發泡塑料是以熱塑性或熱固性樹脂為基體, 其內部具有無數微小氣孔的塑料. 發泡是塑料加工的重要方法之一, 塑料發泡得到的泡沫塑料含有氣固兩項-氣體和固體. 氣體以泡孔的形式存在於泡沫體中, 泡孔與泡孔互相隔絕的稱為閉孔, 連通的稱為開孔, 從而有閉孔泡沫塑料和開孔泡沫塑料之分. 泡沫結構的開孔或閉孔是由原材料性能及其加工工藝所決定的.
塑料發泡的技術淵源久遠. 最早是20年代初期的泡沫膠木, 用類似製造泡沫橡膠的方法製取;30年代出現硬質聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫;40年代有聚乙烯, 聚氯乙烯, 環氧樹脂, 酚醛泡沫;50年代則有可發性聚苯乙烯泡沫和軟質聚氨酯泡沫.
現在, 基本上所有的塑料, 包括熱塑性和熱固性的都可以發泡為泡沫塑料. 工業上的製備方法有: 擠出發泡, 注塑發泡, 模塑發泡, 壓延發泡, 粉末發泡和噴塗發泡等等. 其中, 注塑發泡是最重要的成型方法之一, 在這裡重點講述注塑成型發泡.
發泡成型原理
塑料的發泡方法根據所用發泡劑的不同可以分為物理髮泡法和化學發泡法兩大類. 在這裡首先簡單介紹一下發泡劑.
發泡劑
發泡劑可簡單粗分為物理髮泡劑與化學發泡劑兩類. 對物理髮泡劑的要求是: 無毒, 無臭, 無腐蝕作用, 不燃燒, 熱穩定性好, 氣態下不發生化學反應, 氣態時在塑料熔體中的擴散速度低於在空氣中的擴散速度. 常用的物理髮泡劑有空氣, 氮氣, 二氧化碳, 碳氫化合物, 氟利昂等;
化學發泡劑是一種受熱能釋放出氣體諸如氮氣, 二氧化碳等的物質, 對化學發泡劑的要求是: 其分解釋放出的氣體應為無毒, 無腐蝕性, 不燃燒, 對製品的成型及物理, 化學性能無影響, 釋放氣體的速度應能控制, 發泡劑在塑料中應具有良好的分散性. 應用比較廣泛的有無機發泡劑如碳酸氫鈉和碳酸銨, 有機發泡劑如偶氮甲醯胺和偶氮二異丁腈.
物理髮泡法
簡單地講, 就是利用物理的方法來使塑料發泡, 一般有三種方法:
(1)先將惰性氣體在壓力下溶於塑料熔體或糊狀物中, 再經過減壓釋放出氣體, 從而在塑料中形成氣孔而發泡;
(2)通過對溶入聚合物熔體中的低沸點液體進行蒸發使之汽化而發泡;
(3)在塑料中添加空心球而形成發泡體而發泡等.
物理髮泡法所用的物理髮泡劑成本相對較低, 尤其是二氧化碳和氮氣的成本低, 又能阻燃, 無汙染, 因此應用價值較高;而且物理髮泡劑發泡後無殘餘物, 對發泡塑料性能的影響不大. 但是它需要專用的注塑機以及輔助設備, 技術難度很大.
化學發泡法
化學發泡法是利用化學方法產生氣體來使塑料發泡: 對加入塑料中的化學發泡劑進行加熱使之分解釋放出氣體而發泡;另外也可以利用各塑料組分之間相互發生化學反應釋放出的氣體而發泡.
採用化學發泡劑進行發泡塑料注塑的工藝基本上與一般的注塑工藝相同. 塑料的加熱升溫, 混合, 塑化及大部分的發泡膨脹都是在注塑機中完成的.
總之, 不論選取哪一種塑料原料, 也不論採用哪一種發泡方法, 其發泡過程一般都要經過形成氣泡核, 氣泡核膨脹, 泡體固化定型等階段.
結構發泡成型
結構發泡法(StructralFoamMolding)屬於化學發泡法, 它是注射成型工藝技術中的一項革命. 它保留了傳統注射成型工藝的許多優點, 又避免了傳統注塑工藝中遇到的一些問題, 如製品強度不夠, 生產周期太長, 模塑率低等.
另外, 採用結構發泡技術還可模塑大型複雜製品, 使用低成本模具, 多模腔可同時操作, 從而降低製品生產成本. 結構發泡製品是一種具有緻密表層的連體發泡材料, 其單位重量強度和剛度比同種未發泡的材料高3~4倍.
結構發泡法最大的特點是可以不用增加設備, 家用普通的注塑機便可以注塑生產, 不過採用模腔擴大法發泡的高壓結構發泡注塑機與普通注塑機相比, 增加了二次合模保壓裝置.
近年來, 結構發泡注塑成型技術得到了很廣泛的發展, 成型方法也很多, 但歸納起來可以分為三種: 低壓發泡法;高壓發泡法(注: 此處的低壓和高壓指模具模腔內的壓力);雙組分發泡法.
