[科普中國]-發(fā)泡成型

在發(fā)泡成型過程或發(fā)泡聚合物材料中，通過物理發(fā)泡劑或化學(xué)發(fā)泡劑的添加與反應(yīng)，形成了蜂窩狀或多孔狀結(jié)構(gòu)。發(fā)泡成型的基本步驟是形成泡核、泡核生長或擴(kuò)大以及泡核的穩(wěn)定。在給定的溫度與壓力條件下，氣體的溶解度下降，以致達(dá)到飽和狀態(tài)，使多余的氣體排除并形成氣泡，從而實(shí)現(xiàn)成核。

簡介發(fā)泡成型（foaming）

制作泡沫塑料成型方法的總稱。按泡沫塑料制造方法分類，可分為兩類：將發(fā)泡用塑料原材料配合后由一個(gè)工序制得泡沫塑料的方法稱為一步發(fā)泡法，叉稱為直接法，聚氨酯泡沫塑料是其典型代表；由兩個(gè)工序制得泡沫塑料的方法稱為兩步發(fā)泡法，又稱為間歇法。在兩步發(fā)泡中，前一工序稱為前發(fā)泡或預(yù)發(fā)泡，此時(shí)泡沫或珠粒尚未充分膨脹，密度也較高，這樣制得的珠粒是可發(fā)性珠粒。后一工序稱為后發(fā)泡或二次發(fā)泡，制得充分膨脹、低密度的最終泡沫制品。聚苯乙烯、聚乙烯泡沫塑料等就是用這種方法制做的。工業(yè)上將發(fā)泡成型方法按下述分類：（1）由壓延、擠出或傳送帶等療式進(jìn)行的連續(xù)發(fā)泡成型；（2）由注塑一個(gè)一個(gè)地生產(chǎn)最終形狀的發(fā)泡體，稱間歇式發(fā)泡成型。（3）按使用要求將液狀或微粒狀原材料配合物注入模具中使之發(fā)泡，稱為現(xiàn)場發(fā)泡成型。

概述發(fā)泡是使塑料產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)的過程。幾乎所有的熱固性和熱塑性塑料都能制成泡沫塑料，常用的樹脂有：聚苯乙烯樹脂、聚氨酯樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚乙烯樹脂、脲甲醛樹脂、酚醛樹脂等。

按照泡孔結(jié)構(gòu)可將泡沫塑料分為兩類：若絕大多數(shù)氣孔是互相連通的，則稱為開孔泡沫塑料；如果絕大多數(shù)氣孔是互相分隔的，則稱為閉孔泡沫塑料。開孔或閉孔的泡沫結(jié)構(gòu)是由制造方法所決定的。

（1）化學(xué)發(fā)泡 由特意加入的化學(xué)發(fā)泡劑受熱分解或原料組分間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的氣體，使塑料熔體充滿泡孔。

化學(xué)發(fā)泡劑在加熱時(shí)釋放出的氣體有二氧化碳、氮?dú)?、氨氣等?/p>

化學(xué)發(fā)泡常用于聚氨酯泡沫塑料的生產(chǎn)。

（2）物理發(fā)泡 物理發(fā)泡是在塑料中溶人氣體或液體，而后使其膨脹或汽化發(fā)泡的方法。物理發(fā)泡適應(yīng)的塑料品種較多。

（3）機(jī)械發(fā)泡 借機(jī)械攪拌方法使氣體混入液體混合料中，然后經(jīng)定形過程形成泡孔的發(fā)泡方法。此法常用于脲甲醛樹脂，其他如聚乙烯醇縮甲醛、聚乙酸乙烯、聚氯乙烯溶膠等也適用。1

發(fā)泡成型原理氣泡的成型過程是首先將氣體溶解在液態(tài)的聚合物中或聚合物加熱到熔融態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生氣體并形成飽和溶液，然后通過成核作用形成無數(shù)的微小的泡核。所以泡沫塑料的成型與定型一般分為3個(gè)階段：氣泡核的形成、氣泡核的增長、氣泡核的穩(wěn)定。然后再膨脹成為具有所要求的泡沫體結(jié)構(gòu)的泡沫體，最后，通過同化定型將泡沫體的結(jié)構(gòu)固定下來，得到泡沫塑料制品。這3個(gè)階段的成型因素各不相同，下面將這3個(gè)階段的成型機(jī)理及影響因素進(jìn)行介紹。

