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第17章泡沫塑料成型模具泡沫塑料是以树脂为原料制成的内部含有无数微小泡孔的塑料制品.现代技术几乎能把所有热固性和热塑性树脂加工成泡沫塑料.目前,主要的泡沫塑料品种有聚氨脂、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和脲醛等.泡沫塑料具有密度低、导热系数低、吸湿性低、回弹性好、绝热和吸音隔音等特点,因此,在建筑上广泛用作隔音材料,在制冷方面广泛用作绝热材料,在仪器仪表、家用电器和工艺晶等方面广泛用作防震防潮的包装材料,在水面作业时常用作漂浮材料.泡沫塑料按其发泡倍率的不同可分为低发泡、中发泡和高发泡泡沫塑料.一般来说,低发泡泡沫塑料密度大于0.4g/cm’；中发泡泡沫塑料密度为0.1~0.4 g/cm3；高发泡泡沫塑料密度低于0.1g/cm3.17.1泡沫塑料的成型原理泡沫塑料的成型分为气发泡沫塑料和组合泡沫塑料两种.本章主要介绍气发泡沫塑料的成型.气发泡沫塑料的形成是将气体溶解在液态聚合物中,或将聚合物加热到熔融状态并同时产生气体形成饱和溶液,然后通过成核作用形成无数微小气泡核,泡核增长而制得泡沫塑料.发泡用的发泡剂可预先溶解于聚合物中或与固态聚合物混匀,当温度升高或压力降低时,就会发出气体而形成泡沫塑料.气发泡沫的形成大体分为气泡的形成、气泡的增长和泡沫稳定三个阶段.把化学发泡剂加入熔融的聚合物,或在混有发泡剂的固态聚合物中通人蒸汽,就会因化学反应或加入的气体形成气一液溶液,当达到饱和状态时,就会形成气泡核,此过程称为成核过程.为了在气体浓度较低情况下成核,往往在配方中加入成核剂又称形核剂,加快泡沫塑料的形成速度和提高泡孔的细度.气泡形成后,随着溶解气体的增加,温度的升高,气体的受热膨胀和气泡之间的合并,将促使气泡不断地增长.同时,通过成核剂的作用大大增加了气泡的数量,再加上气泡膨胀使孔直径扩大,因此泡沫塑料将不断胀大.由于气泡的不断生成和增长,使得泡沫体系的体积和表面积增大,因此气壁的厚度会不断减薄,使泡沫体系不稳定.通常采用加入表面活性剂以减少气体扩散的作用来促使泡沫的稳定,也可通过提高聚合物熔体、对物料冷却或增加聚合物交联作用来达到稳定的目的.本章主要以聚苯乙烯树脂为例,介绍泡沫塑料的成型工艺及模具设计.17.2聚苯乙烯泡沫塑料的成型工艺聚苯乙烯泡沫塑料成型方法主要有模压法、可发性珠粒法和挤出发泡法.模压法是采用乳液法聚苯乙烯和热分解型发泡剂的方法制得泡沫塑料,是早期使用的方法,现在很少使用.目前大量使用的方法是可发性珠粒法和挤出发泡法,我国主要使用可发性珠粒法.17.2.1可发性聚苯乙烯珠粒的制备在成型泡沫塑料之前,必须先将发泡剂与聚苯乙烯制成易于流动的珠状半透明的可发性聚苯乙烯珠粒.1预发泡预发泡有间隙歇法和连续法两种,目前多用连续法,其主要设备是连续蒸汽预发泡机,如图16.1所示.预发泡前,发泡剂通常为石油醚、正戊烷、异戊烷、季戊烷等在聚苯乙烯合成时或聚合后加入,含量约为6％—8％.将含有发泡剂的珠粒状聚苯乙烯加入发泡机,利用蒸汽将其加热到90-1050C,使树脂软化,同时发泡剂汽化造成压力,促使珠粒膨胀40~80倍.2熟化预发泡后的颗粒在环境温度下自然冷却,贮存一段时间,具体时间可由实验确定.泡孔内的发泡气体和水蒸汽凝成液态,珠内压力减小,形成局部真空状态,这时周围的空气通过泡孔膜渗透入泡中,使气泡内的压力与环境压力达到平衡,这一过程称为熟化.