聚合物發(fā)泡材料成型裝備應(yīng)用研究進展

朱能貴 熊一鳴 蔣團輝 李勝男 曾祥補 沈超

(國家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽,550022)

聚合物材料具有綜合性能好、可回收、價格低等優(yōu)點,應(yīng)用非常廣泛。隨著環(huán)保要求越來越高,多功能環(huán)保型材料的需求量大幅增加。研究者開發(fā)了輕質(zhì)、高效、多功能的聚合物發(fā)泡材料,節(jié)約了成本,減少了環(huán)境污染,并實現(xiàn)了功能多樣化。聚合物發(fā)泡材料為“三明治”結(jié)構(gòu),芯層存在大量微小泡孔,所以也被稱為多孔泡沫材料,廣泛應(yīng)用于汽車、家電、包裝等領(lǐng)域[1-2]。

聚合物發(fā)泡材料成型裝備是聚合物發(fā)泡材料發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ),先進的聚合物發(fā)泡材料成型裝備能夠在保證發(fā)泡材料生產(chǎn)質(zhì)量的同時降本增效,助推整個發(fā)泡材料產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。隨著聚合物發(fā)泡材料的研究不斷深入,聚合物發(fā)泡裝備得到了很大的發(fā)展,其中,擠出發(fā)泡裝備和注塑發(fā)泡裝備均已經(jīng)形成了系統(tǒng)的發(fā)泡材料生產(chǎn)制造體系[3]。聚合物發(fā)泡材料制備方法主要有:化學(xué)發(fā)泡法、物理發(fā)泡法、機械發(fā)泡法等。化學(xué)發(fā)泡法通常是利用化學(xué)發(fā)泡劑受熱分解產(chǎn)生的氣體使樹脂在熔融狀態(tài)下產(chǎn)生泡孔。物理發(fā)泡法是通過向塑料中溶入氣體,使其膨脹發(fā)泡。機械發(fā)泡法是借助機械攪拌等工藝將氣體混入熔融樹脂中,形成泡孔。近年來,圍繞上述3種發(fā)泡方法,研究者開發(fā)了多種發(fā)泡裝備,推動了聚合物發(fā)泡材料行業(yè)的發(fā)展。

下面對近年來國內(nèi)外聚合物發(fā)泡材料成型裝備的研究和應(yīng)用進行了綜述,梳理了聚合物發(fā)泡裝備研發(fā)和應(yīng)用中存在的一些問題,并對其發(fā)展前景進行了展望。

1 聚合物發(fā)泡材料及發(fā)泡技術(shù)

聚合物發(fā)泡材料的泡孔直徑小于100 μm,泡孔密度大于107個/cm3,且具有多孔結(jié)構(gòu),在輕量化、隔熱降噪、吸收能量等方面具有廣泛的應(yīng)用價值。通過調(diào)節(jié)泡孔直徑大小和泡孔形態(tài),可以得到具有較好熱性能和力學(xué)性能的聚合物發(fā)泡材料,且降低了材料成本和材料損耗等[4-5]。

聚合物發(fā)泡技術(shù)主要有化學(xué)發(fā)泡技術(shù)和物理發(fā)泡技術(shù)。在一定工藝條件下,采用2種發(fā)泡技術(shù)均能夠得到泡孔尺寸小、密度大、分布均勻的發(fā)泡材料。物理發(fā)泡技術(shù)主要以超臨界流體為發(fā)泡劑,裝備復(fù)雜,技術(shù)要求高。化學(xué)發(fā)泡技術(shù)主要利用化學(xué)發(fā)泡劑進行發(fā)泡,生產(chǎn)效率較高,更容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。為了獲得質(zhì)量較好的產(chǎn)品,可以通過調(diào)控發(fā)泡裝備的溫度、壓力、速度等工藝參數(shù)改善發(fā)泡質(zhì)量,這時,發(fā)泡裝備就顯得格外重要。通過利用現(xiàn)階段的發(fā)泡技術(shù)和發(fā)泡裝備,研究者已經(jīng)制備了聚丙烯(PP)、聚酰胺、聚氨酯等許多發(fā)泡材料并應(yīng)用于生產(chǎn)生活中[6]。

