微孔泡沫塑料成型技术(综述)

1、 微孔泡沫塑料成型技术（综述）微孔泡沫塑料成型技术（综述）演讲人：演讲人：一、微孔泡沫塑料概述一、微孔泡沫塑料概述n微孔泡沫塑料的定义及概念的提出 泡沫塑料是以塑料为主要组分，以气体为填料的复合材料。 而目前正着力研究的微孔发泡塑料(microcellular foam，简称MCF)是指一种泡孔直径在0.1-10m，泡孔密度在109一1015个/cm3左右的新型泡沫材料。 目前还有人提出了超细微孔塑料和极细微孔塑料的概念。微孔发泡塑料最先由Martiai等在1981年研制出设计思想当泡沫塑料中泡孔的尺寸小于泡孔内当泡沫塑料中泡孔的尺寸小于泡孔内部材料的裂纹时部材料的裂纹时, 泡孔的存在将不会降

2、泡孔的存在将不会降低材料的机械性能低材料的机械性能微孔的存在将使材料原来存在的裂纹微孔的存在将使材料原来存在的裂纹尖端钝化尖端钝化, 有利于阻止裂纹在应力作用有利于阻止裂纹在应力作用下的扩展下的扩展, 从而使材料的性能得到提高。从而使材料的性能得到提高。微孔泡沫塑料的微孔泡沫塑料的SEM图片图片微孔塑料发展史微孔塑料发展史微孔塑料最早源于Eastman Kodak公司提出的一个论题即如何在保证制品的物理力学性能和外观不变差的基础上,通过减少生产原料的使用量来降低生产成本。1981年J.E.Martini最先研制成功微孔泡沫塑料Martini认为由于微孔泡沫塑料的泡孔极小且分布均匀,使聚合物中的

3、微隙圆孔化,泡孔实际起到了一种类似橡胶颗粒增韧的作用,这些微小的泡孔通过钝化裂纹尖端,增加传播裂纹所需要的能量来阻止裂纹的扩展。此后J.S Colton等进行了多方面的改进在此设想的基础上，Martini、Waldman和Suh等研制出采用气体过饱和法制备微孔聚合物的基本工艺方法，并取得了相关材料的专利权。1982年Castor提出热致相分离法，Waldman提出连续挤出微孔泡沫塑料的概念1985年J. H . Aubert 和 R. L. Clough提出了一种相分离法生产低密度 PS 微孔塑料。 1993年，Dxion等人用超临界流体沉析方法成功地制备了聚苯乙烯微孔塑料。1995年Texe

4、l公司取得了麻省理工学院关于微孔塑料的独家专利,开始了工业化规模生产,并推出了MuCellTM发泡技术,开辟了微孔塑料生产的新途径。 目前，发达国家的高度重视, 许多著名公司如美国Trexel公司、加拿大的Engel公司等都已致力于微孔发泡技术的实际应用开发及商业化推广。微孔塑料的性能和应用微孔塑料的性能和应用 由于微孔泡沫塑料所具有的独特的泡孔结构，使微孔泡沫塑料呈现出许多优良的特性。冲冲击击强度强度高高韧韧性性好好比比刚刚度度大大高的疲高的疲劳寿劳寿命命介介电电常常数数低低热稳热稳定性高定性高所用发泡剂环保所用发泡剂环保热传导热传导系系数数低低质轻质轻优良性能 与一般的泡沫塑料制品相比 冲

5、击强度可以提高5一7倍 断裂韧度提高5倍 疲劳寿命提高4 17倍 抗裂纹扩展性提高2倍 比强度提高3一5倍 比刚度提高3一5倍 应用应用高压电绝缘层汽车飞机生物医学材料食品包装 近年来,微孔塑料还被用作建筑材料、家电产品零部件、信息工程用品及运动器材等。二、微孔塑料的成型原理二、微孔塑料的成型原理 微孔泡沫塑料的成型过程和一般泡沫塑料一样也要经过三个阶段气泡核的形成气泡核的膨胀泡体的固化定型 下面对几种常用的气泡成核机理进行下面对几种常用的气泡成核机理进行阐述：阐述： （1）利用高聚物分子中的自由空间为成核点 高聚物是由许多大分子链堆砌而成,前人已用实验证明其中存在“自由体积”(或称自由空间)

6、。 由于高聚物分子中存在的这种自由空间,物理发泡剂(气态或液态)在一定的工艺条件下能渗入这些自由体积,进而膨胀成气泡核。分子架成核理论即出于此机理。利用塑料熔体中的低势能点为发泡成核点 热点成核理论已由前人经过较全面的论证指出,当塑料熔体中同时出现大量过饱和气体和大量热点时就能形成大量气泡核。 从微观上分析,温度升高使高聚物分子的动能增加,势能下降形成低势能点,使不稳定的过饱和气体容易由此析出。目前采用加成核剂提高成核率,也是因为在成核剂与聚合物熔体间能形成势能较低的界面,以充当成核点的结果。气液相混合直接形成气泡核 此类成核过程一般都是通过剧烈搅拌使气体与聚合物液体直接混合形成泡体。目前还未

7、见到有研制成功的报道。三、微孔塑料的制备方法三、微孔塑料的制备方法n相分离法 这是较早出现的一种制备开孔结构微孔泡沫塑料的方法聚合物溶于溶剂溶剂体系呈均相升高温度迅速降温体系分离得到具有微孔结构的聚合物升华干燥或临界萃取溶剂与聚合物分离微孔泡沫材料n单体聚合法 单体聚合法是利用微乳液的热力学稳定性和有序的微结构,将聚合单体分散在微乳液中进行聚合得到微孔泡沫材料。n超临界流体法 处于临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上的流体称为超临界流体。 超临界流体没有明显的气液分界面,它既非气态又非液态,是一种气液不分的状态,但其兼具二者的优点,既像气体一样容易扩散,又像液体一样有很强的溶解能力,而且其粘

