PVC發(fā)泡板材的成型機理和發(fā)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(jīng)大勢所趨。目前PVC發(fā)泡板材已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、化工、醫(yī)藥等行業(yè)。本文通過查閱大量PVC發(fā)泡板材的相關(guān)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(fā)泡材料進行了系統(tǒng)的總結(jié)，旨在為PVC發(fā)泡板材的生產(chǎn)、應(yīng)用提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：PVC發(fā)泡板材；成型機理；發(fā)泡材料

前言：

PVC發(fā)泡板材指的是以PVC樹脂為主要原料，加入包括穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、潤滑劑、發(fā)泡調(diào)節(jié)劑等輔助助劑，經(jīng)過塑化、擠出發(fā)泡加工制備的不同形狀的板狀材料[1]。PVC發(fā)泡板，即雪弗板、安迪板[2]，由于具備較小的密度、較低的熱導(dǎo)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(yōu)點而被建筑裝潢、室內(nèi)裝修、公共建筑隔斷板材、建筑地板等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3]。目前PVC發(fā)泡板材在國外應(yīng)用較多，目前我國PVC發(fā)泡板材的年產(chǎn)量和發(fā)達國家相比還存在較大的差距，PVC發(fā)泡材料在各行各業(yè)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(jīng)成為材料領(lǐng)域研究的熱點，PVC發(fā)泡板材的發(fā)展前景廣闊[4]。

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

1 PVC發(fā)泡板材

1.1 PVC發(fā)泡板材的分類

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

（2）根據(jù)泡體質(zhì)地軟硬程度的差異，可以將PVC發(fā)泡板材分為軟質(zhì)發(fā)泡板和硬質(zhì)發(fā)泡板兩大類。其中軟質(zhì)PVC發(fā)泡板材的硬度和強度較小，發(fā)泡程度高，倍數(shù)大，常用于保溫材料的制備[7]。而硬質(zhì)PVC發(fā)泡板材硬度高，強度大，發(fā)泡程度低，倍數(shù)小，主要用于力學(xué)材料的生產(chǎn)制造領(lǐng)域。

（3）根據(jù)PVC發(fā)泡板材泡孔結(jié)構(gòu)的差異，可以將其分為開孔發(fā)泡板和閉孔發(fā)泡板兩大類。開孔PVC發(fā)泡板內(nèi)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(fā)泡板內(nèi)部泡孔與泡孔之間是隔斷開，并為連接相通的。

（4）根據(jù)生產(chǎn)工藝的差異，可以將PVC發(fā)泡板材分為自由發(fā)泡板材、結(jié)皮發(fā)泡板材和共擠發(fā)泡板材。

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

PVC結(jié)皮發(fā)泡板指的是發(fā)泡過程中熔融物質(zhì)離開模具以后，經(jīng)多塊定型板冷卻定型而得到的發(fā)泡板。PVC結(jié)皮發(fā)泡板生產(chǎn)工藝的特點是冷卻速度快、冷卻充分，特別適合厚板生產(chǎn)。PVC結(jié)皮發(fā)泡板表面層有一光滑、平整的硬質(zhì)皮層，雖然該皮層也經(jīng)過發(fā)泡，但通常密度要比中間大很多，因此結(jié)皮板表面硬度較大，力學(xué)性能優(yōu)異，不容易出現(xiàn)劃痕。另外，由于采用了多塊定型板分段冷卻工藝，因此其產(chǎn)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(dǎo)體絕緣性、機械性能和耐腐蝕性能，PVC結(jié)皮發(fā)泡板可用于建筑材料、化工容器材料以及裝飾材料領(lǐng)域，且經(jīng)過深加工的產(chǎn)品可以生產(chǎn)強酸盛裝材料以及家用水箱材料等。

PVC共擠發(fā)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(chǎn)生的一種發(fā)泡板。其主要特點是皮層、芯層配方不同，擠出設(shè)備是獨自塑化后經(jīng)分配器進入擠出模具共同擠出。一般皮層不發(fā)泡、芯層發(fā)泡。共擠發(fā)泡板生產(chǎn)工藝更復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)要求更高。PVC共擠發(fā)泡板表面比結(jié)皮發(fā)泡板更硬、更光亮。產(chǎn)品常常用于對表面硬度和光亮度要求較高的領(lǐng)域。

1.2 PVC發(fā)泡板材的特點

大量相關(guān)文獻資料證實，相比其它實心輕質(zhì)塑料板材、珍珠巖、石棉板材、陶粒等材料而言，PVC發(fā)泡板材具備優(yōu)異的隔熱保溫、承載能力以及隔音等特性，生產(chǎn)過程機械化程度高、操作簡便、節(jié)省人力、節(jié)省資源。利用PVC發(fā)泡板材作為保溫隔熱材料，在外墻體保溫、屋面保溫等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)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(yīng)用PVC發(fā)泡板材深加工制造的PVC發(fā)泡磚。PVC發(fā)泡板材主要具備以下幾個特點：

