泡沫塑料

泡沫塑料
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定义
又称微孔塑料。整体布满无数互相连通或互不连通的微孔而使表观密度明显降低的塑料。具有质轻、绝热、吸音、防震、耐潮、耐腐蚀等优点。按其泡孔结构可分为闭孔、开孔和网状泡沫塑料。闭孔泡沫塑料所有泡孔几乎都是不连通的。开孔泡沫塑料所有泡孔几乎都是连通的。几乎不存在泡孔壁的泡沫塑料称作网状泡沫塑料。按泡沫塑料的密度可分为低发泡、中发泡和高发泡泡沫塑料。密度大于0.4g/cm的为低发泡泡沫塑料，密度为0.1~0.4g/cm的为中发泡泡沫塑料，密度小于0.1g/cm的为高发泡泡沫塑料。
泡沫塑料是以塑料为基本组分并含有大量气泡的聚合物材料, 因此也可以说是以气体为填料的复合塑料。与纯塑料相比, 它具有很多优良的性能, 如质轻、比强度高、可吸收冲击载荷、隔热和隔音性能好等。因而在工业、农业、建筑、交通运输等领域得到了广泛应用。泡沫塑料自问世以来, 其用途日益广泛, 品种不断丰富, 其中较为常见的传统泡沫塑料主要有聚氨酯( PUR)、聚苯乙烯( PS )、聚氯乙烯( PVC)、聚乙烯( PE)、酚醛树脂( PF) 等品种。 
泡沫塑料按其柔韧性可分为软质、硬质和处于两者之间的半硬质泡沫塑料。硬质泡沫塑料可做热绝缘材料和隔音材料，管道和容器等的保温材料，漂浮材料及减震包装材料等；软质泡沫塑料主要做衬垫材料，泡沫人造革等。常用的泡沫塑料有聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、酚醛泡沫塑料等。 
材料特点
泡沫塑料也叫多孔塑料。以树脂为主要原料制成的内部具有无数微孔的塑料。质轻、绝热、吸音、防震、耐腐蚀。有软质和硬质之分。广泛用做绝热、隔音、包装材料及制车船壳体等。
泡沫塑料与纯塑料相比，具有密度低，质轻，比强度高，其强度随密度增加而增大，有吸收冲击载荷的能力，有优良的缓冲减震性能，隔音吸音性能，热导率低，隔热性能好，优良的电绝缘性能，具有耐腐蚀、耐霉菌性能。软质泡沫塑料具有弹性优良等性能。
内部具有很多微小气孔的塑料。用机械法（在进行机械搅拌的同时通入空气或二氧化碳使其发泡）或化学法（加入发泡剂）制得。分闭孔型和开孔型两类。闭孔型中的气孔互相隔离，有漂浮性；开孔型中的气孔互相连通，无漂浮性。可用聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯等树脂制成。可作绝热和隔音材料，用途很广。
（1）容重很低，可减轻包装重量，降低运输费用；
（2）具有优良的冲击、振动能量的吸收性，用于缓冲防震包装能大大减少产品的破损；
（3）对温、湿度的变化适应性强，能满足一般包装情况的要求；
（4）吸水率低、吸湿性小，化学稳定性好，本身不会对内装物产生腐蚀，且对酸、碱等化学药品有较强的耐受性；
（5）导热率低，可用于保温隔热包装，如冰淇淋杯、快餐容器及保温鱼箱等；
（6）成型加工方便，可以采用模压、挤出、注射等成型方法制成各种泡沫衬垫、泡沫块、片材等。容易进行二次成型加工，如泡沫板材经热成型可制成各种快餐容器等。另外，泡沫塑料块也可用粘合剂进行自身粘接或与其它材料粘接，制成各种缓冲衬垫等。
使用分类
微孔间互相连通的称为开孔型泡沫塑料，互相封闭的称为闭孔型泡沫塑料。泡沫塑料有硬质、软质两种。按美国试验和材料学会标准，在18～29℃温度下，在时间为5s内，绕直径2.5cm的圆棒一周，如不断裂，测试样属于软质泡沫塑料；反之则属硬质泡沫塑料。泡沫塑料还可分为低发泡和高发泡两类。通常将发泡倍率（发泡后比发泡前体积增大的倍数）小于5的称为低发泡，大于5的称为高发泡。
