賈輝 袁崢 徐文良 朱建新 邱建成

（蘇州同大機(jī)械有限公司，張家港 215614）

前言

本文接上篇《中空吹塑制品的微發(fā)泡成型技術(shù)（一）》（本刊2023年第四期）文章的介紹，本文專門(mén)介紹中空吹塑制品的物理發(fā)泡成型技術(shù)，包括發(fā)泡原理、發(fā)泡工藝、設(shè)備、與中空吹塑制品的微發(fā)泡成型技術(shù)。在中空吹塑制品的微發(fā)泡成型技術(shù)方面，蘇州同大機(jī)械有限公司研發(fā)中心為此做了大量的，細(xì)致的研究工作，值得關(guān)注。

1. 中空吹塑制品的物理發(fā)泡技術(shù)

中空吹塑制品的微發(fā)泡成型技術(shù)是采用物理發(fā)泡或是化學(xué)發(fā)泡方法，使吹塑制品內(nèi)部具有微發(fā)泡的微孔形態(tài)，其微孔塑料是高分子材料內(nèi)部具有微小氣泡的結(jié)構(gòu)，氣泡的存在不僅不會(huì)降低材料的強(qiáng)度，而且使材料中原有的裂紋尖端鈍化，阻止裂紋在應(yīng)力作用下擴(kuò)展，從而提高其力學(xué)性能，具有卓越的機(jī)械和物理性能。經(jīng)過(guò)發(fā)泡后的結(jié)構(gòu)材料具有密度低、質(zhì)量輕、隔熱、絕緣、吸能緩沖效果好、強(qiáng)度高、剛度好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。鑒于以上性能優(yōu)勢(shì)，中空吹塑制品的微發(fā)泡技術(shù)產(chǎn)品已在各行業(yè)中得到創(chuàng)新性應(yīng)用，如化工包裝、食品包裝、汽車行業(yè)的輕質(zhì)配件、建筑、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療等。目前主要中空吹塑制品的物理微發(fā)泡技術(shù)主要有：超臨界氣體發(fā)泡、低沸點(diǎn)化合物發(fā)泡、膨脹微球發(fā)泡。

綜合對(duì)以上發(fā)泡技術(shù)的研究了解后，蘇州同大機(jī)械有限公司選擇超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)，使高壓下溶有大量超臨界氣體的熔體在突然降低溫度或升高壓力下，引發(fā)體系氣體的過(guò)飽和，從而形成大量的泡孔核，熔體內(nèi)部的氣泡核不斷長(zhǎng)大成型，最終獲得微孔發(fā)泡的中空吹塑制品。

1.1 超臨界氣體發(fā)泡原理圖

超臨界氣體發(fā)泡原理見(jiàn)圖1。

圖1 超臨界氣體物理發(fā)泡原理圖

首先將聚合物及添加劑按一定比例混合后，送入專用物理發(fā)泡擠出塑化系統(tǒng)，將混合物塑化均勻。

再將惰性氣體加壓至超臨界狀態(tài)按一定比例加注進(jìn)擠出塑化系統(tǒng)，通過(guò)擠出塑化系統(tǒng)專門(mén)的分散混合功能形成氣體和熔體均相混合物，并通過(guò)壓力溫度等改變，來(lái)改變氣體和熔體混合物穩(wěn)定相的塑料型坯，再通過(guò)在模具內(nèi)快速定型從而使中空吹塑制品的壁厚內(nèi)部形成微孔結(jié)構(gòu)。

物理發(fā)泡劑通常是能夠在連續(xù)擠出加工條件下汽化使用的低沸點(diǎn)液體，如芳香族、環(huán)狀、脂肪族或者鹵代烯烴類、醚類、酮類、醇類等化合物。這些氣體可以使聚合物熔體膨脹使之發(fā)泡。

對(duì)聚合物有效膨脹的要求有如下幾點(diǎn)：對(duì)聚合物基體進(jìn)行增塑、發(fā)泡劑要完全溶解、減少氣體的擴(kuò)散、抑制泡孔聚集、促進(jìn)膨脹作用。

