在塑料中加入一些填料, 就可使塑料某些性能得到改進, 由此更適合於某些專門用途. 為了降低塑料的密度和硬度, 或者增強它的隔熱性或隔音性, 則最理想的填料就是空隙. 含有空隙或泡孔的塑料, 分類為泡沫塑料. 隨著發泡的程度, 也就是空隙造成的泡沫的體積份額的差異, 泡沫塑料的性能與基礎塑料可能有相當大的差別. 發泡劑是一種化學品, 可加到塑料中, 在加工過程的適當時間, 它即會放出氣體, 使塑料中形成泡孔.
塑料泡沫的形成一般可分為四個階段.
第一階段, 發泡劑必須完全均勻地分散在聚合物內, 聚合物通常呈液體或熔融態. 發泡劑此時在聚合物中可以形成真正的溶液, 或者僅僅是均勻地分散在聚合物中, 形成二相系統.
第二階段, 大量單個的氣泡形成後, 該系統即轉變成一個氣體分散在液體中的系統了. 此時往往要加入核化劑, 以促進大量小氣泡形成. 核化劑一般是極細的惰性顆粒, 它們為新氣相的形成提供部位.
第三階段, 最初形成的泡孔在不斷漲大, 這是因為有更多的氣體擴散並透過聚合物進入了泡孔. 如果這段時間夠長, 則單個的泡孔就將互相接觸. 假如隔開單個泡孔的壁破裂, 那麼, 通過這種聚結方式, 就會形成更大些的泡孔. 如果主要是通過泡孔互連而形成的泡沫, 則稱之為開孔式泡沫. 如果是由互不相連的泡孔形成的泡沫, 就叫閉孔式泡沫. 如果允許泡孔聚結無限制地進行下去, 那麼泡沫就會塌陷, 這是因為氣體全部自動地與聚合物分離開了.
第四階段, 當聚合物粘度增加, 泡孔不能再增長時, 泡沫就會穩定住. 採用冷卻, 交聯或其它方法都可以增加聚合物粘度.
發泡過程的後三個階段, 從時間來看, 則可短至幾分之一秒, 最長也不會超過幾秒鐘. 泡沫的形成, 要求聚合物呈液態. 為此, 可通過加熱溶解或塑化聚合物. 泡沫塑料的生產過程幾乎與任何普通塑料生產過程一樣, 通常經過擠塑, 滾塑和注塑, 以及增塑糊加工和熱成型等過程. 出於同樣原因, 基本上任何種類的塑料都能製成泡沫塑料. 聚氯乙烯(硬質和軟質都可), 聚苯乙烯, 聚丙烯, ABS和聚乙烯, 都已工業規模地製成泡沫塑料. 耐熱工程塑料和熱固性聚合物也是如此.
AC發泡劑是由二脲氧化製得, 為淡黃色或桔黃色結晶粉末. 它的分子量為116, 分解熱359. 9J/g℃, 分解放出的氣體主要是氮氣(65%), 一氧化碳(32%)和少量二氧化碳(3%). 分解固體殘渣主要是聯二脲, 氰脲酸, 尿唑. 分解時略有氨味, 不易燃, 有自熄性. 室溫貯存穩定. 本品可視為無毒.
AC發泡劑具有良好的性能. 因此被廣泛應用, 尤其在硬PVC發泡型材中獲得很好應用.
一, 硬PVC發泡型材各組分對AC發泡影響
1.1 PVC樹脂
一般型材選用K值在58-65範圍內的PVC樹脂. 發泡材料常選用K值較低的PVC樹脂, 這樣有利於加工時迅速凝膠化, 確保在發泡溫度下熔體具有均相結構.
1.2 穩定劑
熱穩定劑在配方中除具有熱穩定作用外, 還起到降低發劑的分解溫度, 起到活化劑的作用, 促進AC的分解, 使發泡溫度適合加工溫度.
實驗表明三鹽用量加大會明顯降低AC的分解溫度, 並使發氣量有所增加, 見表1. 而硬鋇, 硬鉛也有降低AC分解溫度的作用, 但卻影響AC發氣量隨之減少. 所以應綜合考慮, 合理選擇穩定劑用量
1.3 AC發泡劑
隨AC發泡劑用量增加, 發氣量增加, 製品密度下降. 當AC用量處在某一值時, PVC製品密度較低, 而且表面光滑. 但隨AC用量繼續增加時, 發氣量太多, 以至於PVC熔體強度無法包住泡孔, 而造成泡孔破裂, 製品外觀出現塌坑, 製品密度反而上升. 反以AC發泡劑用量必鬚根據不同製品選用一個最佳用量.
