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第二届建筑表皮设计与应用国际大会(DAF)

第十七届亚洲建筑表皮设计与材料展览会

同期举办:第十九届上海国际保温材料与节能技术展览会

2021亚洲金属建筑设计与产业博览会

2021年12月22-24日      上海新国际博览中心

同期举办:

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从合成到应用:泡沫塑料全面介绍

  泡沫塑料也叫多孔塑料,英文名称:foamedplastics;是由大量气体微孔分散于固体塑料中而形成的一类高分子材料。

  泡沫塑料具有质轻、隔热、吸音、减震等特性,且介电性能优于基体树脂,用途很广。几乎各种塑料均可作成泡沫塑料,发泡成型已成为塑料加工中一个重要领域。


图1 发泡塑料制品

 

  一、泡沫塑料如何制得的?

  泡沫塑料是由大量气体微孔分散于固体塑料中而形成的一类高分子材料,具有质轻、隔热、吸音、耐腐蚀、减震等特性,且介电性能优于基体树脂。泡沫塑料与纯塑料相比,具有密度低、质轻、比强度高(其强度随密度增加而增大)以及吸收冲击载荷的能力,而且具有优良的缓冲减震、隔音吸音性能,热导率低,隔热性能好,还具优良的电绝缘、耐腐蚀、耐霉菌性能。软质泡沫塑料具有弹性优良等性能。

  几乎各种塑料均可作成泡沫塑料,发泡成型已成为塑料加工的一个重要领域。泡孔分闭孔型和开孔型两类。闭孔型中的气孔互相隔离,有漂浮性;开孔型中的气孔互相连通,无漂浮性。可用聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯等树脂制成。


图2 PS发泡线条生产线

 

  无论采用什么方法制得,其基本过程都是发泡:

  ①液态或熔态塑料中引入气体,产生微孔;

  ②使微孔增长到一定体积;

  ③通过物理或化学方法固定微孔结构。

 

  二、有哪些发泡方法?

  按照引入气体的方式,发泡方法有机械法、物理法和化学法。

  1、机械法:

  借助强烈搅拌,把大量空气或其他气体引入液态塑料中。工业上主要用此法生产脲醛泡沫塑料,可用作隔热保温材料或影剧中布景材料(如人造雪花)。

  2、物理法:

  1)将低沸点烃类或卤代烃类溶入塑料中:

  受热时塑料软化,同时溶入的液体挥发膨胀发泡。如:聚苯乙烯泡沫塑料,可在苯乙烯悬浮聚合时,先把戊烷溶入单体中,或在加热加压下把已聚合成珠状的聚苯乙烯树脂用戊烷处理,制得所谓可发泡性聚苯乙烯珠粒。将此珠粒在热水或蒸汽中预发泡,再置于模具中通入蒸汽,使预发泡颗粒二次膨胀并互相熔结,冷却后即得到与模具型腔形状相同的制品。它们广泛用作保温和包装中防震材料。

  2)也可采用挤出成型法:

  此时,既可使用可发泡珠粒,将其一次发泡挤出成片材;也可使用普通聚苯乙烯粒料,在挤出机适当部位加入卤代烃,使之与塑料熔体混合均匀,当物料离开机头时即膨胀发泡。挤出法常用于制片材或板材,片材经真空吸塑成型可制成食品包装盒和托盘等。聚乙烯也可用类似方法制得挤出发泡制品。

  3)引入气体的物理方法还有溶出法、中空微球法等:

  溶出法是将可溶性物质如食盐、淀粉等和树脂混合,成型为制品后,再将制品放在水中反复处理,把可溶性物质溶出,即得到开孔型泡沫制品,多用作过滤材料。

  中空微球法是将熔化温度很高的空心玻璃微珠与塑料熔体相混,在玻璃微珠不致破碎的成型条件下,可制得特殊的闭孔型泡沫塑料。

  

  3、化学法:


图3 发泡剂

 

  1)采用化学发泡剂:

  它们在受热时分解放出气体。常用的化学发泡剂,如偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、N,N′-二亚硝基五亚甲基四胺、碳酸氢钠等。许多热塑性塑料均可用此法作成泡沫塑料。例如:聚氯乙烯泡沫鞋,就是把树脂、增塑剂、发泡剂和其他添加剂制成的配合料,放入注射成型机中,发泡剂在机筒中分解,物料在模具中发泡而成。

