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化学发泡剂在挤出和注塑成型中的应用

发布:2012-11-19 11:33:08  来源:模具网Molds.cn  编辑:佚名
热塑性塑料可通过多种方法进行发泡,以得到不同的密度。一般来说,将发泡剂与聚合物熔体混合,得到塑性微粒,由于在聚合物中掺杂了空气,因此其密度得到降低。然而,密度和质量的降低仅仅只是发泡塑料所带来的众多优点之一。其他优点还包括降低迁移、减少翘曲和提高生产速度。

一般,发泡剂可分为两大类:物理发泡剂和化学发泡剂(Chemical foaming agents ,以下简称“CFA”)。物理发泡剂为各种气体和挥发性液体,而CFA为有机或无机化合物,当其热分解的时候释放出气体。CFA通常用来制备中、高密度的泡沫,也常常配合物理发泡剂使用以制得低密度的泡沫塑料。

对加工商们而言,在挤出成型和注塑成型过程中,使用化学发泡剂有一些技巧需要加以注意。对此,本文将介绍CFA的一些基本的使用信息。

取决于分解类型,CFA可以分为吸热型和放热型两类。吸热型CFA在分解时吸收能量,释放出CO2和H2O,而放热型CFA在分解时释放能量,并生成N2。与吸热型CFA相比,放热型CFA释放的气体量和压力往往更高。

有时,这两类发泡剂的混合物可做某些特定的应用。例如在型材的挤出中,放热型CFA所产生的高气压和体积有助于型材的填充,而吸热型CFA产生的少量气体和冷却作用可减少型材的翘曲变形。

一般情况下,吸热型CFA在130~230℃(266~446℉)的范围内分解,更常见的放热型CFA在200℃(392℉)左右分解。然而,通过加入某些化合物,大多数放热型CFA的分解范围可以得到降低。

CFA和聚合物的选择

大多数CFA是为特定的聚合物和应用而设计制造的。在选择CFA时,要考虑它的分解范围、与聚合物之间的相容性,以及其分解产物。例如,在分解时产生大量水分的吸热型CFA,并不是PC或PET等缩聚聚合物的最佳选择。

一些聚合物往往更易发泡。例如LDPE比LLDPE更易发泡,PP共聚物的发泡效果比其均聚物要好。这主要是因为,较高的熔体强度可帮助其支撑发泡后的结构。树脂供应商通常会提供树脂的发泡等级,并提出相应的咨询意见。

在进行发泡时,需遵循的基本原则是:将发泡气体保持在聚合物熔体中,直到聚合物离开模头或进入模腔。考虑到这一点,应避免在模唇和模具里出现降压的现象,以确保均匀的发泡。

理想的发泡挤出机的长径比应至少为24:1,以便CFA达到充分的分解,同时使其释放出的气体在聚合物熔体中完全分散。螺杆的设计应使气压能遍及螺杆外部,同时还能达到相对温和的混合效果。这有助于使气体保持在熔体中,也能防止对聚合物加工过度而减小其熔体强度。而使用筛网的做法是不可取的,因其可能会致使压力下降和过早发泡,另外,筛网所带来的阻塞还会使发泡过于分散。最后,应关闭挤出机的排气口,以避免发泡气体泄露。

在理想的发泡挤出机基础上,实际操作中的要求肯定有例外情况。带有屏障和混合区的螺杆、配备筛网的机器能制备出优质的泡沫。使用锥形双螺杆挤出机生产发泡PVC的案例中,发泡甚至是在机器的排气段内进行的。在需要筛网的发泡挤出中,通常,粗糙的筛网能带来更好的效果。在不允许排气口关闭的情况下,提高螺杆转速、在排气前降低温度,并选择在排气后才分解的发泡剂,会增加发泡成功的几率。

在化学发泡中,通常建议采取“钟形”温度分布。在喂料斗下部的第一温度区,设置尽可能低的温度可以降低过早发泡的几率,防止气体从喂料斗逸出。峰值温度出现的区域里,聚合物熔融情况良好,选用的发泡剂应完全分解。最后,挤出机模头和喷嘴处的低温可保证聚合物增强的熔体强度,防止泡沫塌陷。

