PVC发泡改性工艺详解

作者:   发布时间:2020/7/17 16:38:21   浏览次数:4687

PVC发泡制品种类繁多，主要包括硬质发泡材料和软质发泡材料(如鞋底材料、人造革等)两大类。

微孔塑料是一种泡孔直径在1~10μm、泡孔密度1×109~1×1012/cm3个的新型泡沫材料。与未发泡的塑料相比，微孔塑料的密度可降低5%~95% 。pvc经过微孔发泡后，不仅能降低密度、节约成本，而且还有许多优异的物理和力学性能，如质轻、冲击强度高、韧性高、隔热隔音性能好、电导率和热导率低、美观、耐酸抗碱、防潮防腐、难燃防火、尺寸稳定、成型简单、表面可着色印刷或覆膜、加工容易、良好的耐候性(可户外使用)等优越的性能。

硬质PVC低发泡异型材是国外20世纪70年代初发展起来的，其中硬质PVC发泡异型材是以塑代木的理想材料，易于采用机械方法加工，与木材相似，可采用所有的木工加工方法(如钉、钻、刨、铆、粘)，并可焊接，目前已越来越受到人们的重视。

硬质PVC微发泡材料的应用范围很广，包括发泡板(如发泡踏脚板、发泡壁带、墙壁和棚顶镶板、屋顶彩瓦等)、发泡管材(如电缆线护管、公路铁路的排水管、建筑下水管、农用灌溉管、工业防护管等)、发泡异型材(如窗帘轨、滚动百叶窗框型材、门窗异型材、阳台嵌板型材、室内外地板等)等。

PVC微孔塑料的成型方法如下：

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间歇成型法

PVC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。

 ①在室温和等静压条件(一般为5~7MPa)下，将聚合物试件浸泡在CO2或N2等惰性气体中，经过一段时间(一般在24h以上)后形成过饱和状态。

 ②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。

具体做法是将聚合物试件从压力容器中取出以后，立即放在热甘油浴池中加热(温度控制在玻璃化温度Tg附近)，控制加热温度和加热时间，制品经液态N2冷却后，就可以得到所需的微孔塑料，泡孔密度达1×1013~1×1015个/c m3、相对密度为0.15~0.94的微孔塑料。

间歇生产过程中泡孔结构(包括形状、大小和均一性)的影响因素有:溶解的气体量、饱和压力、饱和温度、饱和时间以及发泡温度和发泡时间等。就PVC而言，间歇法相关工艺参数通常如下:饱和压力5.51MPa,饱和温度25℃、饱和时间48h、发泡温度70~130℃、发泡时间1~30s、发泡剂CO2。

 从间歇法的成型过程可以看出其主要优点有:①成核速率高，由于是在固态下溶人气体得到聚合物/气体均相体系，再从高压容器移到低压环境中因此能在瞬间就产生极大的过饱和度，所以成核速率非常高，这是其它方法所不可比拟的;②泡孔易于控制，由于在玻璃化温度附近聚合物的黏度高于熔体状态，气泡长大很慢，故可以通过控制加热时间很方便地控制泡孔的尺寸和大小。

间歇法为微孔塑料发泡成型的理论研究提供了一种有用的方法。但是间歇法最大的缺点是生产周期长、产量低，限制了微孔塑料的工业化生产。

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连续挤出成型法

微孔塑料连续挤出成型的整个工艺过程包括3个阶段:聚合物/气体均相体系的形成、成核、泡孔长大和定型。聚合物粒料或粉料从料斗口进人塑料挤出机，CO2或N2从塑料挤出机熔融段中部注入到聚合物熔体中，形成较大的初始气泡，经过螺杆的高速混合、剪切后，初始气泡拉伸破裂成很多小的气泡，加快了气体扩散进入聚合物熔体的速度。要实现微孔塑料的连续挤出生产，必须要考虑以下3个设计参数：聚合物塑化装置、高气体扩散的装置、迅速引发热力学不稳定的方法。

微孔塑料连续挤出生产的关键步骤之一是以工业化生产速率形成聚合物/气体均相体系。因此，聚合物/气体均相体系的形成必须在数分钟甚至几十秒内完成。这就需要采取一些特殊措施来加速聚合物/气体均相体系的形成。为了达到这一目的，常用的方式是采用一些具有高混合、高剪切作用的螺杆如销钉螺杆或者增加静态混合器，在螺杆上不规则的混炼元件及静态混合器的作用下促进进一步的混合。