2 聚合物發(fā)泡材料成型裝備及應(yīng)用

2.1 注塑發(fā)泡成型裝備及應(yīng)用

注塑發(fā)泡成型裝備是目前批量生產(chǎn)發(fā)泡材料常用的設(shè)備之一,其制得的發(fā)泡產(chǎn)品具有尺寸控制穩(wěn)定、成型周期短、減重幅度大等優(yōu)點,適合進行大批量生產(chǎn)。Yusa A等[7]開發(fā)了一種新型注塑發(fā)泡成型技術(shù)及裝備,在不使用超臨界流體(SCF)泵裝置的情況下即可生產(chǎn)微孔泡沫。同時,發(fā)泡劑無需達到SCF狀態(tài)。輸送到熔融聚合物中的氣體量由噴射閥的氣體加藥時間、氣瓶的二次減壓壓力和排氣容器的背壓控制。李振華等[8]開發(fā)了二次開模注塑微發(fā)泡裝置和欠注微發(fā)泡裝備。二次開模發(fā)泡工藝主要有3個階段:1) 在一定溫度下,塑料粒料和發(fā)泡劑在料筒中熔融,發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體(二氧化碳等),與樹脂熔體混合均勻,形成過飽和相;2) 將過飽和相注射填充至模具型腔內(nèi),通過二次開模使體系壓力驟降,氣體在聚合物熔體中成核并長大;3) 促使泡孔長大的驅(qū)動力不斷減小,且在冷卻過程中,樹脂熔體的黏度增加,阻礙了分子鏈的運動,樹脂熔體逐漸固化,最終成型為發(fā)泡制件。通過改變工藝參數(shù)可以調(diào)節(jié)材料的表面質(zhì)量、力學(xué)性能、泡孔質(zhì)量等,且二次開模發(fā)泡裝備制備容易控制。欠注發(fā)泡主要是注塑時樹脂熔體未充滿模具型腔、在釋放壓力的狀態(tài)下成核并長大的過程。采用欠注發(fā)泡工藝時,材料的發(fā)泡狀態(tài)很難控制。

為了更直觀地觀察和研究聚合物的微發(fā)泡過程,研究者開發(fā)了注塑發(fā)泡成型可視化裝備。Shaayegan V等[9]在高壓泡沫注塑成型試驗中,利用注塑發(fā)泡成型可視化裝備研究了碳纖維對泡孔生長過程的影響。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)纖維接近生長中的泡孔時,其同時出現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)位移。Yang J K等[10]利用注塑發(fā)泡成型可視化裝置及成核理論研究了聚合物泡沫塑料的氣泡成核過程,并基于實景觀察和測量結(jié)果建立了數(shù)學(xué)模型。同時,還研究了不同發(fā)泡劑含量對氣泡成核過程的影響,并基于經(jīng)典成核理論,建立了描述氣泡成核動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。

注塑發(fā)泡成型裝備操作簡單,且可實現(xiàn)全自動生產(chǎn),是研究發(fā)泡材料性能及應(yīng)用的重要裝備。Gong W等[11]采用注塑發(fā)泡成型裝備制備了PP發(fā)泡復(fù)合材料,并對其發(fā)泡質(zhì)量和沖擊性能進行了研究。結(jié)果表明:引入熱塑性橡膠(TPR)和聚烯烴彈性體(POE)后,PP發(fā)泡復(fù)合材料的發(fā)泡質(zhì)量顯著提高;沖擊性能取決于PP復(fù)合材料的固有韌性、泡孔尺寸和泡孔形態(tài)。Hamidinejad M等[12]提出了一種在含有石墨烯納米片的聚合物復(fù)合泡沫中開發(fā)梯度微孔結(jié)構(gòu)的方法。采用注塑機對材料進行超臨界流體處理,發(fā)泡前在模腔中快速減壓。該泡孔的微觀結(jié)構(gòu)從剪切誘導(dǎo)的細(xì)長泡孔到模制復(fù)合材料長度呈現(xiàn)出各向同性。研究者還利用注塑發(fā)泡裝備制造了可用于建筑行業(yè)的不透明聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)絕緣泡沫及親油隔音PP/聚四氟乙烯(PTFE)納米復(fù)合泡沫等功能性發(fā)泡材料[13-14]。

