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第三单元 塑料的成型与加工,知识点十二 发泡成型,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),1 概述 一、泡沫塑料的分类 二、泡沫塑料的结构与特性 三、发泡方法和发泡原理2 物理发泡（聚苯乙烯泡沫塑料）3 化学发泡 一、聚氯乙烯（PVC)泡沫塑料 二、PE泡沫塑料 三、聚氨酯泡沫塑料,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),知识点十二 发泡成型,1 概述,泡沫塑料 是整体内含有无数微孔的塑料，它是以塑料构成连续相并以气体作为分散相的两相体系。采用不同的树脂和发泡方法，可制得性能各异的泡沫塑料。泡沫塑料由于气相的存在，因而具有密度低、隔热保温、吸音、防震等优点。大部分热塑性和热固性塑料都能制成泡沫塑料。目前工业广泛应用的是聚乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯等做基材的热塑性树脂泡沫塑料，热固性树脂泡沫塑料亦有一定产量，但柔软性差，主要用作要求强度较高和阻燃性好的泡沫塑料制品。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),一、泡沫塑料的分类,1、按泡孔结构分开孔泡沫塑料(open cell)：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(closed cell):泡孔孤立存在，相互不连通，气泡完整无破碎2、按硬度分软质泡沫塑料：弹性模量E 700MPa半硬质泡沫塑料:70MPa E700MPa,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),3、按制品密度分低发泡泡沫塑料：密度小于0.1gcm3 气体固体发泡倍率9.0,此外，还有结构泡沫塑料和组合性泡沫塑料之称，前者具有不发泡或少发泡的皮层和发泡的芯层，后者则是把微小的中空玻璃、陶瓷微球加入已含固化剂的树脂中，然后固化成型制得。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),二、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50500m之间，气泡膜厚度在l10m之间，在lcm3泡沫塑料中有8008000万个气泡。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),二、泡沫塑料的结构与特性,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0.02o.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。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),二、泡沫塑料的结构与特性,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。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),1、发泡剂 Foam blowing agent用作微孔泡沫塑料生产的发泡剂，一般可分成物理型和化学型两类，这是按气体的产生是物理过程(即挥发或升华)，还是化学过程(即化学结构的破坏或其它化学反应)来划分：物理发泡剂：物理发泡剂一般是能溶于于聚合物母体的低沸点液体或气体。当增加体系的温度和(或)降低体系的压力时，使物理发泡剂沸腾，从而发挥它们的发泡作用。聚合物系统的化学性质和变形特性决定了可以采用的物理发抱剂的类型。化学发泡剂：在热固性材料中，化学发泡作用常常通过链增长和交联反应形成挥发性副产物而实现，如在聚氨酯、酚醛塑料和氨基塑料中。相反，对于热塑性塑料，化学发泡是借助于相容的或很细的分散的化学物质，在高于聚合物配料温度，但又在加工温度范围内的相当窄的温度范围内，按所要求的速率分解而完成的。,三、发泡方法和发泡原理,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),理想的分解型发泡剂应具有以下性能：发泡剂分解温度范围应比较狭窄稳定；释放气体的速率必须能控制并且应合理地快速放出的气体应无毒、无腐蚀性和具有难燃性发泡剂分解时不应大量放热 发泡剂在树脂中具有良好的分散性 价廉，在运输和贮藏中稳定 发泡剂及其分解残余物应无色、对发泡聚合物的物理和化学性能无影响 发泡剂分解时的发气量应较大。