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    結合了起泡劑物理及化學優勢的泡沫擠出方法
    作者:管理員    發布于:2017-05-10 14:23:28    瀏覽 (1220)

    這是一種新的結合了起泡劑物理及化學優勢的泡沫擠出方法:被壓入粒子的固體二氧化碳(干冰)起泡劑被加入擠塑機料斗。這種起泡方法,很容易通過改造得到,從而為泡沫擠出提供了很好的入門級解決方案。

       塑料起泡加工的主要目的是節約材料、改善特定產品的性能。起泡產品可吸收沖擊,防震、隔熱,并且具有柔韌性。在泡沫擠出加工中,需要在塑料內加入起泡劑,使熔體在擠出模頭內起泡。如果是化學發泡,起泡劑要以固體母料的形式,通過擠出機料斗加入。在加熱過程中,起泡劑釋放出CO2、N2或水氣。不利的因素包括起泡劑成本相對較高,在產品中的殘留較高。如果是物理性起泡,氣體起泡劑通過泵或注塑頭直接注射進熔體。這種方法的缺陷是計量復雜、擠出頭加工長度大(38-42D),以便混合均勻、方便冷卻。長的加工長度通過單螺桿擠出頭和液體溫度控制冷卻區域、帶冷卻裝置的慢速旋轉擠出頭串聯系統,或帶有靜態混合元件的換熱器的來實現。

       新出現的干冰發泡工藝可以通過材料料斗添加物理發泡劑。該系統與德國Isny的motan-colortronic GmbH合作開發,用在了位于德國亞琛RWTH的塑料加工研究院(IKV,Institut fur Kunststoffverarbeitung)的擠出機上。

    干冰作為物理性發泡劑

       通過釋放液體二氧化碳,就可以制造出干冰。以一定量的液體開始,其中的三分之二蒸發(CO2蒸發熱:573.02kJ/kg);由于蒸發放熱,另外的三分之固化。迄今為止,人們對于干冰為何可用作發泡劑知之甚少:在一個專利中,干冰與液態CO2一起混合,添加到熔體中。另一個專利描述了PS發泡薄膜用干冰浸漬。由于溫度低,CO2在塑料中的溶解度上升。隨后對薄膜進行加熱,就開始產生泡沫。目前還沒有針對通過料斗來計量干冰的研究

       確定熔融過程對于了解干冰形成非常重要。很明顯,塑料材料通過剪切熔融,熱能加速了干冰的升華,由此產生了不可避免的損失??赏ㄟ^比較傳統的物理發泡擠出型材與具有同樣密度的干冰發泡擠出型材來衡量損失水平。兩種發泡劑量的差異就可以作為干冰量的損失。密度降低到一定程度的發泡劑量與料斗中已計量干冰相比的比率,可作為發泡劑產率。

    發泡擠塑中用干冰作發泡劑的喂入示意圖

    發泡擠塑中用干冰作發泡劑的喂入示意圖

       干冰加工中另一個熔融問題是用干冰冷卻塑料粒子,這會產生熔融的延遲。抵消這種影響的一個途徑是預先加熱塑料粒子。另一個降低材料冷卻的方案是,在馬上喂入料斗前,即混合干冰和塑料。干冰粒子由下行管道內的螺桿傳送帶喂入,它正好在擠出螺桿處結束,(圖1)。在那里,粒子經過混合,喂入擠出機。一旦螺桿通道在料斗方向被熔體和梯度壓力密封,發泡劑在熔體內優先溶解(圖2)。因此,擠出機必須用溝槽式喂料區。

    干冰升華,熔體中P1》P2時氣化CO2的溶解

    薄膜擠出中的干冰發泡

       發泡試驗用德國Remscheid的歐瑞康巴馬格公司生產的60mm單螺桿擠出機(型號為6E4),加工長度為40D。較后的13D制成冷卻延伸區,抵消熔體因發泡劑溶解而造成的粘度下降的影響。干冰發泡不需要這種冷卻延伸區,因為發泡劑注入時間早,溫度可以在擠出機中得到降低。這可以在后面一系列實驗中得到證實。對于薄膜的發泡,使用了直徑間距為50mm的液體加熱環形模頭。薄膜繞冷卻芯棒拉伸(拉伸比為1:3)、剪切,再平直卷繞。為了調查方便,使用了位于荷蘭斯塔德-赫倫的Sabic沙特基礎工業歐洲公司的LDPE2102tx00材料?;鳛槌珊藙┯糜趤碜缘聡鳮erpen地區A.Schulman公司的母粒PolybatchFPE50T中,該材料含有LDPE和滑石,兩者各占重量的50%。配方含有重量0.5%的母粒。

    LDPE發泡薄膜實驗加工條件一覽

    LDPE發泡薄膜實驗加工條件一覽

       表1列出了參數的變化和實驗條件。為加速熔融,塑料粒子預熱至65℃。圖3顯示了發泡板密度與干冰用量的關系。薄膜密度可通過增加干冰含量來降低,較多可降低40%。但干冰的重量占比超過30%時,密度又會升高。這是由于顆粒中混入高含量的干冰而造成強冷卻所致。熔融被非常關鍵地延遲,這樣干冰就會在熔體薄膜在料頭方向形成密封前升華。圖4顯示干冰產率、吞吐量變化和干冰含量重量占比為20%時的薄膜密度。當吞吐量為14kg/h時,密度約為700kg/m3。如果吞吐量提高至23kg/h,密度可以降低至220kg/m3。相當于實際發泡劑含量重量占比為0.9%,發泡劑產率約為3%。

    結合了起泡劑物理及化學優勢的泡沫擠出方法

    結合了起泡劑物理及化學優勢的泡沫擠出方法

       結果突顯了干冰劑量的高升華度。實驗中干冰產率約為1-3%。

       產率可通過降低干冰在加工單元內的駐留時間或通過提高吞吐量來提高。這使得工藝可以擴大到工業化規模。干冰發泡的結果可與那些物理發泡手段相媲美(圖5)。泡沫結構可以根據要求設計,其加工條件與助劑類似于傳統發泡方式。

       重點關注其他塑料

       在另一組實驗系列中,測試了干冰在PP中的發泡。實驗中,采用了來自奧地利維也納北歐化工公司的PPWB140HMS。通過將塑料粒子預熱至80℃,可以獲得發泡過程,薄膜密度約為450kg/m3(圖6)。發泡劑產率略好于用PE做的實驗。在進一步調查中,對其它類型的塑料進行了測試,以確定流變要求。

       結論與前景

       用干冰進行泡沫擠出加工的研究是可行的。使用干冰作為發泡劑的原因在于固體CO2比較容易計量、不含毒性。存在的挑戰則是,如何通過調查干冰對熔融過程的影響,來優化發泡劑產率。通過進一步的工藝優化的和將規模擴大到量產水平,有望進一步降低密度。在干冰發泡向吹塑成型體系的轉變過程中,生產出了發泡的LDPE瓶子。密度約降低了15%重量占比,顯示了干冰發泡工藝多種應用的可能性。

     

     

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