氣核的形成（1）氣泡核形成的過程

塑料發(fā)泡過程的初始階段是在塑料熔體或液體中形成大量的氣泡核，然后使氣泡核膨脹成泡沫體。所謂氣泡核就是指原始微氣泡，也就是氣體分子最初聚集的地方。在聚合物液相中增添了氣體相，氣體分布在溶液中產(chǎn)生泡沫。如同時(shí)加入很細(xì)的固體粒子或微小的氣泡核，就出現(xiàn)了作為氣體的第二分散相，有利于泡沫的形成。所加入的有利于泡沫形成的物質(zhì)稱為成核劑。若不加入成核劑就容易生成大孔泡沫。

氣泡核的形成階段對成型泡沫體的質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用。若熔體中能同時(shí)出現(xiàn)大量均勻分布的氣泡核，則將有利于得到泡孔細(xì)密而均勻的氣泡體；若在熔體只加入少撞的氣泡核，則最終形成的泡沫體少而不均勻，泡沫體密度較大且質(zhì)量也較差—所以在發(fā)泡過程巾控制好氣泡核的形成階段是非常重要的。

（2）氣泡核形成的條件

把化學(xué)發(fā)泡劑（或氣體）加入到熔融塑料或液體混合物中，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體（或加入的氣體）就會(huì)生成氣-液溶液。隨著生成氣體的增加，溶液成為飽和狀態(tài)，這時(shí)氣體就會(huì)從溶液中逸出形成氣泡核，這時(shí)溶液中形成氣液兩相-氣液溶液中形成氣泡核的過程稱為成核作用，成核有均相成核和異相成核之分。在實(shí)際生產(chǎn)中常加入成核劑以有利于成核作用能在較低的氣體濃度下發(fā)生，成核劑通常是微細(xì)的固體粒子或微小氣孔。如果不加入成核劑就有可能形成粗孔。2

氣泡的增長（1）氣泡的增長過程

增加溶解氣體量，升高溫度，使氣體膨脹和氣泡合并有利于促進(jìn)泡沫增長，氣體從小氣泡中形成氣泡后，氣泡內(nèi)氣體壓力與其半徑成反比，氣泡越小，內(nèi)部壓力就越高-當(dāng)兩個(gè)尺寸大小不同的氣泡靠近時(shí)氣體從小氣泡中擴(kuò)散到大氣泡巾使氣泡合并。同時(shí)，通過成核劑的作用大大增加了氣泡的數(shù)量，加上氣泡膨脹使氣泡的孔徑擴(kuò)大，這樣使泡沫不斷脹大。所以，氣泡形成后，氣體受熱膨脹后氣泡之間的合并，促進(jìn)氣泡不斷地增長。

（2）氣泡增長的影響因素

影響液體中氣體膨脹的因素很多，歸納起來可以分為兩大類：一類是原材料，包括原材料的品種及用量，如發(fā)泡劑的類型、溶解度和擴(kuò)散系數(shù)等；另一類是成型加工條件，包括成型工藝過程、工藝條件和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)等，如成型的溫度、壓力、剪切速度和模頭的幾何參數(shù)等這類參數(shù)對氣泡的膨脹有較大的影響。在氣泡膨脹過程中，聚合物表面張力和溶液的黏度是阻礙氣泡增長的主要因素，這兩種因素的作用程度要適當(dāng)。但在整個(gè)發(fā)泡過程中，由于溫度的升高，使塑料的熔融黏度降低，此時(shí)，因局部區(qū)域過熱（一般稱為熱點(diǎn)），或由于消泡劑的作用，使得熔體局部區(qū)域的表面張力降低，會(huì)促使泡孔壁膜減薄，甚至造成泡沫塑料的崩塌。

要控制氣泡的膨脹過程，必須了解氣泡膨脹的動(dòng)力和阻力及各影響因素相互之間的關(guān)系。影響氣泡膨脹的因素很多，如聚合物的流變性能、發(fā)泡劑和成核劑的類型和用量、成型丁藝及設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)等。在氣泡增加過程中，溶液的表面張力和黏度是阻礙氣泡增長的重要因素。

