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PP注塑发泡PP挤出发泡工艺指南

文章作者:yiming 发表时间: 浏览次数:

 

 

以PP料为基本成分,通过物理或化学方法填充大量气泡,即可得到聚丙烯泡沫塑料。与纯塑料相比,它具有密度小、比强度高、能量吸收能力强、隔音隔热性能好等一系列特点,已在交通运输、军工、航空航天、日用品等领域获得了广泛应用,如制作各种座垫、衬垫、床垫、梳芯、保温隔热材料、包装材料、防撞防震材料、装饰材料及建筑材料等。

在PP挤出发泡的四个过程中,首先要保证聚合物/发泡剂形成均相溶液,并建立足够高的挤出机机头压力以抑制发泡体系在挤出口模附近提前发泡;随后发泡体系要经过成型机头进行快速的成核和增长,这一过程中要保证诱发更大的过饱和压力和更快的过饱和压力降,以尽可能地同时形成大量的气泡核。在增长过程中,合适的机头温度对于增长气泡的稳定和最终制品发泡倍率的控制非常关键;而在定型固化阶段,合理的冷却速率对于最终制品的密度和性能也有重要影响。因此,加工设备包括挤出机类型、螺杆构型、压力控制装置、发泡机头,如果使用物理发泡剂,则物理发泡剂的注入和计量以及工艺参数包括温度和压力等对最终发泡材料的泡体结构、密度、力学性能和热性能等将产生重大的影响。

1 聚丙烯泡沫塑料的成型
根据泡沫塑料发泡成型中发泡动力的来源,一般可分为机械发泡、物理发泡、化学发泡三种类型。机械发泡是借助于机械的强力搅拌,使气体均匀地混入树脂中形成气泡。物理发泡则是借助于发泡剂在树脂中物理状态的改变,形成大量气泡。化学发泡是依靠发泡剂发生化学变化时产生气体使树脂发泡。PP发泡大多采用化学发泡,使用的发泡剂有偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸二异丙酯等;亦可使用氮气作物理发泡剂进行物理发泡。

PP泡沫塑料的发泡过程一般可以分为二个阶段:首先是在塑料熔体或液体中形成大量均匀、细密的气泡核,然后再膨胀成为所要求的泡体结构,最后固化定型将泡体结构固定下来,得到泡沫塑料。 PP泡沫塑料常用的成型方法有挤出、注塑及模压成型等。

挤出成型是PP泡沫塑料成型加工的主要方法之一,一般的异型材、板材、管材、膜片、电缆绝缘层等发泡制品都采用挤出成型。挤出成型过程中可以采用物理发泡或化学发泡两种发泡方法。物理发泡主要采用一些碳氟化合物及其混合物,以及其它的低沸点液体,另外,直接注入气体的物理发泡法也在PP泡沫塑料的挤出成型过程中得到应用。影响挤出成型发泡的工艺参数主要包括:挤出压力、挤出温度、物料在挤出机中的滞留时间、口模轴向压力等。一般来说,随着挤出压力的增加,泡孔尺寸减小,泡孔数量增加;高质量的发泡体只是在较窄的温度范围内才可能获得。熔体温度越高,聚合物熔体强度越低,泡内的发泡压力就可能超过泡沫表面张力从而使泡体破裂。必须根据特定的聚合物体系进行优化,确定一个适宜的发泡温度。延长物料在挤出机内的滞留时间,会使气泡的数目增加。

在PP挤出发泡中,泡沫结构受到熔体结晶的影响,在挤出机头处进行固化定型。因此,挤出机头处PP的结晶温度非常重要,如果结晶发生在发泡的早期,即发生在溶解的发泡剂刚扩散出熔体而进入成核的气泡,那么较早的固化将使推动气泡增长的气体量不足,气泡增长的动力不够,影响发泡倍率和最终制品的密度;如果结晶的速率过快,也将造成上述情况的发生。而如果保持很高的机头温度,结晶时间较长,则气体向外扩散逃逸的几率增大。因此,合适的结晶温度和结晶速率对于PP的挤出发泡具有重要影响。