2.2 擠出發(fā)泡成型裝備及應(yīng)用

擠出發(fā)泡技術(shù)是將聚合物加入到擠出機中進行熔融,在螺桿的剪切作用下與發(fā)泡劑充分混合并完成氣體擴散,在口模處快速釋壓后泡孔成核并長大,冷卻定型后得到發(fā)泡材料。擠出發(fā)泡技術(shù)具有連續(xù)發(fā)泡的優(yōu)勢,非常適用于大規(guī)模、快速生產(chǎn)聚合物發(fā)泡材料。常見的擠出發(fā)泡成型裝備有雙螺桿擠出機和單螺桿擠出機及用于提供發(fā)泡氣體等的附屬裝置。

擠出發(fā)泡成型裝備是物理發(fā)泡常用的設(shè)備,通過多年研究已經(jīng)得到很大發(fā)展,研究者通過擠出發(fā)泡成型裝備研發(fā)了多種發(fā)泡材料,并對其性能進行了研究。Lombardi L等[15]采用發(fā)泡擠出機研究了擠出脹大對熱塑性聚合物擠出泡沫的影響。結(jié)果表明:黏彈性材料在發(fā)泡擠出機內(nèi)部受到應(yīng)力作用被束縛。當(dāng)螺桿將其推送出口模時,黏彈性材料的彈性快速恢復(fù),引起各向自由膨脹,即擠出脹大,膨脹是各向異性的,會影響產(chǎn)品的最終形狀,在擠出泡沫的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中應(yīng)該引起重視。Yao S等[16]以超臨界二氧化碳為發(fā)泡劑,利用擠出發(fā)泡成型裝備制備了PET發(fā)泡材料,并通過調(diào)節(jié)支化劑環(huán)氧基多功能齊聚物和擴鏈劑均苯四甲酸二酐的含量對PET進行了改性。研究發(fā)現(xiàn):改性后的PET發(fā)泡材料表現(xiàn)出較好流變性能,熔體黏彈性明顯增強,在發(fā)泡過程中獲得了較高的發(fā)泡質(zhì)量。Fei Y P等[17]采用超臨界二氧化碳輔助連續(xù)擠出發(fā)泡裝備制備了聚苯乙烯(PS)復(fù)合發(fā)泡材料。結(jié)果表明:所得材料吸聲系數(shù)較大,具有良好的吸聲性能,且木質(zhì)素在PS復(fù)合泡沫中表現(xiàn)出阻燃作用。Khademi S M H等[18]采用雙螺桿擠出工藝制備了聚乳酸(PLA)發(fā)泡材料,研究了具有不同長徑比和負(fù)載量的膨脹石墨(EG)納米片和有機過氧化物對PLA發(fā)泡過程的影響。結(jié)果表明:膨脹EG納米片能夠提高PLA發(fā)泡材料的孔隙率和孔密度。Mi H Y等[19]通過雙螺桿擠出發(fā)泡裝備制備了PP/PTFE復(fù)合材料泡沫。結(jié)果表明:所得泡沫完全是超疏水的,這意味著其在斷裂或切割時仍保持超疏水性。

