朱能貴 熊一鳴 蔣團(tuán)輝 李勝男 曾祥補(bǔ) 沈超

(國(guó)家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽(yáng),550022)

聚合物材料具有綜合性能好、可回收、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用非常廣泛。隨著環(huán)保要求越來(lái)越高,多功能環(huán)保型材料的需求量大幅增加。研究者開(kāi)發(fā)了輕質(zhì)、高效、多功能的聚合物發(fā)泡材料,節(jié)約了成本,減少了環(huán)境污染,并實(shí)現(xiàn)了功能多樣化。聚合物發(fā)泡材料為“三明治”結(jié)構(gòu),芯層存在大量微小泡孔,所以也被稱(chēng)為多孔泡沫材料,廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、家電、包裝等領(lǐng)域[1-2]。

聚合物發(fā)泡材料成型裝備是聚合物發(fā)泡材料發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ),先進(jìn)的聚合物發(fā)泡材料成型裝備能夠在保證發(fā)泡材料生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)降本增效,助推整個(gè)發(fā)泡材料產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。隨著聚合物發(fā)泡材料的研究不斷深入,聚合物發(fā)泡裝備得到了很大的發(fā)展,其中,擠出發(fā)泡裝備和注塑發(fā)泡裝備均已經(jīng)形成了系統(tǒng)的發(fā)泡材料生產(chǎn)制造體系[3]。聚合物發(fā)泡材料制備方法主要有:化學(xué)發(fā)泡法、物理發(fā)泡法、機(jī)械發(fā)泡法等。化學(xué)發(fā)泡法通常是利用化學(xué)發(fā)泡劑受熱分解產(chǎn)生的氣體使樹(shù)脂在熔融狀態(tài)下產(chǎn)生泡孔。物理發(fā)泡法是通過(guò)向塑料中溶入氣體,使其膨脹發(fā)泡。機(jī)械發(fā)泡法是借助機(jī)械攪拌等工藝將氣體混入熔融樹(shù)脂中,形成泡孔。近年來(lái),圍繞上述3種發(fā)泡方法,研究者開(kāi)發(fā)了多種發(fā)泡裝備,推動(dòng)了聚合物發(fā)泡材料行業(yè)的發(fā)展。

下面對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外聚合物發(fā)泡材料成型裝備的研究和應(yīng)用進(jìn)行了綜述,梳理了聚合物發(fā)泡裝備研發(fā)和應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 聚合物發(fā)泡材料及發(fā)泡技術(shù)

聚合物發(fā)泡材料的泡孔直徑小于100 μm,泡孔密度大于107個(gè)/cm3,且具有多孔結(jié)構(gòu),在輕量化、隔熱降噪、吸收能量等方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)調(diào)節(jié)泡孔直徑大小和泡孔形態(tài),可以得到具有較好熱性能和力學(xué)性能的聚合物發(fā)泡材料,且降低了材料成本和材料損耗等[4-5]。

聚合物發(fā)泡技術(shù)主要有化學(xué)發(fā)泡技術(shù)和物理發(fā)泡技術(shù)。在一定工藝條件下,采用2種發(fā)泡技術(shù)均能夠得到泡孔尺寸小、密度大、分布均勻的發(fā)泡材料。物理發(fā)泡技術(shù)主要以超臨界流體為發(fā)泡劑,裝備復(fù)雜,技術(shù)要求高。化學(xué)發(fā)泡技術(shù)主要利用化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡,生產(chǎn)效率較高,更容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。為了獲得質(zhì)量較好的產(chǎn)品,可以通過(guò)調(diào)控發(fā)泡裝備的溫度、壓力、速度等工藝參數(shù)改善發(fā)泡質(zhì)量,這時(shí),發(fā)泡裝備就顯得格外重要。通過(guò)利用現(xiàn)階段的發(fā)泡技術(shù)和發(fā)泡裝備,研究者已經(jīng)制備了聚丙烯(PP)、聚酰胺、聚氨酯等許多發(fā)泡材料并應(yīng)用于生產(chǎn)生活中[6]。