PP挤出发泡属于连续性生产,效率高,易于实现工业化生产。一个典型的聚丙烯挤出发泡成型生产线包括以下6个部分:挤出机、成型口模、冷却定型装置、牵引装置、切割装置和卷取装置。其中,挤出机的类型、螺杆的构型、压力控制装置、发泡机头,如果使用物理发泡剂,则物理发泡剂的注入和计量等对于控制发泡过程稳定进行、获取合理的泡体结构具有重要意义。

挤出机是聚丙烯挤出发泡生产线的核心部分。在现有的研究中,单螺杆挤出机和双螺杆挤出机均有使用,单螺杆挤出机又分为单阶单螺杆挤出机和双阶串联式单螺杆挤出机。

单阶单螺杆挤出发泡生产线中,为了保证聚丙烯熔体和气体的均匀混合,形成均相溶液,螺杆的长径比要大,一般在20以上,同时为了提高混合质量,通常在螺杆计量段的过渡处增加混炼元件,如在图1中螺杆头部增加一段销钉段。此外,为了避免溶有发泡剂的聚丙烯熔体在到达发泡机头之前提前发泡,并抑制过高温度下气体膨胀速度快而导致的气泡塌陷,在熔体到达发泡机头之前,需要使溶解有发泡剂的熔体充分冷却到适宜温度,因此通常在发泡机头之前增加静态混合器,对于小型的挤出发泡生产线,静态混合器的长度约为螺杆直径的6-8倍。根据所用发泡剂的不同,这种挤出机可以分为中间注入式和进口混入式两种,化学发泡剂采用进口混入式,而物理发泡剂则采用中间注入式。

聚丙烯及相关助剂在主挤出机中进行熔融和混合,发泡剂在主挤出机尾部注入,然后溶有发泡剂的熔体通过连接块被转移至辅挤出机的加料段。采用辅挤出机的目的是为了使溶有发泡剂的熔体冷却到适宜的温度,获得最佳的压力以抑制气泡塌陷。为了达到上述目的,通常主挤出机的螺杆剪切混合能力要强,而辅挤出机的螺杆计量段要长,螺槽要深,以实现稳定的低温挤出。双阶串联式单螺杆挤出机对工艺参数的控制精确,可以实现低密度聚丙烯发泡材料的连续挤出发泡。

尽管单螺杆挤出机在聚丙烯挤出发泡研究中已得到广泛应用,但采用双螺杆挤出机进行聚丙烯挤出发泡也是一种很好的选择。双螺杆挤出机以其稳定的固体喂料、良好的分散混合和分布混合,均匀的熔体温度分布而在聚丙烯的挤出发泡中已经得到了应用。但是,采用双螺杆挤出机进行挤出发泡面临几个问题:(1)设备的投资较大;(2)由于是饥饿式喂料,工作压力较低,因此当采用物理发泡剂时,一方面,发泡剂可通过加料斗逃逸,另一方面压力低,溶解在熔体中的发泡剂量少,对气泡成核造成负面影响。因此,采用双螺杆挤出机时,必须要对螺杆进行精心设计以维持适宜的机筒压力,保持动态的熔体密封以阻止发泡剂逃逸。同时要在挤出机尾部加装聚合物熔体齿轮泵以稳定和提高即将进入发泡机头的熔体压力。

发泡剂用量对于聚丙烯挤出发泡的影响很大,为了得到优质的发泡材料,要尽可能多地在聚丙烯熔体中溶解足够量的发泡剂。在采用物理发泡剂时,为了以精确的压力、温度和流率在聚丙烯熔体中注入物理发泡剂。目前研究大多采用正位移泵来完成发泡剂的定压、定量输送,发泡剂的注入和计量装置

成型工艺如螺杆转速、压力降和压力降低速率、成核剂的分散以及发泡机头的温度等对于聚丙烯挤出发泡的气泡成核和增长速率具有很大的影响,通过合理的控制成型工艺,可以对聚丙烯挤出发泡的泡体结构和材料性能进行有效控制