一、硬质泡沫塑料即在室温下，构成泡沫塑料的聚合物属结晶态或无定形态，它们的玻璃化温度高于常温，因此，在常温下泡沫塑料的质地较硬。
二、软质泡沫塑料即构成泡沫塑料的聚合物的熔点小于常温或无定形聚合物的玻璃化温度低于常温，材料在常温下质地柔软。
三、半硬质（或半软质）泡沫塑料是介于以上两类之间的泡沫体。
此外，对聚氨酯泡沫体的分类还有很多，如按照加工方式分类，大致可分为二步法（或称预聚体法）、半预聚体法、一步法和喷涂法。按泡沫密度方式可分为高、中、低和超低密度泡沫体以及密度悬殊很大的自结皮泡沫体或称为整皮泡沫体。后者是一特殊 的泡沫形式，它不像前几种泡沫体具有一致的密度，只是在泡沫体内部生成较正常的泡沫体，而在表面部分不产生气泡或很少产生气泡，在泡沫体外表面形成密度较内部泡沫高得多的致密的表皮层，从表皮到芯部中心存在一个密度下降梯度十分明显的变化。在聚氨酯软质泡沫体中，它是适应汽车方向盘和扶手以及自行车、摩托车鞍座的应用而发展起来的一种半硬质模塑泡沫制品。
随着聚氨酯软质泡沫塑料的原材料、加工工艺技术的进步和制品的商业专业化的需要，出现了按产品功能为主的分类，如软泡、高回弹软泡、热模塑软泡、冷模塑软泡、超柔软泡沫、抗静电软泡、亲油性软泡、亲水性软泡、吸能性软泡等，这些都是随市场细化、专业化需要发展起来的泡沫新品种，发展较快，分类也十分繁杂。对聚氨酯软质泡沫体的分类仍以加工方式，即预聚体法、半预聚体法和一步法的传统分类为宜。对聚氨酯软质泡沫体以加工方式分类，即预聚体法、半预聚体法和一步法的分类，这也是另一种日常分类。 
制备方法
发泡方法
无论采用什么方法发泡，其基本过程都是：①在液态或熔态塑料中引入气体，产生微孔；
②使微孔增长到一定体积；
③通过物理或化学方法固定微孔结构。
按照引入气体的方式，发泡方法有机械法、物理法和化学法。
机械法：借助强烈搅拌，把大量空气或其他气体引入液态塑料中。工业上主要用此法生产脲醛泡沫塑料，可用作隔热保温材料或影剧中布景材料（如人造雪花）。
物理法：常将低沸点烃类或卤代烃类溶入塑料中，受热时塑料软化，同时溶入的液体挥发膨胀发泡。如聚苯乙烯泡沫塑料，可在苯乙烯悬浮聚合时，先把戊烷溶入单体中，或在加热加压下把已聚合成珠状的聚苯乙烯树脂用戊烷处理，制得所谓可发泡性聚苯乙烯珠粒。将此珠粒在热水或蒸汽中预发泡，再置于模具中通入蒸汽，使预发泡颗粒二次膨胀并互相熔结，冷却后即得到与模具型腔形状相同的制品（见图）。它们广泛用作保温和包装中防震材料。也可采用挤出成型法，此时，既可使用可发泡珠粒，将其一次发泡挤出成片材；也可使用普通聚苯乙烯粒料，在挤出机适当部位加入卤代烃，使之与塑料熔体混合均匀，当物料离开机头时即膨胀发泡。挤出法常用于制片材或板材，片材经真空吸塑成型可制成食品包装盒和托盘等。聚乙烯也可用类似方法制得挤出发泡制品。引入气体的物理方法还有溶出法、中空微球法等。溶出法是将可溶性物质如食盐、淀粉等和树脂混合，成型为制品后，再将制品放在水中反复处理，把可溶性物质溶出，即得到开孔型泡沫制品，多用作过滤材料。中空微球法是将熔化温度很高的空心玻璃微珠与塑料熔体相混，在玻璃微珠不致破碎的成型条件下，可制得特殊的闭孔型泡沫塑料。