  泡沫人造革则是将发泡剂混入聚氯乙烯糊中,涂刮或压延在织物上,连续通过隧道式加热炉,物料塑化熔融、发泡剂分解发泡、经冷却和表面整饰,即得泡沫人造革。

  硬质聚氯乙烯低发泡板材、管材或异型材则用挤出法成型,发泡剂在机筒中分解,物料离开机头时,压力降到常压,溶入气体即膨胀发泡,如果发泡过程与冷却定型过程配合得当,就可得到结构泡沫制品。

 

  2)利用聚合过程中的副产气体:

  典型例子是聚氨酯泡沫塑料,当异氰酸酯和聚酯或聚醚进行缩聚反应时,部分异氰酸酯会与水、羟基或羧基反应生成二氧化碳。只要气体放出速度和缩聚反应速度调节得当,即可制是泡孔十分均匀的高发泡制品。聚氨酯泡沫塑料有两种类型,软质开孔型形似海绵,广泛用作各种座椅、沙发的座垫以及吸音、过滤材料等;硬质闭孔型则是理想的保温、绝缘、减震和漂浮材料。

  20世纪60年代发展起来的结构泡沫塑料,以芯层发泡、皮层不发泡为特征,外硬内韧,比强度(以单位质量计的强度)高,耗料省,日益广泛地代替木材用于建筑和家具工业中。聚烯烃的化学或辐射交联发泡技术取得成功,使泡沫塑料的产量大幅度增加。经共混、填充、增强等改性塑料制得的泡沫塑料,具有更优良的综合性能,能满足各种特殊用途的需要。例如用反应注射成型制得的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料,已用作飞机、汽车、计算机等的结构部件;而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料,质轻而耐高温,已用于航天器中。

 

  三、泡沫塑料的特性


  图4 泡沫塑料的微观结构

 

  (1)容重很低,可减轻包装重量,降低运输费用;

  (2)具有优良的冲击、振动能量的吸收性,用于缓冲防震包装能大大减少产品的破损;

  (3)对温、湿度的变化适应性强,能满足一般包装情况的要求;

  (4)吸水率低、吸湿性小,化学稳定性好,本身不会对内装物产生腐蚀,且对酸、碱等化学药品有较强的耐受性;

  (5)导热率低,可用于保温隔热包装,如冰淇淋杯、快餐容器及保温鱼箱等;

  (6)成型加工方便,可以采用模压、挤出、注射等成型方法制成各种泡沫衬垫、泡沫块、片材等。容易进行二次成型加工,如泡沫板材经热成型可制成各种快餐容器等。另外,泡沫塑料块也可用粘合剂进行自身粘接或与其它材料粘接,制成各种缓冲衬垫等。

 

  四、泡沫塑料的种类

  1、按泡沫塑料的品种分类:

  EPE俗称“珍珠棉”;EPP俗称“保力龙”;EPS俗称“拿普龙”;软质PU俗称“海绵”;硬质PU俗称“黑料”;UF俗称“花泥”;EVA俗称鞋底料。


图5 珍珠棉

 

  2、按泡沫塑料的密度分类:

  高发泡塑料,制品相对密度小于0.1;中发泡塑料,制品相对密度在0.1-0.4之间;低发泡塑料,制品相对密度大于0.4。

  3、按泡沫塑料的硬度分类:

  软质泡沫塑料,弹性模量小于70MPa;半硬质泡沫塑料,弹性模量在70~700MPa之间;硬质泡沫塑料,弹性模量大于700MPa。

 


图6 海绵(软质PU)

 

  4、按泡沫塑料制品内气孔是否连通分类:

开孔泡沫塑料指制品内各个气孔相互连通,可用于过滤材料;闭孔泡沫塑料指制品内各个气孔相互分隔,因其不吸水,可用于漂浮材料。

  5、按泡沫塑料制品表面状态分类:

普通泡沫塑料,制品内部与表面发泡程度相同;结构泡沫塑料,制品内部与表面发泡程度不同,表面只含有少量气孔或不含气孔。结构泡沫塑料可以代替木材,因此也被称为合成木材,常用于汽车门把手等。


图7:保力龙

 

  五、泡沫塑料的应用

  泡沫塑料具有塑料的一般特性,在热性能、电性能、声学性能方面具有特别的优越性能,可以作为绝热保温、吸声、防震、介电、漂浮等方面的材料。同时,泡沫塑料又有一定强度和刚度,它可以与金属、非金属面板(木板、纤维板、胶合板、玻璃钢等复合材料等)胶合成夹层板,既可以作承力结构产品的承力构件,同时又起着绝热保温、吸声、隔音、防震等作用。自1940年在美国开始使用泡沫塑料以来,已在建筑、航空、航海、化工、机械、农业等部门得到了广泛的应用。

