王洪艷,李 琴,張 建,袁少飛,杜官本,張家祖

(1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院,浙江省竹類重點實驗室 浙江 杭州310023;2.西南林業(yè)大學(xué);3.浙江農(nóng)林大學(xué))

淺談PVC發(fā)泡板材

王洪艷1,李 琴1,張 建1,袁少飛1,杜官本2,張家祖3

(1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院,浙江省竹類重點實驗室 浙江 杭州310023;2.西南林業(yè)大學(xué);3.浙江農(nóng)林大學(xué))

介紹了PVC發(fā)泡板材的分類、成型機理、成型方法及國內(nèi)外PVC發(fā)泡材料的研究進展,并對其應(yīng)用前景進行了展望。

PVC發(fā)泡板；硬質(zhì)；軟質(zhì)；結(jié)皮發(fā)泡；自由發(fā)泡

PVC發(fā)泡板是指以聚氯乙烯(PVC)為主要原料,添加發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑等助劑,經(jīng)發(fā)泡、塑化而制成的不同規(guī)格的板材。PVC發(fā)泡板又被稱為雪弗板或安迪板,PVC發(fā)泡板因其密度小熱導(dǎo)率低、吸音性能好、阻燃性能和耐化學(xué)性能優(yōu)良、易于用常規(guī)機械加工等特點,現(xiàn)廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝潢裝修、公共場所建筑物隔間、地板等。PVC發(fā)泡板在國外一些發(fā)達國家應(yīng)用比較廣泛,在國內(nèi)發(fā)展相對緩慢,我國目前PVC發(fā)泡板年產(chǎn)約為幾十萬噸,且未完全利用。隨著國家“十三五”期間對建材和其他材料的節(jié)能環(huán)保要求提高以及中國木材資源的日益匱乏,PVC發(fā)泡板的應(yīng)用將會得到快速發(fā)展[1－3]。

1 PVC發(fā)泡板的分類

1.1 按發(fā)泡程度分類

按PVC發(fā)泡板的發(fā)泡程度不同,可將PVC發(fā)泡板分為高發(fā)泡板和低發(fā)泡板。高發(fā)泡板的發(fā)泡倍率一般為20～45倍,而低發(fā)泡板的發(fā)泡倍率一般低于15倍。

1.2 按泡體質(zhì)地的軟硬程度分類

按泡體質(zhì)地的軟硬程度不同,可將PVC發(fā)泡板分為硬質(zhì)發(fā)泡板和軟質(zhì)發(fā)泡板。通常硬質(zhì)發(fā)泡板的發(fā)泡倍率較低、強度高,多作力學(xué)材料使用,而軟質(zhì)發(fā)泡的發(fā)倍率較高、密度低、強度低,一般用作保溫材料。

1.3 按泡孔結(jié)構(gòu)分類

按泡孔結(jié)構(gòu)的不同,可將PVC發(fā)泡板分為閉孔發(fā)泡板和開孔發(fā)泡板。閉孔發(fā)泡板是指板材內(nèi)部具有相對獨立的泡孔結(jié)構(gòu),并且泡孔之間有壁膜隔開,泡孔間無法互相連通,而開孔發(fā)泡板是指板材內(nèi)部泡孔與泡孔之間部分連通,或者完全連通。

1.4 按制作工藝分類

按制作工藝的不同,可將PVC發(fā)泡板分為結(jié)皮發(fā)泡和自由發(fā)泡板。PVC結(jié)皮發(fā)泡板的板材表面被強制冷卻形成一層表皮層,此表皮層的表面不發(fā)泡,[4],PVC結(jié)皮發(fā)泡板表面硬度非常高,一般很難產(chǎn)生劃痕,因此廣泛應(yīng)用于櫥柜,裝飾板材及建筑材料等方面;PVC自由發(fā)泡板是指發(fā)泡劑熔融體離開模具?？诤?任其自由膨脹,然后通過定型裝置定型,制成不同形狀的PVC發(fā)泡板,由于PVC發(fā)泡板表面硬度一般,因此常被用于廣告展板,裱畫板等。

2 PVC發(fā)泡板的成型機理

和其他發(fā)泡板材一樣,PVC發(fā)泡板需要經(jīng)歷3個過程,即內(nèi)部形成氣泡核,然后自由膨脹,再冷卻固化定型。首先,PVC聚合物熔融體內(nèi)部通過發(fā)泡劑的作用形成大量均勻致密的氣泡核,此過程為氣泡核的形成;然后進入第2個過程即氣泡核的膨脹,由于受模具的限制,氣泡核膨脹到一定程度即停止定型,達到第3個過程即冷卻固化定型階段,此過程中,應(yīng)盡量保持氣泡的完整性,不要有氣泡裂開和凹坑[3－6],經(jīng)歷這3個過程后,最終制得PVC發(fā)泡板。

