发泡成型原理概论

发泡塑料注塑成型原理概论

发泡塑料是以热塑性或热固性树脂为基体，其内部具有无数微小气孔的塑料。发泡是塑料加工的重要方法之一，塑料发泡得到的泡沫塑料含有气固两项 - 气体和固体。气体以泡孔的形式存在于泡沫体中，泡孔与泡孔互相隔绝的称为闭孔，连通的称为开孔，从而有闭孔泡沫塑料和开孔泡沫塑料之分。泡沫结构的开孔或闭孔是由原材料性能及其加工工艺所决定的。

塑料发泡的技术渊源久远。最早是20年代初期的泡沫胶木，用类似制造泡沫橡胶的方法制取；30年代出现硬质聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫；40年代有聚乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、酚醛泡沫；50年代则有可发性聚苯乙烯泡沫和软质聚氨酯泡沫。现在，基本上所有的塑料，包括热塑性和热固性的都可以发泡为泡沫塑料。工业上的制备方法有：挤出发泡、注塑发泡、模塑发泡、压延发泡、粉末发泡和喷涂发泡等等。其中，注塑发泡是最重要的成型方法之一，在这里重点讲述注塑成型发泡。 发泡成型原理

塑料的发泡方法根据所用发泡剂的不同可以分为物理发泡法和化学发泡法两大类。在这里首先简单介绍一下发泡剂。 ◆ 发泡剂

发泡剂可简单粗分为物理发泡剂与化学发泡剂两类。对物理发泡剂的要求是 ：无毒、无臭、无腐蚀作用、不燃烧、热稳定性好、气态下不发生化学反应、气态时在塑料熔体中的扩散速度低于在空气中的扩散速度。常用的物理发泡剂有空气、氮气、二氧化碳、碳氢化合物、氟利昂等 ；化学发泡剂是一种受热能释放出气体诸如氮气、二氧化碳等的物质，对化学发泡剂的要求是 ：其分解释放出的气体应为无毒、无腐蚀性、不燃烧、对制品的成型及物理、化学性能无影响，释放气体的速度应能控制，发泡剂在塑料中应具有良好的分散性。应用比较广泛的有无机发泡剂如碳酸氢钠和碳酸铵，有机发泡剂如偶氮甲酰胺和偶氮二异丁腈。

◆ 物理发泡法

简单地讲，就是利用物理的方法来使塑料发泡，一般有三种方法：

（1）先将惰性气体在压力下溶于塑料熔体或糊状物中，再经过减压释放出气体，从而在塑料中形成气孔而发泡；

（2）通过对溶入聚合物熔体中的低沸点液体进行蒸发使之汽化而发泡； （3）在塑料中添加空心球而形成发泡体而发泡等。

物理发泡法所用的物理发泡剂成本相对较低，尤其是二氧化碳和氮气的成本低，又能阻燃、无污染，因此应用价值较高；而且物理发泡剂发泡后无残余物，对发泡塑料性能的影响不大。但是它需要专用的注塑机以及辅助设备，技术难度很大。 ◆ 化学发泡法

化学发泡法是利用化学方法产生气体来使塑料发泡：对加入塑料中的化学发泡剂进行加热使之分解释放出气体而发泡；另外也可以利用各塑料组分之间相互发生化学反应释放出的气体而发泡。

采用化学发泡剂进行发泡塑料注塑的工艺基本上与一般的注塑工艺相同。塑料的加热升温、混合、塑化及大部分的发泡膨胀都是在注塑机中完成的。

总之，不论选取哪一种塑料原料，也不论采用哪一种发泡方法，其发泡过程一般都要经过形成气泡核，气泡核膨胀，泡体固化定型等阶段。 结构发泡成型

结构发泡法(Structral Foam Molding)属于化学发泡法，它是注射成型工艺技术中的一项革命。它保留了传统注射成型工艺的许多优点，又避免了传统注塑工艺中遇到的一些问题，如制品强度不够、生产周期太长、模塑率低等。另外，采用结构发泡技术还可模塑大型复杂制品、使用低成本模具、多模腔可同时操作，从而降低制品生产成本。结构发泡制品是一种具有致密表层的连体发泡材料，其单位重量强度和刚度比同种未发泡的材料高3~4倍。

