第17章泡沫塑料成型模具

1、第 17 章 泡沫塑料成型模具泡沫塑料是以树脂为原料制成的内部含有无数微小泡孔的塑料制品。现代技术几乎能 把所有热固性和热塑性树脂加工成泡沫塑料。目前，主要的泡沫塑料品种有聚氨脂、聚苯 乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和脲醛等。泡沫塑料具有密度低、导热系数低、吸湿性低、回弹 性好、绝热和吸音隔音等特点，因此，在建筑上广泛用作隔音材料，在制冷方面广泛用作 绝热材料，在仪器仪表、家用电器和工艺晶等方面广泛用作防震防潮的包装材料，在水面 作业时常用作漂浮材料。泡沫塑料按其发泡倍率的不同可分为低发泡、中发泡和高发泡泡沫塑料。一般来说， 低发泡泡沫塑料密度大于 0.4g/cm'中发泡泡沫塑料密度为 0.1

2、0.4 g/cm3;高发泡泡沫塑 料密度低于 0.1g/cm3。17.1 泡沫塑料的成型原理泡沫塑料的成型分为气发泡沫塑料和组合泡沫塑料两种。本章主要介绍气发泡沫塑料 的成型。气发泡沫塑料的形成是将气体溶解在液态聚合物中，或将聚合物加热到熔融状态并同 时产生气体形成饱和溶液，然后通过成核作用形成无数微小气泡核，泡核增长而制得泡沫 塑料。发泡用的发泡剂可预先溶解于聚合物中或与固态聚合物混匀，当温度升高或压力降 低时，就会发出气体而形成泡沫塑料。气发泡沫的形成大体分为 气泡的形成、气泡的增长和泡沫稳定 三个阶段。 把化学发泡剂加入熔融的聚合物，或在混有发泡剂的固态聚合物中通人蒸汽，就会因 化学反应

3、或加入的气体形成气一液溶液，当达到饱和状态时，就会形成气泡核，此过程称 为成核过程。为了在气体浓度较低情况下成核，往往在配方中加入成核剂 （又称形核剂 ），加 快泡沫塑料的形成速度和提高泡孔的细度。气泡形成后，随着溶解气体的增加，温度的升高，气体的受热膨胀和气泡之间的合并， 将促使气泡不断地增长。同时，通过成核剂的作用大大增加了气泡的数量，再加上气泡膨 胀使孔直径扩大，因此泡沫塑料将不断胀大。由于气泡的不断生成和增长，使得泡沫体系的体积和表面积增大，因此气壁的厚度会 不断减薄，使泡沫体系不稳定。通常采用加入表面活性剂以减少气体扩散的作用来促使泡 沫的稳定，也可通过提高聚合物熔体、对物料冷却或增

4、加聚合物交联作用来达到稳定的目 的。本章主要以聚苯乙烯树脂为例，介绍泡沫塑料的成型工艺及模具设计。17.2 聚苯乙烯泡沫塑料的成型工艺聚苯乙烯泡沫塑料成型方法主要有模压法、可发性珠粒法和挤出发泡法。模压法是采 用乳液法聚苯乙烯和热分解型发泡剂的方法制得泡沫塑料，是早期使用的方法，现在很少 使用。目前大量使用的方法是 可发性珠粒法和挤出发泡法 ，我国主要使用可发性珠粒法。17.2.1 可发性聚苯乙烯珠粒的制备在成型泡沫塑料之前，必须先将发泡剂与聚苯乙烯制成易于流动的珠状半透明的可发 性聚苯乙烯珠粒。（1）预发泡 预发泡有 间隙歇法和连续法 两种，目前多用连续法，其主要设备是连续蒸 汽预发泡机，如

5、图 16.1 所示。预发泡前，发泡剂 （通常为石油醚、正戊烷、异戊烷、季戊烷等 ）在聚苯乙烯合成时或聚 合后加入，含量约为 6 8。将含有发泡剂的珠粒状聚苯乙烯加入发泡机，利用蒸汽将 其加热到90-10C,使树脂软化，同时发泡剂汽化造成压力，促使珠粒膨胀 4080倍。(2) 熟化 预发泡后的颗粒在环境温度下自然冷却，贮存一段时间，具体时间可由实验 确定。泡孔内的发泡气体和水蒸汽凝成液态，珠内压力减小，形成局部真空状态，这时周 围的空气通过泡孔膜渗透入泡中，使气泡内的压力与环境压力达到平衡，这一过程称为熟 化。由于发泡剂与空气组合，进一步发泡时，预发泡颗粒将会产生更大的膨胀力。通常熟化处理在布袋

