑料 它是由异氰酸酯与聚酯或聚醚反应所析出的二氧化碳 还有用苯酚与甲醛缩聚反应所生成的水泡来制造酚醛泡沫塑料 它是用强烈的搅拌使空气卷入树脂的溶液 乳液或悬浮体中 使其形成均匀的泡沫物 而后再通过物理和化学变化使其稳定 而成为泡沫塑料 为缩短时间 可同时通入空气和加入乳化剂或表面活性剂 用这种方法生产的有软PVC和脲甲醛泡沫塑料等 3 机械发泡法 二 泡沫塑料的发泡原理 气发泡沫塑料的形成 是把气体溶解在液态聚合物中形成饱和溶液 然后通过成核作用生产泡沫 其泡沫的形成大体上分三个阶段 泡沫的形成 泡沫的增长 泡沫的稳定 当气体在溶液中达饱和限度而形成过饱和溶液时 气体又从溶液中逸出形成气泡 形成气泡的过程就是成核作用 这时 除聚合物液相外 产生了新相 气相 分散在聚合物中 成为泡沫 如果同时还存在很小的固体粒子或很小的气泡 即所谓的第二分散相 就会有利于这一过程的形成 这种加入第二相的物质叫做 成核剂 一 泡沫的形成 气泡形成之后 由于气泡内气体压力与半径成反比 气泡越小 内部的压力越大 当两个大小不同的气泡接近时 由于气体从小气泡扩散到大气泡 造成气泡合并 通过成核剂的作用增加了气泡的数量 加上气泡的膨胀扩大了泡孔的直径 从而泡沫得到增长 促使气泡增长的因素 溶解气体的增加 温度的升高 气体的膨胀 气泡的合并 阻碍气泡增长的因素 表面张力和塑料的黏度 降低塑料熔体的表面张力和黏度对泡沫增长有利 但是如果熔体的黏度过低 会使泡孔壁膜减薄 使泡孔易破裂 二 泡沫的增长 泡沫物是热力学不稳定体 它不会持续很长时间 所以必须保证泡沫稳定 稳定泡沫的方法 一是利用表面活性剂 以降低其表面张力 有利于形成细泡 减少气体的扩散作用 使泡孔稳定 二是提高塑料熔体的黏度 防止泡壁进一步减薄来稳定泡沫 在发泡过程中 通过对物料的冷却或塑料的交联作用 都能提高塑料的熔体黏度 三 泡沫的稳定 4 3泡沫塑料的成型方法简介 聚苯乙烯泡沫塑料的成型聚氯乙烯泡沫塑料聚乙烯泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料 一 聚苯乙烯泡沫塑料的成型 聚苯乙烯泡沫塑料具有吸水性小 隔音 保湿 介电性优良等特点 密度在0 015 0 02g cm3用于包装材料 密度为0 02 0 05g cm3用于防水隔热材料 密度为0 03 0 10g cm3用于救生圈漂浮材料 聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板 钢丝网架聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板 冷库墙体保温 包装材料 建筑物的外墙保温 装璜造型 管道保温 聚苯乙烯泡沫塑料的成型方法很多 主要有模压法 可发性珠粒法和挤出发泡法 模压法是采用乳液法聚苯乙烯和热分解型发泡刑制得 是早期使用的方法 现在用的很少 目前大且使用的是可发性珠粒法和挤出发泡法 一 挤出发泡法 将粒状PS树脂送入挤出机中熔化 用高压加料器将液体发泡剂 二氯甲烷或氯甲烷 注入挤出机的熔化段 树脂与发泡剂经挤出螺杆转动而混合均匀 然后由口模挤出 发泡剂在减压下汽化 致使挤出物发泡而膨胀 最后经缓慢冷却与切割 即获得泡沫塑料产品如板 棒 管以及异型产品 此法缺点是需要设置昂贵的高压加料设备 泡孔大小较难控制 