结构发泡法最大的特点是可以不用增加设备，用普通的注塑机便可以注塑生产，不过采用模腔扩大法

发泡的高压结构发泡注塑机与普通注塑机相比，增加了二次合模保压装置。目前，震德公司已成功开发出CJ1000M3机用于结构发泡成型，并已服务于客户，得到了客户的好评。

近年来，结构发泡注塑成型技术得到了很广泛的发展，成型方法也很多，但归纳起来可以分为三种：低压发泡法；高压发泡法（注：此处的低压和高压指模具模腔内的压力）；双组分发泡法。 ◆ 低压发泡法

低压发泡法注塑与普通注塑的区别在于其模具的模腔压力较低，约2~7Mpa，而普通注塑在30~60Mpa之间。低压发泡注塑一般采用欠注法，即将一定量（不注满模腔）的塑料熔体（含有发泡剂）注入模腔，发泡剂分解出来的气体使塑料膨胀而充满模腔。在普通注塑机上进行低压发泡注塑，一般是将化学发泡剂与塑料混合，在机筒内塑化，必须采用自锁式射嘴。注射时，由于气体的扩散速度很快，会造成制品的表面粗糙，因此注塑机的注射速度要足够快。一般采用增压器来提高注射速度和注射量，使注射动作在瞬间完成。 ◆ 高压发泡法

高压发泡法的注塑模腔压力在7~15Mpa之间，采用满注方式，即一次注射量正好等于模具模腔的容积。为了使制件得到发泡膨胀，可以采用强制扩大模腔，或者使一部分塑料分流出模腔。一般较多采用模腔扩大法。采用扩大模腔法的注塑机与普通注塑机相比，增加了二次合模保压装置，当塑料和发泡剂的熔融混合物被注入到模腔后延时一段时间，然后合模机构的动模板向后移动一小段距离，使模具的动模和定模稍为分开，模腔扩大，模腔内的塑料开始发泡膨胀。制品冷却后在其表面形成致密的表皮，由于塑料熔体的发泡膨胀受到动模板的控制，因此，也就可以对制品的致密表层的厚度进行控制。动模板的移动可以是整体移动，也可以是部分移动使局部发泡，从而得到不同密度的制品。高压发泡法对模具的制造精度要求高，模具费用高，并且对注塑机有二次锁模保压要求。 ◆ 双组分发泡法

双组分发泡注塑是一种特殊的高压结构发泡注塑方法，它采用专门的双组分注塑机。这种注塑机有两套注塑装置：一套用来注塑制品的芯部，一套用来注塑制品的表层。在注塑时，先注入皮层物料，然后通过同一浇口再注入混有发泡剂的芯部材料。由于芯部材料呈层流状态流动，这就保证了芯部材料均匀地包覆在皮层内部，使型腔得到完全填充。当熔料填满型腔后，再注入少量不含有发泡剂的熔料，使浇口封闭。制品取出后，再去掉浇口即得到具有不发泡致密表层和有芯部发泡的轻质制品。 微孔发泡成型

微孔发泡成型属于物理发泡法。常规泡沫塑料的泡孔直径一般大于50mm，泡孔的密度 (单位体积内泡孔的数量 )小于106个/cm3。这些大尺寸的泡孔受力时常常成为初始裂纹的发源地 ，降低了材料的机械性能。为了满足工业上要求降低某些塑料产品的成本而不降低其机械性能的要求，20世纪80年代初期，美国麻省理工大学 (MIT)的学者J.E.Martini J.Colton以及N.P.Suh等以CO2、N2等惰性气体作为发泡剂研制出泡孔直径为微米级的泡沫塑料，并将泡孔直径为1mm~10mm，泡孔密度为109~1012个/cm3的泡沫塑料定义为微孔塑料(Microcelluar Plastics)。

注射成型是微孔塑料制品的主要成型方法之一。塑料原料加入注塑机的料筒后，在螺杆剪切力及加热圈外加热作用下塑化，发泡剂直接注入注射螺杆熔融段末与熔体均匀混合，然后高压高速注入模腔。在模腔内突然降压，使熔体中大量的过饱和气体离析出来，发泡、膨胀、成型、定型形成微孔塑料制品。另外，也可以采用改变温度的方法形成泡核，与改变压力法相比，比较容易控制，但对于气体溶解度对温度不敏感的塑料不适用。

