泡沫塑料成型中的气泡成核机理讨论

泡沫塑料成型中的气泡成核机理讨论

塑料发泡过程中的初始阶段是在塑料熔体或者液体中形成大量初始气泡核的过程，然后使气泡核膨胀形成发泡体。所谓气泡核是指原始微泡，也就是气体分子最初在聚合物熔体或者溶液中聚集的地方。气泡核的形成对于成型出泡体的质量具有关键作用。假如在熔体中能够同时出现大量均匀分布的气泡核，则常常能够得到泡孔均匀细密的优质泡体，假如气泡核不是同时出现的，而是逐步出现，延续的时间较长，则得到的泡孔较少，而且很大，泡孔尺寸分布不均匀、泡体的密度也很大的劣质泡沫。因此，在泡沫塑料的成型过程中如何有效地控制气泡成核就很关键。

要控制气泡核的形成就必须了解气泡成核的机理，气泡核是如何形成的，什么是阻力、何为动力。现有的气泡成核机理分为三个大类：

（1）利用聚合物的自由体积作为成核点形成气泡核

（2）利用聚合物熔体中的低势能点作为发泡成核点

（3）气液相混合直接形成气泡核。

以下分别进行阐述。

（1）利用聚合物的自由体积作为成核点形成气泡核

聚合的体积由两部分组成：一部分是其自身的体积；一部分是各个分子之间的体积，以“孔穴”的形式分布于整个高聚物中，称为自由体积。Fox和Flory认为，任何高聚物，当温度降至玻璃化转变温度以下时，其自由体积分数都为一定值，0.025。在一定的温度和压力下，发泡剂可以浸入这些自由体积中，然后通过升温或卸压，使发泡剂气化，从而形成气泡成核点。

利用自由体积作为成核点进行发泡必须注意以下几点：

（1）最为发泡基体的聚合物，其分子中必须含有足够的自由体积，以供聚集足够量的物理发泡剂渗入，形成气泡核；

（2)不同聚合物中的自由体积不同，并非任何一种发泡剂都可以渗透进入任意一种聚合物中形成气泡核，必须进行实验验证；

（3）聚集在自由体积中的发泡剂，其分子在不停的扩散运动，因此含有此类发泡剂的聚合物不应再大气中停留太长时间，以免发泡剂扩散到大气，影响成核质量，要注意密封

（4）发泡剂渗入自由体积的速度可以通过加压来进行，升温容易加速分子运动，发泡剂容易散失，影响成核效果。

(2)利用聚合物熔体中的低势能点作为发泡成核点

要在聚合物熔体中形成大量均匀分布的气泡核，必须在熔体中同时存在大量的过饱和气体和大量均匀分布的热点。

聚合物熔体中的热点之所以能够成为成核点，从宏观上看，热点处的熔体温度较高，使熔体黏度下降，表面张力下降，使熔体中的过饱和气体容易在此处聚集从而形成气泡核。从微观上看，聚合物熔体中热点处的分子动能增加而势能下降，分子中势能的下降为熔体中过饱和气体的析出提供了有力条件。因此聚合物熔体中的热点之所以成为成核电视因此此处的聚合物分子热势能降低，使熔体中的过饱和气体分子容易从此处析出聚集而成气泡核。在实际生产中我们可以通过多种途径在熔体中形成低势能点，如加入成核剂，形成势能较低的界面，从而使熔体中的过饱和气体容易从此析出，形成气泡核。

（挤出发泡或者注射发泡常采用此机理）

（3）气液相混合直接形成气泡核

该机理多用于热固性泡沫塑料的成型。此类气泡核的形成是通过发泡剂（惰性气体或者低沸点挥发性液体）与聚合物液体直接混合形成。成核的气体来自发泡剂，不用先溶解入聚合物熔体、液体或者聚集在聚合物的自由体积内，而是直接用气体与聚合物溶液混合，形成大量气泡。

原材料（包括发泡剂）在混合头中进行强烈混合，使发泡剂气体或者液体与聚合物溶液充分混合，同时进行的缩聚反应使溶液的黏弹性增强，使它有足够的强度包住气体，形成大量气泡。随反应的进行，树脂溶液逐渐失去流动性，使泡体固化定型。这类城和方法的效果取决于气液相混合的力度和树脂溶液缩聚反应的速度相匹配。具有一定黏弹性的液体才能包住气体，形成气泡。

因此在制定原材料配方和成型工艺时，必须注意控制缩聚反应的速度，使树脂溶液能够适时包住被分散的气体，形成大量气泡，同时还能使泡体及时固化定型。