常用物理發(fā)泡劑有碳?xì)浒l(fā)泡劑，如正丁烷、異丁烷、環(huán)戊烷等等。惰性氣體發(fā)泡劑，如氮?dú)?、二氧化碳、氬氣等等。氫氟烴發(fā)泡劑，如HFC-23、HFC-32、HFC-365mfc等等。在本研究中采用了惰性氣體作為物理發(fā)泡劑。

通常情況下，氣體（二氧化碳或者氮?dú)獾龋╇S著壓力的增高，氣體的密度會(huì)逐漸升高， 在臨界壓力之前為氣態(tài)。隨著溫度的減小而變?yōu)橐簯B(tài)，當(dāng)壓力進(jìn)一步增大并且溫度高于臨界 溫度的一定范圍時(shí)，氣體將處于超臨界狀態(tài)，在這種狀態(tài)下的性能類似于氣體和液體，密度位于氣態(tài)和液態(tài)之間。

1.2 超臨界氣體物理發(fā)泡中空吹塑成型設(shè)備

蘇州同大機(jī)械有限公司研發(fā)中心的工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，研制成功了系列的中空吹塑制品的物理發(fā)泡智能生產(chǎn)線，其中代號(hào)HSⅡ5L雙工位高速5L智能化生產(chǎn)線最早推出的試驗(yàn)生產(chǎn)線。

中空吹塑制品超臨界氣體物理發(fā)泡主要設(shè)備包括高純度氣源、氣體加注系統(tǒng)、加注閥、物理發(fā)泡擠出系統(tǒng)、檢測(cè)與反饋系統(tǒng)等。設(shè)備的原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 中空吹塑制品物理發(fā)泡主要工藝設(shè)備原理圖

圖3 中空吹塑制品物理發(fā)泡設(shè)備實(shí)體圖

圖4 蘇州同大機(jī)械有限公司研制的HSⅡ5L物理發(fā)泡智能生產(chǎn)線

中空吹塑機(jī)智能生產(chǎn)線應(yīng)用超臨界氣體物理發(fā)泡技術(shù)，不僅僅只是在原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上增加一些氣體發(fā)泡的裝置及控制就可以解決的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，涉及到中空吹塑方面的一些理論上認(rèn)知的突破和提高，圍繞各種不同的吹塑原料性能的差別和技術(shù)要求對(duì)擠出機(jī)塑化混煉性能會(huì)有不同的技術(shù)要求，對(duì)中空吹塑型坯成型的機(jī)頭也會(huì)有不同的技術(shù)要求，針對(duì)這些系列問(wèn)題以及技術(shù)難點(diǎn)，蘇州同大機(jī)械有限公司研發(fā)中心的工程技術(shù)人員做了大量的、多年的研究工作，在理論上和技術(shù)方面提高了對(duì)超臨界氣體物理發(fā)泡技術(shù)應(yīng)用于中空吹塑制品的認(rèn)識(shí)。

整理、收集了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)，形成了專有的認(rèn)知和獨(dú)有的技術(shù)。只有更好的理解超臨界物理發(fā)泡工藝，才能滿足需要的性能，例如阻隔性能、更低的密度、更高的強(qiáng)度質(zhì)量比。若是對(duì)加工工藝和泡孔形態(tài)之間的關(guān)系有一個(gè)基本了解，就能有效控制泡孔結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)出高質(zhì)量的微孔塑料制品，因此需要從分子結(jié)構(gòu)水平來(lái)研究超臨界物理發(fā)泡的機(jī)理。

目前PFA的溶解度預(yù)算模型和增塑作用得到了充分地研究和發(fā)展，但沒(méi)有任何理論模型能夠精確預(yù)算泡孔的成核和生長(zhǎng)。

理想的超臨界物理發(fā)泡擠出過(guò)程包括以下步驟：PFA的溶解、對(duì)聚合物基體的增塑、經(jīng)過(guò)壓力降后泡孔的成核和生長(zhǎng)，最后泡孔結(jié)果的穩(wěn)定化。在這些過(guò)程中，需要對(duì)PFA溶解度、體系粘度，甚至界面張力等基本特性進(jìn)行研究。

在中空吹塑制品成型中應(yīng)用超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)，實(shí)際操作上也是會(huì)有一個(gè)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)到熟練的過(guò)程，畢竟超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)應(yīng)用于中空吹塑的時(shí)間不是很長(zhǎng)，需要在不斷的操作實(shí)踐中熟練提高技術(shù)水平。

