聚合物發泡材料成型裝備應用研究進展

朱能貴 熊一鳴 蔣團輝 李勝男 曾祥補 沈超

(國家復合改性聚合物材料工程技術研究中心,貴州 貴陽,550022)

聚合物材料具有綜合性能好、可回收、價格低等優點,應用非常廣泛。隨著環保要求越來越高,多功能環保型材料的需求量大幅增加。研究者開發了輕質、高效、多功能的聚合物發泡材料,節約了成本,減少了環境污染,并實現了功能多樣化。聚合物發泡材料為“三明治”結構,芯層存在大量微小泡孔,所以也被稱為多孔泡沫材料,廣泛應用于汽車、家電、包裝等領域[1-2]。

聚合物發泡材料成型裝備是聚合物發泡材料發展和應用的基礎,先進的聚合物發泡材料成型裝備能夠在保證發泡材料生產質量的同時降本增效,助推整個發泡材料產業鏈的發展。隨著聚合物發泡材料的研究不斷深入,聚合物發泡裝備得到了很大的發展,其中,擠出發泡裝備和注塑發泡裝備均已經形成了系統的發泡材料生產制造體系[3]。聚合物發泡材料制備方法主要有:化學發泡法、物理發泡法、機械發泡法等。化學發泡法通常是利用化學發泡劑受熱分解產生的氣體使樹脂在熔融狀態下產生泡孔。物理發泡法是通過向塑料中溶入氣體,使其膨脹發泡。機械發泡法是借助機械攪拌等工藝將氣體混入熔融樹脂中,形成泡孔。近年來,圍繞上述3種發泡方法,研究者開發了多種發泡裝備,推動了聚合物發泡材料行業的發展。

下面對近年來國內外聚合物發泡材料成型裝備的研究和應用進行了綜述,梳理了聚合物發泡裝備研發和應用中存在的一些問題,并對其發展前景進行了展望。

1 聚合物發泡材料及發泡技術

聚合物發泡材料的泡孔直徑小于100 μm,泡孔密度大于107個/cm3,且具有多孔結構,在輕量化、隔熱降噪、吸收能量等方面具有廣泛的應用價值。通過調節泡孔直徑大小和泡孔形態,可以得到具有較好熱性能和力學性能的聚合物發泡材料,且降低了材料成本和材料損耗等[4-5]。

聚合物發泡技術主要有化學發泡技術和物理發泡技術。在一定工藝條件下,采用2種發泡技術均能夠得到泡孔尺寸小、密度大、分布均勻的發泡材料。物理發泡技術主要以超臨界流體為發泡劑,裝備復雜,技術要求高。化學發泡技術主要利用化學發泡劑進行發泡,生產效率較高,更容易實現產業化。為了獲得質量較好的產品,可以通過調控發泡裝備的溫度、壓力、速度等工藝參數改善發泡質量,這時,發泡裝備就顯得格外重要。通過利用現階段的發泡技術和發泡裝備,研究者已經制備了聚丙烯(PP)、聚酰胺、聚氨酯等許多發泡材料并應用于生產生活中[6]。

2 聚合物發泡材料成型裝備及應用

2.1 注塑發泡成型裝備及應用

注塑發泡成型裝備是目前批量生產發泡材料常用的設備之一,其制得的發泡產品具有尺寸控制穩定、成型周期短、減重幅度大等優點,適合進行大批量生產。Yusa A等[7]開發了一種新型注塑發泡成型技術及裝備,在不使用超臨界流體(SCF)泵裝置的情況下即可生產微孔泡沫。同時,發泡劑無需達到SCF狀態。輸送到熔融聚合物中的氣體量由噴射閥的氣體加藥時間、氣瓶的二次減壓壓力和排氣容器的背壓控制。李振華等[8]開發了二次開模注塑微發泡裝置和欠注微發泡裝備。二次開模發泡工藝主要有3個階段:1) 在一定溫度下,塑料粒料和發泡劑在料筒中熔融,發泡劑分解產生氣體(二氧化碳等),與樹脂熔體混合均勻,形成過飽和相;2) 將過飽和相注射填充至模具型腔內,通過二次開模使體系壓力驟降,氣體在聚合物熔體中成核并長大;3) 促使泡孔長大的驅動力不斷減小,且在冷卻過程中,樹脂熔體的黏度增加,阻礙了分子鏈的運動,樹脂熔體逐漸固化,最終成型為發泡制件。通過改變工藝參數可以調節材料的表面質量、力學性能、泡孔質量等,且二次開模發泡裝備制備容易控制。欠注發泡主要是注塑時樹脂熔體未充滿模具型腔、在釋放壓力的狀態下成核并長大的過程。采用欠注發泡工藝時,材料的發泡狀態很難控制。