制品仅限挤出型材 因此在工业上应用较少 二 可发性聚苯乙烯泡沫塑料 EPS Polystyrene smostcommonuseisasexpandedpolystyrene EPS Expandedpolystyreneisproducedfromamixtureofabout90 95 polystyreneand5 10 gaseousblowingagent mostcommonlypentaneorcarbondioxide 可发性聚苯乙烯珠粒的制造 1 EPS珠粒的制造一步法 苯乙烯 引发剂和发泡剂一起加入反应釜聚合一步半法 苯乙烯聚合到形成特性珠粒时加入发泡剂继续聚合两步法 先合成PS珠粒 再加入发泡剂加热使其渗入珠粒中 冷却 浸渍工艺参数 体系内压力不超过0 98MPa 料温80 90 恒温4 12小时 由颗粒大小决定 降温至40 以下出料 冷却后用自来水清洗 吹干 注意 不要烘干 设备简陋的厂也可以常温常压浸渍 所需时间长 发泡剂挥发量大 EPS珠粒要求 发泡剂含量约为6 5 5 7 5 表观密度0 68g cm3 颗粒的直径范围0 25 2mm 制造密度偏小的泡沫塑料制品时 宜用直径偏大的珠粒 注意可发性聚苯乙烯珠粒储存时 一定要密封包装 低温储存 2 EPS制品的制备 使用可发性PS粒料制造泡沫制品的生产过程 通常分为预发泡 熟化与模塑三道工序 预发泡 作用 是凭加热使可发性珠粒膨胀到一定程度 这样可以使模塑制品密度更低 并且减小密度梯度 使发泡制品均匀 预发泡方法 水蒸气 热水 热空气和红外线 水蒸气常用 预发泡过程中严格控制加热温度和时间 使可发性珠粒软化呈高弹态 但不要熔化 使珠粒有足够的强度以与内部总压力平衡 避免预发泡粒子破裂 一般温度控制在80 100 在机桶内停留2 4分钟 发泡倍数约20倍 对预胀物要求 表观密度0 012g cm3 即 12 16g L 泡孔直径80 150 m 泡孔频数为55个 cm3 密度低于0 012g cm3时 泡孔易破裂 预发泡有间歇与连续两种方法 加热设备为红外线灯 水浴或蒸汽加热器 实际在工业上 大多采用连续法 其主要设备是连续蒸汽预发泡机 如图所示 1 旋转搅拌器2 固定搅拌器3 螺旋进料器4 加料斗5 出料口6 鼓风机 熟化经预发泡的粒料 需要贮存一段时间 吸收空气进行熟化 以防止成型后收缩 熟化通常在大型料仓或开口容器中进行 熟化温度22 26 熟化时间根据容重要求 珠粒形状及空气条件而定 一般为8 10h 成型常用方法是蒸汽加热模压法与挤出法 1 蒸汽加热模压法按加热方式又分为蒸缸发泡与液压机直接蒸汽发泡两种 蒸缸发泡法适宜生产小型 薄壁与形状复杂的制品 即将预胀物填满模具后放入蒸缸中 然后通蒸汽加热成型 蒸汽压力与加热时间视制品大小与厚度而定 一般为0 05 0 10MPa 10 50min 预胀物受热软化 经膨胀互相熔接而成整体 冷却与脱模即得泡沫塑料产品 此法所用模具简单 但操作劳动强度大 难于实现机械化与自动化生产 液压机蒸汽发泡法适宜生产厚度大的制品如泡沫板 用气送法将粒料加入液压机的模具中 模具开有若干个0 1 0 4mm的通汽孔 或槽 它们不会被颗粒堵塞 当模腔装满预胀物后 直接通入0 1 0 2MPa蒸汽 赶走珠粒间的空气并使料温升至110 左右 模内预胀物膨胀并粘接成整体 然后关闭蒸汽 保持一定时间 1 2min 