6、或大型网状料仓中进行，最适宜的熟化温度为2226°C下熟化824 h后就可放入模具中成型。一 般室温图16.1连续预发泡机示意图1搅拌电机；2搅拌轴；3机筒卡4 一搅拌桨叶'5固定桨叶；6-进料螺杆：7料斗；8温度计：9一出料口仃.2.2 聚苯乙烯泡沫塑料的成型工艺聚苯乙烯泡沫塑料在模具内通入蒸汽加热成型，故称为蒸汽加热成型法。按照加热方式与使用设备的不同，可分为蒸箱发泡成型和泡沫塑料成型机(一种专用液 压机)直接通蒸汽发泡成型 两种。(1) 蒸箱发泡 对于生产小型、薄壁和复杂的塑件，大多采用蒸箱发泡成型。将填满可 发性聚苯乙烯原料的模具合模后放进蒸箱通人蒸汽加热，蒸汽压力和

7、加热时间视塑件大小 和厚度而定。一般蒸汽压力控制在 0.050.25 MPa,加热时间为23 min，根据需要也可长 达10min以上。模内的预发泡颗粒受热软化和膨胀就互相熔结在一起，从蒸箱内取出模具，冷却脱模后即可得到泡沫塑料制件。(2) 泡沫塑料成型机发泡泡沫塑料成型机是国内普遍使用的聚苯乙烯泡沫塑料成型设备，该设备可分为包装成型机和板材成型机两种。厚度较大的泡沫塑料制件或大中型的泡 沫塑料制件常采用泡沫塑料成型机直接发泡成型。在模具上开有供通气用的0.10. 4mm直径的通气孔，在成型前先通入 0.10.2MPa的加热蒸汽，将模具预热0.5 min后，打开出气 口，用气送法将预发泡颗粒注

8、入模具型腔中，闭合出气口，在蒸汽室中通入0.10.2 MPa的蒸汽，使温度升至1100C左右，型腔内的预发泡颗粒就膨胀粘接为一体，关闭蒸汽阀门并保持12mi n,然后通冷却水，最后脱模。聚苯乙烯泡沫塑料成型模具泡沫塑料成型模具的结构比较简单。对于小型、薄壁和复杂的泡沫塑料制件或者小批 量生产的泡沫塑料制件，常采用蒸箱发泡的手工操作模具；对于大型厚壁或者大批量生产 的泡沫塑料制件，常采用带有蒸汽室的泡沫塑料成型机直接通蒸汽发泡模具。1723.1手工操作模具手工操作模具本身没有蒸汽室，而是将整个模具放在蒸箱中通蒸汽加热，成型后移出箱外冷却。图16.2所示是包装盖手动蒸箱发泡模，一次成型一件。合模时

9、，模套 1和下模 板3以圆周定位。为了开模方便，在模具的四周设有撬口 &上模板2、下模板3和模套1 上均设有直径为11.8mm的通气小孔，孔距为15-20mm。整副模具靠铰链螺栓6和蝶形螺 母5锁紧，铰链螺栓摆动要灵活，并要有足够的强度。图16*2削裝盖手动蕭箱发泡模1 一模倉:2上棋板；3下模板；4一通气孔;5蝶畛螺母扌報铸螺栓；7-tt; 8撬口图WJ 包叢盒机动发泡模X 11-密封环：2动模汽室板；3-掛销* 4料塞.5定模桂室板 6料套i 7. Sh 9 型芯；10-成型套匸12外套匚13回肯水管泡沫塑料成型机直接通蒸汽模具泡沫塑料成型机上的发泡模本身带有蒸汽室，其模具一般由两

10、部分组成。立式成型机 上设有上下模，上下模均设有蒸汽室。合模后，经预发泡的珠粒状聚苯乙烯由喷枪或用气 送法从进料口输送到模具型腔内，料满后关闭气阀，然后在动、定模汽室内通人一定蒸汽 压力的蒸汽，保持一定时间，接着再保温一段时间，然后在蒸汽室内通冷却水，冷却后脱 模取件。图16.3为包装盒机动发泡模，适合于在卧式泡沫塑料成型机上生产。为了保证模具的 良好密封，在动、定模板及分型面处设有密封环，在定模汽室板5、动模汽室板2和成型套10上均设有孔径8 mm的通气小孔，孔距为20mm。17.2.3.3模具设计应注意的问题(1)型腔壁厚应尽量均匀虽然泡沫塑料成型模具一般都并不复杂，但是，由于每一次生产循