由于发泡剂与空气组合,进一步发泡时,预发泡颗粒将会产生更大的膨胀力.通常熟化处理在布袋或大型网状料仓中进行,最适宜的熟化温度为22~260C下熟化8~24h后就可放入模具中成型.一般室温17.2.2聚苯乙烯泡沫塑料的成型工艺聚苯乙烯泡沫塑料在模具内通入蒸汽加热成型,故称为蒸汽加热成型法.按照加热方式与使用设备的不同,可分为蒸箱发泡成型和泡沫塑料成型机一种专用液压机直接通蒸汽发泡成型两种.1蒸箱发泡对于生产小型、薄壁和复杂的塑件,大多采用蒸箱发泡成型.将填满可发性聚苯乙烯原料的模具合模后放进蒸箱通人蒸汽加热,蒸汽压力和加热时间视塑件大小和厚度而定.一般蒸汽压力控制在0.05~0.25MPa,加热时间为2~3min,根据需要也可长达10min以上.模内的预发泡颗粒受热软化和膨胀就互相熔结在一起,从蒸箱内取出模具,冷却脱模后即可得到泡沫塑料制件.2泡沫塑料成型机发泡泡沫塑料成型机是国内普遍使用的聚苯乙烯泡沫塑料成型设备,该设备可分为包装成型机和板材成型机两种.厚度较大的泡沫塑料制件或大中型的泡沫塑料制件常采用泡沫塑料成型机直接发泡成型.在模具上开有供通气用的0.1~0.4mm直径的通气孔,在成型前先通入0.1~0.2MPa的加热蒸汽,将模具预热0.5min后,打开出气口,用气送法将预发泡颗粒注入模具型腔中,闭合出气口,在蒸汽室中通入0.1~0.2MPa的蒸汽,使温度升至1100C左右,型腔内的预发泡颗粒就膨胀粘接为一体,关闭蒸汽阀门并保持1~2min,然后通冷却水,最后脱模.17.2.3聚苯乙烯泡沫塑料成型模具泡沫塑料成型模具的结构比较简单.对于小型、薄壁和复杂的泡沫塑料制件或者小批量生产的泡沫塑料制件,常采用蒸箱发泡的手工操作模具；对于大型厚壁或者大批量生产的泡沫塑料制件,常采用带有蒸汽室的泡沫塑料成型机直接通蒸汽发泡模具.17.2.3.1手工操作模具手工操作模具本身没有蒸汽室,而是将整个模具放在蒸箱中通蒸汽加热,成型后移出箱外冷却.图16.2所示是包装盖手动蒸箱发泡模,一次成型一件.合模时,模套1和下模板3以圆周定位.为了开模方便,在模具的四周设有撬口8.上模板2、下模板3和模套1上均设有直径为1~1.8mm的通气小孔,孔距为15-20mm.整副模具靠铰链螺栓6和蝶形螺母5锁紧,铰链螺栓摆动要灵活,并要有足够的强度.17.2.3.2泡沫塑料成型机直接通蒸汽模具泡沫塑料成型机上的发泡模本身带有蒸汽室,其模具一般由两部分组成.立式成型机上设有上下模,上下模均设有蒸汽室.合模后,经预发泡的珠粒状聚苯乙烯由喷枪或用气送法从进料口输送到模具型腔内,料满后关闭气阀,然后在动、定模汽室内通人一定蒸汽压力的蒸汽,保持一定时间,接着再保温一段时间,然后在蒸汽室内通冷却水,冷却后脱模取件.图16.3为包装盒机动发泡模,适合于在卧式泡沫塑料成型机上生产.为了保证模具的良好密封,在动、定模板及分型面处设有密封环,在定模汽室板5、动模汽室板2和成型套10上均设有孔径8mm的通气小孔,孔距为20mm.17.2.3.3模具设计应注意的问题1型腔壁厚应尽量均匀虽然泡沫塑料成型模具一般都并不复杂,但是,由于每一次生产循环都会使模具受热受冷各一次,这样频繁的膨胀与收缩引起的热交变应力对模具的寿命会产生较大的影响,若模具壁厚不均匀,则影响就会更大,因此,泡沫塑料成型模具要求壁厚尽量均匀,一般约10 mm左右.2型腔应考虑脱模斜度一般型腔深度在100mm以内时,脱模斜度取10~1.50；型腔深度100mm 以上时,脱模斜度取20~30.手工操作的模具一般用手工脱模,因此,脱模斜度应取上限.