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低壓PP發(fā)泡注塑成型的研究
時間：2019-11-25 03:40
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來源：互聯(lián)網
泡沫塑料具有質輕、比強度高、隔音、隔熱、價格低廉等優(yōu)點，因此廣泛應用于包裝、運輸、汽車、保溫、建筑、軍事及航天等領域。自20世紀90年代以來，我國泡沫塑料的發(fā)展十分迅速，主要品種有聚氨酯（PUR）軟、硬質泡沫塑料，聚苯乙烯（PS）和聚乙烯(PE)泡沫塑料三大類。
這些泡沫塑料中，PUR發(fā)泡材料在發(fā)泡過程中會產生對人體有害的異氰酸酯，并且無法回收利用；PE泡沫塑料的剛性及最高使用溫度較低，且不易降解；而PS發(fā)泡材料在成型過程中使用了氟氯烴化物，會破壞大氣臭氧層，且難以降解和回收，容易造成“白色污染”，已逐漸被禁止使用。于是，人們開始積極尋找能取代發(fā)泡PS的無氟、輕量化的環(huán)境適應性包裝材料，如發(fā)泡聚丙烯(PP)，用于食品、化妝品及電子產品等的包裝[1]。
發(fā)泡PP因其優(yōu)良的力學性能、可降解回收性、環(huán)保性以及制品良好的熱穩(wěn)定性和高溫尺寸穩(wěn)定性，成為泡沫塑料行業(yè)中研究的熱點。目前一些發(fā)達國家大力發(fā)展發(fā)泡PP，以作為替代發(fā)泡PS的綠色包裝材料。
PP發(fā)泡材料通常采用擠出成型[2]、模壓成型[3]等方法制備，而采用注塑成型卻鮮見報道。本文采用二次開模法對PP進行注塑發(fā)泡成型[4]，并研究了發(fā)泡劑、交聯(lián)劑及填料用量對PP低發(fā)泡材料性能的影響。
1實驗部分
1.1原料
PP，HJ1007，三星TOTAL株式會社；碳酸氫鈉（發(fā)泡劑），食品級，市售；過氧化二異丙苯（DCP，交聯(lián)劑），市售；CaSO4填充母料，市售。
1.2儀器與設備
注射機，WK125，中國船舶重工集團公司汾西機械廠；
萬能材料試驗機，Instron-1185，美國英斯特朗公司；
Izod試驗機，XCJ-500，承德試驗機廠；
電動塑料洛氏硬度計，XHRD-150，山東萊州市試驗機總廠；
維卡軟化點溫度測定儀，XWY-300B，濟南天辰機器有限公司；
掃描電子顯微鏡(SEM)，AIS2100，韓國MIRERO公司。
萬能材料試驗機，Instron-1185，美國英斯特朗公司；
Izod試驗機，XCJ-500，承德試驗機廠；
電動塑料洛氏硬度計，XHRD-150，山東萊州市試驗機總廠；
維卡軟化點溫度測定儀，XWY-300B，濟南天辰機器有限公司；
掃描電子顯微鏡(SEM)，AIS2100，韓國MIRERO公司。
1.3樣品制備
將發(fā)泡劑及交聯(lián)劑用丙酮稀釋后，均勻混合成漿狀物，干燥至丙酮完全揮發(fā)，然后將其與PP樹脂混合。把混合均勻的物料用注射機注入一個溫度較低的閉合模具中，按文獻[4]進行二次開模操作（充模結束后，立即把模具打開1mm），即得到低發(fā)泡PP制品。
1.4性能測試與表征
拉伸強度按GB/T1040—1992測試；
沖擊性能按GB/T1843—1996測試；
邵爾硬度按GB/T531—1999測試；
表觀密度按GB/T6343—1995測試；
熱變形溫度按GB/T1634—1979測試，負荷0.46MPa；
用SEM觀察發(fā)泡制品脆斷面的泡孔結構。
沖擊性能按GB/T1843—1996測試；