化学法：可分为两类：① 采用化学发泡剂，它们在受热时分解放出气体。常用的化学发泡剂，如偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、N，N′－二亚硝基五亚甲基四胺、碳酸氢钠等。许多热塑性塑料均可用此法作成泡沫塑料。例如聚氯乙烯泡沫鞋，就是把树脂、增塑剂、发泡剂和其他添加剂制成的配合料，放入注射成型机中，发泡剂在机筒中分解，物料在模具中发泡而成。泡沫人造革则是将发泡剂混入聚氯乙烯糊中，涂刮或压延在织物上，连续通过隧道式加热炉，物料塑化熔融、发泡剂分解发泡、经冷却和表面整饰，即得泡沫人造革。硬质聚氯乙烯低发泡板材、管材或异型材则用挤出法成型，发泡剂在机筒中分解，物料离开机头时，压力降到常压，溶入气体即膨胀发泡，如果发泡过程与冷却定型过程配合得当，就可得到结构泡沫制品。② 利用聚合过程中的副产气体，典型例子是聚氨酯泡沫塑料，当异氰酸酯和聚酯或聚醚进行缩聚反应时，部分异氰酸酯会与水、羟基或羧基反应生成二氧化碳。只要气体放出速度和缩聚反应速度调节得当，即可制是泡孔十分均匀的高发泡制品。聚氨酯泡沫塑料有两种类型，软质开孔型形似海绵，广泛用作各种座椅、沙发的座垫以及吸音、过滤材料等；硬质闭孔型则是理想的保温、绝缘、减震和漂浮材料。
改性
1.纤维增强泡沫塑料
一般用短纤维增强泡沫塑料。具体方法是将短纤维均匀分散于准备发泡的聚合物体系或反应体系中。发泡后纤维便均匀分布于泡壁上， 起到增强、增刚和提高耐热性的作用。通常认为界面越好、纤维越长，性能就越好，增强效果越理想。
1.1 玻璃纤维增强
最常用来增强泡沫塑料的短纤维是短玻璃纤维( SGF)。为了获得良好的增强效果，首先要对SGF 进行表面处理。将SGF加入到树脂中，SGF之间就会有交错的树脂分子链连接，相当于将树脂交联。在受到弯曲、拉伸、压缩等载荷作用时， 树脂在SGF之间传递应力， 使SGF与树脂共同承载，提高了泡沫塑料的强度。
1.2 尼龙纤维增强
尼龙纤维可用于PUR泡沫塑料的增强。这是因为尼龙分子链的极性强， 与PUR 之间有良好的分子间作用力，另外尼龙主链上的- NH- 能与PUR上的-C=O 形成氢键，进一步增大分子间的作用力。因此尼龙纤维改性PUR 泡沫塑料能获得良好的效果。
2.无机粒子增强泡沫塑料
在泡沫塑料中加入无机粒子主要是为了改变其性能，降低成本。由于无机粒子与树脂之间存在界面，当界面粘附力足够大时，无机粒子对泡沫塑料能起到增强的作用； 除此之外， 由于无机粒子在泡沫塑料中往往能起到成核剂的作用，使硬质泡沫塑料的泡孔更加细密均匀， 从而提高泡沫塑料的性能。
2.1 CaCO3增强
用作泡沫塑料填料的CaCO3主要有固相粉碎型和沉淀型两种。前者的粒径约20 um，后者粒径为0. 05~ 10 um。泡沫塑料中加入CaCO3后能提高其强度、耐热性， 减小线胀系数、收缩率。
2.2 空心玻璃微球增强
空心玻璃微球的直径为10 ~ 100 um， 其球形表面可以减少树脂内部的应力集中。在界面良好的条件下， 空心玻璃微球能够提高硬质泡沫塑料的压缩强度和压缩弹性模量、拉伸强度和拉伸弹性模量、弯曲强度和弯曲弹性模量及耐热性， 同时还能提高硬质泡沫塑料的尺寸稳定性、摩擦性能，减少收缩率。与其它用于泡沫塑料增强的微粒相比，空心玻璃微球因其本身的低密度(仅为0.3 g /cm3左右)而易于制得低密度的增强泡沫塑料。
2.3 纳米粒子增强
国内外对应用纳米技术改性聚合物开展了广泛的研究， 已取得不少技术突破， 并且成功地制备了各种聚合物/纳米粒子复合材料，如聚合物/纳米CaCO3、聚合物/纳米SiO2、聚合物/纳米TiO2及聚合物/纳米粘土等纳米复合材料。与原有的聚合物相比， 其性能都有了较大的提高，而且加工性能也有了一定的改善。虽然国内用纳米粒子增强泡沫塑料的研究较少， 但是由于纳米粒子相对于泡孔壁的小尺寸及其强的表面活性易于生成良好的界面， 单位体积内具有更多的粒子数量而起到成核剂的作用，使泡孔密度更大、泡孔更小，这对于泡沫塑料的增强有很大的潜力。相信纳米粒子增强泡沫塑料一定会成为今后泡沫塑料高性能化研究的新热点。
