微孔塑料擠出成型的分析

朱濤（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州215000）

微孔塑料擠出成型的分析

朱濤（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州215000）

微孔塑料是一種內(nèi)部具有微孔的新型泡沫塑料，微孔塑料由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性、抗沖擊性等性能被越來越多的人關(guān)注。本文就微孔塑料的擠出成型技術(shù)及微孔塑料的成型原理做了初步的研究分析。

微孔塑料；擠出；成型

在20世紀(jì)80年代左右，美國的Nam Suh博士發(fā)明了微孔發(fā)泡技術(shù)。發(fā)泡技術(shù)的應(yīng)用減輕了塑料的重量，避免了化學(xué)發(fā)泡劑的使用，使得泡孔孔徑可控，與傳統(tǒng)塑料相比在不犧牲其物理性能的前提下生產(chǎn)效率大幅度提升。微孔塑料的出現(xiàn)對全世界的塑料工業(yè)都產(chǎn)生了巨大的沖擊。

1 微孔塑料的擠出成型技術(shù)

1.1 聚合物的熔融

在微孔塑料的制作過程中應(yīng)該包括以下幾個過程：對于聚合物的加入、壓實(shí)、塑料完全融合。在整個過程中聚合物的加入直接影響著生產(chǎn)過程，如果生產(chǎn)的參數(shù)不符合，就直接導(dǎo)致生產(chǎn)的塑料變形。在現(xiàn)在市面上具有兩種擠出機(jī)：一種是平滑機(jī)筒的擠出機(jī)，另一種是溝面機(jī)筒擠出機(jī)。兩種機(jī)器在加料輸出時要滿足所添加的物料流動阻值一定要低。在整個加料過程中需要嚴(yán)格控制溫度，溫度必須要低于熔融的溫度，如果溫度高于熔融溫度，那么將直接導(dǎo)致后期的物料分解。正常情況下應(yīng)該將溫度控制在熔融溫度的十度以下。在輸送過程中一定要壓實(shí)塑化進(jìn)入的半熔體，假如沒有壓實(shí)將導(dǎo)致在輸送過程中出現(xiàn)物料的停滯，甚至?xí)霈F(xiàn)物料的提前分解現(xiàn)象。對于聚合物的塑化階段來說，要滿足其生產(chǎn)能力，需要在高壓條件下保持完全的熔融，在此過程中要避免因溫度的不當(dāng)而造成生產(chǎn)壓力的波動。

2 微孔塑料擠出成型中關(guān)鍵的步驟

2.1 氣體/聚合物均相體系構(gòu)成

微孔塑料擠出成型中最關(guān)鍵的一步就是形成氣體與聚合物形成的均相體系。氣體與聚合物之間的均相體系形成必須在短時間內(nèi)完成，可能需要的時間在幾分鐘到幾十秒不等。要想保證這個過程的順利進(jìn)行就要采取相應(yīng)的措施來加速氣體與聚合物之間的融合。在聚合物的成型過程中注入適量的可溶性氣體，形成兩者之間的均相體系。在螺桿的剪切下已經(jīng)形成的大氣泡會形成很多的小氣泡，直到整個融合過程結(jié)束再停止剪切。在均相體系構(gòu)建中必須采取以下幾種方式：一是利用具有高混合的螺桿剪切；二是增加靜態(tài)的混合器；三是增加超臨界的CO2流體注入到聚合的熔體之間，對泡孔的大小進(jìn)行嚴(yán)密的控制；四是利用對流技術(shù)擴(kuò)散。這四種方式的綜合使用能夠使微孔尺寸得以控制。在整個均相體系的構(gòu)建中為了進(jìn)一步促進(jìn)氣體與聚合物均相熔體的形成，在試驗(yàn)中要控制好高溫條件下氣體在聚合物中的溶解度，以及擴(kuò)散系數(shù)及體系的對流擴(kuò)散[2]等因素。