通水冷却并脱模 容重小与壁薄的制件 冷却时间短 容重大与壁厚的制件 冷却时间长 此法优点是塑化时间短 冷却定型快 珠粒熔接良好 质量稳定 生产效率高 能实施自动化生产 模塑发泡设备及制品 EPS挤出成型 适宜生产泡沫片材与薄膜 由于可发性PS珠粒在挤出机料筒内受热塑化容易被压实 制品密度常偏高 为降低制品密度 可加入适量柠檬酸 或硼酸 与碳酸氢钠 这些物质受热产生不溶于PS树脂的气体 在压力下均匀分散在熔融树脂中 当挤出物离开口模卸压后 产生的气体立即气化膨胀形成很多泡孔 此时树脂中发泡剂的分解气体便进入这些泡孔 使泡孔继续膨胀 这样 经挤出吹塑便制得细密而均匀的泡沫塑料片材或薄膜 通常使用单螺杆挤出机 长径比为18 20 压缩比为2 4 压缩比小 发泡剂在螺杆内受压不足 使挤出物中存有较大泡孔 压缩比大 物料对气体的后推力增大 气体易从料斗逸出 螺杆与料筒的间隙宜小 螺杆头部呈鱼雷状 以利提高混合效率并防止料流脉动 机头口模应有一定压差 以防物料在模内发泡 挤出物离开口模立即发泡 且泡孔均匀地双向膨胀 此时发泡剂气化吸热 致使树脂冷却 泡壁便有一定张力 从而有助防止气泡并孔 吹塑时 吹胀比为3 6 并应较快牵引 使挤出物在张力下冷却 大分子沿牵伸方向定向 使制品物理性能增高 为此应严格控制牵伸温度 牵伸速度与冷却速度 二 聚乙烯泡沫塑料 聚乙烯泡沫塑料密度小 低温性能和抗化学腐蚀性能良好 并且具有一定的物理力学强度 因此可用于日用制品 精密仪器包装材料 保暖材料 水上漂浮材料以及代替天然木材等方面 应用面很广 发展也很迅速 一 聚乙烯发泡的特点 1 聚烯烃结晶度高 在未达到结晶熔融温度以前 树脂几乎不能流动 而达到熔融温度 整个聚合物的熔融黏度急剧下降 使发泡过程中产生的气泡很难保持2 PE结晶度高结晶快 从熔融态到晶态时放出大量的结晶热 熔融聚烯烃的比热容较大 从熔融态冷却到固态需时间较长 使发泡的气体逃逸的机会增多 3 聚烯烃塑料的透气性大 使发泡的气体难保持 为了改善聚烯烃类塑料的发泡缺陷 常采用树脂分子间交联的方法调节熔融物的粘弹性 使之达到发泡所需的条件 并提高泡沫塑料的物理机械性能 二 聚烯烃的交联 交联方法有物理交联和化学交联 而物理交联常用的是辐射交联 由于辐射交联需要很昂贵的设备 特殊产品如薄的发泡制品 细径电缆生产时有应用 一般的采用化学交联 加入助交联剂 如 马来酰亚胺 顺丁烯二酸酐 1 2 聚丁二烯等含有双键和过氧键的化合物 可以提高过氧化物的交联效率 可以提高交联度 使泡沫均匀 坚固 助交联剂 交联剂都含有氧 氧键 如 过氧化二异丙苯 DCP 等 它的键能小 不稳定 在热和光作用下容易分解生成游离基 从而引发聚乙烯主链上某些碳原子产生活性 而后两个大分子游离基相互结合产生c c交联键 三 聚乙烯泡沫塑料的成型 PE发泡片材生产线 PE物理发泡法挤出 PE物理发泡挤出网及设备 注射法PE结构泡沫塑料 结构发泡材料是指密度在10 60kg cm之间的发泡材料 制品表面呈封闭的致密层 芯部呈微孔泡沫结构 厚度在5mm以上 低压结构发泡注射 模腔压力2 7MPa 普通注射模腔压力30 60MPa 高压结构发泡注射 模腔压力7 15MPa 多工位结构发泡注射机 多组分结构发泡注射机 多组分结构发泡注射机局部 模压法生产PE发泡塑料工艺 配方 仅供参考 工艺流程1 LDPE EVA混合2 