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微孔发泡塑料制备方法研究分析上

2021年08月18日 宁夏机械设备网

微孔发泡塑料制备方法研究分析(上)

为了满足工业上降低某些塑料产品的成本而不降低其主要力学性能的要求,20世纪80年代初期,美国麻省理工学院(MIT)的Suh课题组首先提出并成功研制了微孔发泡塑料。与未发泡的塑料相比,微孔发泡塑料密度可降低5%~95%,冲击强度可增加高达5倍,韧性提高5倍,刚度增加3~5倍,疲劳寿命延长5倍,介电常数和热导率大幅下降。由于这些独特的性能,使微孔发泡塑料的应用领域非常宽广,如应用于飞机和汽车零部件、运动器材、保温纤维、分子级过滤器、生物医学材料、吸附剂及催化剂载体、绝缘纤维及分子筛等,微孔发泡塑料被称为“21世纪的新型材料”。

到目前为止,微孔发泡塑料可采用相分离法、单体聚合法、超临界流体沉淀法、超饱和气体法和模压法等多种方法制备,其中相分离法污染大;单体聚合法和压缩流体反溶剂沉淀法效率低;超饱和气体法中的釜压法生产周期长;挤出法和注射法生产成本高;模压法等方法应用范围有限。随着技术的发展和社会的进步,对微孔发泡塑料的成型技术提出了更高的要求,如环境友好性,不使用有可能对塑料基体造成污染的添加剂;微观结构的可控性及能够实现连续生产等。要满足这些要求,必须开发新的微孔发泡塑料制备技术。

1 相分离法

这是较早出现的一种制备开孔结构微孔发泡塑料的方法。首先将聚合物溶于一定溶剂中,使两相、三相或多相混合物体系在温度或溶剂等作用下产生分相,从而得到带有微孔结构的聚合物,最后通过升华干燥或超临界萃取的方法将溶剂与聚合物分开,即得到微孔发泡塑料。Aubert和Clough提出了一种相分离法生产低密度PS微孔发泡塑料。其成型过程如下:首先将聚合物PS溶解到发泡塑料。其成型过程如下:首先将聚合物PS溶解到适当的溶剂中,并将溶液置于模具中快速冷却使溶液冷冻;然后通过升华干燥将溶剂挥发掉,留下的聚合物就成为了微孔泡沫塑料。微孔泡沫塑料的密度取决于聚合物在溶剂中的原始浓度。泡孔结构既取决于液-液相分离也取决于液-固相分离,其中,液-液相分离在升华干燥之前发生,而液-固相分离在升华干燥过程中发生。如果发生液-液相分离,则泡孔是各向同性的,泡孔尺寸小;如果只发生液-固相分离,则泡孔是各向异性的,出现薄片样的结构,在薄片的皱折之间出现大的分隔。通常各向同性的结构是理想的,但在某些应用上,泡孔的定向也有其优点。

相分离法存在一定的缺陷,即在温度骤降过程中存在的温度梯度以及溶剂分离时产生的表面张力都易引起泡孔塌陷而破坏微孔结构。而且这种制备方法需要使用大量昂贵的、有害的溶剂,而且出于环境和产品价格方面的考虑,这些溶剂必须回收再利用,也使得整个生产过程非常复杂。除此以外,如果产品用于食品和医药领域,还必须脱出材料中残余的少量溶剂,这不仅增加了产品的成本而且限制了其应用。同时,这种方法要求聚合物的相对分子质量分布范围窄,并要选择合适的溶剂,也不适合大批量生产。

2 单体聚合法

微乳液是具有稳定微观结构的体系,单体在其中聚合也可以得到微孔结构的聚合物。Raj等人在由MMA、AA、水、十二烷基磺酸钠组成的微乳液中,用2,2-二甲氧基-2-苯基-苯乙酮(DMPA)引发聚合得到微孔直径为1~4μm的聚合物。研究表明当体系中水含量小于20%时,可得到闭孔结构的微孔材料;当水含量在20%~80%之间时,则可以得到开孔结构的微孔材料,而且泡孔直径随着水含量的增加而增大。由于在聚合过程中,体系中各组分间存在的静电作用和位阻效应会破坏体系的微乳液状态,引起相分离,最终破坏微孔结构。所以必须注意适当加快聚合速率,使反应在发生相重组之前完成。

3 超临界流体沉析法

超临界流体(SCF)是指温度超过了物质的临界温度、压力超过了临界压力的流体。它既非气态又非液态,但兼具二者优点:既像气体一样容易扩散,又像液体一样有很强的溶解能力,而且其黏度、溶解能力等与密度相关的性能都可通过调节压力来控制。用超临界流体沉析制备微细颗粒是近年来国际上正在积极开发的新技术。1993年Dixon等人应用该技术成功制备了PS微孔发泡塑料。方法是:先将PS溶于有机溶剂中,该溶剂必须与超临界CO2(SC-CO2)相溶,例如甲苯,再将该溶剂喷入盛有SC-CO2的容器内。当溶剂与SC-CO2接触时,由于溶剂对SC-CO2的吸收而使其体积稀释膨胀,从而改变溶剂与溶质PS间的作用力、降低溶剂的溶解能力,使PS形成过饱和而淀析出微孔颗粒。最后经过滤或由SC-CO2携带出溶剂。

研究表明,通过控制压力、温度、溶液初始浓度及溶剂引入速率等条件,可以控制过饱和度的变化,从而方便地控制成核速率及微孔的尺寸。

4 超饱和气体法

超饱和气体法是目前最常用的方法,其基本原理是:使聚合物在高压下被惰性气体(CO2或N2)所饱和,形成聚合物-气休均相体系,再通过控制温度和压力,降低气体在聚合物中的溶解度,产生超饱和态,使聚合物发泡。从生产方式分,超饱和气体法可分为两种:间歇成型法和连续成型法。

4.1间歇成型法

在微孔发泡塑料的研究中,最早采用的是间歇法,又称两步法,其主要加工步骤分为两步,第一步是在室温和等静压条件下,将聚物试件浸泡在CO2或N2等惰性气体中,经过一段时间后形成过饱和状态;第二步是将聚合物试样从等静压容器中取出,快速降低压力或提高温度,使CO2或N2等惰性气体在聚合物中的溶解度迅速降低,从而在含有饱和气体的聚合物中诱导出极大的热动力学不稳定性,激发气泡的成核和长大。具体是将聚合物试样从压力容器中取出以后,立即放在温度接近玻璃化温度的热甘油浴池中加热,控制加热温度和加热时间,制品经液态N2冷却后,就可以得到所需的微孔发泡塑料。

间歇法生产微孔发泡塑料的主要优点是成核速率高,泡孔易于控制,而且可以方便地制备结构微孔发泡塑料。间歇法最大的缺点是生产周期长、产量低,限制了微孔发泡塑料的商业应用。但间歇法为微孔发泡塑料发泡成型的理论研究提供了一种有用的方法。

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