典型的泡沫制品有海綿板，地板材，墊材、聚苯乙烯珠粒料發(fā)泡體，泡沫塑料電線等。這些制品都是由高分子聚合材料及橡膠制成，屬于固體泡沫材料，其對氣泡的大小與分布都有一定的要求。固體泡沫材料的生產(chǎn)中，發(fā)泡劑的選擇及使用是生產(chǎn)發(fā)泡材料的重中之重。

 

　　發(fā)泡劑及其分類

 

　　發(fā)泡劑是一類能使處于一定黏度范圍內(nèi)的液態(tài)或塑性狀態(tài)的橡膠、塑料形成微孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。它們可以是固體、液體或是氣體。

 

　　根據(jù)其在發(fā)泡過程中產(chǎn)生氣泡的方式不同，發(fā)泡劑可分為物理發(fā)泡劑與化學(xué)發(fā)泡劑兩大類。

 

　　物理發(fā)泡劑是利用其在一定溫度范圍內(nèi)物理狀態(tài)的變化而產(chǎn)生氣孔，而化學(xué)發(fā)泡劑則是在發(fā)泡過程中因發(fā)生化學(xué)變化而產(chǎn)生的一種或多種氣體，可使聚合物發(fā)泡。

 

　　

 

　　物理發(fā)泡劑

 

　　物理發(fā)泡劑在使用過程中不發(fā)生化學(xué)變化，所以只能依靠其物理狀態(tài)的變化來達(dá)到發(fā)泡的目的。

 

　　早期常用的物理發(fā)泡劑主要是壓縮氣體（空氣、CO2和N2等）與揮發(fā)性的液體，例如低沸點(diǎn)的脂肪烴、鹵代脂肪烴以及低沸點(diǎn)的醇、醚、酮和芳香烴等。

 

　　一般來說，作為物理發(fā)泡劑的揮發(fā)性液體，其沸點(diǎn)應(yīng)低于 110℃。理論上只要能放出氣體的物質(zhì)都可作為發(fā)泡劑。但在實(shí)際應(yīng)用中，一個實(shí)用的發(fā)泡劑尚需具備一定的條件。

 

　　理想的物理發(fā)泡劑應(yīng)具備如下性能：

 

　　理想的物理發(fā)泡劑

 

　　? 無毒、無味

 

　　? 無腐蝕性

 

　　? 不易燃易爆

 

　　? 不損壞聚合物的性能

 

　　? 氣態(tài)時必須是化學(xué)惰性的

 

　　? 常溫下具有低的蒸氣分壓

 

　　? 具有較快的蒸發(fā)速率

 

　　? 分子量小，相對密度大

 

　　? 價廉，來源充足

 

　　盡管物理發(fā)泡劑價格低廉，但是需要專用的發(fā)泡設(shè)備，因此會增加該種發(fā)泡方法的成本。

 

　　化學(xué)發(fā)泡劑

 

　　所謂化學(xué)發(fā)泡劑是指那些在發(fā)泡過程中通過化學(xué)變化產(chǎn)生氣體進(jìn)而發(fā)泡的物質(zhì)。

 

　　一般氣體的產(chǎn)生方式有兩種途徑：其一是聚合物鏈擴(kuò)展或交聯(lián)的副產(chǎn)物；其二是通過加人化學(xué)發(fā)泡劑，產(chǎn)生發(fā)泡氣體。

 

　　例如，在制備聚氨酯泡沫時，當(dāng)帶有羧基的醇酸樹脂與異氰酸酯起反應(yīng)時，或者具有異氰酸酯端基的聚氨酯樹脂與水起反應(yīng)時，都會放出 CO2氣體；碳酸氫銨在一定的溫度下能分解產(chǎn)生 CO2、H2O與NH3。

 

　　理想的化學(xué)發(fā)泡劑應(yīng)具備如下性能：

 

　　理想的化學(xué)發(fā)泡劑

 

　　? 熱分解溫度是一定的，或在狹窄的范圍內(nèi)；

 

　　? 熱分解反應(yīng)的速率必領(lǐng)是可控的，而且必須有足夠的產(chǎn)生氣體的速率；

 

　　? 所產(chǎn)生的氣體必須是無腐蝕性的，易分散或溶解在聚合物體系中；

 

　　? 儲存時必須穩(wěn)定；

 

　　? 價格便宜，來源充足；

 

　　? 分解殘?jiān)粦?yīng)有不良?xì)馕叮投荆瑹o色，不污染聚合材料；

 

　　? 分解時不應(yīng)大量放熱：

 

　　? 不影響硫化或熔融速率；

 

　　? 分解殘?jiān)挥绊懢酆喜牧系奈锘阅埽环纸鈿堅(jiān)鼞?yīng)與聚合材料相容，不發(fā)生殘?jiān)膰娝F(xiàn)象等等。

 

