微孔泡沫塑料的制備工藝與設(shè)備

翟明，陳建平

（1.鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心，河南 鄭州 450002）

微孔泡沫塑料的制備工藝與設(shè)備

翟明1，陳建平2

（1.鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心，河南 鄭州 450002）

微孔塑料是指泡孔直徑為10～100μm，泡孔密度為109～1 012個(gè)/cm3，且泡孔分布非常均勻的泡沫塑料。微孔塑料由于結(jié)構(gòu)及性能方面的特點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)微孔塑料的制備提出了更高的要求。介紹了微孔塑料的制備方法，重點(diǎn)介紹了Mucell微孔注射成型工藝和設(shè)備。

微孔塑料，制備，工藝，設(shè)備

1 微孔泡沫塑料

泡沫塑料是以塑料為基本組分，以氣體為填料的復(fù)合材料［1］。泡沫塑料內(nèi)含有大量氣泡，具有質(zhì)輕、省料、熱導(dǎo)率低、隔熱性能好、隔音性能好、比強(qiáng)度高等良好的特性，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事、航空航天等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

但是，普通泡沫塑料內(nèi)氣泡密度小，泡孔直徑大，且分布不均勻。在外力的作用下，泡孔容易破裂而降低材料的強(qiáng)度，導(dǎo)致制品的力學(xué)性能較差。國(guó)外研究人員發(fā)現(xiàn)，在高分子材料中添加粒子尺寸小于原材料孔隙尺寸的微米級(jí)添加劑，能夠顯著改善材料性能，據(jù)此，Suh教授等人將微米級(jí)的泡孔引入高分子材料基材，制備開發(fā)了微孔泡沫塑料［2］。微孔泡沫塑料是指每立方厘米含有10～1 012個(gè)微泡的泡沫塑料。這些微泡均勻分布，且直徑介于10～100 μm之間。由于氣泡的尺寸比高分子材料的原有缺陷更小，因此，這些氣泡的加入鈍化了材料中原有裂紋的尖端，阻止裂紋在應(yīng)力作用下的進(jìn)一步發(fā)展，沖擊強(qiáng)度可提高2～3倍［3］。

微孔泡沫塑料制品具有良好的熱穩(wěn)定性、較低的介電常數(shù)及良好的熱絕緣性能，廣泛應(yīng)用于建筑、航空和汽車等行業(yè)。另外，開孔微孔塑料內(nèi)部的泡孔是連通的，通過(guò)控制其內(nèi)部泡孔的形貌，可以選擇通過(guò)泡孔的微粒的大小，因此，微孔塑料也可以作為分離和吸附材料和藥物緩釋材料等；微孔泡沫塑料的泡孔很小，因此，可以制備薄壁發(fā)泡制品，如微電子線路絕緣層；泡孔小于10 μm的超微孔塑料和極微孔塑料，可制備用于計(jì)算機(jī)芯片的絕緣板，以及透明的泡沫制品，拓展了塑料制品的使用范圍［4］。

2 微孔泡沫塑料制備方法

相分離法［5］、單體聚合法［6］、沉淀法［7］和模壓法等都可以用來(lái)制備微孔泡沫塑料。但是，相分離法對(duì)環(huán)境危害大，聚合法效率低下，沉淀法成本高，模壓法應(yīng)用范圍有限。因此，必須開發(fā)新的制備技術(shù)，不使用對(duì)環(huán)境有害的添加劑，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的可控性以及可以連續(xù)生產(chǎn)等。超飽和氣體法目前應(yīng)用較為廣泛。其原理是：在高壓下，將超臨界的二氧化碳或者氮?dú)馊芙庥诰酆衔镌谥校纬娠柡腿芤海ㄟ^(guò)降低壓力或者提高溫度，降低氣體的溶解度，氣體溢出，從而形成微泡。間歇成型法和連續(xù)成型法都屬于該類方法。

2.1間歇成型法

間歇法主要分為兩個(gè)階段：首先，將聚合物試件浸泡在超臨界狀態(tài)的二氧化碳或氮?dú)庵校缓髮⒕酆衔镌嚇尤〕觯焖俳档蛪毫蛱岣邷囟龋钩R界流體溢出形成氣泡。間歇法雖然成核速率高，泡孔易于控制，但不適合商業(yè)應(yīng)用，是一種有用的實(shí)驗(yàn)室研究方法。

2.2連續(xù)成型法

連續(xù)成型法包括擠出成型和注射成型法。

擠出成型法包括三個(gè)階段：塑化，氣體/聚合物均相體系的形成，氣泡的形成與定型。將塑料加入擠出機(jī)，在適當(dāng)?shù)奈恢脤⒊R界狀態(tài)的二氧化碳和氮?dú)庾⑷耄瑫r(shí)利用靜態(tài)混合器，加快氣體擴(kuò)散進(jìn)入聚合物熔體的速度。采用超臨界流體可以縮短氣體在聚合物熔體中的飽和時(shí)間，增加成核密度。

注射成型法的加工過(guò)程為：將高壓氣瓶中的超臨界流體通過(guò)計(jì)量閥注入注射機(jī)筒內(nèi)的塑料熔體中，形成均相體系。隨后，混合體系被快速注射入模具型腔，隨著壓力的驟然降低，氣體在塑料熔體中的溶解度降低，氣體逸出而形成大量的微細(xì)氣泡。