2.3 釜壓和模壓發(fā)泡成型裝備及應(yīng)用

釜壓發(fā)泡成型裝備主要由釜體(發(fā)泡儲罐)、二氧化碳增壓泵、消聲器、傳感器、控制器等組成。釜壓發(fā)泡技術(shù)具有可精準(zhǔn)調(diào)控發(fā)泡工藝參數(shù)(溫度、壓力等)的優(yōu)點,可以用于研究單一變量對發(fā)泡行為的影響;缺點是生產(chǎn)效率低、安全風(fēng)險高、適用場景有限等。

冀峰等[20]通過超臨界二氧化碳釜壓發(fā)泡成型裝備制備了可生物降解的聚對苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯(PBAT)發(fā)泡顆粒,研究了滲透條件對材料發(fā)泡性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):PBAT發(fā)泡顆粒的密度隨滲透溫度升高而逐漸降低,發(fā)泡倍率逐漸增大;所得PBAT發(fā)泡顆粒放置1 d后密度增加,發(fā)泡倍率降低,放置7 d后,其密度和發(fā)泡倍率保持不變。張玉良等[21]以高相對分子質(zhì)量的共聚PP為原料,通過自制高壓反應(yīng)釜裝備進行發(fā)泡。研究發(fā)現(xiàn):溫度是提高材料發(fā)泡質(zhì)量的關(guān)鍵。壓力、飽和時間、保壓時間等對材料的發(fā)泡過程也有很大影響。

模壓發(fā)泡技術(shù)是將聚合物、發(fā)泡劑和其他改性助劑等混合均勻,加入模壓發(fā)泡裝備中進行熱壓發(fā)泡,制得發(fā)泡材料。采用模壓發(fā)泡成型裝備可以加工較厚板材,制備一些擠出和注塑無法加工的發(fā)泡材料。與擠出和注塑發(fā)泡技術(shù)相比,采用模壓發(fā)泡裝備進行發(fā)泡板材的制備較難實現(xiàn)連續(xù)化、自動化生產(chǎn)。Chen Y C等[22]制備了最大膨脹率達到30倍的PET泡沫塑料,其泡孔直徑僅為20 μm。在發(fā)泡過程中,快速減壓會顯著改變PET的黏彈性,限制其發(fā)泡行為。

2.4 其他聚合物發(fā)泡成型裝備及應(yīng)用

除了上述常見的發(fā)泡成型裝備以外,Yu C Y等[23]設(shè)計了一種新型氣體發(fā)泡裝備,該裝備由高壓供氣系統(tǒng)、高壓模具、成型機、壓力表和放氣閥等組成,發(fā)泡效果非常好。Tammaro D等[24]設(shè)計了一種新型批量發(fā)泡成型裝備,以二氧化碳為物理吹泡劑,研究了壓降速率和發(fā)泡溫度對PS發(fā)泡行為的影響。結(jié)果表明:適宜的壓降速率和發(fā)泡溫度會提高基體單位體積的成核氣泡數(shù),斜率隨溫度的增加而增加。此外,倪曉等[25]研發(fā)了一種一機雙頭高壓發(fā)泡設(shè)備。結(jié)果表明:通過電機變頻調(diào)速,該設(shè)備可以實現(xiàn)2個注射流量差別較大的混合頭同時注射的要求;通過自動控制模式(PID)和閉環(huán)流量控制,可以實現(xiàn)計量泵較大范圍計量。

3 結(jié)語

聚合物發(fā)泡材料的成型裝備種類很多,各有優(yōu)勢,也均存在一定的不足。因此,開發(fā)高效率、低能耗、發(fā)泡質(zhì)量精準(zhǔn)可控的聚合物發(fā)泡成型裝備勢在必行。研發(fā)可精準(zhǔn)調(diào)控發(fā)泡倍率及泡孔尺寸等重要參數(shù)的發(fā)泡成型裝備是未來聚合物發(fā)泡成型裝備研發(fā)及應(yīng)用的重要方向。