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    EPS泡塑成型理論

    作者: 本站 來源: 本站 時間:2017年07月30日

      泡沫塑料以塑料為基本組分,含有大量氣泡,因此泡沫塑料也可以說是以氣體為填料的復合塑料。

      根據塑料的物理性質,泡體質地的軟硬程度可把泡沫塑料分為三大類。聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料、環氧樹脂泡沫塑料、部分聚氨酯泡沫塑料都屬硬質泡沫塑料;而橡膠、彈性聚氨酯和部分聚烯烴的泡沫塑料則屬于軟質泡沫塑料。

      可發性聚苯乙烯樹脂(ExpandablepolyStyrene)是在聚苯乙烯珠粒中加入低沸點的液體發泡劑,在加溫加壓的條件下,滲透到聚苯乙烯珠粒中,使其溶脹,制成可發性聚苯乙烯樹脂(珠粒)。

      在受熱的情況下,聚苯乙烯軟化而低沸點烷烴揮發導致聚苯乙烯粒子膨脹,利用這一原理,將其經過預發、熟化、成型、烘干及切割等加工工藝制得可發性聚苯乙烯制品。

      它既可用于制成不同密度、不同形狀的泡沫塑料制品,又可以生產出各種厚度的泡沫塑料板材,廣泛用于建筑、包裝、日用品

      泡沫塑料以塑料為基本組分,含有大量氣泡,因此泡沫塑料也可以說是以氣體為填料的復合塑料。

      根據塑料的物理性質,泡體質地的軟硬程度可把泡沫塑料分為三大類。聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料、環氧樹脂泡沫塑料、部分聚氨酯泡沫塑料都屬硬質泡沫塑料;而橡膠、彈性聚氨酯和部分聚烯烴的泡沫塑料則屬于軟質泡沫塑料。

      可發性聚苯乙烯樹脂(ExpandablepolyStyrene)是在聚苯乙烯珠粒中加入低沸點的液體發泡劑,在加溫加壓的條件下,滲透到聚苯乙烯珠粒中,使其溶脹,制成可發性聚苯乙烯樹脂(珠粒)。

      在受熱的情況下,聚苯乙烯軟化而低沸點烷烴揮發導致聚苯乙烯粒子膨脹,利用這一原理,將其經過預發、熟化、成型、烘干及切割等加工工藝制得可發性聚苯乙烯制品。

      它既可用于制成不同密度、不同形狀的泡沫塑料制品,又可以生產出各種厚度的泡沫塑料板材,廣泛用于建筑、包裝、日用品、工業品等領域。

      一、成型過程

      1、 泡沫的氣泡核形成階段:合成樹脂加入化學發泡劑或氣體,當加溫或降壓時,就會生出氣體而形成泡沫,當氣體在熔體或溶液中超過其飽和限度而形成過飽和溶液時,氣體就會從熔體中逸出而形成氣泡。在一定的溫度和壓力下,溶解度系數的減小將引起溶解的氣體濃度降低,放出的過量氣體形成氣泡。

      2、 泡沫的氣泡核增長:在發泡過程中,泡孔增長速率是由泡孔內部壓力的增長速率和泡孔率的變形能力決定的。在氣泡形成之后,由于氣泡內氣體的壓力與半徑成反比,氣泡越,內部的壓力越高,并通過成核作用增加了氣泡的數量,加上氣泡的膨脹擴大了泡沫得增長。促進泡沫增長的因素主要是溶解氣體的增加、溫度的升高、氣體的膨脹和氣泡的和并。

      3、 泡沫的穩定固化:當然,如果泡孔增長過程在某一階段未被中斷的話,一些泡孔可以增長到非常大,使形成泡孔壁的材料達到材料達到破裂極限,最后所有泡孔會相互串通,使整泡沫結構癟塌,或會出現所有的氣體從泡孔中緩慢地擴散到大氣中的現象,泡沫中氣體的壓力逐漸地衰減,那么泡孔會漸漸地變小并消失。