11、环都会使模具受热受冷各一次，这样频繁的膨胀与收缩引起的热交变应力对模具的寿命会产生较大的影响，若 模具壁厚不均匀，则影响就会更大，因此，泡沫塑料成型模具要求壁厚尽量均匀，一般约10 mm左右。(2) 型腔应考虑脱模斜度一般型腔深度在100mm以内时，脱模斜度取1°1.5°；型腔深度100mm以上时，脱模斜度取2°3°。手工操作的模具一般用手工脱模，因此，脱模斜度应取上限。有蒸汽室的机动 泡沫塑料成型模具常采用在蒸汽室内通人压缩空气脱模的方法，受力比较均匀，故脱模斜度可取下限。另外，蒸汽室一定要考虑密封的问题，同时，为了使蒸汽室能均匀冷却，冷却水的通人与排

12、出应能保证 型腔均匀地得到冷却，且在蒸汽室中不应积水。(3) 模具材料发泡成型的工艺特点决定了泡沫塑料的成型模具必须具有良好的导热性和能够长期经受由热胀冷缩产生的交变应力，还要具有耐蚀性能。在中小批量生产中，一般采用铝合金铸件来制造模 具；在大批量生产中，可采用青铜等材料。为了保护模具型腔不受腐蚀以及脱模方便，通常型腔表面抛 光后应涂脱模剂，最常用的脱模剂是硅油。17.3 聚四氟乙烯塑料成型工艺与冷压成型模具聚四氟乙烯树脂的大分子链中，由于碳键的存在，增加了链的刚性。聚四氟乙烯是结 晶型聚合物，其晶区熔点很咼(327°C),加上分子量很大和分子链的密集堆积等，使得其在 高温下的熔融粘

13、度很高，甚至加热到分解温度 (4150C )时仍然不能变为粘流态。虽然聚四氟 乙烯是热塑性塑料，但不能用一般热塑性塑料的成型方法成型，只能用类似粉末冶金烧结 成型方法来成型，这种方法通常称为冷压烧结成型。成型时，先将， 定量的聚四氟乙烯放 人常温的模具型腔中， 在压力的作用下压成密实的型坯， 然后送至烧结炉 (亦称烘室 )内进行 烧结，冷却后成为塑料制件。成型冷压成型的过程包括聚四氟乙烯粒度的选择、加料及其控制、压制及其工艺参数的选 择压制过程中排气以及脱模等。(1) 粒度 冷压烧结成型大多采用通过悬浮法聚合的聚四氟乙烯粉料，如果成型薄壁塑 件，亦可选用分散法聚合的聚四氟乙烯。聚四氟乙烯树脂是

14、一种纤维状的粉末，在贮存或 运输过程中，由于受压和震动，容易结块成团，致使冷压时加料发生困难或者所压制成的 型坯密度不均匀，甚至出现开裂现象，所以在使用前必须将已结成块的树脂捣碎，并用 20 目的筛子过筛，过筛后的树脂粉料的颗粒直径一般为 20600m。(2) 加料 聚四氟乙烯冷压成型的设备是立式压机，模具的型腔固定在压机的下工作台 上，压头(也是模具塑件的成型部分 )固定在压机的上工作台上。压制时，需将符合要求的粉 料按塑料制件所需的量 (由试验确定 )均匀地加入到敞开的型腔内， 然后用刮刀刮平。 树脂的 加入量也可由模具结构的调试来确定，即在压机上把模具结构调试到模具型腔的原料加入 量正好是成型塑件所要加入的定量，则加料后只需要用刮刀将上平面刮平即町，这对定量 及加料的操作将会带来极大的方便。加料时应特别注意，一个型坯应一次加料完毕，否则 就有可能在各次加料的界面上产生分层或开裂。(3) 压制 加料完毕应立即进行压制，加压宜缓慢进行，防止冲击。预压型坏的成型压 力选择十分重要，它与树脂的粒度、