螺杆转速对于发泡剂和成核剂在聚丙烯熔体中的分散和溶解具有重要影响。一般而言,较高的螺杆转速有利于提高混合和扩散的质量,但是过高的螺杆转速也可能导致挤出发泡出现波动,因此需要根据不同的发泡体系优选适宜的螺杆转速。
当螺杆转速为10r/min时,挤出发泡聚丙烯材料中的气泡数量较少,泡孔的尺寸很大,制品表面比较粗糙;当螺杆转速为30r/min时,挤出物在离模后即急剧膨胀,发泡材料中密布大量的细小泡孔,材料的韧性较高,表面光滑

无论是均相成核还是异相成核,压力降和压力降速率对于聚丙烯挤出发泡的影响很大,压力降越大,压力降速率越快,气泡的成核速率越快,成核的数量越多。
聚丙烯挤出发泡中常用的成核剂为滑石粉、苯甲酸钠等。目前的研究表明:在发泡体系中添加成核剂,可以降低不添加成核剂时所需要的较高加工压力和压力降速率。至于成核剂的类型和规格、添加量的多少、降低压力和压力降速率的程度则取决于发泡体系的性能和加工工艺等诸多因素
 
P.Spitael通过合理的机头设计,在CO2用量为5.2%时,压力降分别为15.9MPa、13.8MPa时,得到的聚丙烯发泡材料密度为0.13g/cm3、0.21 g/cm3;泡孔尺寸为37um、62um,泡孔密度为5.45x107个/cm3、1.07 x107个/cm3。
C.B.Park等通过机头设计,在CO2作为发泡剂时,压力降分别为8.27MPa、 13.8MPa和 27.6MPa时得到的聚丙烯发泡材料泡孔密度分别为3 x106个/cm3、3 x107个/cm3和4x107个/cm3。
由此可见,进行合理的机头设计,可以有效控制所得发泡材料的综合性能。
2.3 成核剂的分散

成核剂在聚丙烯挤出发泡中扮演重要的角色,添加成核剂与否对泡孔密度、泡孔尺寸和泡孔尺寸分布具有很大影响,成核剂与熔体和气体形成的液-固、液-气界面可以作为气泡成核的催化剂,降低气泡成核的活化能,当活化能低于聚合物熔体均相成核的活化能时,将在界面处诱发异相成核,从而更加容易产生大量的气泡核。

为了制备泡孔尺寸分布较窄、泡孔密度较高的聚丙烯发泡材料,必须要保证在聚丙烯熔体中分布的成核剂的性能均一,成核剂的性能出现小的波动将导致成核速率出现大的波动。如果成核剂的粒径和表面性能不均匀,存在多分布性,则所得泡孔尺寸也将存在多分布性, 因为在能量较低的成核点处将优先发生气泡的成核和增长。与聚合物中已有的其他助剂及杂质的非均相成核和均相成核相比,理想成核剂的成核对能量的要求更低,否则其他助剂及杂质的成核将在成核剂发挥作用之以前耗费发泡剂;此外,成核点要多,并且均匀分散,以保证成核点之间的平均距离足够小,否则将得到双峰分布的气泡尺寸分布。

在聚丙烯挤出发泡中,为了得到较高发泡倍率、较低密度的发泡材料,必须有效抑制气泡增长过程中的气体损失。发泡剂在高温下的扩散系数非常高,因此,发泡机头的温度过高时,气体非常容易从机头逃逸。此外,随着气泡增长,泡孔壁变薄,气体在气泡之间的相互扩散加剧,造成气体通过泡孔相继扩散出去的可能性加大,导致用于气泡增长的气量降低,发泡材料的密度和发泡倍率均下降。

