一种工程塑料的发泡方法及其应用与流程

本发明涉及一种工程塑料的发泡方法及其应用，属于发泡。

背景技术：

1、工程塑料是指可以作为结构材料承受机械应力、能在较宽的温度范围和较为苛刻的化学及物理环境中使用的塑料材料。与如珍珠棉等的常规泡沫相比，工程塑料发泡而得的工程塑料泡沫具有更优异的如力学性能和耐热性能等的综合性能，因此，工程塑料发泡而得的工程塑料泡沫被广泛应用于如风力发电叶片内芯等的结构芯材。

2、然而，目前已工业化的工程塑料发泡技术主要为挤出发泡与釜压发泡，其中，挤出发泡是通过双螺杆挤出机将工程塑料熔体与发泡剂充分混合后，在模头处卸压得到工程塑料泡沫，但是，挤出发泡采用环戊烷作为发泡剂，生产过程存在爆炸隐患，并且，挤出发泡得到的工程塑料泡沫发泡倍率较低(一般不超过20)、开孔率较高(一般不低于30％)，减重能力与力学性能较差；釜压发泡则是通过水悬浮间歇发泡得到工程塑料发泡珠粒，但是，釜压发泡得到的工程塑料发泡珠粒在后期成型时需要采用很高的蒸汽压力(一般为高于1.5mpa)才可达到其熔点，制备成本极高。因此，亟需找到一种安全隐患低、发泡倍率高、开孔率低，并且，制备成本低的工程塑料发泡技术。

3、超临界流体模压发泡技术是一项采用二氧化碳和氮气等作为发泡剂的发泡技术，其具有绿色环保、过程无毒无害等特点，并且，其通过将泡孔成核与生长分步实施的方法，极大程度地缩小了高压设备体积，降低了发泡剂的使用量以及高压设备成本。使用超临界流体模压发泡技术对工程塑料进行发泡可有效解决挤出发泡与釜压发泡存在的问题，具有安全隐患低、发泡倍率高、开孔率低，并且，制备成本低的优势。

4、然而，实际生产过程中发现，采用超临界流体模压发泡技术制备工程塑料泡沫时，由于工程塑料具有较高的刚性以及较高的玻璃化转变温度，在快速卸压过程中引起的温降会使得其表面快速降温，使得材料表面的基体强度快速上升，这限制了材料表面泡孔的进一步生长，最终导致其在泡孔生长阶段发生褶皱现象，发泡失败。并且，采用超临界流体模压发泡技术制备工程塑料泡沫需要在发泡后通过模压机对发泡板材进行模压定型，以防止产品的曲翘，针对半结晶聚合物类工程塑料而言，温降会导致材料的快速结晶，针对无定形聚合物类工程塑料而言，温度快速降至玻璃化转变温度以下会导致材料脆性大大提升，因此在工程塑料泡沫的定型过程中往往会造成产品的开裂。

5、亟需开发一种可有效防止工程塑料在超临界流体模压发泡过程中发生褶皱、曲翘、开裂的超临界流体模压发泡技术。

技术实现思路

1、为解决上述缺陷，本发明提供了一种工程塑料的发泡方法，所述发泡方法包含如下步骤：

2、溶解步骤：将材料为工程塑料的发泡胚体放置于模腔温度为发泡温度t1的发泡模具中后，闭合模腔，向模腔中通入气体发泡剂至模腔内的压力达到发泡压力p；将发泡胚体持续放置于压力为发泡压力p、温度为发泡温度t1的模腔中，直至气体发泡剂在发泡胚体中达到溶解平衡；

3、卸压步骤：达到溶解平衡后，将模腔内的压力以卸压速率q泄压至环境压力；泄压至环境压力后，维持模腔的闭合状态，向模腔内通入温度为吹扫温度t2的热空气吹扫；吹扫结束后，打开模腔，使得发泡胚体中的泡孔生长，得到工程塑料泡沫。

4、在本发明的一种实施方式中，所述工程塑料为半结晶聚合物或无定型聚合物。

5、在本发明的一种实施方式中，当工程塑料为半结晶聚合物时，所述发泡温度t1＝(tm-40)℃～tm℃；式中，tm为半结晶聚合物的熔化温度。

6、在本发明的一种实施方式中，当工程塑料为无定型聚合物时，所述发泡温度t1＝tg℃～(tg+40)℃；式中，tg为无定型聚合物的玻璃化温度。

7、在本发明的一种实施方式中，当工程塑料为半结晶聚合物时，所述吹扫温度t2＝(tm-20)℃～tm℃；式中，tm为半结晶聚合物的熔化温度。

8、在本发明的一种实施方式中，当工程塑料为无定型聚合物时，所述吹扫温度t2＝tg℃～(tg+20)℃；式中，tg为无定型聚合物的玻璃化温度。

9、在本发明的一种实施方式中，所述半结晶聚合物为对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚甲醛(pom)、聚酰胺(pa)和液晶聚酯(lcp)中的一种或一种以上；所述无定型聚合物为聚苯醚(ppo)和聚碳酸酯(pc)中的一种或一种以上。

