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辛集市益洁节能设备有限公司
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EPS泡塑成型理论
作者:辛集市益洁节能设备有限公司
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泡沫机械展厅
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泡沫塑料以塑料为基本组分,含有大量气泡,因此泡沫塑料也可以说是以气体为填料的复合塑料。

根据塑料的物理性质,泡体质地的软硬程度可把泡沫塑料分为三大类。聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料、环氧树脂泡沫塑料、部分聚氨酯泡沫塑料都属硬质泡沫塑料;而橡胶、弹性聚氨酯和部分聚烯烃的泡沫塑料则属于软质泡沫塑料。

可发性聚苯乙烯树脂(ExpandablepolyStyrene)是在聚苯乙烯珠粒中加入低沸点的液体发泡剂,在加温加压的条件下,渗透到聚苯乙烯珠粒中,使其溶胀,制成可发性聚苯乙烯树脂(珠粒)。

在受热的情况下,聚苯乙烯软化而低沸点烷烃挥发导致聚苯乙烯粒子膨胀,利用这一原理,将其经过预发、熟化、成型、烘干及切割等加工工艺制得可发性聚苯乙烯制品。

它既可用于制成不同密度、不同形状的泡沫塑料制品,又可以生产出各种厚度的泡沫塑料板材,广泛用于建筑、包装、日用品、工业品等领域。

一、成型过程

1、 泡沫的气泡核形成阶段:合成树脂加入化学发泡剂或气体,当加温或降压时,就会生出气体而形成泡沫,当气体在熔体或溶液中超过其饱和限度而形成过饱和溶液时,气体就会从熔体中逸出而形成气泡。在一定的温度和压力下,溶解度系数的减小将引起溶解的气体浓度降低,放出的过量气体形成气泡。

2、 泡沫的气泡核增长:在发泡过程中,泡孔增长速率是由泡孔内部压力的增长速率和泡孔率的变形能力决定的。在气泡形成之后,由于气泡内气体的压力与半径成反比,气泡越,内部的压力越高,并通过成核作用增加了气泡的数量,加上气泡的膨胀扩大了泡沫得增长。促进泡沫增长的因素主要是溶解气体的增加、温度的升高、气体的膨胀和气泡的和并。

3、 泡沫的稳定固化:当然,如果泡孔增长过程在某一阶段未被中断的话,一些泡孔可以增长到非常大,使形成泡孔壁的材料达到材料达到破裂极限,最后所有泡孔会相互串通,使整泡沫结构瘪塌,或会出现所有的气体从泡孔中缓慢地扩散到大气中的现象,泡沫中气体的压力逐渐地衰减,那么泡孔会渐渐地变小并消失。

因此,在泡沫形成中控制泡孔的增长率和稳事实上是重要的。这可以通过使聚合物母体发生突然国有化或使母体变形性逐渐的降低来完成。许多稳定泡沫的方法,可降低其表面张力,减少气体扩散作用,使泡沫稳定。比如,在发泡过程中,通过对物料的冷却或树脂的交联都能提高塑料液体的粘度,达到稳定泡沫的目的。

二、成型机理

1、气泡核的形成

所谓气泡核就是指原泡,也就是气体分子最初聚集的地方。塑料发泡过程的初始阶段是在塑料熔体或液体中形成大量的气泡核,然后使气泡核膨胀成发泡体。

在高聚物的分子结构中存在压力为零的自由空间,不同的高聚物具有不同大小的自由空间。有些高聚物具有较大的自由空间,可以容纳某些发泡剂的渗入。一般来说,要同时具备以上两个条件才能形成气泡核。

RN Hacoard等提供了分子架理论的依据。他们聚苯乙烯为对象,研究了其分子结构。从聚苯乙烯的可压缩性推断出其分子架中存在着自由空间,其内压为零。温度低于Tg时,自由空间约占13%。戊烷进入这些空间的最大量为6.5%~8.5%。