      因此,在泡沫形成中控制泡孔的增長率和穩事實上是重要的。這可以通過使聚合物母體發生突然國有化或使母體變形性逐漸的降低來完成。許多穩定泡沫的方法,可降低其表面張力,減少氣體擴散作用,使泡沫穩定。比如,在發泡過程中,通過對物料的冷卻或樹脂的交聯都能提高塑料液體的粘度,達到穩定泡沫的目的。

      二、成型機理

      1、氣泡核的形成

      所謂氣泡核就是指原泡,也就是氣體分子最初聚集的地方。塑料發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發泡體。

      在高聚物的分子結構中存在壓力為零的自由空間,不同的高聚物具有不同大小的自由空間。有些高聚物具有較大的自由空間,可以容納某些發泡劑的滲入。一般來說,要同時具備以上兩個條件才能形成氣泡核。

      RN Hacoard等提供了分子架理論的依據。他們聚苯乙烯為對象,研究了其分子結構。從聚苯乙烯的可壓縮性推斷出其分子架中存在著自由空間,其內壓為零。溫度低于Tg時,自由空間約占13%。戊烷進入這些空間的最大量為6.5%~8.5%。

      A Ringram和WrightHA去持上面的論點,他們用實驗證明戊烷在PS中的飽和容量是8%~8.25%,這一數據與上面的推論很接近。見圖1-5、1-6。

      根據分子架理論,形成氣泡核必須注意滿足以下條件。

      A、作為泡沫塑料基體的聚合物,其分子架中應用足夠量的自由空間,以供聚集足夠量的發泡劑,形成氣泡核。

      B、 發泡劑一般采用低沸點的有機液體,在一定條件下能 滲入聚合物分子架的自由空間中,并受到較大的作用力,使其不易揮發散發。另外,還要求發泡劑的沸點必須低于聚合物的軟化點。因此,低沸點的有機液體雖然不少,但真正適宜做發泡劑的并不多。

      C、聚集在聚合物分子架中的低沸點發泡劑,其分子在不停地進行擴散運動。因此,含有低沸點發泡劑的聚合物不應在大氣中久放。

      2、氣泡的膨脹過程

      氣泡增長的近似計算式:

      R(t)=kDCoTn

      式中R(t)––隨時間t變化的氣泡半徑;

      T––時間;

      D––氣體的擴散系數;

      Co–––氣體的初始溶液;

      K–––修正系數(與聚合物粘度和彈性有關)

      3、氣泡的穩定和固化過程

      任何一氣固或氣液相共存的體系,多數是不穩定的。已經形成的氣泡可以繼續膨脹,也可能合并、塌陷或破裂,這些可能性的實現主要取決于氣泡處的條件。

      (1)固化辦法

      為了防止氣泡破裂,一方面可以從提高熔體的粘彈性入手,使氣泡壁有足夠的強度,不易破裂。另一方面,控制膨脹速度,兼顧氣泡壁應力松弛所需的時間。

      (2)影響固化因素

      熱塑性泡沫塑料的固化主要是通過冷卻來進行的,冷卻也是影響固化速度主要因素。

      為了使泡體的熱量通過各種傳熱途徑,散入周圍的空氣或冷卻介質中。采用較多的是用空氣或冷卻介質直接或間接冷卻泡體的表面。但是,由于泡體是熱的不良導體,冷卻時常常出現表層的泡體已被冷卻固化定型,芯部的溫度還很高的現象。這時如冷卻定型不夠,雖然皮層已固化定型,但是芯部的大量熱量會繼續外傳,使皮層的溫度回升,再加上芯部泡體的膨脹力,就可能使已定型,但是芯部的大量熱量會繼續外傳,使皮層的溫度回升,再加芯部泡體的膨脹力,就可能使已定型的泡體形狀變形或破壞。因此,發泡制品的冷卻固化需要有足夠的冷卻定型時間和冷卻效率來保證。但冷卻速度也不宜過快,特別是對收縮率較大的聚合物泡體。

