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低压PP发泡注塑成型的研究

时间:2019-11-25 03:40 阅读:1126 来源:互联网

泡沫塑料具有质轻、比强度高、隔音、隔热、价格低廉等优点,因此广泛应用于包装、运输、汽车、保温、建筑、军事及航天等领域。自20世纪90年代以来,我国泡沫塑料的发展十分迅速,主要品种有聚氨酯(PUR)软、硬质泡沫塑料,聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)泡沫塑料三大类。
  这些泡沫塑料中,PUR发泡材料在发泡过程中会产生对人体有害的异氰酸酯,并且无法回收利用;PE泡沫塑料的刚性及最高使用温度较低,且不易降解;而PS发泡材料在成型过程中使用了氟氯烃化物,会破坏大气臭氧层,且难以降解和回收,容易造成“白色污染”,已逐渐被禁止使用。于是,人们开始积极寻找能取代发泡PS的无氟、轻量化的环境适应性包装材料,如发泡聚丙烯(PP),用于食品、化妆品及电子产品等的包装[1]
  发泡PP因其优良的力学性能、可降解回收性、环保性以及制品良好的热稳定性和高温尺寸稳定性,成为泡沫塑料行业中研究的热点。目前一些发达国家大力发展发泡PP,以作为替代发泡PS的绿色包装材料。
  PP发泡材料通常采用挤出成型[2]、模压成型[3]等方法制备,而采用注塑成型却鲜见报道。本文采用二次开模法对PP进行注塑发泡成型[4],并研究了发泡剂、交联剂及填料用量对PP低发泡材料性能的影响。

1实验部分
1.1原料
  PP,HJ1007,三星TOTAL株式会社;碳酸氢钠(发泡剂),食品级,市售;过氧化二异丙苯(DCP,交联剂),市售;CaSO4填充母料,市售。
1.2仪器与设备
  注射机,WK125,中国船舶重工集团公司汾西机械厂;
  万能材料试验机,Instron-1185,美国英斯特朗公司;
  Izod试验机,XCJ-500,承德试验机厂;
  电动塑料洛氏硬度计,XHRD-150,山东莱州市试验机总厂;
  维卡软化点温度测定仪,XWY-300B,济南天辰机器有限公司;
  扫描电子显微镜(SEM),AIS2100,韩国MIRERO公司。
1.3样品制备
  将发泡剂及交联剂用丙酮稀释后,均匀混合成浆状物,干燥至丙酮完全挥发,然后将其与PP树脂混合。把混合均匀的物料用注射机注入一个温度较低的闭合模具中,按文献[4]进行二次开模操作(充模结束后,立即把模具打开1mm),即得到低发泡PP制品。
1.4性能测试与表征
  拉伸强度按GB/T1040—1992测试;
  冲击性能按GB/T1843—1996测试;
  邵尔硬度按GB/T531—1999测试;
  表观密度按GB/T6343—1995测试;
  热变形温度按GB/T1634—1979测试,负荷0.46MPa;
  用SEM观察发泡制品脆断面的泡孔结构。
2结果与讨论
2.1发泡剂用量对PP发泡材料性能的影响
  发泡剂用量与发气量成正比,进而影响发泡材料的密度、硬度及力学性能,因此选择合适的发泡剂用量极为重要。发泡剂用量对PP发泡材料性能的影响如表1所示。
  由表1可见:随着发泡剂用量的增加,PP发泡材料的拉伸强度、密度、硬度及热变形温度逐渐下降,而缺口冲击强度先上升后下降。由于发泡剂的价格较高,增加发泡剂用量不利于降低成本,且拉伸强度、硬度及热变形温度明显下降,但密度下降幅度较小。因此,综合考虑材料的性能、成本及加工工艺的要求,发泡剂用量以0.5phr为宜。
2.2交联剂用量对PP发泡材料性能的影响
  随着温度的提高,PP的熔体黏度急剧下降,导致发泡剂分解出的气体在体系中逃逸,难以形成封闭的气泡。此外,由于结晶时放出较多的热量,使熔体强度降低,发泡后泡孔易塌陷,不能得到高质量的发泡体,因此需设法提高PP的熔体强度,降低温度对PP熔体黏度的影响,从而使PP在较宽的温度范围内具有适当的发泡黏度。而提高PP熔体强度常用的方法是适度交联,若交联密度过大,则会降低熔体的流动性,这对注塑成型加工不利;同时,熔体强度过大会导致发泡困难,泡沫材料密度增大。因此,选择合适的交联剂用量十分重要。交联剂用量对PP发泡材料性能的影响如表2所示。
  由表2可见:随着交联剂用量的增加,PP发泡材料的拉伸强度、硬度及热变形温度逐渐上升,而缺口冲击强度下降,密度先下降后上升。综合考虑材料的性能与成本,交联剂的用量以0.05phr为宜。
2.3CaSO4填充母料用量对PP发泡材料的影响
  廉价的CaSO4填充母料的加入不仅能大大降低塑料制品的成本,还能显著提高材料的硬度及耐热性能。CaSO4填充母料用量对PP发泡材料性能的影响如表3所示。
  由表3可见:随着CaSO4填充母料用量的增加,PP发泡材料的拉伸强度及缺口冲击强度下降,主要是由于CaSO4填充母料与PP之间的相容性较差;硬度及热变形温度逐渐上升,主要是由于刚性粒子本身质地刚硬;由于CaSO4填充母料的密度较大,导致PP发泡材料的密度逐渐上升,而且随着CaSO4填充母料用量的增加,体系的加工性能亦会变差。综合考虑材料的性能、成本及加工工艺,CaSO4填充母料的用量以10phr为宜。
2.4PP发泡材料的泡孔结构
  图1为PP未发泡和发泡材料脆断断面的SEM照片。
  由图1可见:未发泡PP试样的脆断断面没有泡孔,而发泡PP试样的脆断断面中间存在大量泡孔,且周边为密实结构。这样可在材料的耐热性、力学性能及硬度等保持一定指标的前提下,使材料密度明显下降,于是可降低单个制品的PP树脂用量,从而降低制品成本。
3结论
  采用注塑成型工艺制备了PP低发泡材料,当发泡剂用量为0.5phr,交联剂用量为0.05phr及CaSO4填充母料用量为10phr时,PP低发泡材料的综合性能最佳。