A Ringram和WrightHA去持上面的论点,他们用实验证明戊烷在PS中的饱和容量是8%~8.25%,这一数据与上面的推论很接近。见图1-5、1-6。

根据分子架理论,形成气泡核必须注意满足以下条件。

A、作为泡沫塑料基体的聚合物,其分子架中应用足够量的自由空间,以供聚集足够量的发泡剂,形成气泡核。

B、 发泡剂一般采用低沸点的有机液体,在一定条件下能 渗入聚合物分子架的自由空间中,并受到较大的作用力,使其不易挥发散发。另外,还要求发泡剂的沸点必须低于聚合物的软化点。因此,低沸点的有机液体虽然不少,但真正适宜做发泡剂的并不多。

C、聚集在聚合物分子架中的低沸点发泡剂,其分子在不停地进行扩散运动。因此,含有低沸点发泡剂的聚合物不应在大气中久放。

2、气泡的膨胀过程

气泡增长的近似计算式:

R(t)=kDCoTn

式中R(t)––随时间t变化的气泡半径;
T––时间;
D––气体的扩散系数;
Co–––气体的初始溶液;
K–––修正系数(与聚合物粘度和弹性有关)

3、气泡的稳定和固化过程

任何一气固或气液相共存的体系,多数是不稳定的。已经形成的气泡可以继续膨胀,也可能合并、塌陷或破裂,这些可能性的实现主要取决于气泡处的条件。

(1)固化办法

为了防止气泡破裂,一方面可以从提高熔体的粘弹性入手,使气泡壁有足够的强度,不易破裂。另一方面,控制膨胀速度,兼顾气泡壁应力松弛所需的时间。

(2)影响固化因素

热塑性泡沫塑料的固化主要是通过冷却来进行的,冷却也是影响固化速度主要因素。

为了使泡体的热量通过各种传热途径,散入周围的空气或冷却介质中。采用较多的是用空气或冷却介质直接或间接冷却泡体的表面。但是,由于泡体是热的不良导体,冷却时常常出现表层的泡体已被冷却固化定型,芯部的温度还很高的现象。这时如冷却定型不够,虽然皮层已固化定型,但是芯部的大量热量会继续外传,使皮层的温度回升,再加上芯部泡体的膨胀力,就可能使已定型,但是芯部的大量热量会继续外传,使皮层的温度回升,再加芯部泡体的膨胀力,就可能使已定型的泡体形状变形或破坏。因此,发泡制品的冷却固化需要有足够的冷却定型时间和冷却效率来保证。但冷却速度也不宜过快,特别是对收缩率较大的聚合物泡体。

泡沫塑料的品种很多,性能也多种多样,因为它含有大量气泡,因此具有以下三大共同的特性。

1、具有吸收冲击载荷的能力

泡沫塑料受到冲击载荷时,泡沫中的气体通过滞流和压缩,使外来作用的能量被消耗,散逸。泡体以较小的负加速度,逐步终止冲击载荷。

2、隔热性能好

泡沫塑料的导热系数比纯塑料低得多因为气体的热导率比塑料的热导率低近一个数量级。

泡沫塑料中气体相互隔离,因此,减少了气体中的对流传热,有助于提高泡沫塑料的隔热能力。

辐射热能透过泡体中的气体层传递,泡沫塑料对辐射热传递能力主要由塑料对红外线的吸收系数、泡孔大小、泡孔的形状和气体和容积率等因素决定。

泡沫塑料的传热能力应是以上两种传热结果(气体辐射和泡体热传导)的综合,它们与泡体密度之间的关系简化如图3所示。在泡体密度很低时,辐射传热量在总的传热过程中起了主要的作用。但在密度高的条件下,泡沫塑料的传热性能主要取决于泡体的热导率。

EPS泡沫具有很低的导热系数,国标规定值≤0.041w/m·k。

3、防火性能

(一)EPS的阻燃性能

EPS是一种有机碳氢化合物,以及含有残留石油气,所以一般的EPS制品是一种易燃物品,可以被火点燃,燃烧时发光,即使离开火焰仍然继续燃烧并有浓烟和熔融滴落。自燃和外部点燃的温度分别是490oC和296 oC。未加阻燃剂改善的普通EPS泡沫归类为“易燃类”,遇火即燃烧,而且火焰迅速蔓延到整个表面。