两辊塑炼加AC 三碱式硫酸铅混合粗炼3 再加入交联剂精炼4 拉片5 模压交联6 开模发泡 工艺控制 混合在室温下进行 混炼温度在树脂的熔点以上 交联剂和发泡剂的分解温度以下 110 120 混炼好后 按模具大小出片 厚度1mm左右 按质量称量 裁切后 放入模压模具 加热 160 左右 加压 7 12 10 78MPa 6 8min 交联剂交联 后发泡剂分解 待发泡剂完全分解后 解除压机的压力开模 使热的物料膨胀弹出 在2 3秒内完成发泡 在发泡过程中特别要注意物料的粘弹性 如果粘弹性太低 如遇微小的机械阻力 就会导致泡沫塑料的龟裂 在生产中 有用开模前适当降低物料的温度 使其粘弹性提高 再开模的办法 所以一步法所得泡沫塑料的发泡倍率不高 一般在3 15倍 而两步法可得发泡倍率为30倍的PE泡沫塑料 二 聚氯乙烯泡沫塑料的生产 聚氯乙烯泡沫塑料按其配方和成型方法不同可制成为软质和硬质两种 软质泡沫塑料在配制时加入较多的增塑剂 成型后具有一定的柔软性 而硬质聚氯乙烯泡沫塑料在配制时加入溶剂将树脂溶解 成型过程中溶剂受热挥发而成为质地坚硬的泡沫制品 原材料 树脂制取泡沫塑料宜选用成糊性的乳液树脂 因其粒度细容易成糊而且带有表面活性剂 对成泡有利 增塑剂为制取具有柔曲性和伸缩性的软质聚氯乙烯泡沫 需要添加大量的增塑剂 发泡剂发泡剂的分解温度一般不能高于糊塑料的胶凝温度 否则就不能生产密度较小的泡沫塑料 稳定剂这是为了防止聚氯乙烯的热分解而加入的一种助剂 其它组分根据制品性能的需要还可加入润滑剂 填料 颜料等其它组分 生产方法硬质聚氯乙烯泡沫塑料 主要采用压制成型 软质聚氯乙烯泡沫塑料可采用压制 挤出 注射和压延等方法成型 压制法压制法包括配料制糊 装料入模并使模内的糊料在加压和加热的情况 厂发泡和塑化 冷却 脱出泡沫物 以及在适当温度下使泡沫物进一步膨胀而成为制品等过程 挤出法现在通行的挤出工艺有两种 一种是将原料在低于发泡剂分解温度的料筒内塑化并挤成具有一定形状的中间产品 而后再在挤出机外升温发泡使其成为制品 所得制品大多是低密度的泡沫塑料制品 另一种工艺是采用含有低温发泡剂的原料以便发泡在料筒内进行 而使挤离口模的挤出物在冷却后立即成为制品 这种制品的密度通常都比用前法制成的高 注射法注射法的制品现在尚只限于高密度的 俗称低发泡制品 注射设备通常均以移动螺杆式的为主 注射工艺大体上与一般注射相同 塑料的升温 混合 塑化和发泡 多于50 都在注射机内进行 压延法压延制品主要是人造革 四 聚氨酯泡沫塑料 是以多元醇 聚醚或聚酯型 和二异氰酸酯为原料 加入催化剂 交链催化剂和发泡催化剂 发泡剂 化学发泡剂和外发泡剂 泡沫稳定剂 表面活性剂 经过混合搅拌后发泡 熟化而成 主要发泡气体为异氰酸酯与水反应形成二氧化碳 根据原料不同和配方不同分软质 半硬质和硬质泡沫塑料 生产软质泡沫塑料聚醚或聚酯都是线型的或稍带支链的长链分子 每个大分子带有2 3个羟基 相对分子质量为2000 4000 生产硬质泡沫塑料的聚醚或聚酯相对分子质量较小 具有支链结构 官能度3 8之间 聚酯型聚氨酯泡沫塑料性能优良 价格高 聚醚型价格低 普遍应用 软质的主要用于家具衬垫 车用垫材 地毯低衬 建筑吸声 体育垫 床垫和仪器包装等 硬质用于冰箱 冷库等隔热保温 石油管道等的隔热 按发泡方法分类有 块状 模塑和喷涂聚氨酯泡沫塑料 聚氨酯发泡工艺1 一