8、度、溶解能力等与密度相关的性能都可通过调节压力来控制。 超临界流体沉析法是以超临界流体作为反溶剂,将聚合物溶液通过毛细管喷入超临界流体中,使聚合物干燥和玻璃化,经高速扩散和强烈雾化使体系产生相分离而形成带有微孔的颗粒。n超饱和气体法 基本原理是:将聚合物在高压(630MPa)下被惰性气体所饱和,形成聚合物/气体均相体系,再通过控制温度和压力来降低气体在聚合物中的溶解度,产生过饱和态,然后使聚合物发泡。 根据方式不同，又分为间歇法和连续法。 在微孔塑料的研究中, 最早采用的是间歇法, 又称两步法, 其主要加工步骤分为两步。 第一步是在室温和等静压条件(一般为5MPa 7MPa) 下,将聚合物试件

9、浸泡在CO2或 N2等惰性气体中, 经过一段时间( 一般在 24 小时以上) 后形成过饱和状态。 第二步是将聚合物试件从等静压容器中取出, 快速降低压力或提高温度, 使 CO2或 N2等惰性气体在聚合物中的溶解度迅速降低, 从而在含有饱和气体的聚合物中诱导出极大的热动力学不稳定性, 激发气泡的成核和长大。连续挤出成型法连续挤出成型法微孔塑料连续挤出成型法的加工示意图如下图。几种方法优缺点比较几种方法优缺点比较加工方法加工方法优点优点缺点缺点相分离法孔径调节范围宽,孔径较均匀泡孔易塌陷，要求聚合物的分子量分布范围窄, 对溶剂要求高, 不适合大批量生产。单体聚合法微孔结构容易被破坏。超临界流体法成

10、核速率及微孔尺寸容易控制。只能用于制备微孔颗粒,无法制备微孔泡沫塑料制件。间歇法成核速率高，泡孔易于控制，可以方便地制备结构微孔塑料。生产周期长、产量低, 限制了微孔塑料的商业应用。连续法连续挤出系统结构简单，广泛使用。长径比大的快速降压口模限制了产量和挤出流率的提高。四、微孔泡沫塑料成型难点及方向四、微孔泡沫塑料成型难点及方向 (1)如何提高微孔泡沫塑料制品的表面质量是当前急需解决的难题。 (2)如何用微孔塑料挤出成型生产厚的产品如管材、棒材等还有待进一步研究。 (3)影响泡孔长大的因素很多,怎么控制。 (4)本构关系、断裂、疲劳和蠕变等力学行为的模拟 (5)为了建立更为合理的微孔泡沫塑料的

11、力学模型,必须对这类材料进行更多的宏观、微观力学实验,正确认识这类材料的形变和失效规律。 （6）建立相关数学模型，扩大微孔发泡技术的应用领域，提高生产效率，加紧实现工业化;五、新进展五、新进展n 微孔复合材料 以前的微孔塑料往往为单一品种树脂制造以前的微孔塑料往往为单一品种树脂制造,这样的微孔塑料性能上往往不能满足工程上的这样的微孔塑料性能上往往不能满足工程上的应用应用,因此仿照普通复合材料的原理因此仿照普通复合材料的原理,出现了两出现了两种树脂或多种树脂混合发泡塑料种树脂或多种树脂混合发泡塑料,制得的微孔制得的微孔塑料能结合各个组分性能上的优点塑料能结合各个组分性能上的优点,达到取长达到取长

12、补短的效果补短的效果,以满足工程上耐高温、高强度、以满足工程上耐高温、高强度、高抗冲击等需要。高抗冲击等需要。n 微孔生物医学材料 发泡材料因其多孔渗水和透气性而在生物医学工发泡材料因其多孔渗水和透气性而在生物医学工程中的应用非常广泛。程中的应用非常广泛。 而微孔发泡材料因其更加微小的泡孔尺寸而微孔发泡材料因其更加微小的泡孔尺寸,使其更使其更加适用于生物细胞加适用于生物细胞(如造骨细胞如造骨细胞)的成活和生长的成活和生长,达到生达到生物分子级的相容。物分子级的相容。 如果材料是可降解生物材料如果材料是可降解生物材料,制成的微孔发泡材料制成的微孔发泡材料也可以用来包覆药物也可以用来包覆药物,使药

13、物在体内的分布和释放更加使药物在体内的分布和释放更加均匀均匀;还可以制成可降解的医学材料还可以制成可降解的医学材料,不仅无毒不仅无毒,而且多孔而且多孔透气透气,使其应用在人体上比起传统的生物医学材料更加使其应用在人体上比起传统的生物医学材料更加舒适和安全。舒适和安全。n微孔橡胶材料 传统的橡胶发泡材料使用的发泡剂为化学发泡剂,化学发泡剂发泡虽然在工艺上比较容易实现,发泡效果也比较好,但其缺点也很明显,主要是分解后的残留物全部留在聚合物体系之中,且分解的气体中常混有有毒气体,气味也难闻。 另外,橡胶发泡材料因其强度、刚度较差,不常用于工程领域,而常用于体育器材、汽车和生物医学中,因以上缺点使其应用受到限制。超临界流体的出现使这一问题得以解决。n 其它 微孔塑料除了以