为了比较，采用了两种螺杆设计方案:①常规设计，在超临界气体注入口前螺杆为标准的均化段，SCF注入口后为切口螺纹段;②新型设计，在SCF注入口处，螺杆为具有混合和自清理作用的啮合型，并且SCF注入口前后都有混合段。对这两种螺杆加工成的试样进行电镜扫描，用常规设计的螺杆发泡得到的试样泡孔结构很差，且有许多裂缝，表明凝胶和混合不够，而用新设计的螺杆，同样的PVC配方得到的泡孔结构得到明显改善。

硬质PVC微孔发泡材料一般有三种挤出发泡工艺。

① 自由发泡(free-foarning)

自由发泡是熔体一离开口模就不受限制地自由膨胀，经过一小段时间后，再进入尺寸更大的定型装置。自由发泡使挤出物的截面上全部形成泡孔，通过冷却使表面泡孔的增长受到一定限制，最后形成连续密度的、表面硬质适中、平滑的制品。这种方法的优点是工艺简单，适合于生产厚度为2~6mm、几何形状简单、表面无光泽的制品(如管材、片材和几何形状简单的型材等)。           

②内部发泡法(inward-foaming)、结皮发泡法或称塞卢卡法(Celuka法)

采用一个特殊、内有型芯的口模，使塑化的物料分流，定型装置与口模相连，其外轮廓与口模相同。当物料被送人口模前的定型套中时，含有发泡剂的熔体一离开口膜就进入冷却定型套中，在整个表面上经历快速的冷却，从而阻止表层泡孔的形成和挤出物截面上的任何胀大，从而在表面冷却形成皮层。同时，口模内的型芯使其在半成品中产生的空腔被其余熔体形成的泡沫物所填充，即在内部发泡。通过控制冷却强度，可获得表层厚度在0.1~10mm，制品壁厚大于6rnm的制品。该法可生产具有复杂断面形状的异型材，制品具有表面光滑硬度高、芯部区域密度低的特点。另外，将该方法与方法①相结合，可得到一面结皮、而另一侧为自由状态的产品。

③共挤出法(coextrusion)

通过一个组合机头，采用两台挤出机分别挤出不发泡的表层和发泡的芯层，可根据需要调整两层塑料的品种或配方，使制品达到标准所要求的密度和尺寸。国内生产的芯层发泡管大部分就是采用这种工艺生产的。       

以上三种加工方法虽然在配方组成、机头结构、加工工艺等方面各有特点，但如何在挤出过程中控制熔体的发泡行为和获得满意的泡孔结构则是挤出过程中共同的核心问题。

溶解在熔体中的气体最终的成泡过程实际上是在熔体脱离机头口模后“突然”发生的。熔体脱离口模后，由于环境压力突降和温度的变化，使溶入其中的气体处于过饱和状态，气液两相分离，在成核点上形成大量的微泡孔。微泡孔不断吸收由周围熔体析出的气体而胀大，最终因熔体冷却而定型。气泡生长的大小取决于分解气体的饱和蒸气压和熔体本身的延展性及强度。一方面，在气体压力的作用下泡孔不断长大;另一方面，熔体强度和延展性的优劣将限制气泡的生长，并决定是否发生破泡或并泡。一旦气体向外的膨胀力与熔体因冷却而增大的黏弹力达到平衡，则应立即冷却定型，保持泡孔结构，防止塌泡发生。在实际挤出发泡加工中，影响发泡制品质量的关键因素是控制气泡的生成和增长，使之形成细小均匀而又相互独立的泡孔结构。    

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电磁动态挤出成型法

在整个塑化挤出过程中，对聚合物材料施加可控的振动力场不仅明显降低了熔体的钻度和加工温度，而且强化了塑料的混合混炼，挤出制品质量显著提高。将振动力场引入到微孔发泡过程为PVC微孔塑料连续挤出成型提供了新的思路，必将对其成型过程产生影响。

首先，电磁动态挤出成型的塑化混炼效果明显高于传统的挤出方法。这对于PVC微孔塑料的连续挤出成型是非常有利的，因为发泡PVC的配方是一种复杂的混合物，包括热稳定剂、润滑剂、加工助剂、颜料和填料，此外还有用来产生泡孔结构的发泡剂或者超临界气体等，振动有利于各组分之间迅速混合均匀。其次，振动力场的引入可以使各处熔体受到的剪切变得均匀，聚合物分子链在轴向振动和转动的作用下，分子链间的空穴均匀化，有利于形成均匀致密的气泡核，产生大量均匀细密的泡孔。在自制的动态发泡模拟机上初步实验证明，引入振动后，泡孔直径可达到20μm左右，泡孔密度可以达到3.78 ×107个/cm3,密度可以达到0.57g/cm3，比未发泡之前下降46%。

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本文转摘于PVC聚氯乙烯产业链