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超微孔泡沫塑料成型技术

发布时间:2022/8/20
           超微孔泡沫塑料成型技术
  超微孔泡沫塑料是一种新型的高分子材料,是今后世界材料工业研究开发热点之一。超微孔技术是由美国麻省理工学院于1979年发明的,此后许多研究者都进行了研究,使该项技术得到了不断的发展,但目前的研究开发仍处在实验室阶段。
  超微泡的气泡直径可细达30um及以下,它比微孔泡沫塑料制品具有更轻的密度、更高的冲击强度和更优良的隔热、绝缘等性能。它甚至可以成型厚度仅为20um的片材或薄膜,这是普通发泡技术和微孔发泡技术所不能做到的。
  1.超微孔泡沫塑料的成型方法
  超微孔泡沫塑料成型方法主要有挤出成型和注射成型。
  (1)挤出成型 挤出成型以加工片材、线材和截面几何形状相同且不太复杂的材料为主,有很大的市场需求。超微孔泡沫塑料挤出成型工艺如图37所示。电动机带动螺杆转动,来自料斗的聚合物随着螺杆的转动,在机筒温度的作用下融化并向前运动。物理发泡剂C02或N2在高压泵作用下通过计量装置按一定比例向机筒内输入并进入机筒混合段。在机筒的轴向设置一系列加热器是为了融化聚合物,混合超临界流体与聚合物。在螺杆的出口端接有一个静态混合器,静态混合器通过改变混合熔体的混合剪切方向使混合更为均匀。静态混合器的出口接一个容腔,这个容腔的前部为混合熔体扩散段。在这一区域,气体进一步在熔体中扩散,使熔体均匀并成为超临界熔体。中部为一个特殊的加热装置,该装置使通过它的超临界熔体呈动态不稳定状态,即,使熔体温度在1s内从190℃升至245℃,从而使溶解在熔体的气体突然呈现无数气核的状态并进入容腔后部。该后部接挤出成型的口模,通过对口模温度进行控制,使超临界熔体在通过口模成型的同时,随着温度的变化气核均匀膨胀,在口模的出口处接冷却和卷取装置以保证材料定型和生产的连续性。
  (2)注射成型 把图37的挤压成型口模改为注射成型模具,并在气核形成以后设置一个供一次注射用的存储注射缸,利用气体反压技术可以实现对三维部件的制造,如图4-38所示。图38和图37的工作原理不同之处在于超临界熔体经过瞬时加温后形成无数气核,熔体向加压后的存储注射缸内存储,当完成
  
  图37超微孔泡沫塑料挤压成型原理图
  高压泵和卷取装置
  
  图38 超微孔泡沫塑料注射成型原理图
  一次注射的存储量以后打开注射截止阀,向模具型腔注射。为了防止型腔内的压力突然下降,造成过早及过量发泡从而导致成型失败,可以向模具型腔输入加压的压缩空气,同时对模具的温度也需严格控制。随着模具的微量位移,熔体内压力迅速下降从而导致气核成长,最终完成三维超微孔泡沫塑料制作。
  2.超微孔泡沫塑料成型的关键工艺
  超微孔泡沫塑料成型的关键在于如下三个步骤。
  (1)聚合物与气体均匀混合形成均相熔体
  通过特殊的混合工艺,使高分子聚合物(如PE、PS、PP或PVC等)与物理发泡剂(如N2或C02)混合并形成均匀的均相熔体。
  (2)成核通过对制备系统的物理参数(如温度、压力等)的严格定量控制,使均相熔体中的液态气体呈不稳定状态,并在某一个瞬间形成千万亿个气泡核。
  (3)膨胀和成型
  在保证泡孔密度的前提下让泡体膨胀到所需的发泡倍数即形成微米级的超微泡孔熔体,然后熔体在成型模具中固化定型。这一工艺关键要解决两个问题,一是在膨胀的时候抑制气泡的合并以保证泡孔密度;二是要防止发泡时气体的过分损失而影响泡孔密度。由于气液两相组成体系的不稳定性,气液两相趋于分开,所以如果不对已成核熔体加以控制,气体会通过熔体表面逃逸到环境中。如果不能有效地抑制气体的逃逸,一方面将会影响泡体的密度;另一方面,由于气体从气泡里逸出,造成气泡塌陷,引起泡体收缩,这会使泡体表面粗糙,增加后加工费用,并且由于气泡的塌陷,将影响泡体的微观结构,从而影响泡体的各方面性能。由于超微孔泡沫塑料泡体的性能取决于泡体的微观结构即泡孔密度和分布,气泡合并现象的存在会严重影响泡体的微观结构,因此如何在成型阶段控制适当的工艺参数、抑制气泡合并、防止发泡时气体的过分损失甚为关键。
  在上述三个工艺步骤中,形成均匀的聚合物和发泡剂混合熔体成为超临界熔体是非常重要的第一步。为了获得超临界熔体,首先要获得合适的发泡剂如C02:N2或水,并使之成为超临界流体。利用这种超腼界流体技术进行批制备超临界熔体的原理如图39所示。图中C02在压缩机中被压缩,经调压阀控制后输入浸泡PVC材料的容腔,容腔由外部温控器控制温度,在压力和温度的作用下使得CO2形成超临界流体。此外,超微孔发泡材料内部泡孔的密度不仅和超临界流体在原材料中的含量有关,还与聚合物原材料的种类、性能及加工工艺密切相关。
  
  图39批制备超临界熔体原理图
    外部温控器
  因此,在超微孔泡沫塑料成型过程中必须注意以下几点。
  (1)塑料必须被足够的气体所饱和并同时使晶核形成大量的超细微孔,因气体的溶解性随压力的提高而增大,因此需要较高的压力。
  (2)在微孔的发展阶段必须控制温度以控制塑料基体的稳定性。
  (3)必须选择一种对所选择的塑料有适宜的溶解性和扩散性的气体。
  (4)为形成大量的超微孔,成核过程中均匀成核必须古主导优势,即使存在不均匀的晶核。
  总之,要将超微泡技术应用于工业化生产,必须解决上述几个技术上的关键问题,相信经过各国研究人员的共同努力,在不久的将来,-超微孔技术将得到广泛应用。
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