泡沫塑料成型方法与模具

第17章泡沫塑料成型模具

泡沫塑料是以树脂为原料制成的内部含有无数微小泡孔的塑料制品。现代技术几乎能把所有热固性和热塑性树脂加工成泡沫塑料。目前，主要的泡沫塑料品种有聚氨脂、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和脲醛等。泡沫塑料具有密度低、导热系数低、吸湿性低、回弹性好、绝热和吸音隔音等特点，因此，在建筑上广泛用作隔音材料，在制冷方面广泛用作绝热材料，在仪器仪表、家用电器和工艺晶等方面广泛用作防震防潮的包装材料，在水面作业时常用作漂浮材料。

泡沫塑料按其发泡倍率的不同可分为低发泡、中发泡和高发泡泡沫塑料。一般来说，低发泡泡沫塑料密度大于0.4g/cm’；中发泡泡沫塑料密度为0.1~0.4 g/cm3；高发泡泡沫塑料密度低于0.1g/cm3。

17.1泡沫塑料的成型原理

泡沫塑料的成型分为气发泡沫塑料和组合泡沫塑料两种。本章主要介绍气发泡沫塑料的成型。

气发泡沫塑料的形成是将气体溶解在液态聚合物中，或将聚合物加热到熔融状态并同时产生气体形成饱和溶液，然后通过成核作用形成无数微小气泡核，泡核增长而制得泡沫塑料。发泡用的发泡剂可预先溶解于聚合物中或与固态聚合物混匀，当温度升高或压力降低时，就会发出气体而形成泡沫塑料。

气发泡沫的形成大体分为气泡的形成、气泡的增长和泡沫稳定三个阶段。

把化学发泡剂加入熔融的聚合物，或在混有发泡剂的固态聚合物中通人蒸汽，就会因化学反应或加入的气体形成气一液溶液，当达到饱和状态时，就会形成气泡核，此过程称为成核过程。为了在气体浓度较低情况下成核，往往在配方中加入成核剂(又称形核剂)，加快泡沫塑料的形成速度和提高泡孔的细度。

气泡形成后，随着溶解气体的增加，温度的升高，气体的受热膨胀和气泡之间的合并，将促使气泡不断地增长。同时，通过成核剂的作用大大增加了气泡的数量，再加上气泡膨胀使孔直径扩大，因此泡沫塑料将不断胀大。

由于气泡的不断生成和增长，使得泡沫体系的体积和表面积增大，因此气壁的厚度会不断减薄，使泡沫体系不稳定。通常采用加入表面活性剂以减少气体扩散的作用来促使泡沫的稳定，也可通过提高聚合物熔体、对物料冷却或增加聚合物交联作用来达到稳定的目的。

本章主要以聚苯乙烯树脂为例，介绍泡沫塑料的成型工艺及模具设计。

17.2 聚苯乙烯泡沫塑料的成型工艺

聚苯乙烯泡沫塑料成型方法主要有模压法、可发性珠粒法和挤出发泡法。模压法是采用乳液法聚苯乙烯和热分解型发泡剂的方法制得泡沫塑料，是早期使用的方法，现在很少使用。目前大量使用的方法是可发性珠粒法和挤出发泡法，我国主要使用可发性珠粒法。

17.2.1 可发性聚苯乙烯珠粒的制备

在成型泡沫塑料之前，必须先将发泡剂与聚苯乙烯制成易于流动的珠状半透明的可发性聚苯乙烯珠粒。

(1)预发泡预发泡有间隙歇法和连续法两种，目前多用连续法，其主要设备是连续蒸汽预发泡机，如图16.1所示。

预发泡前，发泡剂(通常为石油醚、正戊烷、异戊烷、季戊烷等)在聚苯乙烯合成时或聚合后加入，含量约为6％—8％。将含有发泡剂的珠粒状聚苯乙烯加入发泡机，利用蒸汽将其加热到90-1050C，使树脂软化，同时发泡剂汽化造成压力，促使珠粒膨胀40~80倍。

(2)熟化预发泡后的颗粒在环境温度下自然冷却，贮存一段时间，具体时间可由实验确定。泡孔内的发泡气体和水蒸汽凝成液态，珠内压力减小，形成局部真空状态，这时周围的空气通过泡孔膜渗透入泡中，使气泡内的压力与环境压力达到平衡，这一过程称为熟化。由于发泡剂与空气组合，进一步发泡时，预发泡颗粒将会产生更大的膨胀力。

