微孔泡沫塑料的制備工藝與設(shè)備

翟明，陳建平

（1.鄭州大學力學與工程科學學院，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心，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.鄭州大學力學與工程科學學院，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心，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/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，具有廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展和社會的進步，對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、比強度高等良好的特性，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、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度，導(dǎo)致制品的力學性能較差。國外研究人員發(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)力作用下的進一步發(fā)展，沖擊強度可提高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，通過控制其內(nèi)部泡孔的形貌，可以選擇通過泡孔的微粒的大小，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，可制備用于計算機芯片的絕緣板，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制備微孔泡沫塑料。但是，相分離法對環(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)，不使用對環(huán)境有害的添加劑，同時還要實現(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氣溶解于聚合物在中，形成飽和溶液，通過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)的二氧化碳或氮氣中，然后將聚合物試樣取出，快速降低壓力或提高溫度，使超臨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，是一種有用的實驗室研究方法。

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，在適當?shù)奈恢脤⒊R界狀態(tài)的二氧化碳和氮氣注入，同時利用靜態(tài)混合器，加快氣體擴散進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間，增加成核密度。

注射成型法的加工過程為：將高壓氣瓶中的超臨界流體通過計量閥注入注射機筒內(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工藝過程的基本階段

Mucell工藝過程可分為以下四個基本階段：

（1）均相溶液形成：在一定的工藝條件下，將超臨界狀態(tài)的二氧化碳或氮氣溶解在聚合物熔體中，形成濃度均勻的混合體系。

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

（3）氣泡生長：氣泡在泡體內(nèi)外壓力差的作用下生長。

（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

（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，流動性明顯提高，加工時所需的注射壓力和鎖模力大大降低。同時，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30%。

（2）成型周期短。微孔塑料注射成型通過微泡內(nèi)氣體壓力使制品壓實，不需要保壓過程；另外，因為塑料用量比未發(fā)泡的少，總熱量減少，同時氣核的形成是吸熱過程，因此冷卻時間也較短。總的來說，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為保壓造成的內(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械設(shè)計，如截流式的注塑單元、專門設(shè)計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氣以一定的壓力和溫度輸送到螺桿的超臨界流體生成裝置；可以準確地將一定量的超臨界流體注射進注射機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)過特殊設(shè)計的螺桿；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散，在注射機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)，將注嘴的開閉動作與注射動作匹配起來。當需要向模腔內(nèi)注入熔體時，注嘴打開，其他時候都必須關(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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（P-01）

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，主要研究方向為聚合物加工。

2016-04-11

國家自然科學基金項目（U1304107）。