2.2 氣泡成核的研究

氣泡的成核是在微孔塑料擠出成型中又一關(guān)鍵步驟，傳統(tǒng)塑料構(gòu)成中目前存在四種理論成因，分別是分子架理論、熱點(diǎn)成核理論、機(jī)械攪拌理論和界面成核理論。然而在微孔塑料的擠出成型的研制中運(yùn)用最多的就是經(jīng)典的氣泡成核理論。經(jīng)典的氣泡成核理論最初是應(yīng)用于金屬材料的相變研究中。該理論認(rèn)為假設(shè)在亞太的臨界氣泡成核的過程是與熱力學(xué)的平衡是相等的，而微孔塑料的成核是在氣泡的成核中因氣泡過于的飽和而產(chǎn)生的氣體壓縮現(xiàn)象。將微孔塑料的成核類型分為均相成核與非均相成核。在對其關(guān)系的研究中得到了自由能壘和成核速率計(jì)算公式：

其中V是氣泡與聚合物溶體的張力比值；Pb是氣泡的內(nèi)部壓力；Pm是溶體內(nèi)的壓力；C0是氣體的分子濃度；f0指的是均相核的頻率因子；K是Boltzman常數(shù)；T是絕對的溫度。

對于均相成核而言，成核的活化能力是相同的，在成核中成核的因子會在整個的基體聚集中發(fā)生。但是對于非均相成核而言意味著非均相成核容易進(jìn)行。兩種成核的過程發(fā)生的并不意味著成核的速率得到了提高。在經(jīng)典的氣泡成核理論種聚合物的大分子鏈在相互作用下引起的氣體飽和自由能的轉(zhuǎn)變變化。因此無法對微孔塑料聚合中的某些現(xiàn)象進(jìn)行解釋，存在很大的局限性[3]。

2.3 氣泡的長大和定型

在微孔塑料的擠出成型中，在最后關(guān)鍵的一步就是氣泡的長大和定型。氣泡的長大主要取決于泡孔的大小、形狀以及泡孔的分布和開閉狀態(tài)。在氣泡的長大過程中CO2氣體很容易從表皮滲出，在現(xiàn)實(shí)生活中以CO2和N2氣體做氣體的泡發(fā)劑時，應(yīng)考慮其分子質(zhì)量的大小，要考慮其擴(kuò)散的速率與常規(guī)的氣體發(fā)泡劑之間的大小關(guān)系。當(dāng)塑料的機(jī)頭已經(jīng)擠出塑料后，就能將已經(jīng)擴(kuò)散的氣泡散發(fā)到空氣中，因此在熱力學(xué)上更趨向與兩者之間的分離。在研究氣泡的長大過程中，必須要研究氣泡長大的動力與內(nèi)在的阻力。在氣體聚合時氣體與熔體之間存在著質(zhì)量關(guān)系，這個過程中有動量以及熱量的復(fù)雜傳遞過程[4]。

為了得到符合設(shè)計(jì)的微孔氣泡，氣泡的定型控制很重要。在成核的基礎(chǔ)上有流體隨著成核的氣泡長大，成核后的氣泡在隨著流體長大的過程中，由于通過其氣泡的整合趨勢減小。同時在成型過程中產(chǎn)生的剪切側(cè)重于拉長過程中氣泡的合并，在進(jìn)一步加強(qiáng)氣泡的合并速度時，可以約束氣泡的無限長大，這樣就會使氣泡變得不穩(wěn)定，引起了氣泡的自行破裂。因此在微孔塑料的擠出成型中為了得到微孔的結(jié)構(gòu)，就要抑制氣泡的合并。

[1]牟文杰.動態(tài)條件對微孔塑料用超臨界CO_2發(fā)泡成核的影響[D].華南理工大學(xué),2003.

[2]陳昕.微孔塑料連續(xù)擠出加工工藝與成型口模的研究[D].南昌大學(xué),2013.

[3]余忠.微孔塑料連續(xù)擠出成型的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].南昌大學(xué),2011.

[4]唐少炎.微孔塑料成型技術(shù)[J].輕工機(jī)械,2006,02:20-25.