通常熟化处理在布袋或大型网状料仓中进行，最适宜的熟化温度为22~260C下熟化8~24 h后就可放入模具中成型。一般室温

17.2.2 聚苯乙烯泡沫塑料的成型工艺

聚苯乙烯泡沫塑料在模具内通入蒸汽加热成型，故称为蒸汽加热成型法。

按照加热方式与使用设备的不同，可分为蒸箱发泡成型和泡沫塑料成型机(一种专用液压机)直接通蒸汽发泡成型两种。

(1)蒸箱发泡对于生产小型、薄壁和复杂的塑件，大多采用蒸箱发泡成型。将填满可发性聚苯乙烯原料的模具合模后放进蒸箱通人蒸汽加热，蒸汽压力和加热时间视塑件大小和厚度而定。一般蒸汽压力控制在0.05~0.25 MPa，加热时间为2~3 min，根据需要也可长达10min以上。模内的预发泡颗粒受热软化和膨胀就互相熔结在一起，从蒸箱内取出模具，冷却脱模后即可得到泡沫塑料制件。

(2)泡沫塑料成型机发泡泡沫塑料成型机是国内普遍使用的聚苯乙烯泡沫塑料成型设备，该设备可分为包装成型机和板材成型机两种。厚度较大的泡沫塑料制件或大中型的泡沫塑料制件常采用泡沫塑料成型机直接发泡成型。在模具上开有供通气用的0.1~0. 4mm直径的通气孔，在成型前先通入0.1~0.2MPa的加热蒸汽，将模具预热0.5 min后，打开出气口，用气送法将预发泡颗粒注入模具型腔中，闭合出气口，在蒸汽室中通入0.1~0.2 MPa的蒸汽，使温度升至1100C左右，型腔内的预发泡颗粒就膨胀粘接为一体，关闭蒸汽阀门并

保持1~2min，然后通冷却水，最后脱模。

17.2.3 聚苯乙烯泡沫塑料成型模具

泡沫塑料成型模具的结构比较简单。对于小型、薄壁和复杂的泡沫塑料制件或者小批量生产的泡沫塑料制件，常采用蒸箱发泡的手工操作模具；对于大型厚壁或者大批量生产的泡沫塑料制件，常采用带有蒸汽室的泡沫塑料成型机直接通蒸汽发泡模具。

17.2.3.1 手工操作模具

手工操作模具本身没有蒸汽室，而是将整个模具放在蒸箱中通蒸汽加热，成型后移出箱外冷却。图16.2所示是包装盖手动蒸箱发泡模，一次成型一件。合模时，模套1和下模板3以圆周定位。为了开模方便，在模具的四周设有撬口8。上模板2、下模板3和模套1上均设有直径为1~1.8mm的通气小孔，孔距为15-20mm。整副模具靠铰链螺栓6和蝶形螺母5锁紧，铰链螺栓摆动要灵活，并要有足够的强度。

17.2.3.2 泡沫塑料成型机直接通蒸汽模具

泡沫塑料成型机上的发泡模本身带有蒸汽室，其模具一般由两部分组成。立式成型机上设有上下模，上下模均设有蒸汽室。合模后，经预发泡的珠粒状聚苯乙烯由喷枪或用气送法从进料口输送到模具型腔内，料满后关闭气阀，然后在动、定模汽室内通人一定蒸汽压力的蒸汽，保持一定时间，接着再保温一段时间，然后在蒸汽室内通冷却水，冷却后脱模取件。

图16.3为包装盒机动发泡模，适合于在卧式泡沫塑料成型机上生产。为了保证模具的良好密封，在动、定模板及分型面处设有密封环，在定模汽室板5、动模汽室板2和成型套10上均设有孔径8 mm的通气小孔，孔距为20mm。

17.2.3.3 模具设计应注意的问题

(1)型腔壁厚应尽量均匀虽然泡沫塑料成型模具一般都并不复杂，但是，由于每一次生产循环都会使模具受热受冷各一次，这样频繁的膨胀与收缩引起的热交变应力对模具的寿命会产生较大的影响，若模具壁厚不均匀，则影响就会更大，因此，泡沫塑料成型模具要求壁厚尽量均匀，一般约10 mm左右。

(2)型腔应考虑脱模斜度一般型腔深度在100mm以内时，脱模斜度取10~1.50；型腔深度100mm以上时，脱模斜度取20~30。手工操作的模具一般用手工脱模，因此，脱模斜度应取上限。有蒸汽室的机动泡沫塑料成型模具常采用在蒸汽室内通人压缩空气脱模的方法，受力比较均匀，故脱模斜度可取下限。另外，蒸汽室一定要考虑密封的问题，同时，为了使蒸汽室能均匀冷却，冷却水的通人与排出应能保证型腔均匀地得到冷却，且在蒸汽室中不应积水。

(3)模具材料发泡成型的工艺特点决定了泡沫塑料的成型模具必须具有良好的导热性和能够长期经受由热胀冷缩产生的交变应力，还要具有耐蚀性能。在中小批量生产中，一般采用铝合金铸件来制造模具；在大批量生产中，可采用青铜等材料。为了保护模具型腔不受腐蚀以及脱模方便，通常型腔表面抛光后应涂脱模剂，最常用的脱模剂是硅油。