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一样的“泡沫”,不一样的泡沫产品!

2019-02-20

泡沫的制备

顾名思义,泡沫制品主要通过两种发泡方法得到,即化学发泡法和物理发泡法,本质都是产生气泡,使原料进行发泡

化学发泡,是指利用化学方法产生气体来使塑料发泡,对加入塑料中的化学发泡剂进行加热使之分解,释放出气体而发泡;此外也可以利用各塑料组分之间发生化学反应,释放出气体来发泡。化学发泡是目前工业生产中最为常用的方法之一。

物理发泡,简单地讲,就是利用物理方法来使塑料发泡,一般有三种:

(1)通过加压先将惰性气体溶于塑料熔体或糊状物中,再经过减压,释放出气体,从而在塑料中形成气孔而发泡;

(2)将低沸点液体溶入聚合物熔体中,通过加热使之汽化而发泡;

(3)在塑料中添加空心球,形成发泡体而发泡。

 一表看懂化学发泡和物理发泡的奥秘

左图为化学发泡产品,右图为物理发泡产品:

 

超临界流体发泡的发展历程

相对于传统的化学发泡(受限于化学发泡剂发泡温度的限制,发泡过程有化学污染)和物理发泡(氟氯碳化物已被欧美禁止使用,丁烷易燃易爆),超临界流体发泡技术过程绿色无任何化学残留,且可以制备微孔材料

严格来说,超临界流体发泡技术也是一种物理发泡,但跟传统的物理发泡有很大区别,姑且可以称为“高级物理发泡技术”。该技术是1980年由美国麻省理工学院的N.P. SUL教授提出并实现,虽然只发展了三十多年,依旧是一个新兴的技术,但已经显示出独特的优越性,未来市场前景非常广阔。

超临界流体发泡的定义

超临界流体一般是指温度和压力同时高于其临界值的流体,即压缩到具有接近液体密度的气体。

当物质处于超临界流体状态时,将同时具有类似于液体和气体的性质,既具有接近于液体的密度及相关性质(溶剂化能力),又具有接近于气体的粘度、扩散系数和表面张力等性质。最主要是,鉴于超临界流体的性质,可以通过简单改变其温度和压力调节发泡的倍率、孔径的大小、反应的时间和反应速率等,即超临界流的性质具有可调性,这也是超临界流体异于液体和气体的独特性质。

介于此我们还可把产品分类为微孔泡沫(泡孔尺寸<100 μm)、介孔泡沫(尺寸在100-500μm之间)和大孔泡沫(500μm以上)。

超临界流体发泡的优缺点

超临界流体发泡过程

 

超临界流体发泡过程一般包括以下四个步骤:

(1) 在一定温度和压力下,气体在超临界状态下向聚合物溶解扩散,形成聚合物/超临界流体均相体系;

(2) 通过快速升温或卸压,使聚合物/超临界流体均相体系转变成不稳定状态,气体在向基体外扩散过程中诱导成核;

(3)泡孔生长,在聚合物基体中由于扩散气体的内压力,使得泡孔不断生长,泡孔壁逐渐变薄;

(4) 气泡稳定,当聚合物基体中的气体压力与外压相同时,泡孔受力平衡,失去了驱动力,此时将停止生长。

挤出发泡流程图

 

混合物料→挤出机预加压(0.2MPa)→调控工艺加入物料→加压(15MPa)→挤出成型→定型处理→最终产品
 
其中物料一般为聚合物,如据烯烃,市场上多为纯料,但也有加入添加剂的物料。以下是主要的工艺流程图。

实际应用例子分析

超临界流体发泡的未来

 

传统发泡技术与超临界流体技术的联合应用,无论是在实验室还是在工业应用中都有很大的发展空间,但也存在一些问题:

(1)微孔发泡塑料连续挤出成型中,气泡核的形成需要大的压力降(指的是两个同压力面的压力值之差,反映了压力在一段管路的变化情况)及压力降速率。这就要求发泡过程中,必须保持机筒内的压力在一段时间内处于较高的数值,但高压使熔融的聚合物的结晶速率提高,片晶厚度增加,促进聚合物结晶,从而影响泡孔成核。

(2)将聚合物与纳米粒子共混制备微孔纳米复合材料的过程中,一般使用的混合物料会加入CaCO3或SiO2纳米粒子。由于纳米粒子的存在,必定会同时引发均相成核和异相成核,而异相成核是把双刃剑,会对产物的质量造成了影响。选择适当的纳米粒子及含量,使泡孔在两种成核作用下保持尺寸均一,泡孔密度均匀,也是目前亟待解决的问题。
 
(3)聚合物的结构同样也会影响微孔发泡的过程,聚合物的支链程度,交联度及聚合物熔体的黏度都会影响微孔发泡过程。
 
对于不同的聚合物,其发泡行为会有所不同,因此选择适当的聚合物也是微孔发泡成功的关键。与此同时,近些年市场上对超临界流体泡沫需求量也是呈现日益增长的趋势:

全球微孔泡沫市场需求(Kt/year)

超临界流体发泡是门新技术,未来要走的路还很远。

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