2 聚合物發(fā)泡材料成型裝備及應(yīng)用

2.1 注塑發(fā)泡成型裝備及應(yīng)用

注塑發(fā)泡成型裝備是目前批量生產(chǎn)發(fā)泡材料常用的設(shè)備之一,其制得的發(fā)泡產(chǎn)品具有尺寸控制穩(wěn)定、成型周期短、減重幅度大等優(yōu)點(diǎn),適合進(jìn)行大批量生產(chǎn)。Yusa A等[7]開(kāi)發(fā)了一種新型注塑發(fā)泡成型技術(shù)及裝備,在不使用超臨界流體(SCF)泵裝置的情況下即可生產(chǎn)微孔泡沫。同時(shí),發(fā)泡劑無(wú)需達(dá)到SCF狀態(tài)。輸送到熔融聚合物中的氣體量由噴射閥的氣體加藥時(shí)間、氣瓶的二次減壓壓力和排氣容器的背壓控制。李振華等[8]開(kāi)發(fā)了二次開(kāi)模注塑微發(fā)泡裝置和欠注微發(fā)泡裝備。二次開(kāi)模發(fā)泡工藝主要有3個(gè)階段:1) 在一定溫度下,塑料粒料和發(fā)泡劑在料筒中熔融,發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體(二氧化碳等),與樹(shù)脂熔體混合均勻,形成過(guò)飽和相;2) 將過(guò)飽和相注射填充至模具型腔內(nèi),通過(guò)二次開(kāi)模使體系壓力驟降,氣體在聚合物熔體中成核并長(zhǎng)大;3) 促使泡孔長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力不斷減小,且在冷卻過(guò)程中,樹(shù)脂熔體的黏度增加,阻礙了分子鏈的運(yùn)動(dòng),樹(shù)脂熔體逐漸固化,最終成型為發(fā)泡制件。通過(guò)改變工藝參數(shù)可以調(diào)節(jié)材料的表面質(zhì)量、力學(xué)性能、泡孔質(zhì)量等,且二次開(kāi)模發(fā)泡裝備制備容易控制。欠注發(fā)泡主要是注塑時(shí)樹(shù)脂熔體未充滿(mǎn)模具型腔、在釋放壓力的狀態(tài)下成核并長(zhǎng)大的過(guò)程。采用欠注發(fā)泡工藝時(shí),材料的發(fā)泡狀態(tài)很難控制。

為了更直觀地觀察和研究聚合物的微發(fā)泡過(guò)程,研究者開(kāi)發(fā)了注塑發(fā)泡成型可視化裝備。Shaayegan V等[9]在高壓泡沫注塑成型試驗(yàn)中,利用注塑發(fā)泡成型可視化裝備研究了碳纖維對(duì)泡孔生長(zhǎng)過(guò)程的影響。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)纖維接近生長(zhǎng)中的泡孔時(shí),其同時(shí)出現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)位移。Yang J K等[10]利用注塑發(fā)泡成型可視化裝置及成核理論研究了聚合物泡沫塑料的氣泡成核過(guò)程,并基于實(shí)景觀察和測(cè)量結(jié)果建立了數(shù)學(xué)模型。同時(shí),還研究了不同發(fā)泡劑含量對(duì)氣泡成核過(guò)程的影響,并基于經(jīng)典成核理論,建立了描述氣泡成核動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。

注塑發(fā)泡成型裝備操作簡(jiǎn)單,且可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn),是研究發(fā)泡材料性能及應(yīng)用的重要裝備。Gong W等[11]采用注塑發(fā)泡成型裝備制備了PP發(fā)泡復(fù)合材料,并對(duì)其發(fā)泡質(zhì)量和沖擊性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:引入熱塑性橡膠(TPR)和聚烯烴彈性體(POE)后,PP發(fā)泡復(fù)合材料的發(fā)泡質(zhì)量顯著提高;沖擊性能取決于PP復(fù)合材料的固有韌性、泡孔尺寸和泡孔形態(tài)。Hamidinejad M等[12]提出了一種在含有石墨烯納米片的聚合物復(fù)合泡沫中開(kāi)發(fā)梯度微孔結(jié)構(gòu)的方法。采用注塑機(jī)對(duì)材料進(jìn)行超臨界流體處理,發(fā)泡前在模腔中快速減壓。該泡孔的微觀結(jié)構(gòu)從剪切誘導(dǎo)的細(xì)長(zhǎng)泡孔到模制復(fù)合材料長(zhǎng)度呈現(xiàn)出各向同性。研究者還利用注塑發(fā)泡裝備制造了可用于建筑行業(yè)的不透明聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)絕緣泡沫及親油隔音PP/聚四氟乙烯(PTFE)納米復(fù)合泡沫等功能性發(fā)泡材料[13-14]。