3.聚合物合金泡沫塑料
聚合物合金是同时通过物理或化学的方法对两种或两种以上聚合物进行共混、共聚而制得的，这两种或两种以上聚合物各自形成的网络相互贯穿缠结，不同聚合物之间可能存在共价键。聚合物合金发展很快，采用这种方法能实现聚合物材料的高性能、低成本、高效率、多品种化。聚合物合金的这些优势在泡沫塑料中也能得到体现，国内也有人进行聚合物合金泡沫塑料的研究。
4.微孔泡沫塑料
以热塑性塑料为基体的MCF 称为热塑性微孔泡沫塑料，以热固性塑料为基体的M CF称为热固性微孔泡沫塑料。热塑性MCF研究较多， 其具有优良的冲击韧性(可达实体塑料的5 倍以上)、高比刚度( 可达实体塑料的3 ~ 5倍) 、高疲劳寿命( 可达实体塑料的5倍以上)、高热稳定性、低介电常数和热导率。与未发泡实体塑料相比， MCF密度小、成本低，能吸收能量，可钝化裂纹，冲击强度高， 加之其泡孔极小，允许泡沫塑料制件很薄(如0.1~ 1.0 mm )。因此，MCF十分适合制造薄壁罩、包装件、电和热绝缘件。MCF具有独特的微孔形态、均匀的气泡核分布和由之产生的优良力学性能， 很适合于极小尺寸的泡沫塑料制件，在理论研究和工业应用方面备受关注。近几年来，随着性能价格比高、对环境无污染又易于回收利用的工程塑料广泛应用于建筑、交通、航空航天、包装、生物工程等领域，研究开发微孔泡沫塑料成为热门课题。 
主要用途
20世纪60年代发展起来的结构泡沫塑料，以芯层发泡、皮层不发泡为特征，外硬内韧，比强度（以单位质量计的强度）高，耗料省，日益广泛地代替木材用于建筑和家具工业中。聚烯烃的化学或辐射交联发泡技术取得成功，使泡沫塑料的产量大幅度增加。经共混、填充、增强等改性塑料制得的泡沫塑料，具有更优良的综合性能，能满足各种特殊用途的需要。例如用反应注射成型制得的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料，已用作飞机、汽车、计算机等的结构部件；而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料，质轻而耐高温，已用于航天器中。
随着航空、航天等特殊领域对泡沫塑料性能要求的不断提高，传统的泡沫塑料已不能满足这些领域对材料强度、刚度及耐热性的特殊要求。因此， 高性能化已成为泡沫塑料研究的新方向和热点。 国外已经把高性能泡沫塑料作为承载的结构材料在航空、航天、交通运输等领域使用， 如卫星太阳能电池的骨架、火箭前端的整流罩、无人飞机的垂直尾翼和巡航导弹的弹体弹翼、舰艇的大型雷达罩等。 
聚苯乙烯泡沫塑料新用途：将聚苯乙烯泡沫塑料块体同钢筋混凝土结合起来，为温哥华港的漂浮机场提供了正向浮力，这是一种经济和耐久的解决办法。整个工程总造价为160万加元，即570加元/m2左右，与在陆地上开发相比，不但造价降低了，而且还有以下优点：
（1）降低了初期投资；
（2）缩短了施工周期，把中期投资减到最少；
（3）采用漂浮机场节省了可公开发的商业区土地；
（4）漂浮机场随时可以移动；
（5）结构的维修费用较低；
（6）甲板的摩擦力较大；
（7）材料具有耐火性，在失火时对热损坏有极好的耐受能力；
（8）结构在美学上引人入胜，很好地适应了海岸线的景观。 
一般品种及应用
模塑聚苯乙烯泡沫塑料 (EPS）板