邵爾硬度按GB/T531—1999測試；
表觀密度按GB/T6343—1995測試；
熱變形溫度按GB/T1634—1979測試，負荷0.46MPa；
用SEM觀察發(fā)泡制品脆斷面的泡孔結構。
2結果與討論
2.1發(fā)泡劑用量對PP發(fā)泡材料性能的影響
發(fā)泡劑用量與發(fā)氣量成正比，進而影響發(fā)泡材料的密度、硬度及力學性能，因此選擇合適的發(fā)泡劑用量極為重要。發(fā)泡劑用量對PP發(fā)泡材料性能的影響如表1所示。
由表1可見：隨著發(fā)泡劑用量的增加，PP發(fā)泡材料的拉伸強度、密度、硬度及熱變形溫度逐漸下降，而缺口沖擊強度先上升后下降。由于發(fā)泡劑的價格較高，增加發(fā)泡劑用量不利于降低成本，且拉伸強度、硬度及熱變形溫度明顯下降，但密度下降幅度較小。因此，綜合考慮材料的性能、成本及加工工藝的要求，發(fā)泡劑用量以0.5phr為宜。
2.2交聯(lián)劑用量對PP發(fā)泡材料性能的影響
隨著溫度的提高，PP的熔體黏度急劇下降，導致發(fā)泡劑分解出的氣體在體系中逃逸，難以形成封閉的氣泡。此外，由于結晶時放出較多的熱量，使熔體強度降低，發(fā)泡后泡孔易塌陷，不能得到高質量的發(fā)泡體，因此需設法提高PP的熔體強度，降低溫度對PP熔體黏度的影響，從而使PP在較寬的溫度范圍內具有適當?shù)陌l(fā)泡黏度。而提高PP熔體強度常用的方法是適度交聯(lián)，若交聯(lián)密度過大，則會降低熔體的流動性，這對注塑成型加工不利；同時，熔體強度過大會導致發(fā)泡困難，泡沫材料密度增大。因此，選擇合適的交聯(lián)劑用量十分重要。交聯(lián)劑用量對PP發(fā)泡材料性能的影響如表2所示。
由表2可見：隨著交聯(lián)劑用量的增加，PP發(fā)泡材料的拉伸強度、硬度及熱變形溫度逐漸上升，而缺口沖擊強度下降，密度先下降后上升。綜合考慮材料的性能與成本，交聯(lián)劑的用量以0.05phr為宜。
2.3CaSO4填充母料用量對PP發(fā)泡材料的影響
廉價的CaSO4填充母料的加入不僅能大大降低塑料制品的成本，還能顯著提高材料的硬度及耐熱性能。CaSO4填充母料用量對PP發(fā)泡材料性能的影響如表3所示。
由表3可見：隨著CaSO4填充母料用量的增加，PP發(fā)泡材料的拉伸強度及缺口沖擊強度下降，主要是由于CaSO4填充母料與PP之間的相容性較差；硬度及熱變形溫度逐漸上升，主要是由于剛性粒子本身質地剛硬；由于CaSO4填充母料的密度較大，導致PP發(fā)泡材料的密度逐漸上升，而且隨著CaSO4填充母料用量的增加，體系的加工性能亦會變差。綜合考慮材料的性能、成本及加工工藝，CaSO4填充母料的用量以10phr為宜。
2.4PP發(fā)泡材料的泡孔結構
圖1為PP未發(fā)泡和發(fā)泡材料脆斷斷面的SEM照片。
由圖1可見：未發(fā)泡PP試樣的脆斷斷面沒有泡孔，而發(fā)泡PP試樣的脆斷斷面中間存在大量泡孔，且周邊為密實結構。這樣可在材料的耐熱性、力學性能及硬度等保持一定指標的前提下，使材料密度明顯下降，于是可降低單個制品的PP樹脂用量，從而降低制品成本。
由圖1可見：未發(fā)泡PP試樣的脆斷斷面沒有泡孔，而發(fā)泡PP試樣的脆斷斷面中間存在大量泡孔，且周邊為密實結構。這樣可在材料的耐熱性、力學性能及硬度等保持一定指標的前提下，使材料密度明顯下降，于是可降低單個制品的PP樹脂用量，從而降低制品成本。
3結論
