微孔泡沫塑料的制备工艺与设备

翟明，陈建平

（1.郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450002；2.郑州大学橡塑模具国家工程研究中心，河南 郑州 450002）

微孔泡沫塑料的制备工艺与设备

翟明1，陈建平2

（1.郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450002；2.郑州大学橡塑模具国家工程研究中心，河南 郑州 450002）

微孔塑料是指泡孔直径为10～100μm，泡孔密度为109～1 012个/cm3，且泡孔分布非常均匀的泡沫塑料。微孔塑料由于结构及性能方面的特点，具有广泛应用。随着技术的发展和社会的进步，对微孔塑料的制备提出了更高的要求。介绍了微孔塑料的制备方法，重点介绍了Mucell微孔注射成型工艺和设备。

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1 微孔泡沫塑料

泡沫塑料是以塑料为基本组分，以气体为填料的复合材料［1］。泡沫塑料内含有大量气泡，具有质轻、省料、热导率低、隔热性能好、隔音性能好、比强度高等良好的特性，在工业、农业、交通运输、军事、航空航天等方面都得到了广泛的应用。

但是，普通泡沫塑料内气泡密度小，泡孔直径大，且分布不均匀。在外力的作用下，泡孔容易破裂而降低材料的强度，导致制品的力学性能较差。国外研究人员发现，在高分子材料中添加粒子尺寸小于原材料孔隙尺寸的微米级添加剂，能够显著改善材料性能，据此，Suh教授等人将微米级的泡孔引入高分子材料基材，制备开发了微孔泡沫塑料［2］。微孔泡沫塑料是指每立方厘米含有10～1 012个微泡的泡沫塑料。这些微泡均匀分布，且直径介于10～100 μm之间。由于气泡的尺寸比高分子材料的原有缺陷更小，因此，这些气泡的加入钝化了材料中原有裂纹的尖端，阻止裂纹在应力作用下的进一步发展，冲击强度可提高2～3倍［3］。

微孔泡沫塑料制品具有良好的热稳定性、较低的介电常数及良好的热绝缘性能，广泛应用于建筑、航空和汽车等行业。另外，开孔微孔塑料内部的泡孔是连通的，通过控制其内部泡孔的形貌，可以选择通过泡孔的微粒的大小，因此，微孔塑料也可以作为分离和吸附材料和药物缓释材料等；微孔泡沫塑料的泡孔很小，因此，可以制备薄壁发泡制品，如微电子线路绝缘层；泡孔小于10 μm的超微孔塑料和极微孔塑料，可制备用于计算机芯片的绝缘板，以及透明的泡沫制品，拓展了塑料制品的使用范围［4］。

2 微孔泡沫塑料制备方法

相分离法［5］、单体聚合法［6］、沉淀法［7］和模压法等都可以用来制备微孔泡沫塑料。但是，相分离法对环境危害大，聚合法效率低下，沉淀法成本高，模压法应用范围有限。因此，必须开发新的制备技术，不使用对环境有害的添加剂，同时还要实现微观结构的可控性以及可以连续生产等。超饱和气体法目前应用较为广泛。其原理是：在高压下，将超临界的二氧化碳或者氮气溶解于聚合物在中，形成饱和溶液，通过降低压力或者提高温度，降低气体的溶解度，气体溢出，从而形成微泡。间歇成型法和连续成型法都属于该类方法。

2.1间歇成型法

间歇法主要分为两个阶段：首先，将聚合物试件浸泡在超临界状态的二氧化碳或氮气中，然后将聚合物试样取出，快速降低压力或提高温度，使超临界流体溢出形成气泡。间歇法虽然成核速率高，泡孔易于控制，但不适合商业应用，是一种有用的实验室研究方法。

2.2连续成型法

连续成型法包括挤出成型和注射成型法。

挤出成型法包括三个阶段：塑化，气体/聚合物均相体系的形成，气泡的形成与定型。将塑料加入挤出机，在适当的位置将超临界状态的二氧化碳和氮气注入，同时利用静态混合器，加快气体扩散进入聚合物熔体的速度。采用超临界流体可以缩短气体在聚合物熔体中的饱和时间，增加成核密度。

注射成型法的加工过程为：将高压气瓶中的超临界流体通过计量阀注入注射机筒内的塑料熔体中，形成均相体系。随后，混合体系被快速注射入模具型腔，随着压力的骤然降低，气体在塑料熔体中的溶解度降低，气体逸出而形成大量的微细气泡。

3 Mucell微孔注射成型工艺

微孔塑料的注射成型法近几年才开始进行

工业推广，Mucell技术、Ergocell技术、FIM成型技术、已经有较多应用，其中，Mucell技术商业化最好，应用最为广泛。

3.1Mucell工艺过程的基本阶段

Mucell工艺过程可分为以下四个基本阶段：

（1）均相溶液形成：在一定的工艺条件下，将超临界状态的二氧化碳或氮气溶解在聚合物熔体中，形成浓度均匀的混合体系。

（2）成核：通过降压或升温，使混合体系进入不稳定状态，成为过饱和体系，气体溢出，形成大量的气泡核。

（3）气泡生长：气泡在泡体内外压力差的作用下生长。

（4）成型：模腔内气泡与熔体一起冷却定型而得到微孔塑料制品［8］。

3.2Mucell工艺的优点

（1）节能降耗。与超临界状态的N2或CO2混合后，塑料熔体的表观粘度降低，流动性明显提高，加工时所需的注射压力和锁模力大大降低。同时，制品重量的减轻也使需塑化的塑料大量减少，因此该工艺可以减少耗能高达30%。