,三、发泡方法和发泡原理,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),2、发泡方法(一)物理发泡法 是指利用物理原理发泡的方法，包括以下三种：在加压下把惰性气体压入熔融聚合物或糊状复合物中，然后降低压力，升高温度，使溶解的气体释放膨胀而发泡。目前聚氯乙烤和聚乙烯泡沫塑科等有用这种方法生产的。优点是气体在发泡后不会留下残渣，不影响泡沫塑料的性能和使用。缺点是需要高的压力和比较复杂的高压设备。利用低沸点液体蒸发气化而发泡。把低沸点液体压入聚合物中或在一定的压力、温度下，使液体溶入聚合物颗粒中，然后将聚合物加热软化，液体也随之蒸发气化而发泡，此法又称为可发性珠粒法。目前采用该法生产的有聚苯乙烯泡沫塑料和交联聚乙烯泡沫塑料。作发泡剂用的低沸点液体有：脂肪族烃类(丁烷、戊烷等)。含氯脂肪族烃类(如二氯甲烷)和含氟脂肪族烃类(如F11，F12，F114等)。此外，脂环烃类、芳香烃类、醇类、醚类、酮类和醛类等也可使用。,三、发泡方法和发泡原理,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),2、发泡方法(一)物理发泡法 引入气体的物理方法还有溶出法、中空微球法等。溶出法是将可溶性物质如食盐、淀粉等和树脂混合，成型为制品后，再将制品放在水中反复处理，把可溶性物质溶出，即得到开孔型泡沫制品，多用作过滤材料。中空微球法是将熔化温度很高的空心玻璃微珠与塑料熔体相混，在玻璃微珠不致破碎的成型条件下，可制得特殊的闭孔型泡沫塑料。,三、发泡方法和发泡原理,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),（二）化学发泡法发泡气体是由混合原料中的某些组分在成型过程中发生的化学作用而产生的。包括以下两种。（)发泡气体是由加入的热分解型发泡剂受热分解而产生的，这种发泡剂称为化学发泡剂。常见的有碳酸氯钠、碳酸铵、偶氮二甲酰胺(俗称A发泡刑)、偶组二异丁腊和N，N二甲基N，N二亚硝基对苯二甲酰胺等。化学发泡剂的分解温度和发气量，决定其在某一塑料中的应用。（）发泡组分间相互作用产生气体的化学发泡法。此法是利用发泡体系中的两个或多个组分之间发生化学反应，生成惰性气体(如二氧化碳或氮气)而使聚合物膨胀发泡。发泡过程中为控制聚合反应和发泡反应平衡进行，保证制品有较好的质量，尚需加入少量催化剂和泡沫稳定列(或称表面活性剂)。聚氨酯泡沫塑料常用此法生产。,三、发泡方法和发泡原理,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),(三)机械发泡法此法是采用强烈地机械搅拌使空气卷入树脂乳液、悬浮液或溶液中成为均匀的泡沫体，然后再经过物理或化学变化使之胶凝，固化成为泡沫塑科。为缩短时间可通入空气和加入乳化剂或表面活性剂。常用该法生产的有脲醛树脂、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶等泡沫塑料。,三、发泡方法和发泡原理,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),3、发泡原理（1）泡沫的形成：气体在溶液 中过饱和逸出成核。加入成核剂有利于提高泡沫生成速度，提高泡孔细度。如PU发泡通入少量空气泡，PE发泡加入少量填料。（2）泡孔增长：增加溶解气体量和升高温度使气体膨胀，有利于促进泡沫生长。（3）泡沫的稳定：稳定有两个途径，一是加入表面活性剂降低界面张力，二是提高树脂黏度，如冷却和交联。,三、发泡方法和发泡原理,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),2 物理发泡,本节主要以PS为主进行介绍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剂制得，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。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚苯乙烯泡沫塑料,聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板,聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板是以上下两层彩色钢板为表层，阻燃型聚苯乙烯泡沫塑料为芯层，用粘合剂压制而成的一种新型复合建筑板材，广泛应用于建筑物的墙体、屋面、装饰及组合冷库等。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚苯乙烯泡沫塑料,钢丝网架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是以阻燃型聚苯乙烯泡沫板为芯材，两侧配以2冷拔钢丝网片，插丝斜向交叉焊接而成，可以替代砖墙，用于内外墙、楼板、阳台、楼梯及屋面板，尤其适宜于框架结构的填充墙和楼房加层。