第17章泡沫塑料成型模具

1、第 17 章 泡沫塑料成型模具泡沫塑料是以樹(shù)脂為原料制成的內(nèi)部含有無(wú)數(shù)微小泡孔的塑料制品。現(xiàn)代技術(shù)幾乎能 把所有熱固性和熱塑性樹(shù)脂加工成泡沫塑料。目前，主要的泡沫塑料品種有聚氨脂、聚苯 乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和脲醛等。泡沫塑料具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸濕性低、回彈 性好、絕熱和吸音隔音等特點(diǎn)，因此，在建筑上廣泛用作隔音材料，在制冷方面廣泛用作 絕熱材料，在儀器儀表、家用電器和工藝晶等方面廣泛用作防震防潮的包裝材料，在水面 作業(yè)時(shí)常用作漂浮材料。泡沫塑料按其發(fā)泡倍率的不同可分為低發(fā)泡、中發(fā)泡和高發(fā)泡泡沫塑料。一般來(lái)說(shuō)， 低發(fā)泡泡沫塑料密度大于 0.4g/cm'中發(fā)泡泡沫塑料密度為 0.1

2、0.4 g/cm3;高發(fā)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為氣發(fā)泡沫塑料和組合泡沫塑料兩種。本章主要介紹氣發(fā)泡沫塑料 的成型。氣發(fā)泡沫塑料的形成是將氣體溶解在液態(tài)聚合物中，或?qū)⒕酆衔锛訜岬饺廴跔顟B(tài)并同 時(shí)產(chǎn)生氣體形成飽和溶液，然后通過(guò)成核作用形成無(wú)數(shù)微小氣泡核，泡核增長(zhǎng)而制得泡沫 塑料。發(fā)泡用的發(fā)泡劑可預(yù)先溶解于聚合物中或與固態(tài)聚合物混勻，當(dāng)溫度升高或壓力降 低時(shí)，就會(huì)發(fā)出氣體而形成泡沫塑料。氣發(fā)泡沫的形成大體分為 氣泡的形成、氣泡的增長(zhǎng)和泡沫穩(wěn)定 三個(gè)階段。 把化學(xué)發(fā)泡劑加入熔融的聚合物，或在混有發(fā)泡劑的固態(tài)聚合物中通人蒸汽，就會(huì)因 化學(xué)反應(yīng)

3、或加入的氣體形成氣一液溶液，當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，就會(huì)形成氣泡核，此過(guò)程稱 為成核過(guò)程。為了在氣體濃度較低情況下成核，往往在配方中加入成核劑 （又稱形核劑 ），加 快泡沫塑料的形成速度和提高泡孔的細(xì)度。氣泡形成后，隨著溶解氣體的增加，溫度的升高，氣體的受熱膨脹和氣泡之間的合并， 將促使氣泡不斷地增長(zhǎng)。同時(shí)，通過(guò)成核劑的作用大大增加了氣泡的數(shù)量，再加上氣泡膨 脹使孔直徑擴(kuò)大，因此泡沫塑料將不斷脹大。由于氣泡的不斷生成和增長(zhǎng)，使得泡沫體系的體積和表面積增大，因此氣壁的厚度會(huì) 不斷減薄，使泡沫體系不穩(wěn)定。通常采用加入表面活性劑以減少氣體擴(kuò)散的作用來(lái)促使泡 沫的穩(wěn)定，也可通過(guò)提高聚合物熔體、對(duì)物料冷卻或增

4、加聚合物交聯(lián)作用來(lái)達(dá)到穩(wěn)定的目 的。本章主要以聚苯乙烯樹(shù)脂為例，介紹泡沫塑料的成型工藝及模具設(shè)計(jì)。17.2 聚苯乙烯泡沫塑料的成型工藝聚苯乙烯泡沫塑料成型方法主要有模壓法、可發(fā)性珠粒法和擠出發(fā)泡法。模壓法是采 用乳液法聚苯乙烯和熱分解型發(fā)泡劑的方法制得泡沫塑料，是早期使用的方法，現(xiàn)在很少 使用。目前大量使用的方法是 可發(fā)性珠粒法和擠出發(fā)泡法 ，我國(guó)主要使用可發(fā)性珠粒法。17.2.1 可發(fā)性聚苯乙烯珠粒的制備在成型泡沫塑料之前，必須先將發(fā)泡劑與聚苯乙烯制成易于流動(dòng)的珠狀半透明的可發(fā) 性聚苯乙烯珠粒。（1）預(yù)發(fā)泡 預(yù)發(fā)泡有 間隙歇法和連續(xù)法 兩種，目前多用連續(xù)法，其主要設(shè)備是連續(xù)蒸 汽預(yù)發(fā)泡機(jī)，如