為了得到泡孔均勻、細(xì)密、質(zhì)輕的優(yōu)質(zhì)泡沫塑料，在發(fā)泡成型時(shí)，首先應(yīng)在熔體中同時(shí)形成大量分布均勻的氣泡核和過飽和氣體。熔體中過飽和氣體的總量與氣泡核數(shù)之比決定了氣泡的大小。氣泡表面積之和與熔體外表面積之比值越大，過飽和溶液從熔體中擴(kuò)散到氣泡表面進(jìn)入氣泡的量就越多。這樣可以減少氣體從熔體外表面散失的量，提高了氣體的利用率。假如氣泡核的數(shù)量太少，就會(huì)使較多的氣體從熔體的外表面散失到大氣中，結(jié)果每個(gè)氣泡核得到的氣泡量可能會(huì)多一些，但是氣體利用率是低的。由此得到的泡沫體泡孔大、數(shù)量大、質(zhì)量大，經(jīng)濟(jì)效益差。因此，要制得優(yōu)質(zhì)泡沫體，必須使大量氣泡核和過飽和氣體同時(shí)存在于熔體之中。2

氣泡的穩(wěn)定氣液相共存的體系多數(shù)是不穩(wěn)定的。在泡沫形成過程中，由于氣泡的不斷生成和膨脹，形成了無數(shù)的氣泡，使得泡沫體系的體積和表面積增大，氣泡壁厚度變薄，致使泡沫體系不穩(wěn)定；已經(jīng)形成的氣泡可以繼續(xù)膨脹，或者氣泡之間合并，或者出現(xiàn)氣泡塌陷、破裂，這些現(xiàn)象的發(fā)生主要取決于氣泡所處的條件。在發(fā)泡成型過程中，要控制氣孔的增大，使氣孔穩(wěn)定，可以采取下列措施：

（1）用適當(dāng)?shù)木酆衔?、發(fā)泡劑和其他配合劑。

（2）通過控制工藝過程的溫度和各溫度范圍的時(shí)間來控制物料的表面張力、黏度和彈性模量。當(dāng)氣孔增大到一定程度，及時(shí)冷卻使發(fā)泡物料的黏度和彈性模數(shù)高一些，流動(dòng)性差一些，氣孔就難以運(yùn)動(dòng)，難以合并而被穩(wěn)定下來。

（3）對于橡膠和熱固性塑料可以控制交聯(lián)速度， 當(dāng)物料中氣孔增大到一定程度，及時(shí)使交聯(lián)度達(dá)到足夠高，從而大大提高黏度，降低流動(dòng)性，使氣孔穩(wěn)定下來。

（4）對于有些熱塑性塑料，適當(dāng)加入一-些表面活性劑（如：硅油），降低樹脂與氣孔界面張力，也有利于穩(wěn)定氣孔。2

發(fā)泡成型設(shè)備發(fā)泡成型設(shè)備有兩類：成型機(jī)、蒸缸。對于大批量生產(chǎn)，中大型泡沫模樣，多采用成型機(jī)成型；中小生產(chǎn)批量、小型模樣則可采用蒸缸成型。

（1）成型機(jī)按其開模方向分為立式成型機(jī)和臥式成型機(jī)，如圖所示。

立式成型機(jī)開模方式為水平分型，模具分為上模（移動(dòng)模具）和下模（固定模）。其特點(diǎn)是：

①模具拆卸和安裝方便；

②模具內(nèi)便于安放活塊和嵌件；

③易于手工取模；

④占地面積小。立式成型機(jī)又有簡易式和自動(dòng)控制式。

臥式成型機(jī)的開模方式為垂直分型，模具分為左模（固定模）和右模（移動(dòng)模）。其特點(diǎn)為：

①模具前后上下空間開闊，可設(shè)置氣動(dòng)抽芯機(jī)構(gòu)，便于制造有多個(gè)抽芯結(jié)構(gòu)的復(fù)雜泡沫模樣；

②模具中的水和氣排放順暢，有利于泡沫模樣的脫水和干燥；

③生產(chǎn)效率高，易實(shí)行電腦全自動(dòng)控制；

④結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。

（2）蒸缸成型裝置 手動(dòng)蒸缸又分立式和臥式兩種，結(jié)構(gòu)簡單，投資少，可自制。由工人控制成型工
藝，但制模勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

機(jī)械蒸缸也有立式和臥式兩種。立式機(jī)械蒸缸，可用立式成型機(jī)改造而成。它是將幾副模具放在工作臺(tái)上，然后關(guān)閉蒸缸；開動(dòng)控制程序，完成加熱，噴水冷卻等工序；開啟蒸缸，手工取出模具，取出模樣。與成型機(jī)成型相比，蒸汽對模具的加熱是從外向里，難以形成穿透泡沫模樣的蒸汽流，在厚實(shí)斷面中心易產(chǎn)生冷凝水，影響珠粒融合。從而發(fā)泡時(shí)間比帶氣室的成型機(jī)制模長得多，僅用于小模樣和澆道的制作。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)