（1） 自重轻，且具有一定的抗压、抗拉强度，靠自身强度能支承抹面保护层，不需要拉接件，可避免形成热桥。
（2） EPS板在密度30～50 kg/m的范围内，导热系数值最小；在平均温度10℃，密度为20kg/m时，导热系数为0.033～0.036W/(m·K）；密度小于15 kg/m时，导热系数随密度的减小而急剧增大；密度15～22 kg/m的EPS板适合做外保温。
（3） 用于外墙和屋面保温时，一般不会产生明显的受潮问题。但当EPS板一侧长期处于高温高湿环境，另一侧处于低温环境并且被透水蒸气性不好的材料封闭时；或当屋面防水层失效后，EPS板可能严重受潮，从而导致其保温性能严重降低。
（4）用于冷库、空调等低温管道保温时，必须在EPS板外表面设置隔汽层。
挤塑聚苯乙烯泡沫塑料 (XPS）板
（1） 具有特有的微细闭孔蜂窝状结构，与EPS板相比，具有密度大、压缩性能高、导热系数小、吸水率低、水蒸气渗透系数小等特点。在长期高湿度或浸水环境下，XPS板仍能保持其优良的保温性能，在各种常用保温材料中，是唯一能在70%相对湿度下两年后热阻保留率仍在80%以上的保温材料。
（2） 由于XPS板长期吸水率低，特别适用于倒置式屋面和空调风管。
（3） 还具有很好的耐冻融性能及较好的抗压缩蠕变性能。
硬质聚氨酯泡沫塑料（PUR)
（1） 使用温度高，一般可达100℃，添加耐温辅料后，使用温度可达120℃。
（2） 聚氨酯中发泡剂会因扩散作用不断与环境中的空气进行置换，致使导热系数随时间而逐渐增大。为了克服这一缺点，可采用压型钢板等不透气材料做面层将其密封，以限制或减缓这种置换作用。
（3） 现场喷涂聚氨酯泡沫塑料使用温度高，压缩性能高，施工简便，较EPS板更适于屋面保温。
（4） 用于管道（尤其是地下直埋管道）和屋面保温时，应采取可靠的防水、防潮措施。同时应考虑导热系数会随时间而增大，尽量采用密封材料作保护层。
（5） 由于使用温度较高，多用于供暖管道保温。
（6） 发烟温度低，遇火时产生大量浓烟与有毒气体，不宜用作内保温材料。
（7） 虽然吸水率较低，但作为保温材料，绝不能兼做防水材料。
聚乙烯泡沫塑料（PE)
（1） 几乎不吸水和几乎不透水蒸气，长期在潮湿环境下使用不会受潮，因而导热系数能够保持不变（EPS、PUR、PF等无法与之相比），并且为软质泡沫塑料，具有很好的柔韧性。
（2） 压缩性能较差，受压状态下使用时存在压缩蠕变。
（3） 适用于低温管道和空调风管。
酚醛泡沫塑料（PF)
（1） 各项性能和价格与聚氨酯相当，只是压缩性能较低；但是由于它的耐温性和防火性能远远优于聚氨酯，所以特别适用于高温管道和对防火要求严格的场合。
（2） 耐热性、阻燃性远远优于聚氨酯及其他泡沫塑料，长期使用温度可高达200℃，允许间歇温度高达250℃。
（3） PF氧指数高达50%，烟密度等级（SDR）为4，在空气中不燃，不熔融滴落。按GB 9978-90进行耐火试验时，试件无明显变形，无窜火现象。
尿素甲醛现浇泡沫塑料（UF)
（1） 耐老化、耐霉菌，干燥后对金属不腐蚀。
（2） 适用于夹心墙体和空心砌块填充保温。
（3） 硬化过程中有水分释放，故其外围材料应有良好的透水蒸气性，以使硬化泡沫充分干燥；如果应用空间长期处于潮湿状态，或者材料不是用于保温而是保冷，则应对潮湿问题特别加以考虑。
（4） 在干燥过程中收缩较大（干燥收缩率不大于4%），材料中有可能产生裂缝，而且在材料与空间的接触面处容易产生松脱现象。如果不允许有此种现象发生，应事先向材料供应商提出。
（5） 存在甲醛释放问题。