 1、低压发泡注塑成型
  PP结构发泡注塑成型一般采用以下几种成型方法:低压发泡注塑成型;高压发泡注塑成型;反压发泡注塑成型;双组分发泡注塑成型。
  结构发泡注塑成型与普通注塑成型的区别。喷嘴采用闭锁式喷嘴,一般采用欠注法。此种方法可以生产大型厚壁制品,其制品表面致密,可以印刷或涂层,但是表面粗糙度较差。
  曹民干用日本住友公司的SSF100/150/200型低发泡注射机制备了结构发泡PP板材,并分析了各工艺参数对制品性能的影响,得出最佳工艺参数为:注射时间5s,注射压力80MPa,料筒温度240℃,模具温度70℃,保压时间10s,冷却时间8s。
  Peter Zipper等用低压注塑成型法在不同熔融温度下注塑成型了PP圆柱状样品,用小角X射线衍射法对样品进行研究,结果表明:形成结皮周期与样品圆柱的直径和熔融温度有关,熔融温度越高,制品尺寸越大,形成结皮周期越长。
  Sporrer等开发了一种专门用于低压发泡注射机的模具,被称为“排气模具”。其内腔表面覆盖回火碳钢并开了一些槽,而且充模等动作更容易控制。实验证明:在合适的注射参数条件下,用这种模具注塑成型的结构发泡制品质量较好,表面也较光滑。
  2、高压发泡注塑成型
  高压发泡注塑成型的模腔压力为7~15MPa,与普通注射机相比,增加了二次合模保压装置,其制品表面平整、清晰,能体现出模腔内的细小形状,但开合模处会产生折痕、条纹等,所以对模具的制造精度要求高,模具费用高,二次锁模保压要求高。
  张纯等用二次开模法成功制得PP结构发泡制品,其制品具有较均匀的泡孔分布,泡孔直径都在20~30μm,密度大约下降了15%,与未发泡PP的力学性能相比,虽拉伸强度下降了24.8%,但缺口冲击强度提高了125%,弯曲强度提高了19.6%。
  Norbert Muller等采用二次开模法,以PP/玻璃纤维共混物为原料进行高压发泡注塑成型,其制品的密度减小10%~15%,质量减轻30%~40%。如果在模具上用切口代替分型面,膨胀率可以达到100%,密度减少50%(密度约为0.2~0.4 g/cm3)。模具型腔厚度为2~4mm时所成型的PP结构发泡制品,发泡效果最佳,弯曲强度较高。
  3、反压发泡注塑成型
  反压发泡注塑成型是在注射之前用高压气体(如空气或惰性气体)将模具的模腔充满,注射时阻止塑料发泡膨胀以得到致密的表层,采用欠注法,注射一定的熔料后把气体排出使塑料膨胀而充满整个模腔。注塑制品的表面粗糙度较好,表层组织比较均匀致密,但是需要增加一套气体蓄压装置和可以密封型腔的模具,气体压力较高(20MPa),投资较大,模具密封也较困难。
  Peter Zipper等用广角X射线衍射法分别测量了低压发泡注塑成型和反压发泡注塑成型的PP样品,结果表明,反压发泡注塑成型样品的表面质量较好。
  4、双组分发泡注塑成型
  双组分发泡注塑成型是一种特殊的高压发泡注塑成型方法,它采用专门的注射机,这种注射机有两套注射装置:一套注塑制品的表层,另一套注塑制品的芯部。不同配方的原料,分别通过这两个注塑装置按一定顺序先后注入到同一套模具的模腔,从而得到具有致密表层和发泡芯部的轻质制品。对于大型制品,芯部可以掺用填充料、废料、纸等,从而大大降低制品的生产成本。

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