PVC發泡板材的成型機理和發泡材料研究

摘要：隨著森林和木材資源的日益緊張和國家對資源保護程度逐漸加強，以PVC材料代替木材已經大勢所趨。目前PVC發泡板材已經廣泛應用于建筑、化工、醫藥等行業。本文通過查閱大量PVC發泡板材的相關文獻資料，主要介紹了PVC板材的分類、特點和性能，并對板材的成型機理和常見發泡材料進行了系統的總結，旨在為PVC發泡板材的生產、應用提供一定的參考價值。

關鍵詞：PVC發泡板材；成型機理；發泡材料

前言：

PVC發泡板材指的是以PVC樹脂為主要原料，加入包括穩定劑、發泡劑、潤滑劑、發泡調節劑等輔助助劑，經過塑化、擠出發泡加工制備的不同形狀的板狀材料[1]。PVC發泡板，即雪弗板、安迪板[2]，由于具備較小的密度、較低的熱導率，較好吸收噪音的效果，阻燃性好，耐腐蝕性能好，易于加工等優點而被建筑裝潢、室內裝修、公共建筑隔斷板材、建筑地板等領域廣泛應用[3]。目前PVC發泡板材在國外應用較多，目前我國PVC發泡板材的年產量和發達國家相比還存在較大的差距，PVC發泡材料在各行各業還沒有得到普及。然而，隨著木材、森林資源的日益緊張，以PVC來代替木材已經成為材料領域研究的熱點，PVC發泡板材的發展前景廣闊[4]。

不同應用領域所需要的PVC發泡板可能存在形狀、性能上的差異，所需的發泡材料也不盡相同，這就決定了不同發泡板材的成型機理存在差異[5]。

1 PVC發泡板材

1.1 PVC發泡板材的分類

（1）根據發泡程度的不同可以將PVC發泡板材分為低發程度的發泡板材和高發程度的PVC發泡板材。其中，發泡程度位于20倍以上的被稱為高程度發泡板材，位于15倍以下的被稱為低程度發泡板材[6]。

（2）根據泡體質地軟硬程度的差異，可以將PVC發泡板材分為軟質發泡板和硬質發泡板兩大類。其中軟質PVC發泡板材的硬度和強度較小，發泡程度高，倍數大，常用于保溫材料的制備[7]。而硬質PVC發泡板材硬度高，強度大，發泡程度低，倍數小，主要用于力學材料的生產制造領域。

（3）根據PVC發泡板材泡孔結構的差異，可以將其分為開孔發泡板和閉孔發泡板兩大類。開孔PVC發泡板內部泡孔之間是彼此連接相通或者部分彼此連接相通的，而閉孔PVC發泡板內部泡孔與泡孔之間是隔斷開，并為連接相通的。

（4）根據生產工藝的差異，可以將PVC發泡板材分為自由發泡板材、結皮發泡板材和共擠發泡板材。

PVC自由發泡板指的是發泡過程中熔融物質離開模具以后，經預冷輥進入三輥冷卻定型，而得到所需形狀的發泡板。PVC自由法生產工藝特點是冷卻時間短，冷卻速度緩慢。PVC自由發泡板的表面結構疏松，有凹凸不平的麻狀表面，無明顯結皮。該類發泡板材在生產過程中，操作簡便且易于控制，常用于噴漆、印刷、版面等行業。

PVC結皮發泡板指的是發泡過程中熔融物質離開模具以后，經多塊定型板冷卻定型而得到的發泡板。PVC結皮發泡板生產工藝的特點是冷卻速度快、冷卻充分，特別適合厚板生產。PVC結皮發泡板表面層有一光滑、平整的硬質皮層，雖然該皮層也經過發泡，但通常密度要比中間大很多，因此結皮板表面硬度較大，力學性能優異，不容易出現劃痕。另外，由于采用了多塊定型板分段冷卻工藝，因此其產品厚度比自由板更均勻，表面硬度更大、光亮度更高。由于具備良好的導體絕緣性、機械性能和耐腐蝕性能，PVC結皮發泡板可用于建筑材料、化工容器材料以及裝飾材料領域，且經過深加工的產品可以生產強酸盛裝材料以及家用水箱材料等。