3 Mucell微孔注射成型工藝

微孔塑料的注射成型法近幾年才開始進(jìn)行

工業(yè)推廣，Mucell技術(shù)、Ergocell技術(shù)、FIM成型技術(shù)、已經(jīng)有較多應(yīng)用，其中，Mucell技術(shù)商業(yè)化最好，應(yīng)用最為廣泛。

3.1Mucell工藝過(guò)程的基本階段

Mucell工藝過(guò)程可分為以下四個(gè)基本階段：

（1）均相溶液形成：在一定的工藝條件下，將超臨界狀態(tài)的二氧化碳或氮?dú)馊芙庠诰酆衔锶垠w中，形成濃度均勻的混合體系。

（2）成核：通過(guò)降壓或升溫，使混合體系進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，成為過(guò)飽和體系，氣體溢出，形成大量的氣泡核。

（3）氣泡生長(zhǎng)：氣泡在泡體內(nèi)外壓力差的作用下生長(zhǎng)。

（4）成型：模腔內(nèi)氣泡與熔體一起冷卻定型而得到微孔塑料制品［8］。

3.2Mucell工藝的優(yōu)點(diǎn)

（1）節(jié)能降耗。與超臨界狀態(tài)的N2或CO2混合后，塑料熔體的表觀粘度降低，流動(dòng)性明顯提高，加工時(shí)所需的注射壓力和鎖模力大大降低。同時(shí)，制品重量的減輕也使需塑化的塑料大量減少，因此該工藝可以減少耗能高達(dá)30%。

（2）成型周期短。微孔塑料注射成型通過(guò)微泡內(nèi)氣體壓力使制品壓實(shí)，不需要保壓過(guò)程；另外，因?yàn)樗芰嫌昧勘任窗l(fā)泡的少，總熱量減少，同時(shí)氣核的形成是吸熱過(guò)程，因此冷卻時(shí)間也較短。總的來(lái)說(shuō)，該工藝可使成型周期縮短20%～50%。

（3）節(jié)約原材料。制品內(nèi)微孔的存在可以使原材料消耗減少5%～30%左右。

（4）氣泡產(chǎn)生的壓力降低制品因?yàn)楸涸斐傻膬?nèi)應(yīng)力，減少制品的收縮翹曲量。

（5）氣泡直徑很小，可用于薄壁件的成形。

3.3MuCell工藝上的限制

（1）在塑化階段，需要利用一些特殊的機(jī)械設(shè)計(jì)，如截流式的注塑單元、專門設(shè)計(jì)的螺桿及超臨界流體注射系統(tǒng)，以將超臨界流體和塑料熔體均勻混合成均相體系。

（2）成型過(guò)程中，需要合理確定溫度和壓力，才能得到滿意的微泡大小和分布。

（3）制品表面質(zhì)量常常較差，通常會(huì)有漩渦流痕，不能用作外觀面。

4 Mucell微孔注射成型設(shè)備

Mucell成型工藝需要在傳統(tǒng)注射成型設(shè)備的基礎(chǔ)上改造或添加某些新設(shè)備，如：可以將超臨界二氧化碳或氮?dú)庖砸欢ǖ膲毫蜏囟容斔偷铰輻U的超臨界流體生成裝置；可以準(zhǔn)確地將一定量的超臨界流體注射進(jìn)注射機(jī)的超臨界流體注射裝置；可以將聚合物熔體和超臨界流體均勻混合成單相溶液的經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的螺桿；截流式注嘴等。Mucell加工設(shè)備主要由氣體裝置、塑化裝置、注射裝置組成。

氣體裝置主要用于生成、計(jì)量超臨界流體并將其注入塑料熔體。加壓是目前塑料發(fā)泡制品行業(yè)制備超臨界流體的常用方法。氣體裝置主要包括氣體供應(yīng)部分、超臨界流體生成部分、超臨界流體計(jì)量部分、超臨界流體注射部分。

塑化裝置利用螺桿的剪切作用，將超臨界流體在塑料熔體中擴(kuò)散，在注射機(jī)的末端生成聚合物熔體/超臨界流體均相體系。為了避免超臨界流體在注射機(jī)內(nèi)發(fā)泡，塑化裝置還應(yīng)在注射前提供恒定的壓力以保持單相溶液。除了螺桿注塑機(jī)外，塑化裝置還包括帶有混合器的噴嘴。

Mucell注射裝置不同于普通的注射裝置，需要特殊設(shè)計(jì)的截流式注嘴。注嘴除了能在較高的壓力下不泄漏外，還需要行程開關(guān)，將注嘴的開閉動(dòng)作與注射動(dòng)作匹配起來(lái)。當(dāng)需要向模腔內(nèi)注入熔體時(shí)，注嘴打開，其他時(shí)候都必須關(guān)閉，以保證料筒內(nèi)有足夠高的、穩(wěn)定的壓力，防止超臨界流體逸出而提前發(fā)泡［9］。注射裝置的另一要求是能夠?qū)崿F(xiàn)快速注射。

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Preparation and equipment of microcellular plastics

TB383

1009-797X（2016）10-0044-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.016

翟明（1974-），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榫酆衔锛庸ぁ?/p>

2016-04-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1304107）。