隨著對(duì)這些專有技術(shù)認(rèn)識(shí)的加深和提高，中空吹塑制品的超臨界氣體微發(fā)泡技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)水平也會(huì)得到較快的提高。

1.3 超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

中空吹塑制品采用超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)，可使其制品可達(dá)到超潔凈的水平，利于達(dá)到一些特別的潔凈要求。如GMP認(rèn)證的產(chǎn)品要求，以及一些電子產(chǎn)品的外包裝容器的潔凈要求等。

超臨界氣體發(fā)泡的中空吹塑制品具有更為精細(xì)的泡孔結(jié)構(gòu)和特別的物理力學(xué)性能等。

超臨界氣體發(fā)泡的中空吹塑制品，它的抗沖擊強(qiáng)度更大，具有更好的熱穩(wěn)定性，韌性、更好的隔音性能，以及更好的剛性等特殊的性能。

同時(shí)，應(yīng)用超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)的中空吹塑機(jī)的操作性能也是可塑的，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，操作人員的操作水平將很快可得到提高。

2. 中空吹塑制品超臨界氣體物理發(fā)泡技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

應(yīng)用超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)的中空吹塑制品具有很多與常規(guī)中空吹塑制品獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，這項(xiàng)新技術(shù)生產(chǎn)的中空吹塑制品幾乎可以應(yīng)用到現(xiàn)在所有的中空吹塑制品行業(yè)中來(lái)。

中空吹塑制品應(yīng)用超臨界氣體物理發(fā)泡目的是為了在不降低材料自身性能的前提下降低材料的密度、減少材料的使用量以及節(jié)省開(kāi)支。與未發(fā)泡材料相比，發(fā)泡材料具有質(zhì)量輕，原料使用相對(duì)少，隔熱性能提高、緩沖性能提高、隔音性能好，抗沖擊性能強(qiáng)，比強(qiáng)度高等優(yōu)良性能。見(jiàn)圖5。

圖5 超臨界氣體發(fā)泡中空吹塑制品的特點(diǎn)

超臨界氣體物理發(fā)泡的中空吹塑制品可以參考聚合物微發(fā)泡材料，通過(guò)不同常規(guī)塑料的力學(xué)測(cè)試方法來(lái)表征。見(jiàn)表1。

表1 微發(fā)泡塑料材料常用力學(xué)性能測(cè)試方法總結(jié)

微發(fā)泡塑料材料（MCFs）是指泡孔平均尺寸在10μm左右，泡孔密度很高的聚合物泡沫，這兩種特征都能是密度顯著下降。制備微孔泡沫的方法是有Martini,Suh和Waldman發(fā)明的，他們利用熱力學(xué)的不穩(wěn)定使氣泡能夠在固體聚合物中成核生長(zhǎng)。微孔泡沫并沒(méi)有表現(xiàn)出與未發(fā)泡聚合物相差顯著的力學(xué)性能。

在中空吹塑制品中應(yīng)用超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)，對(duì)制品進(jìn)行微發(fā)泡吹塑成型，可使中空吹塑制品提高物理力學(xué)性能，提高制品的強(qiáng)度、剛度、阻滲、抗振動(dòng)、增加壁厚、降低自重等。特別是在中空吹塑制品添加了較多的增強(qiáng)劑等比重較大的材料時(shí)，采用微發(fā)泡技術(shù)可保障制品的壁厚變化不會(huì)很明顯，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有比較好的效果。

中空吹塑制品微發(fā)泡的結(jié)構(gòu)形式可以通過(guò)電子顯微鏡來(lái)觀察，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式一般是互不相連的微孔，其結(jié)構(gòu)的形式也是千變?nèi)f化，即使是同一機(jī)型，同一制品生產(chǎn)的同批次產(chǎn)品，其制品的內(nèi)部微發(fā)泡的形式具體結(jié)構(gòu)也不是完全相同的。這個(gè)可能就是微發(fā)泡制品的一個(gè)特性了。見(jiàn)圖6~8。

