超临界二氧化碳聚苯乙烯挤出发泡工艺研究

超临界二氧化碳聚苯乙烯挤出发泡工艺研究彭运秋;袁建华;朱加茂【摘要】超临界二氧化碳(SCCO2)用于聚苯乙烯发泡制品的生产，具有安全性高、环保、成本低等突出优点,可以替代氟氯烃类化合物或低沸点烷烃类发泡剂,本文提出了一种利用超临界二氧化碳作为发泡剂的聚苯乙烯发泡制品挤出工艺设计方案，经试验运行，取得一定的效果.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷)，期】2011(024)006【总页数】2页(P71-72)【关键词】超临界二氧化碳;聚苯乙烯;挤出发泡;压力;温度【作者】彭运秋;袁建华;朱加茂【作者单位】杭州方圆塑料机械有限公司，浙江杭州311404;杭州方圆塑料机械有限公司，浙江杭州311404;杭州方圆塑料机械有限公司，浙江杭州311404【正文语种】中文【中图分类】TQ050引言聚苯乙烯发泡材料具有质轻、隔热、隔音、优良的缓冲性能和价格低廉等优点，广泛应用于减震包装、建筑保温等场合。而聚苯乙烯发泡制品的生产，大多采用氟氯烃类化合物或低沸点烷烃类发泡剂，这些发泡剂在使用过程中，存在严重的环境污染和安全隐患。超临界二氧化碳(SCC02)具有安全性高、环保、成本低等突出优点［1，2］，是氟氯烃类发泡剂最有潜力的替代物，本文提出了一种超临界二氧化碳聚苯乙烯挤出工艺设计方案，经试验运行，取得一定的效果。超临界二氧化碳特点液态二氧化碳为无色无味液化气体，不燃烧，常温下饱和蒸汽压为7Mpa以上，—般需储存于低温耐压容器中，CO2正常沸点-78.40°C,二氧化碳的临界点为31.1°C(7.38Mpa)，在超过该温度、压力值以上的区域范围内，就成为液态二氧化碳，即所谓的超临界二氧化碳，二氧化碳的气体、液体和超临界流体的性质比较见表1。超临界二氧化碳具有以下特点：表1二氧化碳的气体、液体和超临界流体的性质比较类型密度(kg・m)黏度(Pa・s)扩散系数(m2・s-1)气体110-510-5超临界流体200-70010-410-7液体100010-35*10-10密度与液体相近，比—般气体大两个数量级，且临界点附近温度和压力发生微小的变化时，其密度就会发生显著的变化。介电常数随着压力增大而增大，有利于溶解—些低挥发性物质，相应溶质的溶解度可提高5-10个数量级。(3)黏度比液体小1个数量级，近似于普通气体。扩散系数比液体大2个数量级，因而有较好的流动性、渗透性和传递性能。要想用超临界二氧化碳替代氟氯烃类聚作为苯乙烯发泡剂，必须解决好超临界二氧化碳注入等—系列问题。超临界二氧化碳聚苯乙烯挤出发泡工艺设计方案利用超临界二氧化碳作为发泡剂的XPS(XPS-Ex-pandedPolystyrene多孑L聚苯乙烯)挤出系统构成如图1所示。从系统结构图可以看出，热塑性树脂聚苯乙烯颗粒原料加入第一级挤出机135螺杆，通过加热形成熔融状态的热塑性树脂，在混合器中加入超临界二氧化碳，由此形成热塑性树脂和发泡剂构成的熔融热塑性树脂组合物，此时，通过注入装置匀速加入设定的二氧化碳量，此时，控制熔融状态热塑性树脂的压力在15MPa左右，在混合器中，经过连续混合，然后将熔融状态热塑性树脂混合物传送到第二级挤出机150螺杆，控制其温度为适合于发泡的最佳水平，模具前的压力和温度需要等于或高于二氧化碳临界压力和温度以使其中的二氧化碳保持在超临界状态，经模具出来后，便成为聚苯乙烯发泡板材，通过模具可以设置不同的厚度。超临界二氧化碳的注入系统设计XPS挤出系统中，超临界二氧化碳的注入控制是很关键的，发泡过程要求注入的发泡剂流量和压力都稳定，才能保持发泡正常，而二氧化碳是很不稳定的介质，容易气化，为了保证注入的二氧化碳发泡剂流量、压力稳定，在设计中要求：①泵入口的二氧化碳为液态（不能气化）；②入口的温度稳定，温度3~5工：③入口压力稳定，要求压力8~9.5MPa。在挤出发泡成型过程中超临界二氧化碳必须连续以恒定的温度和压力连续定量地注入到混合器中，同时对挤出设备的机筒温度、螺杆转速、机头温度、机头压力等工艺参数等进行控制，确保工作状态的稳定。为了能满足上述工艺要求,设计的二氧化碳注入装置如图2所示。从图中可以看出，二氧化碳气瓶内气体先经过净化器净化，然后进入冷凝器冷凝，形成稳定的二氧化碳液体。然后进入储罐，利用高压泵将储罐内的二氧化碳液体压入储罐。二级高压泵对罐中压力进行自动稳压调节。通过变频调速，控制输出的超临界二氧化碳流量保持稳定。超临界二氧化碳聚苯乙烯挤出发泡工艺优缺点分析超临界二氧化碳的传质系数高，可在较短的时间内达到平衡浓度，缩短了加工时间在室温下，饱和聚苯乙烯样品需要大约72小时的时间，采用超临界二氧化碳(80°C,25Mpa),饱和相同的样品仅需2~3小时，而且能够达到更高的饱和浓度。在相同温度下，使用超临界二氧化碳可达到更高的平衡浓度，因而可得到更高的泡孔密度和更小的泡孔直径。研究表明，超临界流体在聚合物中的平衡浓度随压力的升高而增大。5结束语使用超临界二氧化碳能更加容易地形成均相聚合物/气体溶液体系，但由于聚合物与气体之间的相互作用很弱，均相体系的保持只能是在高位能条件下，一旦这种条件无法维持，体系就处于热力学的不稳定状态下，就会自发地分相，此时体系内的气体需要通过降低自由能来达到稳定状态，因而在原均相体系中形成大量气泡核。目前能做到用超临界二氧化碳聚苯乙烯挤出发泡,可以生产厚度50mm以下板材，密度40kg/m3左右。厚度50mm以上的产品生产效果不好，产品收缩变形严重，另外密度重，生产成