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《北京化工大学》 2002年
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聚丙烯挤出发泡过程的理论及实验研究

何继敏  
【摘要】:发泡材料具有质轻、隔热、隔音、缓冲、价格低廉等优点,在国民经济和日常生活中的应用日益增长。近年来,传统的泡沫塑料—发泡聚苯乙烯(PS)由于在成型过程中使用氟氯碳化物而破坏自然界大气臭氧层,制品废弃物不腐烂、难回收,对周围环境造成“白色污染”,联合国环保组织已决定到2005年在全世界范围内停止生产和使用发泡PS,我国也已规定从2000年开始禁止使用一次性PS发泡餐具。聚丙烯(PP)作为增长最快的大宗通用树脂,其发泡产品具有优良的耐热性和机械强度,以及大大优于发泡PS、发泡聚乙烯(PE)的环境适性,可广泛应用于包装、食品、快餐、汽车、建筑、绝热、体育等领域,成为替代发泡PS的高性能绿色发泡材料,受到人们的青睐和重视。 但由于PP的高结晶性,熔体强度低,其发泡成型较为困难。目前,只有美国、日本、德国少数发达国家基本实现了工业化生产,我国仍处于空白,有关PP发泡的理论研究,则更为缺乏。本课题在国内外研究成果的基础上,对PP化学挤出自由发泡过程进行了初步的理论和实验研究。 本文取得如下主要成果和结论: 1.以国产普通PP树脂为基础原料,采用普通单螺杆挤出机和普通机头,实现了一阶工艺的PP化学挤出自由发泡成型,与国外多阶工艺的常压发泡法以及同类挤出发泡法相比,本工艺具有流程短、设备简单、产品可调、经济性佳的特点。 2.通过交联挤出和共混挤出改性,提高了普通PP树脂的熔体强度,其流变性能特征是熔体粘度随温度下降的速率变缓。在此基础上,采用(低度)交联挤出发泡和无交联共混挤出发泡两种工艺,实现了从低发泡到具有“泡沫”特性的高发泡PP(发泡倍率:6~8)的挤出发泡成型。 3.系统分析了PP发泡的螺杆挤出阶段从交联剂、发泡剂分解直到PP聚合物/溶解气体溶液形成的一系列物理化学反应过程及机理,探讨了PP的结晶熔融相变过程以及结晶性对气体扩散与溶解的影响。 4.对泡孔成核到泡孔膨胀、固化的PP泡孔形成全过程进行了系统的理论探讨。以“细胞”模型为基础,建立了PP泡孔膨胀的物理、数学模型,通过动量、质量和能量传递方程的偶合,得出了泡孔膨胀的控制方程组。与前人的研究相比,本模型综合考虑了非等温、熔体密度变化、泡体的可压缩性、真实气体状态方程和PP的结晶潜热等因素和条件,使理论模型更为完整和接近实际。 5.从改变配方、成型工艺和设备结构参数的组合出发,通过大量实验,研 究了不同加工变量下发泡成型对PP泡孔结构和泡体性能的影响,初步得出了 这些加工变量与PP发泡效果之间的关系,对指导泡孔结构与性能的控制具有 重要意义。 6.引入“瞬变流”概念,借助“爆炸学”理论,提出并证明了PP发泡过 程的“瞬变流”特性:瞬时性和振荡性,发现了PP实现高发泡时的“瞬变” 特征,通过比较得出,高发泡PP泡体具有与 PS泡沫相似的“蜂窝”状泡孔结 构和回弹性特征。 7.研究了PP发泡中的熔体破裂现象,通过熔体破裂发生过程的分析得出 其熔体破裂机理是聚合物熔体不稳定流动与泡孔破裂两方面共同作用的结果。 实验结果表明,挤出背压过低造成的口模内提前发泡、口模温度过高或过低、 交联过度等因素都会导致PP发泡出现熔体破裂,而发泡中出现的“假性发泡” 现象是内部发生破裂的特殊熔体破裂现象。 8.实验发现,当口模温度降低到 PP熔点附近,由于熔体强度的急剧上升, 从而可实现较好发泡状态。在口模出口处,对挤出发泡物实行强制冷却,可改 善泡体的表面质量、泡孔结构和泡体机械性能。这表明,口模温度对于改变泡 孔结构和泡体性能具有决定性的影响 9.实验结果表明,挤出机螺杆、机筒和机头结构对发泡具有重要影响。螺 杆和机头结构不合理,难以实现发泡;高压力机头由于能够建立较高的挤出背 压,可获得较好发泡效果;开槽喂料段机筒的挤出机与光滑喂料段机筒的挤出 机相比,更容易实现发泡,因为前者更能够建立发泡所需的轴向压力分布最佳 曲线。 10.实验结果表明,由于分解热动力学特性的差异,采用放热型发泡剂 (AC)可获得高发泡PP泡体,采用吸热型发泡剂则趋于得到刚硬的低发泡PP 泡体。 总结全文,本文得出:通过配方、成型工艺和设备结构参数的有机结合, 以国产普通PP树脂(无需使用价格昂贵、来源有限的进口高熔体强度PP树脂) 在单螺杆挤出机上实现从低发泡到高发泡的一阶连续化学挤出发泡是可行的。
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