5、圖 16.1 所示。預(yù)發(fā)泡前，發(fā)泡劑 （通常為石油醚、正戊烷、異戊烷、季戊烷等 ）在聚苯乙烯合成時(shí)或聚 合后加入，含量約為 6 8。將含有發(fā)泡劑的珠粒狀聚苯乙烯加入發(fā)泡機(jī)，利用蒸汽將 其加熱到90-10C,使樹(shù)脂軟化，同時(shí)發(fā)泡劑汽化造成壓力，促使珠粒膨脹 4080倍。(2) 熟化 預(yù)發(fā)泡后的顆粒在環(huán)境溫度下自然冷卻，貯存一段時(shí)間，具體時(shí)間可由實(shí)驗(yàn) 確定。泡孔內(nèi)的發(fā)泡氣體和水蒸汽凝成液態(tài)，珠內(nèi)壓力減小，形成局部真空狀態(tài)，這時(shí)周 圍的空氣通過(guò)泡孔膜滲透入泡中，使氣泡內(nèi)的壓力與環(huán)境壓力達(dá)到平衡，這一過(guò)程稱為熟 化。由于發(fā)泡劑與空氣組合，進(jìn)一步發(fā)泡時(shí)，預(yù)發(fā)泡顆粒將會(huì)產(chǎn)生更大的膨脹力。通常熟化處理在布袋

6、或大型網(wǎng)狀料倉(cāng)中進(jìn)行，最適宜的熟化溫度為2226°C下熟化824 h后就可放入模具中成型。一 般室溫圖16.1連續(xù)預(yù)發(fā)泡機(jī)示意圖1攪拌電機(jī)；2攪拌軸；3機(jī)筒卡4 一攪拌槳葉'5固定槳葉；6-進(jìn)料螺桿：7料斗；8溫度計(jì)：9一出料口仃.2.2 聚苯乙烯泡沫塑料的成型工藝聚苯乙烯泡沫塑料在模具內(nèi)通入蒸汽加熱成型，故稱為蒸汽加熱成型法。按照加熱方式與使用設(shè)備的不同，可分為蒸箱發(fā)泡成型和泡沫塑料成型機(jī)(一種專用液 壓機(jī))直接通蒸汽發(fā)泡成型 兩種。(1) 蒸箱發(fā)泡 對(duì)于生產(chǎn)小型、薄壁和復(fù)雜的塑件，大多采用蒸箱發(fā)泡成型。將填滿可 發(fā)性聚苯乙烯原料的模具合模后放進(jìn)蒸箱通人蒸汽加熱，蒸汽壓力和

7、加熱時(shí)間視塑件大小 和厚度而定。一般蒸汽壓力控制在 0.050.25 MPa,加熱時(shí)間為23 min，根據(jù)需要也可長(zhǎng) 達(dá)10min以上。模內(nèi)的預(yù)發(fā)泡顆粒受熱軟化和膨脹就互相熔結(jié)在一起，從蒸箱內(nèi)取出模具，冷卻脫模后即可得到泡沫塑料制件。(2) 泡沫塑料成型機(jī)發(fā)泡泡沫塑料成型機(jī)是國(guó)內(nèi)普遍使用的聚苯乙烯泡沫塑料成型設(shè)備，該設(shè)備可分為包裝成型機(jī)和板材成型機(jī)兩種。厚度較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機(jī)直接發(fā)泡成型。在模具上開(kāi)有供通氣用的0.10. 4mm直徑的通氣孔，在成型前先通入 0.10.2MPa的加熱蒸汽，將模具預(yù)熱0.5 min后，打開(kāi)出氣 口，用氣送法將預(yù)發(fā)泡顆粒注