开发微孔塑料注塑技术难度比较大，因为和常规泡沫塑料相比，泡孔的尺寸要小得多，要想得到良好的微孔塑料制品，必须要保证对进入机筒熔体中的超临界流体精确计量，要求塑料熔体必须充分混合、均化、分散，形成均相混合体，保证熔体中的成核点必须多于109个/cm3、及时控制成核气泡的膨胀等等。这对设备本身及注塑工艺参数的要求都非常之高。 采用该技术的特点是： ● 制品重量约减少50％； ● 注射压力约降低30~50％；

● 锁模力降低20％； ● 循环周期减少10~15％；

● 采用一套带计量控制装置的气体输入设备。

据报道，国外一些注塑机生产商已成功开发出微孔塑料注塑机，比如美国Trexel公司、德国Arburg公司、奥地利Engel公司等。目前还有Milacron、Husky、Battenfeld等公司正在加紧发展自己的微孔塑料注射成型设备。国内华南理工大学从1995年开始研究微孔塑料，在理论上取得了一定进展，并已在实验室制备出多种型号的微孔塑料。随后，其它高校也相继进行了微孔塑料的研究。但离微孔塑料的产业还有一段距离，目前国内还未有微孔塑料注射成型设备的产品。

结语：发泡塑料由于有气泡的存在，因此具有质轻、省料、能吸收冲击载荷 、隔热和隔音的性能、比强度高等特性，特别是可以节省材料、减小能耗、降低成本方面，使得可以大力推广应用。微孔发泡塑料除了具有上述一般泡沫塑料的优点外，还有更加优良的力学性能。因此，泡沫塑料的应用范围十分广泛，特别是在制作汽车、飞机和各种运输器材等领域有特殊的应用价值。可以预计，发泡注塑尤其是微孔发泡注塑将是塑料加工机械及制品加工的一个热点。 ◆ 泡沫塑料有三种发泡方式： —物理发泡

●将惰性气体在加压下使其溶于聚合物熔体或糊状复合物中，经减压释放高压气体而发泡； ●利用低沸点液体蒸发而发泡；

●利用液体介质吸附溶解塑料中事先添加的固体物质而发泡； ●在塑料中加入中空微球后经固化而形成泡沫材料； —机械发泡

●利用机械的搅拌作用，混入空气而发泡； —化学发泡

●利用化学发泡剂加热后分解放出的气体而发泡 ●利用原料组份间的化学反应所放出的气体而发泡 ◆泡沫材料的分类： —按照软硬程度

软质、半硬质和硬质泡沫塑料。在相对湿度为23％和50％时，弹性模量大于700MPa的为硬质泡沫，介于70－ 700MPa的为半硬质泡沫，低于70MPa的软质泡沫； —按照密度大小

低发泡、中发泡和高发泡塑料。低发泡是指密度为0.4g/cm3 , 气体/固体<1.5的泡沫；中发泡是指密度为0.1-0.4g/cm3 , 气体/固体=1.5-9的泡沫；中发泡是指密度为0.1g/cm3 , 气体/固体>9的泡沫； 物理发泡法 ◆ 特点

—优点是毒性小、发泡原料成本低、发泡剂无残留； —缺点是设备投资较大 ◆ 实例（聚苯乙烯泡沫塑料）

—方法1. 将高相对分子量的聚苯乙烯在挤出机内熔融塑化，在高压下把发泡剂（二氯甲烷和氯甲烷）注入塑化段，从口模中把混合物挤出，经过气体膨胀、缓冷和切割等处理聚苯乙烯片材；其缺点是泡孔尺寸不容易控制。

—方法2. 将高相对分子量的聚苯乙烯与发泡液体预制成易于流动的球状半透明可发性的聚苯乙烯球粒，然后通过蒸汽箱模塑法、挤出法或注射法来生产泡沫制品； 机械发泡法 ◆成型特点和材料

