聚合物发泡材料工艺路线全览

随着社会的发展和进步，各行各业对塑料性能的要求也越来越高，人们越来越青睐于环保、安全、质轻、性价比高的材料。聚合物发泡材料是一种以树脂为基体，在材料内部有大量气泡，可以看作以气体为填充材料的固/气复合材料。发泡材料质量轻，比强度高且具备缓冲、吸声、保温等功能，在建筑、汽车、包装、航空航天和家电等领域应用广泛。

聚合物发泡材料品种众多。对于塑料，大多数热塑性塑料＆热固型塑料都能加工成泡沫塑料。典型的发泡材料有聚氨酯（PU）泡沫、聚苯乙烯（PS）泡沫、聚烯烃（PP、PE）泡沫、聚氯乙烯（PVC）泡沫、酚醛泡沫、环氧化物树脂泡沫等热塑性和热固性泡沫塑料，丁腈橡胶泡沫、热塑性弹性体泡沫及发泡淀粉、发泡植物纤维等天然高分子泡沫材料，以及高性能泡沫如聚异氰脲酸脂（PIR）泡沫、聚酰亚胺（PI）泡沫、有机硅泡沫等在军事、航空航天等领域发挥着重要作用。

热塑性发泡材料的发泡过程是一个较为复杂的热力学和动力学过程，根据不同的发泡工艺，又可以将发泡过程分为挤出发泡、模压发泡、釜压发泡、注塑发泡等，而无论哪种工艺，发泡材料的基本过程一般可以分为四个步骤，如下图：

（1）发泡剂溶解在聚合物基体中，形成聚合物/发泡剂气体的均相体系。在一定的温度和压力下，发泡剂气体分子渗透到聚合物基体中，最后达到溶解平衡，形成气相/聚合物的均相体系。

（2）热力学失衡造成的气泡成核过程。在热力学不稳定状态下（压力骤降或温度骤升），使聚合物/气相饱和体系迅速成为过饱和体系，溶解在聚合物熔体中的气体在聚合物熔体中集中，并逐渐形成原始微小的气泡，即气泡在聚合物基体中成核，形成“泡核”。

（3）原始泡孔核的生长。“泡核”形成后，溶解在聚合物基体中的气体分子开始逐渐向“泡核”扩散，使泡孔生长，体系内的自由能持续降低。在气泡生长阶段，相分离开始，气相也已经形成，气泡的膨胀受到聚合物基体的粘弹性、泡孔生长的时间、体系温度、发泡剂的扩散速率等因素的影响。此外，发泡的工艺参数、设备的结构参数等都对气泡的生长也都有强烈的影响。

（4）泡孔的稳定和固化定型。泡孔在生长的过程中，大部分气体扩散到气泡中或者逃逸出，泡孔生长的驱动力降低，气泡也逐渐不再生长，泡孔趋于稳定，聚合物基体的刚性逐渐提高，泡孔结构最终固化定型。这阶段主要受冷却速率和冷却时机的影响。

热塑性塑料发泡材料的成型工艺主要有模压成型、可发性珠粒模塑成型、连续挤出发泡成型以及注塑发泡成型等几类。

一、模压发泡

模压成型属于较早的发泡工艺类型，所以对模压发泡并没有规范的缩写命名。直到近年来聚丙烯模压发泡材料涌现出来后，被冠以“M”，定义为“MPP”。

模压发泡法由于在加压下控制了发泡剂的分解速度，同时也增加了熔融树脂中的气体溶解度，压力下也容易控制交联度，从而能得到高发泡且又均匀微细气泡的PP泡沫塑料。

二、可发性珠粒模塑成型工艺

第二类发泡工艺称为可发性珠粒模塑成型工艺，即在高压釜中，在一定时间内，通过高压将物理发泡剂在预定温度下浸渍进入基体树脂的细小粒料之中，然后冷却体系温度至室温，即得到可发性珠粒。使用时，先在一定的发泡温度下，利用水蒸气或热空气使可发性珠粒预发泡一下，得到绿豆大小预发泡的可发性珠粒。在制备制品时，将预发泡的可发性珠粒放入模具中加热、减压，使预发泡的可发性塑料珠粒进一步膨胀并相融合，形成预定形状的发泡材料，即称为可发性珠粒模塑成型，通常在基材缩写名称前冠以“E”字。例如最早、且最常见的PS 可发性珠粒发泡材料即称为“EPS”；近年来发展起来的PP 可发性珠粒即称为“EPP”。由于都是采用物理发泡剂，因而发泡倍率较大。

三挤出发泡

第三类发泡工艺称为挤出发泡，即塑料与物理或化学发泡剂分别加入挤出机的不同位置，高压下在挤出机中熔融形成均匀的溶液，然后在口模处突然泄压、发泡、冷却，制成板材、片材甚至管材等。这类发泡材料通常在基材缩写名称前冠以“X”字母。例如较常见的挤出发泡的PS 即称为“XPS”；挤出发泡的低密度聚乙烯（LDPE）即称为“XPE”；不太多见的挤出发泡PP 即称为“XPP”。

在挤出发泡过程中，发泡剂在高压状况下必须与塑料形成均匀的溶液，并在口模处瞬间泄压、发泡、冷却、形成发泡材料，不可能借助固相或者结晶的约束力，故而对塑料的熔体强度要求很高，特别需要熔体在拉伸过程中具有较强的应变硬化的性能，因此发泡难度较大。