EPS 制品应用于建筑、造船、冷冻车辆等领域时,必须提出一定的阻燃要求。为此,世界各国都生产一种经特别配方和工艺而制成的阻燃型EPS原料,这些阻燃型EPS原料,由于加入有机卤化物等阻燃剂,因而大大地改变了其燃烧性能,扩大了EPS的使用范围。

(二)阻燃性能指标

(1)按轻工业部部颁标准SG-232-81。自熄性测定方法如下:

把试样置于与水平面成45°的位置上,用蜡烛火焰燃烧5秒种,然后将火源移开,同时用秒表测量移开火焰后试样继续燃烧的时间,在两秒种内熄灭为合格,如图4所示。

按日本工业标准(JISA9511-1984),其要求在三秒种内熄灭者为合格。试验的方法类似。

(2)“氧指数”(OI)法评估EPS的阻燃性能。

众所周知,一般空气中氧气约占21%,其他大部分是氮气。如果某物质需要在25%的含氧的气体中方能燃烧,则称其氧指数为25。显然。某物的氧指数高,则表明其阻燃性能好。氧指数,就是指在规定的试验条件下,在室温下,材料在O2、N2混合气体中刚好维持燃烧时的最小氧浓度,以体积的百分率表示。

还需指出,生产阻燃型的EPS需添加各种阻燃剂,一般是卤族有机物。这些阻燃剂加入过多,可能影响其老化性能。特别是在日光容易产生风化和疏松现象。各国的氧指数一般均要求大于26~35。如日本的标准)(JIS)是大于27,英国标准(B·S)是大于33,中国标准(GB)则是大于30。

为了获得一定等级的阻燃性能,必须给予一定的储存时间让残留的发泡剂从泡沫体中扩散出去。

EPS预发程序

1. 预热

打开清扫门清除筒内杂物,检查活动搅拌杆是否坚固,然后关上清扫门。关闭操纵面板上三个阀门,关闭进料闸门。启动搅拌及进料电机,搅拌杆及进料螺杆空运转,此时打开蒸汽阀门,使发泡筒内温度升至70~75 C,并保持3~5分钟。

2. 预发

预发分一次预发与二次预发。一次预发时,将8kg左右原料装入料斗,待预热完毕,即可打开进料口闸门,使原料全部进入预发机内,关闭进料闸门(此时可再次将原料加满),机内原料逐渐预发,直到溢出口源源流出预发珠粒时,打开原料进口,使其连续进料,同时溢出口连续流出预发珠粒。此时需要调节阀门,增大温度,以取得最佳温度。

注意:切不可开始就连续进料,否则因机内珠粒的密度偏差严重而使搅拌电机的负荷增大,造成停机或其他严重后果。

二次预发是将一次预发经熟化后的珠粒6~7kg装入二次进料斗内,打开进料闸门,进行二次预发,同时让一次预发装置转动起来,以避免珠粒进入一次预发装置并预发,使一次预发装置堵塞。直到溢出口源源流出珠粒后,再打开进料闸门连续进料。根据工作情况,每隔一段时间应测定一次珠粒密度。

3. 密度的调节

机器操作盘上装有蒸汽调节阀以控制进入预发机的蒸汽量,由蒸汽压力表指示其值,一般控制在0.15~0.2MPa左右。操作盘上还装有温度调节阀,通过控制吹入的空气量多少来调节进气的温度。此时可以通过盘上温度表的指示值及测定的预发珠粒密度为依据,对机内温度仔细调整,在调整过程中机器内部的温度需要30s左右稳定下来,密度则需3~5min才稳定下来。

调整密度可以从调整温度、进料速度和珠粒溢出口高低来实现。但在一次预发时以调节温度为主,二次预发时以调节进料量为主,由于原料的质量不同而略有差异。对仅为一次预发或仅为二次预发的机器,其使用和调节过程亦是如此。 (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (12/11/2007)
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