為了更直觀地觀察和研究聚合物的微發泡過程,研究者開發了注塑發泡成型可視化裝備。Shaayegan V等[9]在高壓泡沫注塑成型試驗中,利用注塑發泡成型可視化裝備研究了碳纖維對泡孔生長過程的影響。研究發現:當纖維接近生長中的泡孔時,其同時出現平移和旋轉位移。Yang J K等[10]利用注塑發泡成型可視化裝置及成核理論研究了聚合物泡沫塑料的氣泡成核過程,并基于實景觀察和測量結果建立了數學模型。同時,還研究了不同發泡劑含量對氣泡成核過程的影響,并基于經典成核理論,建立了描述氣泡成核動力學的數學模型。

注塑發泡成型裝備操作簡單,且可實現全自動生產,是研究發泡材料性能及應用的重要裝備。Gong W等[11]采用注塑發泡成型裝備制備了PP發泡復合材料,并對其發泡質量和沖擊性能進行了研究。結果表明:引入熱塑性橡膠(TPR)和聚烯烴彈性體(POE)后,PP發泡復合材料的發泡質量顯著提高;沖擊性能取決于PP復合材料的固有韌性、泡孔尺寸和泡孔形態。Hamidinejad M等[12]提出了一種在含有石墨烯納米片的聚合物復合泡沫中開發梯度微孔結構的方法。采用注塑機對材料進行超臨界流體處理,發泡前在模腔中快速減壓。該泡孔的微觀結構從剪切誘導的細長泡孔到模制復合材料長度呈現出各向同性。研究者還利用注塑發泡裝備制造了可用于建筑行業的不透明聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)絕緣泡沫及親油隔音PP/聚四氟乙烯(PTFE)納米復合泡沫等功能性發泡材料[13-14]。

2.2 擠出發泡成型裝備及應用

擠出發泡技術是將聚合物加入到擠出機中進行熔融,在螺桿的剪切作用下與發泡劑充分混合并完成氣體擴散,在口模處快速釋壓后泡孔成核并長大,冷卻定型后得到發泡材料。擠出發泡技術具有連續發泡的優勢,非常適用于大規模、快速生產聚合物發泡材料。常見的擠出發泡成型裝備有雙螺桿擠出機和單螺桿擠出機及用于提供發泡氣體等的附屬裝置。