2.2 擠出發(fā)泡成型裝備及應(yīng)用

擠出發(fā)泡技術(shù)是將聚合物加入到擠出機(jī)中進(jìn)行熔融,在螺桿的剪切作用下與發(fā)泡劑充分混合并完成氣體擴(kuò)散,在口模處快速釋壓后泡孔成核并長(zhǎng)大,冷卻定型后得到發(fā)泡材料。擠出發(fā)泡技術(shù)具有連續(xù)發(fā)泡的優(yōu)勢(shì),非常適用于大規(guī)模、快速生產(chǎn)聚合物發(fā)泡材料。常見(jiàn)的擠出發(fā)泡成型裝備有雙螺桿擠出機(jī)和單螺桿擠出機(jī)及用于提供發(fā)泡氣體等的附屬裝置。

擠出發(fā)泡成型裝備是物理發(fā)泡常用的設(shè)備,通過(guò)多年研究已經(jīng)得到很大發(fā)展,研究者通過(guò)擠出發(fā)泡成型裝備研發(fā)了多種發(fā)泡材料,并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。Lombardi L等[15]采用發(fā)泡擠出機(jī)研究了擠出脹大對(duì)熱塑性聚合物擠出泡沫的影響。結(jié)果表明:黏彈性材料在發(fā)泡擠出機(jī)內(nèi)部受到應(yīng)力作用被束縛。當(dāng)螺桿將其推送出口模時(shí),黏彈性材料的彈性快速恢復(fù),引起各向自由膨脹,即擠出脹大,膨脹是各向異性的,會(huì)影響產(chǎn)品的最終形狀,在擠出泡沫的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中應(yīng)該引起重視。Yao S等[16]以超臨界二氧化碳為發(fā)泡劑,利用擠出發(fā)泡成型裝備制備了PET發(fā)泡材料,并通過(guò)調(diào)節(jié)支化劑環(huán)氧基多功能齊聚物和擴(kuò)鏈劑均苯四甲酸二酐的含量對(duì)PET進(jìn)行了改性。研究發(fā)現(xiàn):改性后的PET發(fā)泡材料表現(xiàn)出較好流變性能,熔體黏彈性明顯增強(qiáng),在發(fā)泡過(guò)程中獲得了較高的發(fā)泡質(zhì)量。Fei Y P等[17]采用超臨界二氧化碳輔助連續(xù)擠出發(fā)泡裝備制備了聚苯乙烯(PS)復(fù)合發(fā)泡材料。結(jié)果表明:所得材料吸聲系數(shù)較大,具有良好的吸聲性能,且木質(zhì)素在PS復(fù)合泡沫中表現(xiàn)出阻燃作用。Khademi S M H等[18]采用雙螺桿擠出工藝制備了聚乳酸(PLA)發(fā)泡材料,研究了具有不同長(zhǎng)徑比和負(fù)載量的膨脹石墨(EG)納米片和有機(jī)過(guò)氧化物對(duì)PLA發(fā)泡過(guò)程的影響。結(jié)果表明:膨脹EG納米片能夠提高PLA發(fā)泡材料的孔隙率和孔密度。Mi H Y等[19]通過(guò)雙螺桿擠出發(fā)泡裝備制備了PP/PTFE復(fù)合材料泡沫。結(jié)果表明:所得泡沫完全是超疏水的,這意味著其在斷裂或切割時(shí)仍保持超疏水性。

