泡沫塑料
也叫多孔塑料。以树脂为主要原料制成的内部具有无数微孔的塑料。质轻、绝热、吸音、防震、耐腐蚀。有软质和硬质之分。广泛用做绝热、隔音、包装材料及制车船壳体等。
内部具有很多微小气孔的塑料。用机械法(在进行机械搅拌的同时通入空气或二氧化碳使其发泡)或化学法(加入发泡剂)制得。分闭孔型和开孔型两类。闭孔型中的气孔互相隔离,有漂浮性;开孔型中的气孔互相连通,无漂浮性。可用聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯等树脂制成。可作绝热和隔音材料,用途很广。
泡沫塑料由大量气体微孔分散于固体塑料中而形成的一类高分子材料,具有质轻、隔热、吸音、减震等特性,且介电性能优于基体树脂,用途很广。几乎各种塑料均可作成泡沫塑料,发泡成型已成为塑料加工中一个重要领域。20世纪60年代发展起来的结构泡沫塑料,以芯层发泡、皮层不发泡为特征,外硬内韧,比强度(以单位质量计的强度)高,耗料省,日益广泛地代替木材用于建筑和家具工业中。聚烯烃的化学或辐射交联发泡技术取得成功,使泡沫塑料的产量大幅度增加。经共混、填充、增强等改性塑料制得的泡沫塑料,具有更优良的综合性能,能满足各种特殊用途的需要。例如用反应注射成型制得的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料,已用作飞机、汽车、计算机等的结构部件;而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料,质轻而耐高温,已用于航天器中。
泡沫塑料按其密度可分为:低发泡、中发泡和高发泡的泡沫塑料。密度小于0.1g/cm3的称为高发泡泡沫塑料,密度在0.l~0.4g/cm3之间称为中发泡泡沫塑料,密度大于g/cm3的称为低发泡泡沫塑料。泡沫塑料按其结构不同又可分为开孔型泡沫塑料和闭孔型泡沫塑料。泡沫塑料内各个气孔是相互连通的称为开孔型泡沫塑料同,如果泡沫是互相分隔的,则称为闭孔型泡沫塑料,。沫塑料按其硬度不同又可分为软质泡沫塑料、半硬质泡沫塑料和硬质泡沫塑料。如按弹性模量为标准,在23℃和5%相对湿度时,弹性模量高于686MPa称为硬质泡沫塑料,弹性模量在68.6~686MPa之间称为半硬质泡沫塑料。弹性模量小于68.6MPa的称为软质泡沫塑料。此外,还有结构泡沫塑料和组合性泡沫塑料之称,前者具有不发泡或少发泡的皮层和发泡的芯层,后者则是把微小的中空玻璃、陶瓷微球加入已含固化剂的树脂中,然后固化成型制得。
常见的泡沫塑料主要包括聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)和聚烯烃三大类。其中聚苯乙烯发泡制品难降解、回收困难,是世界公认的“白色污染”,联合国环保组织已于2005年宣布在全世界范围内停止它的生产和使用。而以聚氨酯为材料的发泡塑料,由于在发泡过程中会产生有毒的异氰酸酯残留物、不能回收,也限制了它的发展。相对而言,聚烯烃尤其是聚丙烯发泡塑料存在很多优点,比如其具有优良的耐热性(最高使用温度可达130℃),常温下较高的韧性拉伸强度和冲击强度,优异的耐微波性和可降解性以及从挤出发泡到热成型总的加工成本低于发泡PP等,引起了人们的高度重视。作为发泡PS的优良替代品,在日本、美国、德国等世界发达国家得到了大力发展。
然而,与非结晶的PS相比,结晶PP的发泡温度范围窄,发泡难度大。在熔点以下,体系黏度大,气泡难以生成,而在熔点以上,体系黏度迅速下降,熔体强度低,导致气体在体系中逃逸难以形成封闭的气泡。同时,在冷却阶段,由于PP结晶放热量大,体系黏度变低,使得形成的气泡可能进一步被破坏。
(一)物理发泡法
是指利用物理原理发泡的方法,包括以下三种:
①在加压下把惰性气体压入熔融聚合物或糊状复合物中,然后降低压力,升高温度,使溶解的气体释放膨胀而发泡。目前聚氯乙烤和聚乙烯泡沫塑科等有用这种方法生产的。优点是气体在发泡后不会留下残渣,不影响泡沫塑料的性能和使用。缺点是需要高的压力和比较复杂的高压设备。
②利用低沸点液体蒸发气化而发泡。把低沸点液体压入聚合物中或在一定的压力、温度下,使液体溶入聚合物颗粒中,然后将聚合物加热软化,液体也随之蒸发气化而发泡,此法又称为可发性珠粒法。目前采用该法生产的有聚苯乙烯泡沫塑料和交联聚乙烯泡沫塑料。作发泡剂用的低沸点液体有:脂肪族烃类(丁烷、戊烷等)。含氯脂肪族烃类(如二氯甲烷)和含氟脂肪族烃类(如F—11,F—12,F—114等)。此外,脂环烃类、芳香烃类、醇类、醚类、酮类和醛类等也可使用。常用低沸点液体发泡剂的。
③在塑料中加入中空微球后经固化而制成泡沫塑料。此种泡沫塑料称为组合泡沫塑料。
(二)化学发泡法
发泡气体是由混合原料中的某些组分在成型过程中发生的化学作用而产生的。包括以下两种。
(1)发泡气体是由加入的热分解型发泡剂受热分解而产生的,这种发泡剂称为化学发泡剂。常见的有碳酸氯钠、碳酸铵、偶氮二甲酰胺(俗称AC发泡刑)、偶组二异丁腊和N,N—二甲基N,N-二亚硝基对苯二甲酰胺等。化学发泡剂的分解温度和发气量,决定其在某一塑料中的应用。理想的分解型发泡剂应具有以下性能:
①发泡剂分解温度范围应比较狭窄稳定;
②释放气体的速率必须能控制并且应合理地快速
③放出的气体应无毒、无腐蚀性和具有难燃性
④发泡剂分解时不应大量放热
⑤发泡剂在树脂中具有良好的分散性
⑥价廉,在运输和贮藏中稳定
⑦发泡剂及其分解残余物应无色、对发泡聚合物的物理和化学性能无影响
⑧发泡剂分解时的发气量应较大。
(2)发泡组分间相互作用产生气体的化学发泡法。此法是利用发泡体系中的两个或多个组分之间发生化学反应,生成惰性气体(如二氧化碳或氮气)而使聚合物膨胀发泡。发泡过程中为控制聚合反应和发泡反应平衡进行,保证制品有较好的质量,尚需加入少量催化剂和泡沫稳定列(或称表面活性剂)。聚氨酯泡沫塑料常用此法生产。
(三)机械发泡法
此法是采用强烈地机械搅拌使空气卷入树脂乳液、悬浮液或溶液中成为均匀的泡沫体,然后再经过物理或化学变化使之胶凝,固化成为泡沫塑科。为缩短时间可通入空气和加入乳化剂或表面活性剂。常用该法生产的有聚甲醒、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶等泡沫塑料。
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