PVC共擠發泡板是由主、副2臺或多臺擠出機，先各自塑化，然后通過分配器、模具共擠成型產生的一種發泡板。其主要特點是皮層、芯層配方不同，擠出設備是獨自塑化后經分配器進入擠出模具共同擠出。一般皮層不發泡、芯層發泡。共擠發泡板生產工藝更復雜，生產技術要求更高。PVC共擠發泡板表面比結皮發泡板更硬、更光亮。產品常常用于對表面硬度和光亮度要求較高的領域。

1.2 PVC發泡板材的特點

大量相關文獻資料證實，相比其它實心輕質塑料板材、珍珠巖、石棉板材、陶粒等材料而言，PVC發泡板材具備優異的隔熱保溫、承載能力以及隔音等特性，生產過程機械化程度高、操作簡便、節省人力、節省資源。利用PVC發泡板材作為保溫隔熱材料，在外墻體保溫、屋面保溫等領域展現出良好的結構附著性能和隔熱性能，完全可以取代聚乙烯板材等隔熱材料。目前，我國南方許多墻體、屋面建筑的隔熱材料均應用PVC發泡板材深加工制造的PVC發泡磚。PVC發泡板材主要具備以下幾個特點：

（1）保溫效果好：PVC發泡板材的熱導系數約為0.065W/（M.K），熱阻是混凝土的10倍以上；

（2）質地輕：PVC發泡板材的平均密度約為250Kg/m3，密度約為混凝土的五分之一左右，大大降低了建筑物的承載量；

（3）良好的隔音效果：PVC發泡板材中有大量分布均勻的氣泡，相比混凝土具有較強吸收聲音的能力，因此隔音性能良好；

（4）防水性：PVC發泡板材不吸水，具有較好的防水特性；

（5）不易老化：PVC發泡板材耐腐蝕、防蟲蛀，與普板木材比使用壽命長，不容易老化；

（6）施工簡便，造價低：施工過程中只用PVC發泡機便可以實現機械化操作，且在垂直距離200m范圍內可自由輸送，生產產量高，成本低。

1.3 PVC發泡板材性能

（1）熱性能：PVC發泡板材具有較差的熱穩定性，150℃條件下材料性質發生較大變化，開始分解。板材的融化溫度大約在160℃左右，且PVC發泡板材氧化指數極高，在空氣中很難燃燒，具有較高的阻燃性。

（2）力學性能：PVC發泡板材的力學性能較好，強度較高。且板材的強度隨著分子量的增加明顯提高。硬質PVC板材的彈性模量位于1500MPa到3000MPa之間，軟質PVC板材的彈性位于1.5MPa到15MPa之間。

（3）導電性能：PVC發泡板材因自身極性較大，相比PP和PE等材料而言，具有較差的導電性能。板材電阻率和介電常數較高，耐電性能不好，在電力材料中一般只用在低頻和低壓絕緣材料制造領域。

2 PVC發泡板材的成型機理

PVC發泡成型機理根據所使用發泡劑的差異一般有化學發泡技術和物理發泡技術兩大類。

（1）化學發泡技術

化學發泡技術是PVC內部通過化學反應來產生氣泡，具體工藝是加入發泡劑后進行熱處理，因熱降解后有氣體生成，也可以在設計配方過程中，加入可以通過化學反應來產生氣體的發泡劑，使物料體系在加工過程中有氣泡生成即可。化學發泡技術生產工藝中，物料混合、升溫、塑化以及發泡膨脹都是在塑機中進行。

（2）物理發泡技術

一般而言，采用物理發泡技術生產PVC發泡板材的方式主要有三種：一是在高壓作用下在熔融物料中注入氣體，然后降低壓力使多余的氣泡排出物料，進而在板材中形成氣泡；二是設計配方時加入沸點較低的物料，通過加熱達到物料沸點后使之蒸發轉變為氣體狀態，在熔融物料中即可產生氣泡；三是在物料中加入空心球，達到熔融狀態后可形成發泡體。