气泡成核过程对控制泡体结构至关重要,如果在PP熔体中能同时出现大量均匀分布的气泡核,气泡的成核速率非常高,则常常能得到泡孔密度高、泡孔尺寸细小并且分布均匀的优质泡沫体,气泡的成核行为比较好;如果PP熔体中的气泡核不是同时出现,而是逐步出现的,气泡的成核速率低,并且数量较少,则常常得到泡孔尺寸大、分布不均匀、泡孔密度较小的劣质泡沫体,气泡的成核行为比较差。因此,研究PP挤出发泡的气泡成核的关键在于尽可能地提高气泡的成核速率和成核密度,而成核密度是决定泡孔密度的关键因素,只有气泡的成核速率很快,成核的密度很高,最终的泡孔密度才有可能很高。


注射发泡成型法属于一次成型法,可简化泡沫塑料制品的制造工序,其特点是产量高、质量好,特别适用于形状比较复杂、尺寸精度要求较高的制品。影响注射成型泡沫塑料制品质量的主要有材料配方、成型设备及工艺条件三个因素。在材料配方和成型设备确定后,决定制品性能的主要因素是工艺条件。压力、温度和时间是最重要的工艺条件。聚合物熔体中所溶解的气体能否游离出来形成气泡,熔体中已形成的气泡能否稳定,这两点与熔体压力密切相关,因为熔体的压力直接影响气体在熔体中的溶解度。当熔体所受外界压力增加,气体在熔体中溶解度增加,熔体中过饱和气体量减少,气泡的半径减小。压力的改变对熔体中气泡的增长或塌陷的影响非常敏感,通过控制压力来调节发泡过程是非常有效的。聚合物的物理状态是温度的函数,确定适宜的温度,对发泡成型非常重要,与温度相关的主要工艺参数为料筒温度、模具温度。-般来说,提高熔体的出口温度有利于气泡的增长,但如果熔体温度过高,不仅会导致聚合物降解,还会引起熔体粘度下降。总的来说,熔体温度高,气泡直径增大,气泡数量减少。制品的发泡倍数一般随模温的降低而下降,提高模温可以改善熔体在模具中的流动条件,还可以改善制品的表面质量,提高制品的发泡倍数。但是冷却定型的时间将延长,不利于提高劳动生产效率。注射速率对发泡制品的泡孔均匀性、发泡倍数及表面质量都有较大的影响。聚合物熔体高速充模,可以获得大小均匀的泡孔,提高注射速率可以明显增大制品的发泡倍数。

低压发泡注射压力较低,通常为2—9MPa。注射时,注射柱塞或螺杆将贮料室或机筒前端熔料加压,以极短的时间注入模腔。由于注射速度快、时间短,发泡剂还来不及放出气体发泡,这时型腔未被熔体充满,模腔的充料量只占模腔容积的75%—85%,进行所谓欠料注塑。
低压法成型时,合模力也比普通注射低,一般情况下,两者合模力之比为1/15—1/20。

低压发泡注塑成型优点:可生产较厚制品,比一般注塑制品有较大弯曲强度,温度对冲击强度影响不大。

可以明显的改进凹痕、溢边及翘曲,如对结晶聚合物PP采用低压发泡注塑可明显地改变其表观质量。

表层致密,可涂层和印刷和浮雕图案。
采用低发泡注塑还可以节省资金,因为采用普通注塑机加上一个自锁喷嘴或液控喷嘴就能用来生产简单结构发泡制品。由于模腔压力低,锁模力小,可用铝合金制造模具,以降低模具造成价


PP泡沫塑料还可以通过模压成型工艺成型制品,PP泡沫塑料的模压成型工艺可分为一步法和二步法。一步法的发泡过程是一次性完成的,物料经配料混合后,模压成型坯,然后加热加压发泡制得PP泡沫塑料制品。二步法的基本程序与一步法相似,一次发泡后,一部分发泡剂分解使物料部分发泡,随之冷却,趁热在常压下进行第二次发泡。由于二步法发泡时物料的膨胀速率大大降低,发泡倍数可以加大。具体的模压成型方法有多种,可视原材料的形成、制品的情况而定。比较典型的一种方法是PP发泡粒子的模压熔结成型,先将闭孔的发泡PP加入模具中,压入气体,然后通入水蒸气,使粒子熔融,形成制品。
 

 

 

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