编号：SLHY00020

篇名：微孔成型-泡沫塑料新品的“孵化器”

作者： 牟文杰 吴舜英

关键词： 微孔

原文： 微孔发泡塑料是上世纪80年代中期出现的泡沫塑料新品种，是一种具有极大开发潜力的新型高性能材料。与普通塑料和小泡孔泡沫塑料或低发泡塑料相比，由于其泡孔极小，进行微孔处理过的塑料制品具有抗冲击、耐疲劳、隔热、隔音和吸震等功能，具有不发泡塑料或普通泡沫塑料无法比拟的优点，不仅在汽车、飞机和各种运输器材等领域有特殊的应用价值，还可在薄壁制品、食品包装、绝缘纤维、吸附剂、催化剂和分子筛等方面发挥独特功效。 　　微孔塑料泡孔小而密，泡孔直径为1～10μm，泡孔密度109～1012个／cm3。普通泡沫塑料的机械强度是随着发泡倍数的增加而下降的，而微孔塑料由于其泡孔比塑料中原有的缺陷或微细裂缝更小，能使塑料中的裂缝尖端钝化，反而改善了塑料的力学性能。与不发泡的塑料相比，微孔塑料材料的疲劳寿命可延长5倍，断裂韧性可提高近4倍，冲击强度可提高6～7倍，吸收能量可增加5～7倍。在减少材料密度的条件下不但不会降低塑料基体的机械强度，而且还能提高其耐冲击强度、韧性和耐疲劳寿命。　　 与普通泡沫塑料一样，微孔塑料的成型过程也要经过三个阶段：气泡核的形成、气泡核的膨胀和泡体的固化定型。气泡核形成阶段直接决定泡孔的数量和分布；气泡核的膨胀阶段决定泡孔的大小、形状及泡体结构；固化定型阶段使已达到膨胀要求的泡体固化定型。但微孔塑料的制造难度比普通泡沫塑料要大得多。这主要表现在：含有气体的塑料熔体在进入挤出口模前必须是均相体系，不能含有气泡，否则气泡成核时气体将优先扩散入已存在的气泡中，影响泡孔尺寸；气泡成核时体系中需要有足够的压力降和足够的降压速度，这样才能得到高密度的泡孔；塑料熔体中气泡的成核点必须多于109个／cm3，否则即使形成均相体系也可能成不了微孔塑料；气泡成核后应及时控制气泡的膨胀，确保固化定型后的气泡尺寸在1～10μm之间。由于生产难度大，目前国内外微孔塑料还处于基础研究阶段，未能形成工业化生产规模，其成型主要有以下方法： 　　———间隙成型法这是最早提出的微孔塑料成型方法。它包含三个步骤：将已预先成型的聚合物料坯置入充满高压气体（CO2或N2）的压力容器中，气体通过扩散渗透并溶解于聚合物之中，得到聚合物／气体均相体系；将含有大量气体的聚合物料坯由压力容器中取出，放入常压油浴槽中，使聚合物中的气体具有极高的过饱和度，在聚合物中瞬间形成大量的气泡核并开始长大；将泡孔已长大到所需尺寸的聚合物料坯放入冷水槽中急冷，使泡体定型得到微孔塑料制品。但间隙成型法充气阶段用时较多，导致整个生产周期过长，生产效率比较低。 　　———注射成型法该方法是将聚合物物料熔融后，将发泡剂气体注入机筒内的聚合物熔体中，形成聚合物熔体／气体均相体系，再通过加热，使体系中的气体由熔体中析出形成大量的微细气泡核；注射螺杆前移将含有大量微细气泡的聚合物熔体注射人型腔中，由压缩空气提供的背压防止气泡在充模过程发生膨胀；充模过程完成后，型腔内压力下降使气泡膨胀，然后冷却固化定型。注射成型方法采用改变温度来形成气泡核，比改变压力法容易控制，但只有气体在聚合物中的溶解度对温度变化很敏感时才能采用。 　　———连续挤出成型法该方法类似于普通塑料挤出成型，采用单阶单螺杆挤出机或双阶单螺杆挤出机，在物料完全熔融后向机筒内注入物理发泡剂使熔体发泡成型。为了实现微孔塑料的挤出成型，必须在挤出过程中先形成聚合物／气体均相体系。目前几乎所有的微孔塑料连续挤出成型方法都是将发泡剂气体直接注入聚合物熔体中，通过混合和扩散使其溶解得到聚合物熔体／气体均相体系，然后通过改变体系的压力或温度使其发泡成型。由于连续挤出成型法生产效率高，产品质量稳定，能够满足微孔塑料工业化生产的需要，因此国内外纷纷开展此项研究，其中采用超临界CO2流体作为发泡剂更是连续挤出成型法的研究重点。 　　超临界CO2的溶解度、流动性和扩散性能均好于其它液体和气体发泡剂，对塑料熔体有很好的增塑作用，能大幅度降低塑料熔体的粘度，显著提高塑料熔体的流动性，降低塑料熔体的挤出温度，且对环境无污染。超临界CO2流体发泡成型技术为微孔塑料制品的制备提供了广阔的前景，但在高压下采用超临界CO2流体成型微孔塑料的控制难度大，成型过程很不稳定。超临界CO2从制备到注入挤出机机筒中与塑料熔体充 分混合并溶解于其中是一个复杂的过程，需要的控制手段要求较高，目前国外的研究重点主要集中在对挤出成型过程的控制上，设备成本很高，且发泡过程不稳定，而国内还未有利用超临界CO2流体研制成功微孔塑料的报道。 　　目前国外的微孔塑料成型主要依赖精密控制方法在高压下进行，生产成本高，无法形成工业化生产。根据我国的实际情况，应加强微孔塑料的挤出成型的应用基础研究，以有效地指导实际生产，降低工业化生产成本。我国华南理工大学工业装备与控制学院等一些科研院所和大专院校目前正在从事这一领域研究工作。由于该项研究涉及多学科、多领域，实验设备投资大，因而需要有实力的企事业单位和科研院所多方合作，共同开发，争取使微孔发泡塑料这一高性能材料在我国早日开发成功。