采用加低沸點液體法發泡最為典型的例子是可發性PS泡沫塑料成型,本節將以此為例,介紹這種物理發泡法的過程和原理。
製備可發性PS珠粒是這種成型方法的第一步。具體做法是:選用相對分子質量為5.5萬~6萬的PS珠粒,使用低沸點碳氫化合物或鹵代烴(如丁烷、戊烷、石油醚等),放入肥皂水中,加熱到80~90℃,壓力在1.0MPa以下將低沸點液體溶脹到PS珠粒內,通常要用4~12h,然後降溫、水洗,製成可發性PS珠粒。將可發性PS珠粒在15℃左右放置一段時間,靠分子運動使低沸點液體在珠粒內分散均勻。應該注意,這時候低沸點液體也會擴散到珠粒外麵而逸出。所以停放期間應密封包裝,停放時間也不宜過長,通常停放一周到一個月。生產中為減少中間環節,也可直接購買市售可發性PS珠粒。
將可發性PS珠粒製成PS泡沫塑料產品還需要預發泡、熟化、成型三個過程。
預發泡是為了使製品泡孔均勻並達到要求的密度。預發泡是在預發泡機上進行,機內有攪拌並直接通入蒸氣加熱,珠粒溫度升到80℃以上PS開始軟化,低沸點液體氣化產生壓力,在珠粒內部形成氣孔,珠粒膨脹。這時,低沸點液體氣化後會向外擴散,水蒸氣會擴散進去。雙向擴散的結果使珠體膨脹,甚至會使氣孔壁破裂。所以預發泡到一定程度就要離開預發泡機冷卻下來。
經過預發泡的珠粒冷卻後,氣孔內的氣體、水蒸氣要冷凝成為液體。氣孔內出現負壓,暴露在空氣中,空氣會滲透到泡孔中去,直到氣孔內外壓力平衡,這個過程叫熟化。當然,熟化過程中低沸點氣體要擴散逸出。所以熟化時間不宜過長,通常在室溫熟化8~10h即可。
熟化後的可發性PS珠粒可以用模壓法生產各種製品。通常模具溫度控製在100~130℃,模壓時間視製品大小而定。也可以放入擠出機內擠出吹塑生產可發性PS泡沫塑料片材或薄膜。
4.6.2.3化學發泡法
化學發泡法中發泡氣體的產生是通過混合原料的某些組分在過程中的化學作用而產生。按發泡原理可分為兩類:化學發泡劑發泡法和組分相互作用產生氣體發泡法。
(1)使用化學發泡劑發泡
所謂化學發泡劑是在發泡成型過程中通過自身分解或與助發泡劑相互作用而產生氣體的物質,有無機和有機兩種。無機發泡劑主要是堿金屬的碳酸鹽和碳酸氫鹽,如碳酸氫鈉和碳酸銨等,其優點是價廉且不降低塑料的耐熱性,但產生的氣體主要是一些易凝結的水蒸氣,或是擴散速率很大的二氧化碳等,所製備的泡沫塑料在尺寸上難穩定,氣體的分解速率受壓力影響較大,發泡劑與塑料不混溶,難於均勻分布在塑料中。有機發泡劑有十幾種,主要是偶氮類、亞硝基類和磺酸肼類的化合物。這類物質在化學結構上具有特征官能團,加熱後主要放出氮氣。其中偶氮二甲酰胺(俗稱AC發泡劑)應用最廣,屬於高效發泡劑。有機發泡劑的特點是放出的氣體無毒、無臭,對大多數高分子材料的滲透性比氧氣、二氧化碳和氨都要小,更突出的是在塑料中具有較大的分散性;但大多數有機發泡劑都是易燃和易爆物質,因此,應保存於低溫、陰涼、幹燥和通風處,存量不應過多,與其他組分混合時應分批緩慢加入,並應嚴格執行安全措施。
化學發泡法的工藝和設備都較簡單,而且對高分子材料無多大限製,是最重要的一種泡沫材料的成型方法,廣泛用於生產各類泡沫橡膠和泡沫塑料。在製定配方時應選擇在成型工藝溫度下具有適當分解速度的發泡劑(發泡體係),發泡劑的用量可按泡沫材料的密度來選用。生產工藝主要是控製各段時間的溫度和壓力,讓混煉膠或塑料在具有一定流動性時,發泡劑分解放出大量氣體,產生許多氣孔,並通過交聯或冷卻使氣孔穩定下來。
(2)利用高分子材料原料各組分反應產生氣體發泡
此法的發泡氣體是由形成高分子材料的組分相互作用所產生的副產物,或者是這類組分與其他物質作用的生成物。工業上用這種方法生產的主要有聚氨基甲酸酯(PU)泡沫塑料(海綿),發泡的氣體是由異氰酸酯與聚醚或聚酯的羥基或水反應所析出的二氧化碳,其他如利用苯酚與甲醛縮聚所放出的水泡來製造酚醛泡沫塑料等也屬於這一種。
生產PU泡沫材料的原料是含有羥基的聚醚或聚酯樹脂和異氰酸酯、水以及其他助劑。
由於聚合過程伴隨著發泡過程,所以要嚴格控製生產工藝過程的溫度和停留時間。為了改善製品的性能,常加入有機錫等催化劑、矽油等表麵活性劑和其他發泡劑,用以調節聚合反應和氣孔的形成。生產時按反應控製的步驟不同又可分為一步法和二步法。一步法是把所有原料混在一起,樹脂的生成、交聯及發泡同時進行,泡沫材料的形成一步完成,是目前普遍采用的發泡工藝。二步法是先用聚醚樹脂與多元異氰酸醋混合反應生成含有一定遊離異氰酸酯的預聚體,然後再加入其他組分,進一步混合,讓預聚體與水反應使其聚合成PU,同時放出二氧化碳氣體。
4.6.3泡沫塑料成型方法
常規的塑料成型技術經改進後都可以用於泡沫塑料的成型。采用不同的樹脂或者選用不同的發泡方法可製成性能各異的泡沫塑料。
模壓成型時,工藝過程的溫度是靠模具溫度來控製的。一般模具模型體積是不變的,使用這種模具要注意加料量。加料太少,可能發泡後不能充滿模型;加料太多,則可能因積聚壓力太高,開模時製品爆裂。使用模腔體積可變的模具可以解決這些技術問題,但製品尺寸變化範圍較大。
擠出成型時將含發泡劑的粒料或粉料放入擠出機,物料在擠出機內受到螺杆的擠壓作用和機筒加熱、摩擦生熱而溫度升高,發泡劑分解產生氣體。在這時候,由於壓力很高,氣孔的體積很小,當物料從擠出機機頭口模出來時,壓力驟然降低,氣孔體積迅速膨脹,原來溶解於物料的氣體逸到氣孔中去,形成泡沫結構,迅速冷卻下來,就製成泡沫材料。
注射成型法是擠出和模壓的結合,物料在機筒內受熱受壓,氣孔體積較小。一旦注射入模具,氣孔體積迅速增大,但製品體積受模具限製。注射法製品通常隻限於高密度的低發泡製品。