冰冻的泡沫 - 结合了起泡剂物理及化学优势的泡沫挤出方法

作者：Uwe Löffler    来源：Kunststoffe international

欢迎访问e展厅 展厅 3 泡沫机械展厅 XPS挤塑板设备, EPE发泡生产线, eps发泡机, 保温板生产线, 发泡设备, ... 这是一种新的结合了起泡剂物理及化学优势的泡沫挤出方法：被压入粒子的固体二氧化碳（干冰）起泡剂被加入挤塑机料斗。这种起泡方法，很容易通过改造得到，从而为泡沫挤出提供了很好的入门级解决方案。 塑料起泡加工的主要目的是节约材料、改善特定产品的性能。起泡产品可吸收冲击，防震、隔热，并且具有柔韧性。在泡沫挤出加工中，需要在塑料内加入起泡剂，使熔体在挤出模头内起泡。如果是化学发泡，起泡剂要以固体母料的形式，通过挤出机料斗加入。在加热过程中，起泡剂释放出CO2、N2或水气。不利的因素包括起泡剂成本相对较高，在产品中的残留较高。如果是物理性起泡，气体起泡剂通过泵或注塑头直接注射进熔体。这种方法的缺陷是计量复杂、挤出头加工长度大（38-42D），以便混合均匀、方便冷却。长的加工长度通过单螺杆挤出头和液体温度控制冷却区域、带冷却装置的慢速旋转挤出头串联系统，或带有静态混合元件的换热器的来实现。 新出现的干冰发泡工艺可以通过材料料斗添加物理发泡剂。该系统与德国Isny的motan-colortronic GmbH合作开发，用在了位于德国亚琛RWTH的塑料加工研究院（IKV, Institut fur Kunststoffverarbeitung）的挤出机上。 干冰作为物理性发泡剂 通过释放液体二氧化碳，就可以制造出干冰。以一定量的液体开始，其中的三分之二蒸发（CO2蒸发热： 573.02 kJ/kg）；由于蒸发放热，另外的三分之固化。 迄今为止，人们对于干冰为何可用作发泡剂知之甚少：在一个专利中，干冰与液态CO2一起混合，添加到熔体中。另一个专利描述了PS发泡薄膜用干冰浸渍。由于温度低，CO2在塑料中的溶解度上升。随后对薄膜进行加热，就开始产生泡沫。目前还没有针对通过料斗来计量干冰的研究 确定熔融过程对于了解干冰形成非常重要。很明显，塑料材料通过剪切熔融，热能加速了干冰的升华，由此产生了不可避免的损失。可通过比较传统的物理发泡挤出型材与具有同样密度的干冰发泡挤出型材来衡量损失水平。两种发泡剂量的差异就可以作为干冰量的损失。密度降低到一定程度的发泡剂量与料斗中已计量干冰相比的比率，可作为发泡剂产率。 干冰加工中另一个熔融问题是用干冰冷却塑料粒子，这会产生熔融的延迟。抵消这种影响的一个途径是预先加热塑料粒子。另一个降低材料冷却的方案是，在马上喂入料斗前，即混合干冰和塑料。干冰粒子由下行管道内的螺杆传送带喂入，它正好在挤出螺杆处结束，（图1）。在那里，粒子经过混合，喂入挤出机。一旦螺杆通道在料斗方向被熔体和梯度压力密封，发泡剂在熔体内优先溶解（图2）。因此，挤出机必须用沟槽式喂料区。 薄膜挤出中的干冰发泡 发泡试验用德国Remscheid的欧瑞康巴马格公司生产的60mm单螺杆挤出机（型号为6E4），加工长度为40D。最后的13D制成冷却延伸区，抵消熔体因发泡剂溶解而造成的粘度下降的影响。干冰发泡不需要这种冷却延伸区，因为发泡剂注入时间早，温度可以在挤出机中得到降低。这可以在后面一系列实验中得到证实。对于薄膜的发泡，使用了直径间距为50mm的液体加热环形模头。薄膜绕冷却芯棒拉伸（拉伸比为1 : 3）、剪切，再平直卷绕。为了调查方便，使用了位于荷兰斯塔德 - 赫伦的 Sabic沙特基础工业欧洲公司的LDPE 2102tx00材料。滑石作为成核剂用于来自德国Kerpen 地区A. Schulman 公司的母粒Polybatch FPE 50 T中，该材料含有LDPE和滑石，两者各占重量的50%。配方含有重量0.5%的母粒。 表1列出了参数的变化和实验条件。为加速熔融，塑料粒子预热至65℃。图3 显示了发泡板密度与干冰用量的关系。薄膜密度可通过增加干冰含量来降低，最多可降低40%。但干冰的重量占比超过30%时，密度又会升高。这是由于颗粒中混入高含量的干冰而造成强冷却所致。熔融被非常关键地延迟，这样干冰就会在熔体薄膜在料头方向形成密封前升华。图4 显示干冰产率、吞吐量变化和干冰含量重量占比为20%时的薄膜密度。当吞吐量为14kg/h时，密度约为700 kg/m3。如果吞吐量提高至23 kg/h，密度可以降低至220kg/m3。相当于实际发泡剂含量重量占比为0.9%，发泡剂产率约为3%。 结果突显了干冰剂量的高升华度。实验中干冰产率约为1-3%。 产率可通过降低干冰在加工单元内的驻留时间或通过提高吞吐量来提高。这使得工艺可以扩大到工业化规模。干冰发泡的结果可与那些物理发泡手段相媲美（图5）。泡沫结构可以根据要求设计，其加工条件与助剂类似于传统发泡方式。 重点关注其他塑料 在另一组实验系列中，测试了干冰在PP中的发泡。实验中，采用了来自奥地利维也纳北欧化工公司的PP WB140HMS。通过将塑料粒子预热至80℃，可以获得发泡过程，薄膜密度约为450 kg/m3 (图 6)。发泡剂产率略好于用PE做的实验。在进一步调查中，对其它类型的塑料进行了测试，以确定流变要求。 结论与前景 用干冰进行泡沫挤出加工的研究是可行的。使用干冰作为发泡剂的原因在于固体CO2比较容易计量、不含毒性。存在的挑战则是，如何通过调查干冰对熔融过程的影响，来优化发泡剂产率。通过进一步的工艺优化的和将规模扩大到量产水平，有望进一步降低密度。在干冰发泡向吹塑成型体系的转变过程中，生产出了发泡的LDPE瓶子。密度约降低了15%重量占比，显示了干冰发泡工艺多种应用的可能性（标题图片）。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/3/2015)