（2）成型周期短。微孔塑料注射成型通过微泡内气体压力使制品压实，不需要保压过程；另外，因为塑料用量比未发泡的少，总热量减少，同时气核的形成是吸热过程，因此冷却时间也较短。总的来说，该工艺可使成型周期缩短20%～50%。

（3）节约原材料。制品内微孔的存在可以使原材料消耗减少5%～30%左右。

（4）气泡产生的压力降低制品因为保压造成的内应力，减少制品的收缩翘曲量。

（5）气泡直径很小，可用于薄壁件的成形。

3.3MuCell工艺上的限制

（1）在塑化阶段，需要利用一些特殊的机械设计，如截流式的注塑单元、专门设计的螺杆及超临界流体注射系统，以将超临界流体和塑料熔体均匀混合成均相体系。

（2）成型过程中，需要合理确定温度和压力，才能得到满意的微泡大小和分布。

（3）制品表面质量常常较差，通常会有漩涡流痕，不能用作外观面。

4 Mucell微孔注射成型设备

Mucell成型工艺需要在传统注射成型设备的基础上改造或添加某些新设备，如：可以将超临界二氧化碳或氮气以一定的压力和温度输送到螺杆的超临界流体生成装置；可以准确地将一定量的超临界流体注射进注射机的超临界流体注射装置；可以将聚合物熔体和超临界流体均匀混合成单相溶液的经过特殊设计的螺杆；截流式注嘴等。Mucell加工设备主要由气体装置、塑化装置、注射装置组成。

气体装置主要用于生成、计量超临界流体并将其注入塑料熔体。加压是目前塑料发泡制品行业制备超临界流体的常用方法。气体装置主要包括气体供应部分、超临界流体生成部分、超临界流体计量部分、超临界流体注射部分。

塑化装置利用螺杆的剪切作用，将超临界流体在塑料熔体中扩散，在注射机的末端生成聚合物熔体/超临界流体均相体系。为了避免超临界流体在注射机内发泡，塑化装置还应在注射前提供恒定的压力以保持单相溶液。除了螺杆注塑机外，塑化装置还包括带有混合器的喷嘴。

Mucell注射装置不同于普通的注射装置，需要特殊设计的截流式注嘴。注嘴除了能在较高的压力下不泄漏外，还需要行程开关，将注嘴的开闭动作与注射动作匹配起来。当需要向模腔内注入熔体时，注嘴打开，其他时候都必须关闭，以保证料筒内有足够高的、稳定的压力，防止超临界流体逸出而提前发泡［9］。注射装置的另一要求是能够实现快速注射。

［1］ SUN X.， KHARBAS H.， PENG J.， et al. A Novel Method of Producing Lightweight Microcellular Injection Molded Parts with Improved Ductility and Toughness［J］. Polymer，2015，56:102～110.

［2］ LIU T. CHEN Z. LEI Y. et al. Foaming Behaviors of Polyetherimide/polypropylene-graft-maleic AnhydrideBlends in the Microcellular Injection Molding Process［J］. Journal of Cellular Plastics， 2015， 51:387～400.

［3］ FALCPMTER J.W.， NAZAROW W.， BAKER M.， et al. Lower Density Disc Shape Microcellular Polymeric Foams［J］. Journal of Cellular Plastics， 1997， 33: 12～19.

［4］ M AT U A N A N L.M.， PA R K C.B.， B A B T I N E C Z J.. Structures and Mechanical Properties of Microcellular Foamed Polyvinyl Chloride［J］. Cellular Polymers， 1998，17（1）:1～16.

［5］ SHIBAO M.， BALDWIN D. F.. The Viscoelastic Behavior of Microcellular Plastics with Varying Cell Size［J］. Polymer Engineering and Science， 1995， 35:1387～1395.

［6］ G A S PA R I J. D. M i c r o c e l l u l a r F o a m s［J］. P l a s t i c s Technology， 1993， （2）: 63～65.

［7］ AUBERT J.H.， CLOUGH R.L.. Low-density Microcellular Polystyrene Foams［J］. Polymer， 1985， 26（13）:2047～2056

［8］ GOEL S.K.， BECKMAN E.J.. Generation of Microcellular Polymeric Foams Using Supercritical Carbon-Dioxide［J］. Polymer Engineering and Science， 2014， 34: 1148～1156.

［9］ GOMEZ F.， ARECON D.， SANCHEZ M.， et al. Influence of the Injection Moulding Parameters on the Microstructure and Thermal Properties of Microcellular Polyethylene Terephthalate Glycol Foams［J］. Journal of Cellular Plastics， 2013， 49: 47～63.

（P-01）

Preparation and equipment of microcellular plastics

TB383

1009-797X（2016）10-0044-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.016

翟明（1974-），男，博士，教授，主要研究方向为聚合物加工。

2016-04-11

国家自然科学基金项目（U1304107）。