圖6 蘇州同大機(jī)械有限公司試驗(yàn)的物理發(fā)泡單層制品/三層制品

圖7 超臨界氣體發(fā)泡單層制品剖面放大圖

圖8 超臨界氣體物理發(fā)泡三層制品剖面放大圖

微發(fā)泡的泡孔形態(tài)一般從以下方面描述：泡孔密度、泡孔結(jié)構(gòu)、泡孔尺寸分布、泡孔各向異性、微觀結(jié)構(gòu)密度參數(shù)等等。

泡孔密度是描述泡孔形態(tài)最常用的參數(shù)。根據(jù)研究領(lǐng)域不同，密度被分為真密度、相對(duì)密度和泡孔空隙率。

泡孔結(jié)構(gòu)用來(lái)描述泡孔微觀結(jié)構(gòu)的參數(shù)是其所含的開(kāi)孔和閉孔的比例。一般將微孔材料置于密閉容器內(nèi)，對(duì)比加壓前后微孔材料的體積變化。如果體積沒(méi)有變化，證明微孔材料是100%閉孔結(jié)構(gòu)的。如果加壓前后體積出現(xiàn)變化，則證明微孔材料內(nèi)部有開(kāi)孔結(jié)構(gòu)存在，導(dǎo)致外部氣體進(jìn)入了泡孔內(nèi)部。

泡孔尺寸分布通過(guò)顯微鏡切片或者斷裂界面作為樣品，使用圖像分析法，對(duì)泡孔的單位直徑進(jìn)行定量觀察，再通過(guò)對(duì)單位范圍內(nèi)泡孔尺寸數(shù)據(jù)作柱狀圖，從而得到泡孔尺寸分布數(shù)據(jù)。

泡孔各向異性主要是正交坐標(biāo)泡孔尺寸方向、泡孔橫縱比、泡孔取向程度等等。

超臨界氣體物理發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)的中空吹塑制品目前可以主要應(yīng)用的行業(yè)或是產(chǎn)品都有：塑料托盤(pán)、200L危包桶、轎車及汽車吹塑配件、水上使用的各種中空吹塑制品、各種中空吹塑兒童玩具、醫(yī)療用各種中空吹塑制品、工程用的各種中空吹塑制品、辦公用各種中空吹塑制品、包裝容器類各種中空吹塑制品、危包桶各種中空吹塑制品等等。

超臨界氣體發(fā)泡制品可應(yīng)用于各行業(yè)包裝桶，如化工桶、機(jī)油壺等，具有改善沖擊性能，減少產(chǎn)品收縮和翹曲，輕量化，降低成本，減少碳排放，提高堆碼性能等突出優(yōu)勢(shì)。

隨著超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)應(yīng)用于中空吹塑機(jī)研究的深入，更多的產(chǎn)品將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。同時(shí)中空吹塑制品的產(chǎn)品質(zhì)量和應(yīng)用前景將得到提高和擴(kuò)展。見(jiàn)圖9~13等。

圖9 包裝桶圖片

圖10 超臨界發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)的中空吹塑轎車風(fēng)管圖片

圖11 超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)的轎車配件

圖12 超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)的工具箱

圖13 超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)的儲(chǔ)水桶

超臨界氣體發(fā)泡制品應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，具備隔音降噪，隔熱，防止冷凝、抑制霉菌，減少產(chǎn)品收縮和翹曲等。

超臨界氣體發(fā)泡制品應(yīng)用于工具箱包，重要優(yōu)勢(shì)為高剛性，降低成本15%以上，改善沖擊性能，微孔結(jié)構(gòu)阻止裂紋擴(kuò)展等。

超臨界氣體發(fā)泡中空吹塑制品應(yīng)用于民用水桶領(lǐng)域，與普通工藝制品相比，該制品可減輕重量 15%-20%，具有高剛性，隔音降噪，隔熱等突出特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

蘇州同大機(jī)械有限公司依托于二十余年在塑料擠出中空成型技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)研究，秉承對(duì)新技術(shù)的創(chuàng)新精神，對(duì)生產(chǎn)智造的匠心追求，超臨界氣體發(fā)泡技術(shù)應(yīng)用于中空吹塑領(lǐng)域必將日趨完善成熟，為海內(nèi)外客戶提供前沿技術(shù)和具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的中空成型設(shè)備解決方案，為行業(yè)蓬勃發(fā)展注入新的生命力。