  所有的热塑性和热固性树脂都可以制成泡沫塑料,但以下几种树脂的泡沫塑料因性能好而常用,具体品种有PU、PS、PVC、PE、PP及PF等,其产量可占整个泡沫塑料的90%以上。不同树脂生产的泡沫塑料具有不同的特点,不同种类泡沫塑料的用途不同,具体选用可分成如下几个方面:

  1、绝热方面:

  普通塑料制品的热导率大都在0.15~0.22W/(m•K)范围内,而泡沫塑料的热导率则一般在0.01~0.04W/(m•K)范围内,比普通塑料制品低15~50倍之多,具有十分优异的隔热性能,因而常用作绝热材料。

  常用作绝热泡沫制品的树脂有硬质PU、PF、脲醛和PS几种,隔热性能大小依次为:硬质PU>PF>PS。其中硬质PU的热导率为0.01-0.03W/(m•K),PF的热导率为0.02-0.04W/(m•K),仅次于硬质PU,而PS稍差一点。因绝热用泡沫塑料大都在较高温度下使用,在具体选用时要注意不同品种的耐热温度。PS为80℃、PU和脲醛为95-100℃、PF为120~130℃、PVC为60~70℃。因此,在低温时宜选用PS、PVC,在高温时宜选用PU、PF。脲醛泡沫塑料的隔热性很好,又具有阻燃、价格低及来源广等优点,但因其脆性大并吸水严重,从而影响广泛应用。

  现在采用现场发泡成型方法,可广泛用于建筑隔热,使房屋热损失降低70%,虽在我国应用不多,但在美国却很通用。

  在实际应用中,具体的隔热泡沫塑料制品有:保温箱如冷藏箱、海鲜箱,PS珠粒泡沫制品,快餐饭盒,PS低发泡制品,房屋顶棚、屋墙等,电冰箱背板保温层、管材保温护层等。


图8:电冰箱保温层

 

  2、隔音方面:

  在当今社会中,噪声的危害越来越大,已经成为污染环境的第四大公害。泡沫塑料具有优异的隔音性能,在隔音应用领域的地位越来越重要。隔音泡沫塑料具体应用在如下几个方面:电影院、剧院、演歌厅等墙壁装饰材料和天花板材料,采用隔音性能好的泡沫塑料吸音,以防回音,影响音质;在建筑房屋的内间隔墙,用泡沫材料制作,具有隔音效果。

  常用的隔音用泡沫塑料材料有PU软质泡沫塑料材料、PS珠粒板、PVC(乳液)、PF及PE等。


图9:KTV隔音泡沫塑料

 

  3、防震方面:

  泡沫塑料制品是一种很好的减震材料,可用做高档包装材料,如用于易碎品、家用电器及精密仪器的包装材料。

可用于防震的泡沫塑料材料有EPS、PE、软质和半软PU等。

  4、高回弹方面:

  利用高回弹性:高发泡倍率的泡沫塑料大都具有较好的回弹性,有的品种还具有高回弹性,可用于体育器材、鞋底、沙发及坐垫等方面。

具有高回弹性的泡沫塑料有PU和PE两种,并以软质PU泡沫塑料最为常用。

  5、轻质性和闭孔性方面:

  利用轻质性和闭孔性:漂浮材料要求泡沫塑料的相对密度要小,并且必须为高发泡倍率的闭孔泡沫塑料。可用于漂浮泡沫塑料的树脂主要有PVC、PE及PS等。

  6、仿木材料:

  仿木材料为低发泡的泡沫塑料,它具有接近木材的可刨、锯、钉等特点。常用树脂有PS、PVC及PP等。

  7、开孔性微孔泡沫塑料

  开孔性微孔泡沫塑料具有透过液体的特性,可用作过滤材料、吸水材料和花木移植材料等。具体可用的树脂有F4、醋酸纤维素、硝酸纤维素、PA、PVC及PP等。

  8、仿骨材料:

  结构泡沫塑料具有与骨骼一样的结构。其表层为密实材料,赋予材料以强度;内部为微孔材料,赋予材料以轻质等优点。仿骨材料常用PU、PS、PP材料制作。

  来源:艾邦高分子




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