10、在本发明的一种实施方式中，所述吹扫时间为不低于5min。

11、在本发明的一种实施方式中，所述发泡压力p＝10～30mpa。

12、在本发明的一种实施方式中，所述发泡压力p＝15～25mpa。

13、在本发明的一种实施方式中，所述卸压速率q＝10～1000mpa/s。

14、在本发明的一种实施方式中，所述卸压速率q＝100～500mpa/s。

15、在本发明的一种实施方式中，所述气体发泡剂包含二氧化碳和/或氮气。

16、在本发明的一种实施方式中，所述物理发泡剂为二氧化碳。

17、溶解步骤之前，所述发泡方法还包含成型步骤；所述成型步骤为：将工程塑料进行成型，得到工程塑料发泡胚体。

18、在本发明的一种实施方式中，所述发泡胚体为板状、片状、柱状、球状、卷状或不规则状。

19、在本发明的一种实施方式中，所述发泡胚体为板状。

20、在本发明的一种实施方式中，所述成型为热压成型、挤出成型或注塑成型。

21、本发明还提供了一种工程塑料泡沫，所述工程塑料泡沫由上述发泡方法发泡而得。

22、本发明还提供了一种工程塑料泡沫，所述工程塑料泡沫为发泡板材、发泡片材、发泡柱体、发泡球体、发泡卷材或不规则发泡体。

23、本发明还提供了上述发泡方法在制备工程塑料泡沫中的应用。

24、本发明技术方案，具有如下优点：

25、本发明提供了一种工程塑料的发泡方法，所述发泡方法为：将材料为工程塑料的发泡胚体放置于模腔温度为发泡温度t1的发泡模具中后，闭合模腔，向模腔中通入气体发泡剂至模腔内的压力达到发泡压力p；将发泡胚体持续放置于压力为发泡压力p、温度为发泡温度t1的模腔中，直至气体发泡剂在发泡胚体中达到溶解平衡；达到溶解平衡后，将模腔内的压力以卸压速率q泄压至环境压力；泄压至环境压力后，维持模腔的闭合状态，向模腔内通入温度为吹扫温度t2的热空气吹扫；吹扫结束后，打开模腔，使得发泡胚体中的泡孔生长，得到平整的工程塑料泡沫。本发明的发泡方法在超临界流体模压发泡过程的快速卸压阶段之后，先向模腔内通入热空气吹扫，保持材料表面的温度，消除材料内外温差，使其始终保持在可变形温度窗口区间内，然后打开模腔使泡孔进一步均匀生长，从而解决工程塑料泡沫发生褶皱、曲翘、开裂的问题，并且，无需发泡后的定型步骤。

26、进一步地，所述工程塑料为半结晶聚合物或无定型聚合物；当工程塑料为半结晶聚合物时，所述发泡温度t1＝(tm-40)℃～tm℃；式中，tm为半结晶聚合物的熔化温度；当工程塑料为无定型聚合物时，所述发泡温度t1＝tg℃～(tg+40)℃；式中，tg为无定型聚合物的玻璃化温度。当发泡温度低于该范围时，聚合物中仍存在大量结晶，聚合物基体强度过高，泡孔的生长受限，难以发泡；当发泡温度高于该范围时，聚合物晶体已完全熔融，聚合物基体强度不足，难以支撑泡孔，导致发泡失败。此发泡温度范围可有效保证泡孔的顺利生长。

27、进一步地，当工程塑料为半结晶聚合物时，所述吹扫温度t2＝(tm-20)℃～tm℃；式中，tm为半结晶聚合物的熔化温度；当工程塑料为无定型聚合物时，所述吹扫温度t2＝tg℃～(tg+20)℃；式中，tg为无定型聚合物的玻璃化温度。当吹扫温度低于该温度范围时，板材表面温度较低，材料强度较高，在模腔打开后泡孔的生长受限严重，导致板材褶皱、曲翘严重；当吹扫温度高于该温度范围时，板材表面温度太高，表面发生熔融，发泡失败。此吹扫温度范围可有效保证发泡过程的顺利进行。

28、进一步地，所述吹扫时间为不低于5min。当吹扫时间过短时，板材表面温度还未上升至可发泡温度范围区间，仍存在褶皱、曲翘问题。此吹扫时间可有效保证工程塑料泡沫不发生褶皱、曲翘。