　　此外，發(fā)泡劑還可以根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)分為兩類：有機(jī)發(fā)泡劑和無機(jī)發(fā)泡劑。

 

　　其中常見的有機(jī)發(fā)泡劑主要有偶氮類（發(fā)泡劑AC、AIBN等）、肼類衍生物（BSH、TSH、OBSH等）、氨基脲（TSSC）、四唑類化合物（5-PT等）、亞硝基化合物（DNPT等）等。有機(jī)發(fā)泡劑的特點(diǎn)如下圖所示：

 

　　

 

　　常見的無機(jī)發(fā)泡劑有碳酸銨、碳酸氫銨、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、亞硝酸銨、硼氫化鉀、硼氫化鈉、過氧化氫等。

 

　　無機(jī)發(fā)泡劑具有安全、吸熱分解、成核效果好等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生的氣體為CO2。碳酸氫鈉是典型的無機(jī)吸熱型發(fā)泡劑，由于發(fā)氣量大，原料易得，價格便宜而受到重視。但它的分解溫度低，分解溫度范圍較寬，在塑煉過程中會提前分解損失，引起塑化效果較差，在聚合物中其應(yīng)用范圍受到限制。放熱型發(fā)泡劑與碳酸氫鈉混用，可以得到熱值較小的復(fù)合發(fā)泡劑，有利于塑料加工工藝條件的控制。碳酸銨分解速度慢，對發(fā)泡速率有很大限制。

 

　　由于在高分子聚合物中分散性較差，因而無機(jī)發(fā)泡劑的應(yīng)用受到一定局限，但隨著微細(xì)化和表面處理等技術(shù)的進(jìn)步，無機(jī)發(fā)泡劑的應(yīng)用領(lǐng)域正逐步拓寬。

 

　　發(fā)泡助劑

 

　　為了調(diào)節(jié)發(fā)泡劑的發(fā)氣量、發(fā)起速率以及發(fā)氣溫度，通常會在發(fā)泡劑中加入發(fā)泡助劑。常見的發(fā)泡助劑主要有以下幾類：

 

　　尿素及尿素衍生物

 

　　尿素受熱會釋放出氨氣，本身就可以作為發(fā)泡劑使用，在于碳酸氫鈉、AC等發(fā)泡劑復(fù)配使用時，可以明顯增加發(fā)氣量和降低發(fā)泡溫度。

 

　　尿素衍生物指的是尿素-硬脂酸復(fù)合物，主要有N型、A型和M型等。以N型尿素-硬脂酸復(fù)合物為例，配制過程是將氨水、硬脂酸、甘油等加入尿素水溶液中，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌现茦樱渲心蛩嘏c硬脂酸的量約為2:1。

 

　　A型復(fù)合物的成分與N型相同，只是在物質(zhì)比例上會有所區(qū)別；M型化合物即把樣品中的油酸代替甘油，其他成分相同。

 

　　除此以外，近期國外出現(xiàn)一款新型尿素-硬脂酸復(fù)合物，名稱為尿素脂，其中是尿素、硬脂酸、尿素硬脂酰胺、硬脂酸鹽（如硬脂酸鈣、硬脂酸鋅等）的復(fù)合物。

 

　　有機(jī)酸

 

　　許多有機(jī)酸如硬脂酸、月桂酸、苯甲酸或者水楊酸均可以作為部分有機(jī)發(fā)泡劑的發(fā)泡助劑使用，可以降低分解溫度，但是不能消除臭味，對橡膠產(chǎn)品的硫化具有抑制作用。

 

　　金屬皂鹽及金屬氧化物

 

　　通常使用的是氧化鋅、碳酸鋅、硬脂酸鋅、對甲苯磺酸鋅等，特別需要注意的是，氧化鋅是應(yīng)用最為廣泛的發(fā)泡助劑，是發(fā)泡劑的強(qiáng)活化劑。

 

　　發(fā)泡靈

 

　　發(fā)泡靈是聚硅氧烷-聚硅氧基醚共聚物的商品名，主要作為聚醚型、聚氨酯泡沫體進(jìn)一步發(fā)泡工藝的泡沫穩(wěn)定劑。

 

　　其他發(fā)泡助劑

 

　　檸檬酸鈉、檸檬酸以及烏洛托品也是常見的發(fā)泡助劑。

 

　　發(fā)泡劑的改性復(fù)配

 

　　化學(xué)發(fā)泡劑作為市售商品，它們或以具適當(dāng)純度的單一化學(xué)品出售，或者以含發(fā)泡劑的混合物出售。

 