最关键也最易被忽略的因素之一是剂量。虽然操作中首选计重给料器,但其成本高昂。只要对进料速率进行检查,更常见的定体积给料器同样精密、准确。建议为每台定体积给料器和材料绘制校准曲线。

挤出发泡的很多概念也被应用在注塑成型中。此外,理想的成型压机应配备可封闭的喷嘴,以防止在每次射料间发生滴料。阀门和流道应满足快速且均匀的物料填充,应尽可能地利用较短的流动距离。对于泡沫膨胀,排气也显得十分关键。经验表明,排气口的深度应在0.003~0.01in(0.00762~0.0254cm)之间,但实际上的排气口尺寸一般需通过试验和误差来确定。为了确定排气口的深度和位置,给模具加垫片是一种成熟的方法。

使用CFA的挤出成型

通常,挤出热塑性塑料可通过发泡来降低密度。同样的方法适用于挤出型材和板材。如果有可能,可采用先不加CFA来获得稳定的加工,然后从一个相对较低的剂量开始缓慢添加发泡剂,直到获得所需的挤出密度。每次增加剂量后,需等待一段时间以达到稳定的状态,可通过增加下游设备的生产线速度来补偿泡沫的三维膨胀。

在挤出过程中无法达到所期望的挤出厚度,可能有多种原因。其解决方案非常简单,增加发泡剂的用量、增加挤出机的螺杆转速,或是降低下游设备的线速度。然而,由下游操作而引起的问题可能涉及到更复杂的原因。例如,挤出板材时,板材通过加工辊和离开模头的方式非常关键。对于非发泡板来说,与辊紧密接触来获得光滑的表面,这是很常见的运行方式。而这对于发泡板来说并不适用,因为这样泡沫无法膨胀。鉴于此,最好的方法是让板材离开模头后,与辊之间只有轻微的接触。

当对型材进行挤出发泡时,必须注意冷却的方式,避免型材冻结而使发泡过早停止。模头和水浴或定型装置之间的距离,以及这些设备的温度,都必须足以让泡沫产生膨胀。较高的模头温度或是过量的发泡剂,都可能给泡沫组织结构带来较大的空隙,从而引起泡沫的塌陷。如果出现不规则的组织结构,则可能是在挤出机或给料器中混合不充分所导致的。此外,过高的给料器进口温度也会导致产生不均匀的组织结构。

由于压力下降值过大,因此在模头内的预发泡会产生不好的组织结构,这种情况可以通过调紧模头间隙或缩短模头长度来避免。同时,降低模头温度也有助于增强背压。

使用CFA的注塑成型

在注塑成型中,减重和消除塌陷是使用化学发泡剂的两个主要原因。使用CFA来减重时,采用较短的注射头来减少注射量,并使用发泡剂以帮助填充模具,两者均十分重要。例如,如果要减重10%,最好使注射量减少大约10%。

发泡剂应逐步添加,直至模具填满。如果增加发泡剂含量无法帮助聚合物填充模具,减少用量并保压、保时,可能会使发泡剂得到额外的膨胀。如果模具还是无法填满,则需要考虑略微增加注射量。

同样,加入发泡剂可帮助填充聚合物而避免塌陷。如果只添加发泡剂无法消除塌陷或收缩,可采取上述所提到的减少用量和保压、保时的方法。

一般来说,采用CFA时注射速度越快越好。通常,在完成组织发泡成型时,会使用储压器。更快的注射速度会带来均匀的发泡。但是,如果模具未充分排气,则结果会适得其反。在这种情况下,降低锁模力的大小是一种良好的解决方案。在排气和零件结构为限制因素的情况下,可采取较高的起始注射速度和较低的终结注射速度加以解决。

脱模后出现的产品后膨胀或后发泡可能由很多原因引起,其中包括冷却不足和发泡剂过量。如果延长冷却时间或减少发泡剂用量不起作用,则可能是注射量太大所导致。

在标准的高压/低压注塑机上生产发泡的减重产品,常伴随着粗糙的表面或开裂的外观。减少发泡剂用量、增加注射速度和压力,甚至提高模具温度都是改善产品外观的方法。
 
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