微孔塑料挤出成型的分析

朱涛（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215000）

微孔塑料挤出成型的分析

朱涛（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215000）

微孔塑料是一种内部具有微孔的新型泡沫塑料，微孔塑料由于其优异的稳定性、抗冲击性等性能被越来越多的人关注。本文就微孔塑料的挤出成型技术及微孔塑料的成型原理做了初步的研究分析。

微孔塑料；挤出；成型

在20世纪80年代左右，美国的Nam Suh博士发明了微孔发泡技术。发泡技术的应用减轻了塑料的重量，避免了化学发泡剂的使用，使得泡孔孔径可控，与传统塑料相比在不牺牲其物理性能的前提下生产效率大幅度提升。微孔塑料的出现对全世界的塑料工业都产生了巨大的冲击。

1 微孔塑料的挤出成型技术

1.1 聚合物的熔融

在微孔塑料的制作过程中应该包括以下几个过程：对于聚合物的加入、压实、塑料完全融合。在整个过程中聚合物的加入直接影响着生产过程，如果生产的参数不符合，就直接导致生产的塑料变形。在现在市面上具有两种挤出机：一种是平滑机筒的挤出机，另一种是沟面机筒挤出机。两种机器在加料输出时要满足所添加的物料流动阻值一定要低。在整个加料过程中需要严格控制温度，温度必须要低于熔融的温度，如果温度高于熔融温度，那么将直接导致后期的物料分解。正常情况下应该将温度控制在熔融温度的十度以下。在输送过程中一定要压实塑化进入的半熔体，假如没有压实将导致在输送过程中出现物料的停滞，甚至会出现物料的提前分解现象。对于聚合物的塑化阶段来说，要满足其生产能力，需要在高压条件下保持完全的熔融，在此过程中要避免因温度的不当而造成生产压力的波动。

2 微孔塑料挤出成型中关键的步骤

2.1 气体/聚合物均相体系构成

微孔塑料挤出成型中最关键的一步就是形成气体与聚合物形成的均相体系。气体与聚合物之间的均相体系形成必须在短时间内完成，可能需要的时间在几分钟到几十秒不等。要想保证这个过程的顺利进行就要采取相应的措施来加速气体与聚合物之间的融合。在聚合物的成型过程中注入适量的可溶性气体，形成两者之间的均相体系。在螺杆的剪切下已经形成的大气泡会形成很多的小气泡，直到整个融合过程结束再停止剪切。在均相体系构建中必须采取以下几种方式：一是利用具有高混合的螺杆剪切；二是增加静态的混合器；三是增加超临界的CO2流体注入到聚合的熔体之间，对泡孔的大小进行严密的控制；四是利用对流技术扩散。这四种方式的综合使用能够使微孔尺寸得以控制。在整个均相体系的构建中为了进一步促进气体与聚合物均相熔体的形成，在试验中要控制好高温条件下气体在聚合物中的溶解度，以及扩散系数及体系的对流扩散[2]等因素。

2.2 气泡成核的研究

气泡的成核是在微孔塑料挤出成型中又一关键步骤，传统塑料构成中目前存在四种理论成因，分别是分子架理论、热点成核理论、机械搅拌理论和界面成核理论。然而在微孔塑料的挤出成型的研制中运用最多的就是经典的气泡成核理论。经典的气泡成核理论最初是应用于金属材料的相变研究中。该理论认为假设在亚太的临界气泡成核的过程是与热力学的平衡是相等的，而微孔塑料的成核是在气泡的成核中因气泡过于的饱和而产生的气体压缩现象。将微孔塑料的成核类型分为均相成核与非均相成核。在对其关系的研究中得到了自由能垒和成核速率计算公式：

其中V是气泡与聚合物溶体的张力比值；Pb是气泡的内部压力；Pm是溶体内的压力；C0是气体的分子浓度；f0指的是均相核的频率因子；K是Boltzman常数；T是绝对的温度。

对于均相成核而言，成核的活化能力是相同的，在成核中成核的因子会在整个的基体聚集中发生。但是对于非均相成核而言意味着非均相成核容易进行。两种成核的过程发生的并不意味着成核的速率得到了提高。在经典的气泡成核理论种聚合物的大分子链在相互作用下引起的气体饱和自由能的转变变化。因此无法对微孔塑料聚合中的某些现象进行解释，存在很大的局限性[3]。

2.3 气泡的长大和定型

在微孔塑料的挤出成型中，在最后关键的一步就是气泡的长大和定型。气泡的长大主要取决于泡孔的大小、形状以及泡孔的分布和开闭状态。在气泡的长大过程中CO2气体很容易从表皮渗出，在现实生活中以CO2和N2气体做气体的泡发剂时，应考虑其分子质量的大小，要考虑其扩散的速率与常规的气体发泡剂之间的大小关系。当塑料的机头已经挤出塑料后，就能将已经扩散的气泡散发到空气中，因此在热力学上更趋向与两者之间的分离。在研究气泡的长大过程中，必须要研究气泡长大的动力与内在的阻力。在气体聚合时气体与熔体之间存在着质量关系，这个过程中有动量以及热量的复杂传递过程[4]。

为了得到符合设计的微孔气泡，气泡的定型控制很重要。在成核的基础上有流体随着成核的气泡长大，成核后的气泡在随着流体长大的过程中，由于通过其气泡的整合趋势减小。同时在成型过程中产生的剪切侧重于拉长过程中气泡的合并，在进一步加强气泡的合并速度时，可以约束气泡的无限长大，这样就会使气泡变得不稳定，引起了气泡的自行破裂。因此在微孔塑料的挤出成型中为了得到微孔的结构，就要抑制气泡的合并。

[1]牟文杰.动态条件对微孔塑料用超临界CO_2发泡成核的影响[D].华南理工大学,2003.

[2]陈昕.微孔塑料连续挤出加工工艺与成型口模的研究[D].南昌大学,2013.

[3]余忠.微孔塑料连续挤出成型的理论与实验研究[D].南昌大学,2011.

[4]唐少炎.微孔塑料成型技术[J].轻工机械,2006,02:20-25.