2.1 氣泡核的形成

在PVC的熔融材料中加入適量的發(fā)泡劑,發(fā)泡劑自由分散,并在熱的條件下,發(fā)泡劑分解而產(chǎn)生氣體,進而形成氣－液混合溶液,隨著材料中的氣體不斷產(chǎn)生,溶液慢慢達到過飽和狀態(tài),溶液中也會有氣體溢出[7],氣泡核就形成了。

PVC發(fā)泡板常用的發(fā)泡劑分無機發(fā)泡劑和有機發(fā)泡劑兩大類。無機發(fā)泡劑主要有碳酸氫鈉,有機發(fā)泡劑主要有偶氮二甲酰胺,偶氮二異丁腈[8]。

2.2 氣泡的膨脹

PVC發(fā)泡板氣泡膨脹的過程又稱為氣泡的成長,它是氣泡核的形成和固化定型之間的過程[3－7],氣泡膨脹的初期會有氣泡核進一步的長大。后期,隨著PVC熔體的溫度降低,粘度會變大,泡體固化慢慢形成。氣泡產(chǎn)生后,氣泡的半徑會增大,這是因為氣泡的內(nèi)壓與氣泡的半徑成反比,氣泡越小,氣泡內(nèi)的內(nèi)壓就越大。隨著氣泡的增大,當兩個氣泡靠近并互相接觸后,氣體會從小氣泡內(nèi)進入到大氣泡內(nèi),氣泡的半徑也會變大。

2.3 泡體的固化定型

PVC發(fā)泡板氣泡膨脹的后期也稱泡體的固化定型階段,隨著PVC樹脂粘度逐漸粘稠,使得板材內(nèi)的氣泡慢慢失去流動性,進而固化定型。由于氣泡的不斷形成,氣泡的數(shù)量不斷增多,使得氣泡的容積和表面積逐漸增大,而泡體的厚度不斷減小,泡體的結(jié)構(gòu)越來越不穩(wěn)定,氣泡與氣泡之間可能會融合,凹陷甚至裂開,但氣體體積的增大造成的內(nèi)壓還難以使氣泡壁再變形的程度,導(dǎo)致氣泡無法進一步膨脹,于是氣泡結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定固化。

3 PVC發(fā)泡板的成型方法

PVC發(fā)泡材料的成型方法雖然多種多樣,但PVC發(fā)泡板的成型方法主要可以分為擠出成型和模壓成型兩大類[9]。擠出成型是指物料通過擠出機料筒與螺桿之間的作用,邊受熱邊塑化,邊被螺桿向前推送,連續(xù)通過模具摸頭而生產(chǎn)板材的一種加工方法,其具有周期短、產(chǎn)量大、效率高、成型工藝簡單等優(yōu)點,是工業(yè)大規(guī)?；a(chǎn)中的主要方法;模壓成型是指將一定量的物料放入成型的模具腔中,經(jīng)加熱固化定型的一種加工方法,模壓成型具有工藝簡單,操作方便等優(yōu)點,但生產(chǎn)效率較低。

4 PVC發(fā)泡板的研究現(xiàn)狀

PVC發(fā)泡材料的研究最早開始于19世紀60年代,當時主要采用擠出成型工藝。80年代以來隨著新工藝新生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用,PVC發(fā)泡材料才真正進入實用階段。進入新世紀以來,研究學(xué)者們?yōu)榱诉M一步改善純PVC發(fā)泡材料的性能,在PVC中添加了其他材料進行發(fā)泡,因此PVC復(fù)合發(fā)泡材料應(yīng)運而生,其中最為代表性應(yīng)為PVC木塑復(fù)合發(fā)泡板。目前國內(nèi)外對PVC木塑復(fù)合發(fā)泡板的研究方向主要是(1)PVC材料和木質(zhì)材料界面相容性研究;(2)復(fù)合材料發(fā)泡程度和泡孔結(jié)構(gòu)影響因素的研究;(3)PVC木塑復(fù)合發(fā)泡板連續(xù)成型設(shè)備及工藝。

國內(nèi)對PVC木塑復(fù)合發(fā)泡板界面相容性的研究最早開始于1985年。當時福建林學(xué)院楊慶賢[9－10]等人對廢舊PVC與木粉的復(fù)合情況做了初步探索研究,隨后,我國一些科研單位(如中國林科院木工所、南京林業(yè)大學(xué)、中南林業(yè)科技大學(xué)等)的科研工作者對PVC木塑發(fā)泡復(fù)合材料的界面相容性、成型工藝及配方設(shè)計等問題都進行了深入的研究。

