聚合物发泡材料成型装备应用研究进展

朱能贵 熊一鸣 蒋团辉 李胜男 曾祥补 沈超

(国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心,贵州 贵阳,550022)

聚合物材料具有综合性能好、可回收、价格低等优点,应用非常广泛。随着环保要求越来越高,多功能环保型材料的需求量大幅增加。研究者开发了轻质、高效、多功能的聚合物发泡材料,节约了成本,减少了环境污染,并实现了功能多样化。聚合物发泡材料为“三明治”结构,芯层存在大量微小泡孔,所以也被称为多孔泡沫材料,广泛应用于汽车、家电、包装等领域[1-2]。

聚合物发泡材料成型装备是聚合物发泡材料发展和应用的基础,先进的聚合物发泡材料成型装备能够在保证发泡材料生产质量的同时降本增效,助推整个发泡材料产业链的发展。随着聚合物发泡材料的研究不断深入,聚合物发泡装备得到了很大的发展,其中,挤出发泡装备和注塑发泡装备均已经形成了系统的发泡材料生产制造体系[3]。聚合物发泡材料制备方法主要有:化学发泡法、物理发泡法、机械发泡法等。化学发泡法通常是利用化学发泡剂受热分解产生的气体使树脂在熔融状态下产生泡孔。物理发泡法是通过向塑料中溶入气体,使其膨胀发泡。机械发泡法是借助机械搅拌等工艺将气体混入熔融树脂中,形成泡孔。近年来,围绕上述3种发泡方法,研究者开发了多种发泡装备,推动了聚合物发泡材料行业的发展。

下面对近年来国内外聚合物发泡材料成型装备的研究和应用进行了综述,梳理了聚合物发泡装备研发和应用中存在的一些问题,并对其发展前景进行了展望。

1 聚合物发泡材料及发泡技术

聚合物发泡材料的泡孔直径小于100 μm,泡孔密度大于107个/cm3,且具有多孔结构,在轻量化、隔热降噪、吸收能量等方面具有广泛的应用价值。通过调节泡孔直径大小和泡孔形态,可以得到具有较好热性能和力学性能的聚合物发泡材料,且降低了材料成本和材料损耗等[4-5]。

聚合物发泡技术主要有化学发泡技术和物理发泡技术。在一定工艺条件下,采用2种发泡技术均能够得到泡孔尺寸小、密度大、分布均匀的发泡材料。物理发泡技术主要以超临界流体为发泡剂,装备复杂,技术要求高。化学发泡技术主要利用化学发泡剂进行发泡,生产效率较高,更容易实现产业化。为了获得质量较好的产品,可以通过调控发泡装备的温度、压力、速度等工艺参数改善发泡质量,这时,发泡装备就显得格外重要。通过利用现阶段的发泡技术和发泡装备,研究者已经制备了聚丙烯(PP)、聚酰胺、聚氨酯等许多发泡材料并应用于生产生活中[6]。

2 聚合物发泡材料成型装备及应用

2.1 注塑发泡成型装备及应用

注塑发泡成型装备是目前批量生产发泡材料常用的设备之一,其制得的发泡产品具有尺寸控制稳定、成型周期短、减重幅度大等优点,适合进行大批量生产。Yusa A等[7]开发了一种新型注塑发泡成型技术及装备,在不使用超临界流体(SCF)泵装置的情况下即可生产微孔泡沫。同时,发泡剂无需达到SCF状态。输送到熔融聚合物中的气体量由喷射阀的气体加药时间、气瓶的二次减压压力和排气容器的背压控制。李振华等[8]开发了二次开模注塑微发泡装置和欠注微发泡装备。二次开模发泡工艺主要有3个阶段:1) 在一定温度下,塑料粒料和发泡剂在料筒中熔融,发泡剂分解产生气体(二氧化碳等),与树脂熔体混合均匀,形成过饱和相;2) 将过饱和相注射填充至模具型腔内,通过二次开模使体系压力骤降,气体在聚合物熔体中成核并长大;3) 促使泡孔长大的驱动力不断减小,且在冷却过程中,树脂熔体的黏度增加,阻碍了分子链的运动,树脂熔体逐渐固化,最终成型为发泡制件。通过改变工艺参数可以调节材料的表面质量、力学性能、泡孔质量等,且二次开模发泡装备制备容易控制。欠注发泡主要是注塑时树脂熔体未充满模具型腔、在释放压力的状态下成核并长大的过程。采用欠注发泡工艺时,材料的发泡状态很难控制。

为了更直观地观察和研究聚合物的微发泡过程,研究者开发了注塑发泡成型可视化装备。Shaayegan V等[9]在高压泡沫注塑成型试验中,利用注塑发泡成型可视化装备研究了碳纤维对泡孔生长过程的影响。研究发现:当纤维接近生长中的泡孔时,其同时出现平移和旋转位移。Yang J K等[10]利用注塑发泡成型可视化装置及成核理论研究了聚合物泡沫塑料的气泡成核过程,并基于实景观察和测量结果建立了数学模型。同时,还研究了不同发泡剂含量对气泡成核过程的影响,并基于经典成核理论,建立了描述气泡成核动力学的数学模型。

注塑发泡成型装备操作简单,且可实现全自动生产,是研究发泡材料性能及应用的重要装备。Gong W等[11]采用注塑发泡成型装备制备了PP发泡复合材料,并对其发泡质量和冲击性能进行了研究。结果表明:引入热塑性橡胶(TPR)和聚烯烃弹性体(POE)后,PP发泡复合材料的发泡质量显著提高;冲击性能取决于PP复合材料的固有韧性、泡孔尺寸和泡孔形态。Hamidinejad M等[12]提出了一种在含有石墨烯纳米片的聚合物复合泡沫中开发梯度微孔结构的方法。采用注塑机对材料进行超临界流体处理,发泡前在模腔中快速减压。该泡孔的微观结构从剪切诱导的细长泡孔到模制复合材料长度呈现出各向同性。研究者还利用注塑发泡装备制造了可用于建筑行业的不透明聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)绝缘泡沫及亲油隔音PP/聚四氟乙烯(PTFE)纳米复合泡沫等功能性发泡材料[13-14]。