有蒸汽室的机动泡沫塑料成型模具常采用在蒸汽室内通人压缩空气脱模的方法,受力比较均匀,故脱模斜度可取下限.另外,蒸汽室一定要考虑密封的问题,同时,为了使蒸汽室能均匀冷却,冷却水的通人与排出应能保证型腔均匀地得到冷却,且在蒸汽室中不应积水.3模具材料发泡成型的工艺特点决定了泡沫塑料的成型模具必须具有良好的导热性和能够长期经受由热胀冷缩产生的交变应力,还要具有耐蚀性能.在中小批量生产中,一般采用铝合金铸件来制造模具；在大批量生产中,可采用青铜等材料.为了保护模具型腔不受腐蚀以及脱模方便,通常型腔表面抛光后应涂脱模剂,最常用的脱模剂是硅油.17.3聚四氟乙烯塑料成型工艺与冷压成型模具聚四氟乙烯树脂的大分子链中,由于碳键的存在,增加了链的刚性.聚四氟乙烯是结晶型聚合物,其晶区熔点很高3270C,加上分子量很大和分子链的密集堆积等,使得其在高温下的熔融粘度很高,甚至加热到分解温度4150C时仍然不能变为粘流态.虽然聚四氟乙烯是热塑性塑料,但不能用一般热塑性塑料的成型方法成型,只能用类似粉末冶金烧结成型方法来成型,这种方法通常称为冷压烧结成型.成型时,先将,‘定量的聚四氟乙烯放人常温的模具型腔中,在压力的作用下压成密实的型坯,然后送至烧结炉亦称烘室内进行烧结,冷却后成为塑料制件.成型冷压成型的过程包括聚四氟乙烯粒度的选择、加料及其控制、压制及其工艺参数的选择压制过程中排气以及脱模等.1粒度冷压烧结成型大多采用通过悬浮法聚合的聚四氟乙烯粉料,如果成型薄壁塑件,亦可选用分散法聚合的聚四氟乙烯.聚四氟乙烯树脂是一种纤维状的粉末,在贮存或运输过程中,由于受压和震动,容易结块成团,致使冷压时加料发生困难或者所压制成的型坯密度不均匀,甚至出现开裂现象,所以在使用前必须将已结成块的树脂捣碎,并用20目的筛子过筛,过筛后的树脂粉料的颗粒直径一般为20~600μm.2加料聚四氟乙烯冷压成型的设备是立式压机,模具的型腔固定在压机的下工作台上,压头也是模具塑件的成型部分固定在压机的上工作台上.压制时,需将符合要求的粉料按塑料制件所需的量由试验确定均匀地加入到敞开的型腔内,然后用刮刀刮平.树脂的加入量也可由模具结构的调试来确定,即在压机上把模具结构调试到模具型腔的原料加入量正好是成型塑件所要加入的定量,则加料后只需要用刮刀将上平面刮平即町,这对定量及加料的操作将会带来极大的方便.加料时应特别注意,一个型坯应一次加料完毕,否则就有可能在各次加料的界面上产生分层或开裂.3压制加料完毕应立即进行压制,加压宜缓慢进行,防止冲击.预压型坏的成型压力选择十分重要,它与树脂的粒度、是否含有填充剂及型坯要求的密度有关.压力过低,型坯内部不紧密,密度不高,会使塑件的物理和力学性能显着下降；压力过高,树脂的颗粒在模内容易相互滑动,以致型坯内部出现裂纹.预压成型的压力一般取25—50MPa,如果采用带有填充剂的树脂,成型压力可适当增大,甚至可达到100MPa.为了使高度较大的塑件型坯能获得尽可能一致的密度,应采取从型腔上下双向同时加压的压制方法加压.加压的速度是指压头接触加料腔中粉料后的下降速度,也就是压机上工作台下降的速度.。
结构发泡成型浅悉结构发泡工序从注塑工艺演变而来，生产出的零件外表完整，模芯呈蜂窝状，强重比相当高，能应用于承重材料。
要生产出发泡内芯，可以将惰性气体（通常是氮）直接射入熔融物，也可以用化学发泡剂（氮和二氧化碳）产生的气体，预先与树脂混合。
这一工艺需要在模具一部分内注入熔体，或进行“缺料”填充。
气压致使熔体膨胀，从而填满整个模穴。
当树脂与冷模面接触时，就形成坚固的外表层，而内核的发泡气体则发泡膨胀，在零件内部形成多泡孔结构。