魯圣軍[8]等學(xué)者采用納米CaCO3為填充材料,對PVC材料進行改性,制成PVC發(fā)泡復(fù)合板。他們發(fā)現(xiàn)納米CaCO3粒子的加入可以提高PVC發(fā)泡板材的韌性,并且板材的強度、模量、熱變形溫度、加工流變性都有很好的改善。

苑會林[11－12]等人對提高PVC發(fā)泡板的拉伸和沖擊強度做了系統(tǒng)的研究,主要方法是選用鋁酸酯和烯酸丁酯作為偶聯(lián)劑對木粉進行表面處理,并以處理后的木粉為配料合成出新型的復(fù)合PVC發(fā)泡板,此種板材可以具有很好的拉伸和沖擊強度。

北京化工大學(xué)塑料研究所[2]分別對PVC/竹粉、PVC/楊木粉、PVC/砂光粉等木塑復(fù)合材料的發(fā)泡性能做了研究,研究結(jié)果表明,木纖維的種類對PVC/木纖維復(fù)合材料的發(fā)泡性能有一定的影響。其中含有較多的粘合劑和石膏粉的砂光粉會大大增加發(fā)泡材料的發(fā)泡難度,而采用復(fù)合發(fā)泡劑則可成功制得PVC/砂光粉發(fā)泡木塑復(fù)合材料,可控制發(fā)泡后復(fù)合材料的密度在0.7－0.85g/cm3。

L.M.Matuana[13]等采用木質(zhì)纖維素中的水分作為發(fā)泡劑制備PVC/木粉復(fù)合材料。研究結(jié)果表明,化學(xué)發(fā)泡劑(AC)和木質(zhì)纖維素中的水分含量沒有協(xié)同作用,而在配方中加入丙烯酸可明顯降低PVC發(fā)泡材料密度,在適當條件下,如合適的機頭溫度、適宜的丙烯酸,沒有AC的條件下也可以制成PVC/木粉復(fù)合泡材料。

F.Mengelogludeng[14]分別采用吸熱型和放熱型兩種發(fā)泡劑對擠出成型發(fā)泡板的泡孔結(jié)構(gòu)做了研究。結(jié)果表明,這兩種發(fā)泡劑通過擠出成型方法制成的硬質(zhì)PVC/木粉復(fù)合發(fā)泡板的延展性會得到明顯的提高,孔隙率達到35%,其中放熱型發(fā)泡劑制得的復(fù)合板泡孔尺寸較小。

Virgina等[15]通過分步發(fā)泡的方法制成了PVC/木纖維發(fā)泡復(fù)合材料,并且得到了很好的泡孔結(jié)構(gòu),但在生產(chǎn)過程中,必須嚴格控制發(fā)泡的時間和溫度。發(fā)泡的時間不宜過長,溫度也不宜過高,否則會使泡孔合并,發(fā)生并孔現(xiàn)象而不利于得到最佳的孔隙度。

縱觀以上國內(nèi)外學(xué)者的研究內(nèi)容,目前對PVC發(fā)泡板的研究主要還是圍繞(1)原料的處理;(2)配方設(shè)計;(3)制品的成型設(shè)備及成型工藝這幾個方面展開。

5 展望

PVC發(fā)泡板是作為一種可代替木材的合成板,已廣泛應(yīng)用于天花板,地板,室內(nèi)及車內(nèi)裝飾板材等。隨著國家對環(huán)境保護重視力度的加強,可回收利用的PVC發(fā)泡板以及以塑代木的PVC木塑復(fù)合發(fā)泡板將有更廣闊的市場,

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Discussion of the PVC foam board

WANG Hongyan1,LI Qin1,Zh ANG Jian1,YUAN Shaofei1,DU Guanben2,ZHANG Jiazu3
(1.Key Laboratory of Bamboo Research of Zhejiang,Zhejiang Forestry Academy,Hangzhou 310023;2.Southwest Forestry University;3.Zhejiang A&F U University)

The classification of PVC foam board,the forming mechanism,the forming method,the research progress of PVC foam material at home and abroad were introduced in this paper,and the application prospect of the PVC foam board was also prospected.

PVC foam board;hard;soft;skin foaming;free foaming

S781.6

A

1002－2724(2016)06－0109－03

2016－11－03

浙江省林業(yè)工程重中之重一級學(xué)科開放基金(2014lygcy026)資助,浙江省公益技術(shù)農(nóng)業(yè)項目(2015C32087)資助。

王洪艷(1984－),女,博士,助理研究員,湖北荊州人,主要從事人造板及膠黏劑的研究研究。E－mail:15990054143＠163.com