2.2 挤出发泡成型装备及应用

挤出发泡技术是将聚合物加入到挤出机中进行熔融,在螺杆的剪切作用下与发泡剂充分混合并完成气体扩散,在口模处快速释压后泡孔成核并长大,冷却定型后得到发泡材料。挤出发泡技术具有连续发泡的优势,非常适用于大规模、快速生产聚合物发泡材料。常见的挤出发泡成型装备有双螺杆挤出机和单螺杆挤出机及用于提供发泡气体等的附属装置。

挤出发泡成型装备是物理发泡常用的设备,通过多年研究已经得到很大发展,研究者通过挤出发泡成型装备研发了多种发泡材料,并对其性能进行了研究。Lombardi L等[15]采用发泡挤出机研究了挤出胀大对热塑性聚合物挤出泡沫的影响。结果表明:黏弹性材料在发泡挤出机内部受到应力作用被束缚。当螺杆将其推送出口模时,黏弹性材料的弹性快速恢复,引起各向自由膨胀,即挤出胀大,膨胀是各向异性的,会影响产品的最终形状,在挤出泡沫的标准应用中应该引起重视。Yao S等[16]以超临界二氧化碳为发泡剂,利用挤出发泡成型装备制备了PET发泡材料,并通过调节支化剂环氧基多功能齐聚物和扩链剂均苯四甲酸二酐的含量对PET进行了改性。研究发现:改性后的PET发泡材料表现出较好流变性能,熔体黏弹性明显增强,在发泡过程中获得了较高的发泡质量。Fei Y P等[17]采用超临界二氧化碳辅助连续挤出发泡装备制备了聚苯乙烯(PS)复合发泡材料。结果表明:所得材料吸声系数较大,具有良好的吸声性能,且木质素在PS复合泡沫中表现出阻燃作用。Khademi S M H等[18]采用双螺杆挤出工艺制备了聚乳酸(PLA)发泡材料,研究了具有不同长径比和负载量的膨胀石墨(EG)纳米片和有机过氧化物对PLA发泡过程的影响。结果表明:膨胀EG纳米片能够提高PLA发泡材料的孔隙率和孔密度。Mi H Y等[19]通过双螺杆挤出发泡装备制备了PP/PTFE复合材料泡沫。结果表明:所得泡沫完全是超疏水的,这意味着其在断裂或切割时仍保持超疏水性。

2.3 釜压和模压发泡成型装备及应用

釜压发泡成型装备主要由釜体(发泡储罐)、二氧化碳增压泵、消声器、传感器、控制器等组成。釜压发泡技术具有可精准调控发泡工艺参数(温度、压力等)的优点,可以用于研究单一变量对发泡行为的影响;缺点是生产效率低、安全风险高、适用场景有限等。

冀峰等[20]通过超临界二氧化碳釜压发泡成型装备制备了可生物降解的聚对苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯(PBAT)发泡颗粒,研究了渗透条件对材料发泡性能的影响。研究发现:PBAT发泡颗粒的密度随渗透温度升高而逐渐降低,发泡倍率逐渐增大;所得PBAT发泡颗粒放置1 d后密度增加,发泡倍率降低,放置7 d后,其密度和发泡倍率保持不变。张玉良等[21]以高相对分子质量的共聚PP为原料,通过自制高压反应釜装备进行发泡。研究发现:温度是提高材料发泡质量的关键。压力、饱和时间、保压时间等对材料的发泡过程也有很大影响。

模压发泡技术是将聚合物、发泡剂和其他改性助剂等混合均匀,加入模压发泡装备中进行热压发泡,制得发泡材料。采用模压发泡成型装备可以加工较厚板材,制备一些挤出和注塑无法加工的发泡材料。与挤出和注塑发泡技术相比,采用模压发泡装备进行发泡板材的制备较难实现连续化、自动化生产。Chen Y C等[22]制备了最大膨胀率达到30倍的PET泡沫塑料,其泡孔直径仅为20 μm。在发泡过程中,快速减压会显著改变PET的黏弹性,限制其发泡行为。

2.4 其他聚合物发泡成型装备及应用

除了上述常见的发泡成型装备以外,Yu C Y等[23]设计了一种新型气体发泡装备,该装备由高压供气系统、高压模具、成型机、压力表和放气阀等组成,发泡效果非常好。Tammaro D等[24]设计了一种新型批量发泡成型装备,以二氧化碳为物理吹泡剂,研究了压降速率和发泡温度对PS发泡行为的影响。结果表明:适宜的压降速率和发泡温度会提高基体单位体积的成核气泡数,斜率随温度的增加而增加。此外,倪晓等[25]研发了一种一机双头高压发泡设备。结果表明:通过电机变频调速,该设备可以实现2个注射流量差别较大的混合头同时注射的要求;通过自动控制模式(PID)和闭环流量控制,可以实现计量泵较大范围计量。

3 结语

聚合物发泡材料的成型装备种类很多,各有优势,也均存在一定的不足。因此,开发高效率、低能耗、发泡质量精准可控的聚合物发泡成型装备势在必行。研发可精准调控发泡倍率及泡孔尺寸等重要参数的发泡成型装备是未来聚合物发泡成型装备研发及应用的重要方向。