关于消失模铸造的若干问题——泡沫塑料的发泡成型

关于消失模铸造的若干问题—泡沫塑料的发泡成型

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）。

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，气泡越小，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的增长。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合并。

3.泡沫的稳定固化：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联，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，在泡沫形成中控制孔的增长率和稳定是重要的。这可以通过使聚合物母体发生突然固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。

根据加热方式或加热介质的不同，泡沫塑料的发泡成型可以分为：高频加热成型，热水成型，蒸缸发泡成型和压机发泡成型。因高频加热成本高，生产中未大量应用。热水成型也有很多的缺点，如不能制造壁厚大于50mm的泡沫模样，芯部易出现珠粒粘合不良等缺陷，同时能耗较高。目前也已经逐步淘汰。

压机气室发泡成型是将预发泡珠粒填满带有气室的发泡模具内，该模具分别安装在附有机械合模装置的压机的上下或左右压板上，其中一块是可动的，过热蒸汽经气室通过模具上的气孔进入模具内，使珠粒发泡；之后由同样的通道通入冷却水使模具和泡沫塑料冷却定型，即可得到所需的泡沫塑料模样。

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。他们以聚苯乙烯为对象，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支持了上面的论点，他们用实验证明戊烷在EPS中的饱和容量是8%~8.25%，这一数据与上面的推论很接近。

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。

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）

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。