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塑料发泡,你知道这些吗?

一、什么是发泡塑料?


发泡塑料是以热塑性或热固性树脂为基体,其内部具有无数微小气孔的塑料。发泡是塑料加工的重要方法之一,塑料发泡得到的泡沫塑料含有气固两项 - 气体和固体。


气体以泡孔的形式存在于泡沫体中,泡孔与泡孔互相隔绝的称为闭孔,连通的称为开孔,从而有闭孔泡沫塑料和开孔泡沫塑料之分。泡沫结构的开孔或闭孔是由原材料性能及其加工工艺所决定的。





二、塑料发泡的历史



塑料发泡的技术渊源久远:最早是20年代初期的泡沫胶木,用类似制造泡沫橡胶的方法制取;30年代出现硬质聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫;40年代有聚乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、酚醛泡沫;50年代则有可发性聚苯乙烯泡沫和软质聚氨酯泡沫。现在,基本上所有的塑料,包括热塑性和热固性的都可以发泡为泡沫塑料。


工业上的制备方法有:挤出发泡、注塑发泡、模塑发泡、压延发泡、粉末发泡和喷涂发泡等等。其中,注塑发泡是最重要的成型方法之一,我们今天讲讲注塑成型发泡。



三、发泡剂


发泡剂可简单粗分为物理发泡剂与化学发泡剂两类。


1)物理发泡剂

对物理发泡剂的要求是 :无毒、无臭、无腐蚀作用、不燃烧、热稳定性好、气态下不发生化学反应、气态时在塑料熔体中的扩散速度低于在空气中的扩散速度。


水泥发泡剂


常用的物理发泡剂有空气、氮气、二氧化碳、碳氢化合物、氟利昂等 。


2)化学发泡剂

化学发泡剂是一种受热能释放出气体诸如氮气、二氧化碳等的物质,对化学发泡剂的要求是 :其分解释放出的气体应为无毒、无腐蚀性、不燃烧、对制品的成型及物理、化学性能无影响,释放气体的速度应能控制,发泡剂在塑料中应具有良好的分散性。

化学发泡剂有哪些呢?应用比较广泛的有无机发泡剂如碳酸氢钠和碳酸铵,有机发泡剂如偶氮甲酰胺和偶氮二异丁腈。


四、发泡原理


发泡工艺的原理有两种,物理发泡和化学发泡


1、物理发泡法

简单地讲,就是利用物理的方法来使塑料发泡,一般有三种方法:

(1)先将惰性气体在压力下溶于塑料熔体或糊状物中,再经过减压释放出气体,从而在塑料中形成气孔而发泡;

(2)通过对溶入聚合物熔体中的低沸点液体进行蒸发使之汽化而发泡;

(3)在塑料中添加空心球而形成发泡体而发泡等。

物理发泡法所用的物理发泡剂成本相对较低,尤其是二氧化碳和氮气的成本低,又能阻燃、无污染,因此应用价值较高;而且物理发泡剂发泡后无残余物,对发泡塑料性能的影响不大。但是它需要专用的注塑机以及辅助设备,技术难度很大。


2、化学发泡法

化学发泡法是利用化学方法产生气体来使塑料发泡:对加入塑料中的化学发泡剂进行加热使之分解释放出气体而发泡;另外也可以利用各塑料组分之间相互发生化学反应释放出的气体而发泡。

采用化学发泡剂进行发泡塑料注塑的工艺基本上与一般的注塑工艺相同。塑料的加热升温、混合、塑化及大部分的发泡膨胀都是在注塑机中完成的。

总之,不论选取哪一种塑料原料,也不论采用哪一种发泡方法,其发泡过程一般都要经过形成气泡核,气泡核膨胀,泡体固化定型等阶段。



五、微孔发泡成型技术



1、基本原理

微孔发泡成型过程可分成三个阶段:

1、 首先是将超临界流体(二氧化碳或氮气)溶解到热融胶中形成单相溶体;

2、 然后通过开关式射嘴射人温度和压力较低的模具型腔,由于温度和压力降低引发分子的不稳定性从而在制品中形成大量的气泡核;

3、 这些气泡核逐渐长大生成微小的孔洞。


图 2 微泡成型过程


发泡后的制品横切面放大图如下,我们从中可以明显看到表层还是未发泡的实体层,这是由于模具温度较低,表面树脂冷却迅速,细胞核没有成长的时间,所以还是未发泡的实体。


图 3 发泡体的结构



2、MuCell的加工流程

我们来看一下MuCell的运作流程图:

首先氮气或二氧化碳经过超临界流体控制系统产生超临界流体,再输出到射入界面,通过射入界面打入注塑机螺杆的搅拌区,热熔胶和超临界流体在搅拌区内充分溶解形成单相溶体,并在一定的恒定压力下保持下来,当注塑机发出射胶指令时,开关式射嘴将会打开将单相溶体射人模具的型腔中,形成微孔发泡产品。


图 4 Mucell技术流程


3、工艺特点

使用MuCell必须在注塑机上装上特别的螺杆和炮筒,工艺特点如下:

  • 螺杆具有特殊的螺纹设计

超临界流体被射人搅拌区后,需要特殊螺纹来切碎超临界流体,使之与热熔胶充分溶解从而形成单相融体。

  • 单相融体必须保持在一定的高压下才不会离析

Trexel注塑机的螺筒有单向止逆阀和开关式射嘴设计,从而在螺筒前端的射出段形成一个密闭高压区间。下图用汽水瓶形象地进行了说明:注射时,开关式射嘴打开,就如同汽水瓶的盖子被打开一样,单相融体瞬间注人模具型腔开始发泡。


图5 Mucell注塑工艺


用户也可以在现有注塑机上进行升级,更换为Trexel特制的设备,如螺杆、螺筒,加装注射器和射入界面系统,外接一个超临界流体控制器来实现。当然,也可以购买一些品牌已整和了这些特制部件的新注塑机。


MuCell的螺杆和螺筒是定制件,考虑与注塑机规格的配合,一般选用相若的螺杆直径,长径比通常是22:1或24:1,比普通的较长些。值得一提的是,加装了MuCell之后,仍可以很方便切换回传统注塑,用户可以根据需求灵活安排生产。


4、MuCelI微孔发泡技术降低成本

MuCell成型具有很多的特点:树脂黏度降低令流体的流动性更高,这样可以减低溶胶的温度,模温和射胶压力低,塑件稳定,成型视窗大。MuCell工艺通过下列途径降低了生产的成本:

  • 可以采用较低的压力注塑更平整、更笔直、尺寸更稳定,而没有缩水的部件;

  • 提高了注塑工艺水平,减少了注塑和装配的不良率;

  • 因尺寸更稳定,可减少模具尺寸反复修改,从而降低模具设计和制造成本;

  • 降低锁模力40-80%,减少毛边,降低能耗,延长了模具寿命;

  • 可以考虑使用更低吨位的注塑机或使用多模腔;

  • 注塑周期缩短20-30%,增加生产效率,降低能耗,从而降低运营成本;

  • 一般减少材料用量8-15%,更可以设计具有薄壁结构的制品来更加降低制品的材料成本;

  • 一些金属部件可以用塑胶件取代,可以设计厚度变化比较大的产品。

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