低壓發泡法
低壓發泡法注塑與普通注塑的區別在於其模具的模腔壓力較低, 約2~7Mpa, 而普通注塑在30~60Mpa之間. 低壓發泡注塑一般採用欠注法, 即將一定量(不注滿模腔)的塑料熔體(含有發泡劑)注入模腔, 發泡劑分解出來的氣體使塑料膨脹而充滿模腔. 在普通注塑機上進行低壓發泡注塑, 一般是將化學發泡劑與塑料混合, 在機筒內塑化, 必須採用自鎖式射嘴.
注射時, 由於氣體的擴散速度很快, 會造成製品的表面粗糙, 因此注塑機的注射速度要足夠快. 一般採用增壓器來提高注射速度和注射量, 使注射動作在瞬間完成.
高壓發泡法
高壓發泡法的注塑模腔壓力在7~15Mpa之間, 採用滿注方式, 即一次注射量正好等於模具模腔的容積. 為了使製件得到發泡膨脹, 可以採用強制擴大模腔, 或者使一部分塑料分流出模腔. 一般較多採用模腔擴大法.
採用擴大模腔法的注塑機與普通注塑機相比, 增加了二次合模保壓裝置, 當塑料和發泡劑的熔融混合物被注入到模腔後延時一段時間, 然後合模機構的動模板向後移動一小段距離, 使模具的動模和定模稍為分開, 模腔擴大, 模腔內的塑料開始發泡膨脹.
製品冷卻後在其表面形成緻密的表皮, 由於塑料熔體的發泡膨脹受到動模板的控制, 因此, 也就可以對製品的緻密表層的厚度進行控制. 動模板的移動可以是整體移動, 也可以是部分移動使局部發泡, 從而得到不同密度的製品. 高壓發泡法對模具的製造精度要求高, 模具費用高, 並且對注塑機有二次鎖模保壓要求.
雙組分發泡法
雙組分發泡注塑是一種特殊的高壓結構發泡注塑方法, 它採用專門的雙組分注塑機. 這種注塑機有兩套注塑裝置: 一套用來注塑製品的芯部, 一套用來注塑製品的表層. 在注塑時, 先注入皮層物料, 然後通過同一澆口再注入混有發泡劑的芯部材料.
由於芯部材料呈層流狀態流動, 這就保證了芯部材料均勻地包覆在皮層內部, 使型腔得到完全填充. 當熔料填滿型腔後, 再注入少量不含有發泡劑的熔料, 使澆口封閉. 製品取出後, 再去掉澆口即得到具有不發泡緻密表層和有芯部發泡的輕質製品.
微孔發泡成型
微孔發泡成型屬於物理髮泡法. 常規泡沫塑料的泡孔直徑一般大於50mm, 泡孔的密度(單位體積內泡孔的數量)小於106個/cm3. 這些大尺寸的泡孔受力時常常成為初始裂紋的發源地, 降低了材料的機械性能.
注射成型是微孔塑料製品的主要成型方法之一. 塑料原料加入注塑機的料筒後, 在螺杆剪切力及加熱圈外加熱作用下塑化, 發泡劑直接注入注射螺杆熔融段末與熔體均勻混合, 然後高壓高速注入模腔.
在模腔內突然降壓, 使熔體中大量的過飽和氣體離析出來, 發泡, 膨脹, 成型, 定型形成微孔塑料製品. 另外, 也可以採用改變溫度的方法形成泡核, 與改變壓力法相比, 比較容易控制, 但對於氣體溶解度對溫度不敏感的塑料不適用.
開發微孔塑料注塑技術難度比較大, 因為和常規泡沫塑料相比, 泡孔的尺寸要小得多, 要想得到良好的微孔塑料製品, 必須要保證對進入機筒熔體中的超臨界流體精確計量, 要求塑料熔體必須充分混合, 均化, 分散, 形成均相混合體, 保證熔體中的成核點必須多於109個/cm3, 及時控製成核氣泡的膨脹等等. 這對設備本身及注塑工藝參數的要求都非常之高.
採用該技術的特點是:
製品重量約減少50%;
注射壓力約降低30~50%;
鎖模力降低20%;
迴圈周期減少10~15%;
採用一套帶計量控制裝置的氣體輸入設備.
結語:
發泡塑料由於有氣泡的存在, 因此具有質輕, 省料, 能吸收衝擊載荷, 隔熱和隔音的性能, 比強度高等特性, 特別是可以節省材料, 減小能耗, 降低成本方面, 使得可以大力推廣應用.
微孔發泡塑料除了具有上述一般泡沫塑料的優點外, 還有更加優良的力學性能. 因此, 泡沫塑料的應用範圍十分廣泛, 特別是在製作汽車, 飛機和各種運輸器材等領域有特殊的應用價值. 可以預計, 發泡注塑尤其是微孔發泡注塑將是塑料加工機械及製品加工的一個熱點.