1.4 改性劑
作為硬PVC改性劑的種類較多, 其中主要有CPE及ACR改性劑. ACR加入可改善PVC樹脂的熔體強度, 使發泡過程中泡孔壁能夠承受泡內氣體壓力不致破裂造成大的孔穴. ACR用量增加, 熔體強度增加, 使泡孔小而多. 所以ACR不但影響泡孔結構, 對製品密度也有影響, 見表3
CPE主要作用是提高硬PVC材料的衝擊強度. 選用不同類型CPE及用量對PVC體系性能影響較大. 一般以CPE-135A為好, 加入量5%-15%.
1.5 CaCO3用量
在低發泡體系中, CaCO3用量較小時, 具有成核劑作用, 有助於形成合適的泡孔. 但過量加入CaCO3使泡孔不規整, 材料密度也相應增加, 對衝擊強度也不利, 一般以10%-15% 用量為好.
二, 硬PVC發泡型材成型工藝對發泡影響
影響PVC發泡質量成型工藝因素主要有以下幾點.
2.1 擠出溫度
擠出溫度是影響發泡質量的一個重要因素. 實踐證明, 高質量的發泡體只是在適當的溫度範圍內才能獲得. 熔體溫度越高, 擠出物料本身的熔體強度越低, 則泡內的發泡壓力可能超過泡沫表面張力所承受的限度, 從而使泡孔破裂, 造成粗糙的發泡表面.
熔體的溫度對發泡影響最大, 在發泡過程中, 氣體壓力作用於熔體結構. 如果物料溫度太低, 則由於熔體粘度較高僅形成不完全的泡沫結構, 而導致型材密度高. 如果物料溫度太高, 則由於熔體粘度較低引起泡孔撕破, 大多數發泡氣體能迅速逃逸而造成泡孔癟塌.
2.2 口模溫度對發泡影響
發泡劑受熱分解所產生的氣體, 在機筒內的高壓下溶解在熔體中形成過飽和溶液. 氣體呈高度過飽和狀態是一種非穩定的狀態, 易在熔體中形成氣泡核( CaCO3和TiO2使氣泡形成容易發泡的成核劑作用). 如果擠出物內生成的泡核不足, 則形成氣泡就對PVC熔體的粘性, 彈性以及對氣體的熔體中的溶解度和擴散速率都有密切關係. 實踐表明, 隨著口模溫度上升, 製品密度下降, 但過高口模溫度(﹥200℃), 製品表面發黃. 因此口模溫度以180-185℃為宜.
2.3 擠出壓力
實踐表明泡孔尺寸和發泡密度隨擠出壓力增加而很快變小, 泡孔數量隨擠出壓力的上升而增加. 所以擠出壓力可以有效控制發泡密度.
2.4 物料在擠出機內滯留時間影響
物料在擠出機內滯留時間不同, 發泡質量也產生很大變化. 延長物料在擠出機內的滯留時間, 氣孔數量逐漸增加, 但達到最大值後就開始下降. 實際上, 發泡劑的分解程度和離開口模時熔體中氣體與核的比例有很大關係. 在較短的滯留時間下, 分解溫度也較小, 密度較大. 如果滯留時間增加, 氣體和核的比例就會增加, 發泡密度就會減小. 如果滯留時間過長, 會引起過早分解, 由此會影響成核結果, 使泡沫數量減少, 氣體與核的比例變得很大, 得到的是成核不足的過發泡製品.
2.5 螺杆轉速對發泡影響
螺杆轉速對製品密度有較大影響. 首先, 螺杆轉速決定了PVC熔體所受剪切的大小, 從而影響到PVC熔體的強度. 其次, 轉速造成剪切生熱使物料溫度升高, 這對發泡劑的分解及PVC降解穩定有影響. 所以過高的轉速很可能造成發泡材料泡孔結構不均勻和表面粗糙等毛病. 相反過低的轉速不僅降低生產率, 還不利於物料熔融塑化及均發泡. 因此選擇合理的轉速非常重要. 在相同配方相同工藝條件下, 隨著轉速的提高製品密度下降, 提高螺杆轉速可提高機頭壓力, 迫使物料在離開口模後才發泡, 可獲得良好的製品, 但過高的轉速會導致泡孔結構差.
三, 結語
(1)硬PVC發泡型材配方中, PVC樹脂型號, 穩定劑用量及選擇, 改性劑選擇 CaCO3選用均對AC發泡體系產生重大影響, 必須通過試驗選定最佳配方.
(2)擠出成型工藝中的擠出壓力, 擠出溫度, 口模溫度, 滯留時間, 螺杆轉速均對AC發泡體系產生影響, 因此必須嚴格控制擠出工藝條件.