—强烈的机械力使气体卷入树脂乳液、悬浮液并成为均匀的泡沫物，随后经过物理或化学的变化使

之稳定而成为泡沫材料；

—脲甲醛、聚乙烯缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙稀等。 ◆ 发泡的工艺过程

—脲/甲醛水液(30%)/甘油＝100/300/20，以配制脲甲醛溶液 —二丁基奈磺酸钠/磷酸/间苯二酚/水＝100/300/20，以配制发泡液

—在鼓泡设备中，发泡液和树脂经过适当的搅拌混合后，倾倒至木制或金属敞口模具中

—倾倒至木制或金属敞口模具中的物料要经过在室温下沥去水份、不同的热处理下经过泡沫的化学反应（交联）及其物理作用（水份的干燥）过程来实现泡沫的硬化。 化学发泡法

◆ 化学发泡剂的要求和特点

—理想的发泡剂分解稳定、速率更容易控制、气体无毒性、无腐蚀性、在树脂中良好的分散性等（见表9－4）；

—发泡剂主要有有机发泡剂和无机发泡剂。有机发泡剂包括含有偶氮基、亚硝基、叠氮基等官能团的偶氮甲酰胺、偶氮二异丁氰等；无机发泡剂主要是碱金属的碳酸盐和碳酸氢盐，如碳酸氢钠和碳酸氨等（见表9－6 ）。

◆ 化学发泡剂的选择

—选择发泡剂要考虑的几个因素有分解温度、分解速率、反应热量、发泡剂的分解抑制和促进、发泡效率、发泡剂的并用 聚苯乙烯泡沫塑料

聚苯乙烯泡沫塑料的成型方法很多，主要有模压法、可发性珠粒法和挤出发泡法。模压法是采用乳液法聚苯乙烯和热分解型发泡剂制得，是早期使用的方法，现在用的很少。目前大且使用的是可发性珠粒法和挤出发泡法

PVC泡沫塑料

聚氯乙烯泡沫塑料按其配方和成型方法不同可制成为软质和硬质两种。软质泡沫塑料在配制时加入较多的增塑剂，成型后具有一定的柔软性。而硬质聚氯乙烯泡沫塑料在配制时加入溶剂将树脂溶解，成型过程中溶剂受热挥发而成为质地坚硬的泡沫制品。

PE泡沫塑料

聚乙烯泡沫塑料具有密度低、耐低温及抗化学性能优良等优点，并具有一定的力学强度，可用作日用品、精密仪器的包装材料，保温材料和水上漂浮材料等。高发泡聚乙烯钙塑材料广泛用于建筑装饰，近年来聚乙烯泡沫塑料的用途日渐扩大，发展速度较快。

聚乙烯是结晶聚合物，在结晶熔融温度以下几乎不流动，而在熔融温度以上其熔融粘度急剧下降，发泡过程中产生的气体很难包住。此外，聚乙烯从熔融态转变为结晶态耍放出大量的结晶热，而熔融聚乙烯的比热较大，因此从熔融状态转变到固体状态的时间比较长，加上聚乙烯的透气率较高，这样既使得发泡气体易于逃逸，适于发泡的温度范围较窄，因此聚乙烯泡沫塑料的研制工作较晚．除挤出发泡制得无交联的高倍率发泡材料外，欲制得更高发泡倍效的泡沫塑料，必须在聚乙烯分子间进行交联，将熔融物料的粘性和弹性调节在一定范围内，使的物理力学性能显著提高。 通常采用的交联方法有化学交联和辐射交联。

聚氨酯泡沫塑料

聚氨酯泡沫塑料是以多元异氰酸酯和多元醇为主要原料，加入催化剂、发泡剂和表面活性剂等，在充分混合下反应形成的轻质发泡材料。发泡气体有时也可以是由异氰酸酯和水反应生成的二氧化碳。聚氨酯泡沫塑料具有整体密度小，比强度高，导热系数低以及耐油、耐寒、防震和隔音性能好等优点，并且加工简单，容易制得。在日常生活和国民经济各部门中得到广泛应用，其产量在各种泡沫期料中名列前茅。 聚氢酯泡沫照料按其生产原料不同可分为聚醚型和聚酯型；按制品的性能不同又可分为软质、半硬质和硬质泡沫塑料；按生产方法还可分为一步法和两步法(包括预聚法和半预聚法)。两步法是早期使用的生产方法，其中预聚法目前使用较少，广泛使用的是—步法和半预聚法。