8、入模具型腔中，閉合出氣口，在蒸汽室中通入0.10.2 MPa的蒸汽，使溫度升至1100C左右，型腔內(nèi)的預(yù)發(fā)泡顆粒就膨脹粘接為一體，關(guān)閉蒸汽閥門并保持12mi n,然后通冷卻水，最后脫模。聚苯乙烯泡沫塑料成型模具泡沫塑料成型模具的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。對(duì)于小型、薄壁和復(fù)雜的泡沫塑料制件或者小批 量生產(chǎn)的泡沫塑料制件，常采用蒸箱發(fā)泡的手工操作模具；對(duì)于大型厚壁或者大批量生產(chǎn) 的泡沫塑料制件，常采用帶有蒸汽室的泡沫塑料成型機(jī)直接通蒸汽發(fā)泡模具。1723.1手工操作模具手工操作模具本身沒(méi)有蒸汽室，而是將整個(gè)模具放在蒸箱中通蒸汽加熱，成型后移出箱外冷卻。圖16.2所示是包裝蓋手動(dòng)蒸箱發(fā)泡模，一次成型一件。合模時(shí)

9、，模套 1和下模 板3以圓周定位。為了開(kāi)模方便，在模具的四周設(shè)有撬口 &上模板2、下模板3和模套1 上均設(shè)有直徑為11.8mm的通氣小孔，孔距為15-20mm。整副模具靠鉸鏈螺栓6和蝶形螺 母5鎖緊，鉸鏈螺栓擺動(dòng)要靈活，并要有足夠的強(qiáng)度。圖16*2削裝蓋手動(dòng)蕭箱發(fā)泡模1 一模倉(cāng):2上棋板；3下模板；4一通氣孔;5蝶畛螺母扌報(bào)鑄螺栓；7-tt; 8撬口圖WJ 包叢盒機(jī)動(dòng)發(fā)泡模X 11-密封環(huán)：2動(dòng)模汽室板；3-掛銷* 4料塞.5定模桂室板 6料套i 7. Sh 9 型芯；10-成型套匸12外套匚13回肯水管泡沫塑料成型機(jī)直接通蒸汽模具泡沫塑料成型機(jī)上的發(fā)泡模本身帶有蒸汽室，其模具一般由兩

10、部分組成。立式成型機(jī) 上設(shè)有上下模，上下模均設(shè)有蒸汽室。合模后，經(jīng)預(yù)發(fā)泡的珠粒狀聚苯乙烯由噴槍或用氣 送法從進(jìn)料口輸送到模具型腔內(nèi)，料滿后關(guān)閉氣閥，然后在動(dòng)、定模汽室內(nèi)通人一定蒸汽 壓力的蒸汽，保持一定時(shí)間，接著再保溫一段時(shí)間，然后在蒸汽室內(nèi)通冷卻水，冷卻后脫 模取件。圖16.3為包裝盒機(jī)動(dòng)發(fā)泡模，適合于在臥式泡沫塑料成型機(jī)上生產(chǎn)。為了保證模具的 良好密封，在動(dòng)、定模板及分型面處設(shè)有密封環(huán)，在定模汽室板5、動(dòng)模汽室板2和成型套10上均設(shè)有孔徑8 mm的通氣小孔，孔距為20mm。17.2.3.3模具設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題(1)型腔壁厚應(yīng)盡量均勻雖然泡沫塑料成型模具一般都并不復(fù)雜，但是，由于每一次生產(chǎn)循

11、環(huán)都會(huì)使模具受熱受冷各一次，這樣頻繁的膨脹與收縮引起的熱交變應(yīng)力對(duì)模具的壽命會(huì)產(chǎn)生較大的影響，若 模具壁厚不均勻，則影響就會(huì)更大，因此，泡沫塑料成型模具要求壁厚盡量均勻，一般約10 mm左右。(2) 型腔應(yīng)考慮脫模斜度一般型腔深度在100mm以內(nèi)時(shí)，脫模斜度取1°1.5°；型腔深度100mm以上時(shí)，脫模斜度取2°3°。手工操作的模具一般用手工脫模，因此，脫模斜度應(yīng)取上限。有蒸汽室的機(jī)動(dòng) 泡沫塑料成型模具常采用在蒸汽室內(nèi)通人壓縮空氣脫模的方法，受力比較均勻，故脫模斜度可取下限。另外，蒸汽室一定要考慮密封的問(wèn)題，同時(shí)，為了使蒸汽室能均勻冷卻，冷卻水的通人與排