      泡沫塑料的品種很多,性能也多種多樣,因為它含有大量氣泡,因此具有以下三大共同的特性。

      1、具有吸收沖擊載荷的能力

      泡沫塑料受到沖擊載荷時,泡沫中的氣體通過滯流和壓縮,使外來作用的能量被消耗,散逸。泡體以較小的負加速度,逐步終止沖擊載荷。

      2、隔熱性能好

      泡沫塑料的導熱系數比純塑料低得多因為氣體的熱導率比塑料的熱導率低近一個數量級。

      泡沫塑料中氣體相互隔離,因此,減少了氣體中的對流傳熱,有助于提高泡沫塑料的隔熱能力。

      輻射熱能透過泡體中的氣體層傳遞,泡沫塑料對輻射熱傳遞能力主要由塑料對紅外線的吸收系數、泡孔大小、泡孔的形狀和氣體和容積率等因素決定。

      泡沫塑料的傳熱能力應是以上兩種傳熱結果(氣體輻射和泡體熱傳導)的綜合,它們與泡體密度之間的關系簡化如圖3所示。在泡體密度很低時,輻射傳熱量在總的傳熱過程中起了主要的作用。但在密度高的條件下,泡沫塑料的傳熱性能主要取決于泡體的熱導率。

      EPS泡沫具有很低的導熱系數,國標規定值≤0.041w/m·k。

      3、防火性能

      (一)EPS的阻燃性能

      EPS是一種有機碳氫化合物,以及含有殘留石油氣,所以一般的EPS制品是一種易燃物品,可以被火點燃,燃燒時發光,即使離開火焰仍然繼續燃燒并有濃煙和熔融滴落。自燃和外部點燃的溫度分別是490oC和296 oC。未加阻燃劑改善的普通EPS泡沫歸類為“易燃類”,遇火即燃燒,而且火焰迅速蔓延到整個表面。

      EPS 制品應用于建筑、造船、冷凍車輛等領域時,必須提出一定的阻燃要求。為此,世界各國都生產一種經特別配方和工藝而制成的阻燃型EPS原料,這些阻燃型EPS原料,由于加入有機鹵化物等阻燃劑,因而大大地改變了其燃燒性能,擴大了EPS的使用范圍。

      (二)阻燃性能指標

      (1)按輕工業部部頒標準SG-232-81。自熄性測定方法如下:

      把試樣置于與水平面成45°的位置上,用蠟燭火焰燃燒5秒種,然后將火源移開,同時用秒表測量移開火焰后試樣繼續燃燒的時間,在兩秒種內熄滅為合格。

      按日本工業標準(JISA9511-1984),其要求在三秒種內熄滅者為合格。試驗的方法類似。

      (2)“氧指數”(OI)法評估EPS的阻燃性能。

      眾所周知,一般空氣中氧氣約占21%,其他大部分是氮氣。如果某物質需要在25%的含氧的氣體中方能燃燒,則稱其氧指數為25。顯然。某物的氧指數高,則表明其阻燃性能好。氧指數,就是指在規定的試驗條件下,在室溫下,材料在O2、N2混合氣體中剛好維持燃燒時的最小氧濃度,以體積的百分率表示。

      還需指出,生產阻燃型的EPS需添加各種阻燃劑,一般是鹵族有機物。這些阻燃劑加入過多,可能影響其老化性能。特別是在日光容易產生風化和疏松現象。各國的氧指數一般均要求大于26~35。如日本的標準)(JIS)是大于27,英國標準(B·S)是大于33,中國標準(GB)則是大于30。

      為了獲得一定等級的阻燃性能,必須給予一定的儲存時間讓殘留的發泡劑從泡沫體中擴散出去。




     


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