完成后的是产品内层为蜂窝状结构，外表则坚硬稳固。
通过增加横截面的坚硬度，坚固的外表层使结构发泡零件具备独有的强度和硬度。
可采用多种工序来生产结构发泡部件。
低压法最为常见。
在这一方法中，通过氮气或化学发泡剂释放的气体（氮或二氧化碳）使熔融物发泡膨胀。
熔融物中能产生2.1至3.4兆帕的气压，足以膨胀树脂来填满整个模穴。
运用低压法填注并填满模具所需的压力仅为注塑法的10%。
需要特殊设备才能使用氮气。
蓄能器就是用来在压力下储存氮气/混合气体，直至将其注入模穴。
采用化学发泡剂需先用机械将其与树脂混合，再注入铸模机。
这个过程中，还要用到带截流装置喷头的标准注塑机或其他特殊设计的机器另两种可选来生产结构发泡部件的方法是高压法和气体反压法，但应用较少。
高压法是将含有气体的熔融物完全注满整个模穴。
既可以在留有膨胀空间的特殊模具内通过收缩其内芯来制造发泡内芯，也可以使发泡剂膨胀，将原料推回至热流道系统，从而产生发泡内芯。
气体反压法将在下一期栏目中介绍。
优点选择结构发泡成型的主要原因是，部件具有外表层坚固而内芯呈蜂窝状的结构（如图1所示），具有较高的强重比。
这一结构能在需要增加硬度时增加零件厚度，但重量不会随之增加。
其他优点包括：• 降低内应力• 提升空间稳定性• 增强零部件的坚固性• 可在零件中加入高性能设计• 能达到不同的模壁厚度• 可减少/消除缩痕• 对铸模机锁模吨位的要求较低• 能制造大型零部件缺点主要缺点为零件表面呈旋涡状纹理，必须加以修整才能获得满意的外观。
一、发泡模成型机的原理1、发泡原材料的种类：EPS，EPP，EPE，EPO等。
2、成型原理：合模，加料，利用蒸汽加热成型，再冷却，脱模。
二、EPS模具总体结构根据机型的种类来设计模具，与机台配套。
1、一体模：台湾机、方圆机、等机台没有标准水箱，必须根据产品排模来定水箱（蒸汽室），又叫一体模。
2、三片式模具：都具有三片板：凸模板、凹模板、枪板凸模板来固定连接凸模型腔；凹模板用来固定连接凹模型腔；枪板也叫做后封板、背板、主要装顶杆套和料枪。
3、压料：为凸模与凹模配合，方便预开加料成型而设计的一种结构，起到预开加料时不漏料。
根据水箱的合模台阶、模板来计算；压料有离空和没有离空两种。
没有离空的，凹凸模的压料相同；有离空的，凹模压料加离空等于凸模压料，凹模压料不少于10 mm。
4、法兰边：也就是凹模与凹模板连接处的空间，方便安装螺丝钉。
根据水箱合模台阶和模板来定，一般做到15 mm左右为宜，不能少于10mm；还有一种，从模板下面往上面套，叫反托，反托高度根据模板的厚度来定，如库尔特机型，一般采用反托式，日本机型一般采用正面安装，有法兰边。
5、壁厚：EPP模具的壁厚一般在15 mm左右；EPS模具、EPO模具的壁厚在8~10 mm之间；EPE模具的壁厚一般在15 mm，除客户特别说明要求。
6、缩水：一般EPS模具材料的缩水为0.3%，倍率低的客户要求提供0.25%、0.2%等；EPO材料一般在0.9%~1.0%之间；EPP、EPE材料根据倍率的不同，缩水也不同；EPP、EPE材料又分JSP/KANEKA原料等，缩水又不同7、气眼：∮4、∮6、∮8、∮10、∮12等规格，有条型式和针式两种类型。
EPS原材料模具，采用针式气眼比较多，EPP、EPE等原材料模具采用条型式（平面）比较多、侧面一般用针式；气芯按材质分，有铝气芯，铜气芯、不锈钢气芯，常用的是铝气芯。
针孔：一些死角地方，加针孔在∮0.6~0.8mm之间。