2.3 釜壓和模壓發(fā)泡成型裝備及應(yīng)用

釜壓發(fā)泡成型裝備主要由釜體(發(fā)泡儲(chǔ)罐)、二氧化碳增壓泵、消聲器、傳感器、控制器等組成。釜壓發(fā)泡技術(shù)具有可精準(zhǔn)調(diào)控發(fā)泡工藝參數(shù)(溫度、壓力等)的優(yōu)點(diǎn),可以用于研究單一變量對(duì)發(fā)泡行為的影響;缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高、適用場(chǎng)景有限等。

冀峰等[20]通過(guò)超臨界二氧化碳釜壓發(fā)泡成型裝備制備了可生物降解的聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯(PBAT)發(fā)泡顆粒,研究了滲透條件對(duì)材料發(fā)泡性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):PBAT發(fā)泡顆粒的密度隨滲透溫度升高而逐漸降低,發(fā)泡倍率逐漸增大;所得PBAT發(fā)泡顆粒放置1 d后密度增加,發(fā)泡倍率降低,放置7 d后,其密度和發(fā)泡倍率保持不變。張玉良等[21]以高相對(duì)分子質(zhì)量的共聚PP為原料,通過(guò)自制高壓反應(yīng)釜裝備進(jìn)行發(fā)泡。研究發(fā)現(xiàn):溫度是提高材料發(fā)泡質(zhì)量的關(guān)鍵。壓力、飽和時(shí)間、保壓時(shí)間等對(duì)材料的發(fā)泡過(guò)程也有很大影響。

模壓發(fā)泡技術(shù)是將聚合物、發(fā)泡劑和其他改性助劑等混合均勻,加入模壓發(fā)泡裝備中進(jìn)行熱壓發(fā)泡,制得發(fā)泡材料。采用模壓發(fā)泡成型裝備可以加工較厚板材,制備一些擠出和注塑無(wú)法加工的發(fā)泡材料。與擠出和注塑發(fā)泡技術(shù)相比,采用模壓發(fā)泡裝備進(jìn)行發(fā)泡板材的制備較難實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)。Chen Y C等[22]制備了最大膨脹率達(dá)到30倍的PET泡沫塑料,其泡孔直徑僅為20 μm。在發(fā)泡過(guò)程中,快速減壓會(huì)顯著改變PET的黏彈性,限制其發(fā)泡行為。

2.4 其他聚合物發(fā)泡成型裝備及應(yīng)用

除了上述常見(jiàn)的發(fā)泡成型裝備以外,Yu C Y等[23]設(shè)計(jì)了一種新型氣體發(fā)泡裝備,該裝備由高壓供氣系統(tǒng)、高壓模具、成型機(jī)、壓力表和放氣閥等組成,發(fā)泡效果非常好。Tammaro D等[24]設(shè)計(jì)了一種新型批量發(fā)泡成型裝備,以二氧化碳為物理吹泡劑,研究了壓降速率和發(fā)泡溫度對(duì)PS發(fā)泡行為的影響。結(jié)果表明:適宜的壓降速率和發(fā)泡溫度會(huì)提高基體單位體積的成核氣泡數(shù),斜率隨溫度的增加而增加。此外,倪曉等[25]研發(fā)了一種一機(jī)雙頭高壓發(fā)泡設(shè)備。結(jié)果表明:通過(guò)電機(jī)變頻調(diào)速,該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)注射流量差別較大的混合頭同時(shí)注射的要求;通過(guò)自動(dòng)控制模式(PID)和閉環(huán)流量控制,可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量泵較大范圍計(jì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

聚合物發(fā)泡材料的成型裝備種類(lèi)很多,各有優(yōu)勢(shì),也均存在一定的不足。因此,開(kāi)發(fā)高效率、低能耗、發(fā)泡質(zhì)量精準(zhǔn)可控的聚合物發(fā)泡成型裝備勢(shì)在必行。研發(fā)可精準(zhǔn)調(diào)控發(fā)泡倍率及泡孔尺寸等重要參數(shù)的發(fā)泡成型裝備是未來(lái)聚合物發(fā)泡成型裝備研發(fā)及應(yīng)用的重要方向。