然而，PVC發泡板材加工工藝無論選擇哪種發泡技術，發泡過程都經過氣泡形成、氣泡膨脹、定型固化等幾個階段。

3 發泡材料

發泡材料泡孔大小、均勻程度是影響PVC發泡板材質量的主要因素。低倍率發泡板材的泡孔均勻且氣泡較小，產品韌性好，表面光滑。

采用化學發泡機理來生產板材，對發泡劑的基本要求是無毒無害、不容易燃燒、不容易腐蝕設備，且對產品成型、產品化學、物理性質不產生影響。化學法所選擇物料的發泡速度必須容易控制，且氣泡生成后具備良好的分散性能。其中化學發泡法應用較多的發泡材料主要有碳酸銨、碳酸氫銨、偶氮二異丁腈和偶氮甲酰胺等。目前市場使用最多的發泡劑是偶氮甲酰胺類。

物理發泡技術對發泡材料的基本要求是具有良好的熱穩定性能，無害無毒，不能對設備產生腐蝕，高溫狀態下穩定性良好，不容易燃燒，產生的氣體不和物料發生化學反應，且在熔融物料中的擴散速度不能高于在空氣中的流動速度。一般采用物理發泡機理生產PVC發泡板材常用的發泡材料主要有二氧化碳、空氣、甲烷、乙烷和氮氣等。由發泡材料來看，物理發泡技術所采用的的發泡劑成本較為低廉，特別是氮氣和二氧化碳，對環境污染性較小，高溫不易燃燒，且發泡完成后不容易產生殘留物質，對PVC性能影響較小，但發泡過程對設備要求較高，生產工藝相對復雜，初期投資大。

PVC發泡板材在生產過程中加入高分子量聚合物的目的是為了加速PVC塑化速度和效率，提高熔融物料的熔體強度，預防氣泡合并，得到泡孔均勻一致、密度低的產品。不同廠家生產的發泡材料不同，生產的板材質量也不盡相同，因此，PVC發泡板材在生產前要合理選擇發泡劑。

4 結論

PVC發泡板在隔熱、隔音、保溫和載重能力方面的性能相比其它實心輕質材料（如石棉制品、陶粒、膨化珍珠巖等）來說，生產工藝操作簡便，省時省力，機械化程度高。在國外，PVC發泡板被材料領域認為是最具潛力的“傳統木材代替品”。發泡材料的選擇對于板材的生產質量來說是一項至關重要的因素。因此，PVC發泡板在加工生產過程中應根據具體需求來選擇合適的發泡材料和發泡技術，進而得到合適的、質量優異的產品。

參考文獻：

[1]王洪艷，李琴，張建，等.淺談PVC發泡板材[J].山東林業科技， 2016（6）：109-111.

[2]熊磊，張婧，于今，等.PVC運動地板的減震性能及發泡技術的分析研究[J].化工管理，2016（20）：131-132.

[3]崔崇.碳酸鈣對PVC低發泡板材成型的影響[C].中國塑料加工工業協會改性塑料專業委員會理事會第一次會議暨2014年年會.2014.

[4]黃鶴.HDPE/竹粉復合發泡材料的成型機理及性能的研究[D].湖南工業大學，2016.

[5]施輝忠.硬質PVC低發泡管材的成型[J].塑料工業，1989（4）：27-29.

[6]韓培儒，趙金龍.PVC-U發泡型材的制備[J].工程塑料應用，2006， 34（6）：39-42.

[7]韓振.PVC基木塑復合結皮發泡地板基材的研究[D].東北林業大學，2010.

[8]忻圣強.PVC-PANI共混物的制備與性能研究[D].西安科技大學，2012.

作者簡介：苗偉出生于1971年女漢族籍貫山東淄博沂源縣，學歷大專，中級職稱，現任山東博拓塑業股份有限公司總經理