微孔塑料擠出成型的分析

朱濤（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州215000）

微孔塑料擠出成型的分析

朱濤（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州215000）

微孔塑料是一種內部具有微孔的新型泡沫塑料，微孔塑料由于其優異的穩定性、抗沖擊性等性能被越來越多的人關注。本文就微孔塑料的擠出成型技術及微孔塑料的成型原理做了初步的研究分析。

微孔塑料；擠出；成型

在20世紀80年代左右，美國的Nam Suh博士發明了微孔發泡技術。發泡技術的應用減輕了塑料的重量，避免了化學發泡劑的使用，使得泡孔孔徑可控，與傳統塑料相比在不犧牲其物理性能的前提下生產效率大幅度提升。微孔塑料的出現對全世界的塑料工業都產生了巨大的沖擊。

1 微孔塑料的擠出成型技術

1.1 聚合物的熔融

在微孔塑料的制作過程中應該包括以下幾個過程：對于聚合物的加入、壓實、塑料完全融合。在整個過程中聚合物的加入直接影響著生產過程，如果生產的參數不符合，就直接導致生產的塑料變形。在現在市面上具有兩種擠出機：一種是平滑機筒的擠出機，另一種是溝面機筒擠出機。兩種機器在加料輸出時要滿足所添加的物料流動阻值一定要低。在整個加料過程中需要嚴格控制溫度，溫度必須要低于熔融的溫度，如果溫度高于熔融溫度，那么將直接導致后期的物料分解。正常情況下應該將溫度控制在熔融溫度的十度以下。在輸送過程中一定要壓實塑化進入的半熔體，假如沒有壓實將導致在輸送過程中出現物料的停滯，甚至會出現物料的提前分解現象。對于聚合物的塑化階段來說，要滿足其生產能力，需要在高壓條件下保持完全的熔融，在此過程中要避免因溫度的不當而造成生產壓力的波動。

2 微孔塑料擠出成型中關鍵的步驟

2.1 氣體/聚合物均相體系構成

微孔塑料擠出成型中最關鍵的一步就是形成氣體與聚合物形成的均相體系。氣體與聚合物之間的均相體系形成必須在短時間內完成，可能需要的時間在幾分鐘到幾十秒不等。要想保證這個過程的順利進行就要采取相應的措施來加速氣體與聚合物之間的融合。在聚合物的成型過程中注入適量的可溶性氣體，形成兩者之間的均相體系。在螺桿的剪切下已經形成的大氣泡會形成很多的小氣泡，直到整個融合過程結束再停止剪切。在均相體系構建中必須采取以下幾種方式：一是利用具有高混合的螺桿剪切；二是增加靜態的混合器；三是增加超臨界的CO2流體注入到聚合的熔體之間，對泡孔的大小進行嚴密的控制；四是利用對流技術擴散。這四種方式的綜合使用能夠使微孔尺寸得以控制。在整個均相體系的構建中為了進一步促進氣體與聚合物均相熔體的形成，在試驗中要控制好高溫條件下氣體在聚合物中的溶解度，以及擴散系數及體系的對流擴散[2]等因素。

2.2 氣泡成核的研究

氣泡的成核是在微孔塑料擠出成型中又一關鍵步驟，傳統塑料構成中目前存在四種理論成因，分別是分子架理論、熱點成核理論、機械攪拌理論和界面成核理論。然而在微孔塑料的擠出成型的研制中運用最多的就是經典的氣泡成核理論。經典的氣泡成核理論最初是應用于金屬材料的相變研究中。該理論認為假設在亞太的臨界氣泡成核的過程是與熱力學的平衡是相等的，而微孔塑料的成核是在氣泡的成核中因氣泡過于的飽和而產生的氣體壓縮現象。將微孔塑料的成核類型分為均相成核與非均相成核。在對其關系的研究中得到了自由能壘和成核速率計算公式：

其中V是氣泡與聚合物溶體的張力比值；Pb是氣泡的內部壓力；Pm是溶體內的壓力；C0是氣體的分子濃度；f0指的是均相核的頻率因子；K是Boltzman常數；T是絕對的溫度。

對于均相成核而言，成核的活化能力是相同的，在成核中成核的因子會在整個的基體聚集中發生。但是對于非均相成核而言意味著非均相成核容易進行。兩種成核的過程發生的并不意味著成核的速率得到了提高。在經典的氣泡成核理論種聚合物的大分子鏈在相互作用下引起的氣體飽和自由能的轉變變化。因此無法對微孔塑料聚合中的某些現象進行解釋，存在很大的局限性[3]。

2.3 氣泡的長大和定型

在微孔塑料的擠出成型中，在最后關鍵的一步就是氣泡的長大和定型。氣泡的長大主要取決于泡孔的大小、形狀以及泡孔的分布和開閉狀態。在氣泡的長大過程中CO2氣體很容易從表皮滲出，在現實生活中以CO2和N2氣體做氣體的泡發劑時，應考慮其分子質量的大小，要考慮其擴散的速率與常規的氣體發泡劑之間的大小關系。當塑料的機頭已經擠出塑料后，就能將已經擴散的氣泡散發到空氣中，因此在熱力學上更趨向與兩者之間的分離。在研究氣泡的長大過程中，必須要研究氣泡長大的動力與內在的阻力。在氣體聚合時氣體與熔體之間存在著質量關系，這個過程中有動量以及熱量的復雜傳遞過程[4]。

為了得到符合設計的微孔氣泡，氣泡的定型控制很重要。在成核的基礎上有流體隨著成核的氣泡長大，成核后的氣泡在隨著流體長大的過程中，由于通過其氣泡的整合趨勢減小。同時在成型過程中產生的剪切側重于拉長過程中氣泡的合并，在進一步加強氣泡的合并速度時，可以約束氣泡的無限長大，這樣就會使氣泡變得不穩定，引起了氣泡的自行破裂。因此在微孔塑料的擠出成型中為了得到微孔的結構，就要抑制氣泡的合并。

[1]牟文杰.動態條件對微孔塑料用超臨界CO_2發泡成核的影響[D].華南理工大學,2003.

[2]陳昕.微孔塑料連續擠出加工工藝與成型口模的研究[D].南昌大學,2013.

[3]余忠.微孔塑料連續擠出成型的理論與實驗研究[D].南昌大學,2011.

[4]唐少炎.微孔塑料成型技術[J].輕工機械,2006,02:20-25.