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

（2）質(zhì)地輕：PVC發(fā)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(fā)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(fā)泡板材不吸水，具有較好的防水特性；

（5）不易老化：PVC發(fā)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(fā)泡機便可以實現(xiàn)機械化操作，且在垂直距離200m范圍內(nèi)可自由輸送，生產(chǎn)產(chǎn)量高，成本低。

1.3 PVC發(fā)泡板材性能

（1）熱性能：PVC發(fā)泡板材具有較差的熱穩(wěn)定性，150℃條件下材料性質(zhì)發(fā)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(fā)泡板材氧化指數(shù)極高，在空氣中很難燃燒，具有較高的阻燃性。

（2）力學(xué)性能：PVC發(fā)泡板材的力學(xué)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(zhì)PVC板材的彈性模量位于1500MPa到3000MPa之間，軟質(zhì)PVC板材的彈性位于1.5MPa到15MPa之間。

（3）導(dǎo)電性能：PVC發(fā)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(dǎo)電性能。板材電阻率和介電常數(shù)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(lǐng)域。

2 PVC發(fā)泡板材的成型機理

PVC發(fā)泡成型機理根據(jù)所使用發(fā)泡劑的差異一般有化學(xué)發(fā)泡技術(shù)和物理發(fā)泡技術(shù)兩大類。

（1）化學(xué)發(fā)泡技術(shù)

化學(xué)發(fā)泡技術(shù)是PVC內(nèi)部通過化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生氣泡，具體工藝是加入發(fā)泡劑后進行熱處理，因熱降解后有氣體生成，也可以在設(shè)計配方過程中，加入可以通過化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生氣體的發(fā)泡劑，使物料體系在加工過程中有氣泡生成即可。化學(xué)發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)工藝中，物料混合、升溫、塑化以及發(fā)泡膨脹都是在塑機中進行。

（2）物理發(fā)泡技術(shù)

一般而言，采用物理發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)PVC發(fā)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(shè)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(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w狀態(tài)，在熔融物料中即可產(chǎn)生氣泡；三是在物料中加入空心球，達到熔融狀態(tài)后可形成發(fā)泡體。

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

3 發(fā)泡材料

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

采用化學(xué)發(fā)泡機理來生產(chǎn)板材，對發(fā)泡劑的基本要求是無毒無害、不容易燃燒、不容易腐蝕設(shè)備，且對產(chǎn)品成型、產(chǎn)品化學(xué)、物理性質(zhì)不產(chǎn)生影響。化學(xué)法所選擇物料的發(fā)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(xué)發(fā)泡法應(yīng)用較多的發(fā)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(fā)泡劑是偶氮甲酰胺類。

物理發(fā)泡技術(shù)對發(fā)泡材料的基本要求是具有良好的熱穩(wěn)定性能，無害無毒，不能對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，高溫狀態(tài)下穩(wěn)定性良好，不容易燃燒，產(chǎn)生的氣體不和物料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(fā)泡機理生產(chǎn)PVC發(fā)泡板材常用的發(fā)泡材料主要有二氧化碳、空氣、甲烷、乙烷和氮氣等。由發(fā)泡材料來看，物理發(fā)泡技術(shù)所采用的的發(fā)泡劑成本較為低廉，特別是氮氣和二氧化碳，對環(huán)境污染性較小，高溫不易燃燒，且發(fā)泡完成后不容易產(chǎn)生殘留物質(zhì)，對PVC性能影響較小，但發(fā)泡過程對設(shè)備要求較高，生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜，初期投資大。

PVC發(fā)泡板材在生產(chǎn)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(yù)防氣泡合并，得到泡孔均勻一致、密度低的產(chǎn)品。不同廠家生產(chǎn)的發(fā)泡材料不同，生產(chǎn)的板材質(zhì)量也不盡相同，因此，PVC發(fā)泡板材在生產(chǎn)前要合理選擇發(fā)泡劑。

4 結(jié)論

PVC發(fā)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(zhì)材料（如石棉制品、陶粒、膨化珍珠巖等）來說，生產(chǎn)工藝操作簡便，省時省力，機械化程度高。在國外，PVC發(fā)泡板被材料領(lǐng)域認為是最具潛力的“傳統(tǒng)木材代替品”。發(fā)泡材料的選擇對于板材的生產(chǎn)質(zhì)量來說是一項至關(guān)重要的因素。因此，PVC發(fā)泡板在加工生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)具體需求來選擇合適的發(fā)泡材料和發(fā)泡技術(shù)，進而得到合適的、質(zhì)量優(yōu)異的產(chǎn)品。

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作者簡介：苗偉出生于1971年女漢族籍貫山東淄博沂源縣，學(xué)歷大專，中級職稱，現(xiàn)任山東博拓塑業(yè)股份有限公司總經(jīng)理