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚苯乙烯泡沫塑料,冷库墙体保温,聚苯乙烯泡沫塑料具有闭孔结构，吸水性很小，耐低温性好，耐溶冻性好，因此广泛用于制冷设备和冷藏设备中，如冷冻机、冷风机、冷风管道、冷冻车间、冷藏车、冷藏库、冷藏船舱等等。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚苯乙烯泡沫塑料,包装材料,聚苯乙烯泡沫塑料具有重量轻、无毒，有一定弹性，可以模具成型，价格便宜的优点，因此被广泛用于各种精密仪器、仪表、贵重物品、水产品、水果等的包装。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚苯乙烯泡沫塑料,建筑物的外墙保温,建筑物外墙保温，由阻燃聚苯乙烯泡沫板材，胶粘剂及罩面材料组成，可以起到保温节能作用。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚苯乙烯泡沫塑料,装璜造型,聚苯乙烯泡沫塑料质轻、极易进行切割、雕刻、粘结制成各种复杂开头的模型。广泛用于展览、商店的装璜、造型材料、也可用来制作各种教学模型。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚苯乙烯泡沫塑料,管道保温,聚苯乙烯泡沫塑料无毒、无腐蚀性、吸水性小、体轻、保温、模具成型、搞酸碱腐蚀，可用于各种用途的管道保温。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚苯乙烯泡沫塑料,管道保温,聚苯乙烯泡沫塑料无毒、无腐蚀性、吸水性小、体轻、保温、模具成型、搞酸碱腐蚀，可用于各种用途的管道保温。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),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。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),3 化学发泡,一、聚氯乙烯（PVC)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。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),PVC泡沫塑料,聚氯乙烯注塑发泡凉鞋 PVC发泡凉鞋，是以聚氯乙烯树脂为主，加入适量的添加剂，经捏合造粒、注塑成型制得。发泡凉鞋的特点是鞋底发泡，中间部位为松软的泡沫层，大底表面为不发泡硬层，因而底部较全塑凉鞋柔软而富有弹性。注塑发泡凉鞋的鞋帮虽不发泡，但鞋帮表面仍较粗糙，需采用特殊漆料进行喷涂，以美化装饰鞋帮表面。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),PVC泡沫塑料,生产工艺流程聚氯乙烯发泡凉鞋的生产工艺流程示意图如图所示。与聚氯乙烯全塑凉鞋生产流程相比有两点不同，即配料工序增加了发泡剂浆料的三辊研浆操作，此外，在注塑后不仅要整修，而且增加了喷漆上光操作，然后才成最终成品。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),PVC泡沫塑料,生产工艺发泡凉鞋生产工艺路线采用注塑成型，主要操作说明如下。（1）配制发泡鞋料采用捏合机进行混料捏合，先将树脂倒入捏合机内，然后依次加入稳定剂，填充剂、发泡剂、着色剂等助剂的浆液，最后加入增塑剂，开动捏合机冷搅10min后开始通蒸汽捏合，蒸汽压力0.295MPa，捏合时间约40min，此时料温约100110，停止给汽，继续搅拌10min，待料充分冷却后，即可出料。（2）塑化造粒采用挤出造粒机来进行塑化造粒，挤出造粒机温度控制，按加料段、压缩段和均化段依次分别为130、120、105。颗粒质量要求与聚氯乙烯全塑凉鞋基本相同。但一般下要求充分塑化，尤其不允许颗粒内部有发泡现象。为此，塑化造粒温度远低于聚氯乙烯全塑凉鞋的塑化造粒温度。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),PVC泡沫塑料,（3）注塑成型聚氯乙烯发泡凉鞋的注塑采用两次开模法，其目的是保证鞋底发泡而鞋帮不发泡，其操作特点是，当聚氯乙烯发泡鞋料熔融注入紧锁的模具后，马上进行第一次启模，也就是先限位启动凉鞋或拖鞋的大底模板，这时因鞋底大底盖的模板结构是活动的，并有限位槽给以拉制，太底盖虽可上下移动，但移动限制在一定范围（大尺码鞋限位空量有4毫米，小号码的鞋空量范围更小些）。当第一次启模时，鞋底的料在模腔内发泡，并将大底盖往上顶启4mm，这样使大底充分发泡。而这时两鞋帮模具是不开的，它们被两个勾于紧紧锁住，不允许有缝隙，以保证鞋帮不会发泡。大约23min后大底发泡定型后，可进行第二次开模，开模前先打开两鞋帮紧锁的勾子，取出鞋底发泡而两鞋帮不发泡的发泡凉鞋或拖鞋。