12、出應(yīng)能保證 型腔均勻地得到冷卻，且在蒸汽室中不應(yīng)積水。(3) 模具材料發(fā)泡成型的工藝特點(diǎn)決定了泡沫塑料的成型模具必須具有良好的導(dǎo)熱性和能夠長(zhǎng)期經(jīng)受由熱脹冷縮產(chǎn)生的交變應(yīng)力，還要具有耐蝕性能。在中小批量生產(chǎn)中，一般采用鋁合金鑄件來(lái)制造模 具；在大批量生產(chǎn)中，可采用青銅等材料。為了保護(hù)模具型腔不受腐蝕以及脫模方便，通常型腔表面拋 光后應(yīng)涂脫模劑，最常用的脫模劑是硅油。17.3 聚四氟乙烯塑料成型工藝與冷壓成型模具聚四氟乙烯樹(shù)脂的大分子鏈中，由于碳鍵的存在，增加了鏈的剛性。聚四氟乙烯是結(jié) 晶型聚合物，其晶區(qū)熔點(diǎn)很咼(327°C),加上分子量很大和分子鏈的密集堆積等，使得其在 高溫下的熔融粘

13、度很高，甚至加熱到分解溫度 (4150C )時(shí)仍然不能變?yōu)檎沉鲬B(tài)。雖然聚四氟 乙烯是熱塑性塑料，但不能用一般熱塑性塑料的成型方法成型，只能用類似粉末冶金燒結(jié) 成型方法來(lái)成型，這種方法通常稱為冷壓燒結(jié)成型。成型時(shí)，先將， 定量的聚四氟乙烯放 人常溫的模具型腔中， 在壓力的作用下壓成密實(shí)的型坯， 然后送至燒結(jié)爐 (亦稱烘室 )內(nèi)進(jìn)行 燒結(jié)，冷卻后成為塑料制件。成型冷壓成型的過(guò)程包括聚四氟乙烯粒度的選擇、加料及其控制、壓制及其工藝參數(shù)的選 擇壓制過(guò)程中排氣以及脫模等。(1) 粒度 冷壓燒結(jié)成型大多采用通過(guò)懸浮法聚合的聚四氟乙烯粉料，如果成型薄壁塑 件，亦可選用分散法聚合的聚四氟乙烯。聚四氟乙烯樹(shù)脂是

14、一種纖維狀的粉末，在貯存或 運(yùn)輸過(guò)程中，由于受壓和震動(dòng)，容易結(jié)塊成團(tuán)，致使冷壓時(shí)加料發(fā)生困難或者所壓制成的 型坯密度不均勻，甚至出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，所以在使用前必須將已結(jié)成塊的樹(shù)脂搗碎，并用 20 目的篩子過(guò)篩，過(guò)篩后的樹(shù)脂粉料的顆粒直徑一般為 20600m。(2) 加料 聚四氟乙烯冷壓成型的設(shè)備是立式壓機(jī)，模具的型腔固定在壓機(jī)的下工作臺(tái) 上，壓頭(也是模具塑件的成型部分 )固定在壓機(jī)的上工作臺(tái)上。壓制時(shí)，需將符合要求的粉 料按塑料制件所需的量 (由試驗(yàn)確定 )均勻地加入到敞開(kāi)的型腔內(nèi)， 然后用刮刀刮平。 樹(shù)脂的 加入量也可由模具結(jié)構(gòu)的調(diào)試來(lái)確定，即在壓機(jī)上把模具結(jié)構(gòu)調(diào)試到模具型腔的原料加入 量正好是成型塑件所要加入的定量，則加料后只需要用刮刀將上平面刮平即町，這對(duì)定量 及加料的操作將會(huì)帶來(lái)極大的方便。加料時(shí)應(yīng)特別注意，一個(gè)型坯應(yīng)一次加料完畢，否則 就有可能在各次加料的界面上產(chǎn)生分層或開(kāi)裂。(3) 壓制 加料完畢應(yīng)立即進(jìn)行壓制，加壓宜緩慢進(jìn)行，防止沖擊。預(yù)壓型壞的成型壓 力選擇十分重要，它與樹(shù)脂的粒度、