采用注塑成型工藝制備了PP低發(fā)泡材料，當發(fā)泡劑用量為0.5phr，交聯(lián)劑用量為0.05phr及CaSO4填充母料用量為10phr時，PP低發(fā)泡材料的綜合性能最佳。
1、低壓發(fā)泡注塑成型
PP結構發(fā)泡注塑成型一般采用以下幾種成型方法：低壓發(fā)泡注塑成型；高壓發(fā)泡注塑成型；反壓發(fā)泡注塑成型；雙組分發(fā)泡注塑成型。
結構發(fā)泡注塑成型與普通注塑成型的區(qū)別。噴嘴采用閉鎖式噴嘴，一般采用欠注法。此種方法可以生產大型厚壁制品，其制品表面致密，可以印刷或涂層，但是表面粗糙度較差。
曹民干用日本住友公司的SSF100/150/200型低發(fā)泡注射機制備了結構發(fā)泡PP板材，并分析了各工藝參數(shù)對制品性能的影響，得出最佳工藝參數(shù)為：注射時間5s，注射壓力80MPa，料筒溫度240℃，模具溫度70℃，保壓時間10s，冷卻時間8s。
Peter Zipper等用低壓注塑成型法在不同熔融溫度下注塑成型了PP圓柱狀樣品，用小角X射線衍射法對樣品進行研究，結果表明：形成結皮周期與樣品圓柱的直徑和熔融溫度有關，熔融溫度越高，制品尺寸越大，形成結皮周期越長。
Sporrer等開發(fā)了一種專門用于低壓發(fā)泡注射機的模具，被稱為“排氣模具”。其內腔表面覆蓋回火碳鋼并開了一些槽，而且充模等動作更容易控制。實驗證明：在合適的注射參數(shù)條件下，用這種模具注塑成型的結構發(fā)泡制品質量較好，表面也較光滑。
2、高壓發(fā)泡注塑成型
高壓發(fā)泡注塑成型的模腔壓力為7～15MPa，與普通注射機相比，增加了二次合模保壓裝置，其制品表面平整、清晰，能體現(xiàn)出模腔內的細小形狀，但開合模處會產生折痕、條紋等，所以對模具的制造精度要求高，模具費用高，二次鎖模保壓要求高。
張純等用二次開模法成功制得PP結構發(fā)泡制品，其制品具有較均勻的泡孔分布，泡孔直徑都在20～30μｍ，密度大約下降了15％，與未發(fā)泡PP的力學性能相比，雖拉伸強度下降了24.8％，但缺口沖擊強度提高了125％，彎曲強度提高了19.6％。
Norbert Muller等采用二次開模法，以PP/玻璃纖維共混物為原料進行高壓發(fā)泡注塑成型，其制品的密度減小10%~15%，質量減輕30%~40%。如果在模具上用切口代替分型面，膨脹率可以達到100%，密度減少50%（密度約為0.2～0.4 g/cm3）。模具型腔厚度為2～4mm時所成型的PP結構發(fā)泡制品，發(fā)泡效果最佳，彎曲強度較高。
3、反壓發(fā)泡注塑成型
反壓發(fā)泡注塑成型是在注射之前用高壓氣體（如空氣或惰性氣體）將模具的模腔充滿，注射時阻止塑料發(fā)泡膨脹以得到致密的表層，采用欠注法，注射一定的熔料后把氣體排出使塑料膨脹而充滿整個模腔。注塑制品的表面粗糙度較好，表層組織比較均勻致密，但是需要增加一套氣體蓄壓裝置和可以密封型腔的模具，氣體壓力較高（20MPa），投資較大，模具密封也較困難。
Peter Zipper等用廣角X射線衍射法分別測量了低壓發(fā)泡注塑成型和反壓發(fā)泡注塑成型的PP樣品，結果表明，反壓發(fā)泡注塑成型樣品的表面質量較好。
4、雙組分發(fā)泡注塑成型
雙組分發(fā)泡注塑成型是一種特殊的高壓發(fā)泡注塑成型方法，它采用專門的注射機，這種注射機有兩套注射裝置：一套注塑制品的表層，另一套注塑制品的芯部。不同配方的原料，分別通過這兩個注塑裝置按一定順序先后注入到同一套模具的模腔，從而得到具有致密表層和發(fā)泡芯部的輕質制品。對于大型制品，芯部可以摻用填充料、廢料、紙等，從而大大降低制品的生產成本。