帮带不发泡的目的是保证强度，鞋底发泡则为穿着舒适柔软。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),二、PE泡沫塑料,聚乙烯泡沫塑料具有密度低、耐低温及抗化学性能优良等优点，并具有一定的力学强度，可用作日用品、精密仪器的包装材料，保温材料和水上漂浮材料等。高发泡聚乙烯钙塑材料广泛用于建筑装饰，近年来聚乙烯泡沫塑料的用途日渐扩大，发展速度较快。（一）交联聚乙烯泡沫塑料成型原理聚乙烯是结晶聚合物，在结晶熔融温度以下几乎不流动，而在熔融温度以上其熔融粘度急剧下降，发泡过程中产生的气体很难包住。此外，聚乙烯从熔融态转变为结晶态耍放出大量的结晶热，而熔融聚乙烯的比热较大，因此从熔融状态转变到固体状态的时间比较长，加上聚乙烯的透气率较高，这样既使得发泡气体易于逃逸，适于发泡的温度范围较窄，因此聚乙烯泡沫塑料的研制工作较晚除挤出发泡制得无交联的高倍率发泡材料外，欲制得更高发泡倍效的泡沫塑料，必须在聚乙烯分子间进行交联，将熔融物料的粘性和弹性调节在一定范围内，使的物理力学性能显著提高。交联方法有化学交联和辐射交联。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),PE泡沫塑料,（二）丁烷发泡的高发泡聚乙烯（EPE）鉴于氟里昂破坏大气臭氧层，恶化了人类生存环境，联合国早在1987年就通过决议限制使用。我国泡沫塑料行业于1994年也制定了CFC替代物战略方案，因此寻找CFC类理想替代物刻不容缓，势在必行。目前主要开发以丁烷为发泡剂生产高发泡聚乙烯（EPE）的新工艺。EPE及其复合材料是近年发展概为迅速的一种包装材料，目前它已广泛用于家用电器、仪器仪表、工艺品、家具、鞋类等物品的包装。它不但具有PE薄膜的防潮、防尘的特点，还具有缓冲减震、抗磨损作用，深受用户的欢迎。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),PE泡沫塑料,生产工艺流程原料和助剂经真空加料器吸入挤出机料斗，然后经输送、熔融进入均化段，丁烷和抗缩剂分别用高压计量泵在均化段前加入。各种物料在均化段充分接触、混合，使助剂及丁烷均匀地分散在熔体中，而后通过过滤网经机头挤出、发泡、吹胀、冷却、定型、开口、展平、牵引、卷取得到制品。其工艺流程图见图。EPE生产工艺流程图,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),三、聚氨酯泡沫塑料,聚氨酯泡沫塑料是以多元异氰酸酯和多元醇为主要原料，加入催化剂、发泡剂和表面活性剂等，在充分混合下反应形成的轻质发泡材料。发泡气体有时也可以是由异氰酸酯和水反应生成的二氧化碳。聚氨酯泡沫塑料具有整体密度小，比强度高，导热系数低以及耐油、耐寒、防震和隔音性能好等优点，并且加工简单，容易制得。在日常生活和国民经济各部门中得到广泛应用，其产量在各种泡沫期料中名列前茅。聚氢酯泡沫照料按其生产原料不同可分为聚醚型和聚酯型；按制品的性能不同又可分为软质、半硬质和硬质泡沫塑料；按生产方法还可分为一步法和两步法(包括预聚法和半预聚法)。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚氨酯泡沫塑料,聚氨酯软质泡沫塑料多采用2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-甲苯二异氰酯酯为80:20(或65:35)的混合物以及聚丙二醇醚作原料。甲苯二异氰酸酯过量37，以保证产物有足够的交联。硬质泡沫塑料多用多亚甲基多苯基多异氰酸酯或粗品甲苯二异氰酸酯为原料，所用多元醇聚合物的分子量较低。聚氨酯泡沫塑料的生产工艺有预聚法、半预聚法和一步法三种。预聚法是将过量的异氰酸酯与多元醇聚合物先制成端异氰酸酯基的预聚物，然后再与扩链剂或其余的多元醇聚合物反应。半预聚法与预聚法类似，仅预聚物的反应程度较低。预聚法和半预聚法适用于小批量生产,一步法则用于大批量的连续发泡或模型发泡。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),聚氨酯泡沫塑料,注入发泡成型工艺影响因素较多，主耍有以下几方面。（1）物料混合原料的反应活性很高，反应液体在发泡机混合头内停留的时间应很短，一般不超过十几秒，因此要求设备有极高的混合效率。（2）成型温度成型中环境温度及原料温度均以2030为宜，并应稳定（波动不超过士1），温度高低直接影响化学反应速度的快慢。模具温度则控制在4060。温度低，发泡倍数小，表皮厚，温度高则相反。（3）熟化温度和时间原料在注入模具内发泡后，应在脱模前把制品与模具一起在较高的温度环境中进行熟化，以使化学反应进行完全，熟化的温度一般为60100，温度越高，熟化时间越短。,高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料),