擠出發泡成型裝備是物理發泡常用的設備,通過多年研究已經得到很大發展,研究者通過擠出發泡成型裝備研發了多種發泡材料,并對其性能進行了研究。Lombardi L等[15]采用發泡擠出機研究了擠出脹大對熱塑性聚合物擠出泡沫的影響。結果表明:黏彈性材料在發泡擠出機內部受到應力作用被束縛。當螺桿將其推送出口模時,黏彈性材料的彈性快速恢復,引起各向自由膨脹,即擠出脹大,膨脹是各向異性的,會影響產品的最終形狀,在擠出泡沫的標準應用中應該引起重視。Yao S等[16]以超臨界二氧化碳為發泡劑,利用擠出發泡成型裝備制備了PET發泡材料,并通過調節支化劑環氧基多功能齊聚物和擴鏈劑均苯四甲酸二酐的含量對PET進行了改性。研究發現:改性后的PET發泡材料表現出較好流變性能,熔體黏彈性明顯增強,在發泡過程中獲得了較高的發泡質量。Fei Y P等[17]采用超臨界二氧化碳輔助連續擠出發泡裝備制備了聚苯乙烯(PS)復合發泡材料。結果表明:所得材料吸聲系數較大,具有良好的吸聲性能,且木質素在PS復合泡沫中表現出阻燃作用。Khademi S M H等[18]采用雙螺桿擠出工藝制備了聚乳酸(PLA)發泡材料,研究了具有不同長徑比和負載量的膨脹石墨(EG)納米片和有機過氧化物對PLA發泡過程的影響。結果表明:膨脹EG納米片能夠提高PLA發泡材料的孔隙率和孔密度。Mi H Y等[19]通過雙螺桿擠出發泡裝備制備了PP/PTFE復合材料泡沫。結果表明:所得泡沫完全是超疏水的,這意味著其在斷裂或切割時仍保持超疏水性。

2.3 釜壓和模壓發泡成型裝備及應用

釜壓發泡成型裝備主要由釜體(發泡儲罐)、二氧化碳增壓泵、消聲器、傳感器、控制器等組成。釜壓發泡技術具有可精準調控發泡工藝參數(溫度、壓力等)的優點,可以用于研究單一變量對發泡行為的影響;缺點是生產效率低、安全風險高、適用場景有限等。

冀峰等[20]通過超臨界二氧化碳釜壓發泡成型裝備制備了可生物降解的聚對苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯(PBAT)發泡顆粒,研究了滲透條件對材料發泡性能的影響。研究發現:PBAT發泡顆粒的密度隨滲透溫度升高而逐漸降低,發泡倍率逐漸增大;所得PBAT發泡顆粒放置1 d后密度增加,發泡倍率降低,放置7 d后,其密度和發泡倍率保持不變。張玉良等[21]以高相對分子質量的共聚PP為原料,通過自制高壓反應釜裝備進行發泡。研究發現:溫度是提高材料發泡質量的關鍵。壓力、飽和時間、保壓時間等對材料的發泡過程也有很大影響。

模壓發泡技術是將聚合物、發泡劑和其他改性助劑等混合均勻,加入模壓發泡裝備中進行熱壓發泡,制得發泡材料。采用模壓發泡成型裝備可以加工較厚板材,制備一些擠出和注塑無法加工的發泡材料。與擠出和注塑發泡技術相比,采用模壓發泡裝備進行發泡板材的制備較難實現連續化、自動化生產。Chen Y C等[22]制備了最大膨脹率達到30倍的PET泡沫塑料,其泡孔直徑僅為20 μm。在發泡過程中,快速減壓會顯著改變PET的黏彈性,限制其發泡行為。

2.4 其他聚合物發泡成型裝備及應用

除了上述常見的發泡成型裝備以外,Yu C Y等[23]設計了一種新型氣體發泡裝備,該裝備由高壓供氣系統、高壓模具、成型機、壓力表和放氣閥等組成,發泡效果非常好。Tammaro D等[24]設計了一種新型批量發泡成型裝備,以二氧化碳為物理吹泡劑,研究了壓降速率和發泡溫度對PS發泡行為的影響。結果表明:適宜的壓降速率和發泡溫度會提高基體單位體積的成核氣泡數,斜率隨溫度的增加而增加。此外,倪曉等[25]研發了一種一機雙頭高壓發泡設備。結果表明:通過電機變頻調速,該設備可以實現2個注射流量差別較大的混合頭同時注射的要求;通過自動控制模式(PID)和閉環流量控制,可以實現計量泵較大范圍計量。

3 結語

聚合物發泡材料的成型裝備種類很多,各有優勢,也均存在一定的不足。因此,開發高效率、低能耗、發泡質量精準可控的聚合物發泡成型裝備勢在必行。研發可精準調控發泡倍率及泡孔尺寸等重要參數的發泡成型裝備是未來聚合物發泡成型裝備研發及應用的重要方向。