　　此類混合物分兩種，一種是兩種或多種發(fā)泡劑的混合物，另一種是發(fā)泡劑與其他功能添加劑的混合物。發(fā)泡劑制劑的發(fā)展有助于獲得加工性能更好的產(chǎn)品，為用戶提供更佳的選樣。

 

　　由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的原因，AC已成為混合發(fā)泡劑中最重要的組分之一。目前，AC能制成容易在高聚物中分散的所謂 “攪入”型發(fā)泡劑，例如PVC塑料溶膠制劑。而且，這類產(chǎn)品低塵，處理方便。

 

　　

 

　　關(guān)于發(fā)泡劑的改性復(fù)配，主要圍繞著防滲出和活化兩個方面：

 

　　防滲出改性

 

　　對以擠塑和注型制造的整體泡沫塑料，發(fā)展了一類特殊的AC制劑。此AC制劑中加有一種功能添加劑（含水量一定的硅酸），這能改變AC的分解模式，可盡可能地防止形成氰尿酸，因?yàn)榉蛩崮艹练e于模具及噴嘴上，且能從基材中滲出。

 

　　當(dāng)AC中加有硅酸后，AC分解時不是生成氰尿酸，而是生成相當(dāng)量的氮。AC中加入的硅酸也是一個有效的成核劑，有助于在塑料中形成結(jié)構(gòu)均勻的泡孔。因此，如果需要大幅度降低分解溫度，同時又要防止?jié)B出，則可在AC中同時加人硅酸及氧化鋅之類的活化劑。

 

　　防滲出的配方不能用于對氮敏感的聚合物，如PC和熱塑性聚酯，因?yàn)槭馨弊饔脮r，PC的相對分子質(zhì)量下降。

 

　　活化改性

 

　　以偶氮二甲酰胺（AC）為例，發(fā)泡劑的活化一般是加入活化劑（發(fā)泡助劑），即加有可最大限度降低AC分解溫度活化劑的制劑。這種制劑是通過將AC及活化劑共同微細(xì)化制得的，這可使組分間充分接觸，而如將AC及活化劑分別加入塑料，則這種接觸是不能實(shí)現(xiàn)的。

 

　　也可將 AC 與另一種化學(xué)發(fā)泡劑（如磺酰肼TSH）結(jié)合使用，且還可同時采用其他功能添加劑。AC與TSH (TSH可稱為助發(fā)泡劑）組成的配方，分解溫度較 AC低，其原因是TSH 分解時生成水，而水能與 AC 進(jìn)行反應(yīng)，也就是說，TSH的分解產(chǎn)物能活化AC的分解，且能抑制氰尿酸的生成。在橡膠工業(yè)中，AC/TSH 和AC/DNPT 是很典型的復(fù)合發(fā)泡劑，它們除了分解溫度較AC低外，還能改善泡孔結(jié)構(gòu)。

 

　　NaHCO3是吸熱發(fā)泡制劑的基本化合物。最通常的這類制劑是NaHCO3，與檸檬酸（或其脂和鹽）的混合物、如NaHCO3，與檸檬酸一鈉或檸檬酸二甲酸一鈉的混合物。例如在擠出硬質(zhì)PVC中，使用單一的NaHCO3為發(fā)泡劑，但形成結(jié)構(gòu)不均勻的粗孔。同時使用 NaHCO3和AC，可使泡孔明顯縮小。這是因?yàn)樵赑VC中，N2的擴(kuò)散比CO2要慢，而這有助于PVC中形成為數(shù)很多的小氣核。在NaHCO3，與AC組成的復(fù)合發(fā)泡劑中，AC是助發(fā)泡劑，同時也是成核劑。

 

　　

 

　　發(fā)泡劑的前景

 

　　目前市場銷售的各類化學(xué)發(fā)泡劑產(chǎn)品在未來仍然會應(yīng)用廣泛，但常用發(fā)泡劑的數(shù)目可能會有所減少。更重要的前景在于新型發(fā)泡技術(shù)的研發(fā)，如微球發(fā)泡劑、超臨界二氧化碳發(fā)泡等。但是由于易于改性和普適性等特點(diǎn)，AC 在未來多種應(yīng)用的很多配方中，仍將是主要的發(fā)泡劑。

 

　　根據(jù)用戶特定要求開發(fā)的發(fā)泡劑，特別是放熱發(fā)泡劑與吸熱發(fā)泡劑的復(fù)配產(chǎn)品，產(chǎn)量已有增長，占有一定的市場份額。在通用塑料中，物理交聯(lián)和通用PP泡沫塑料在食品包裝中的應(yīng)用預(yù)期會有大幅度增長。另外，回收的熱塑性塑料會在泡沫產(chǎn)品中更多地應(yīng)用，并將占有較大的比例。回收工程塑料在這方面更是引人注意和受到重視。

 

　　迄今為止，在泡沫塑料工業(yè)中，人們對加工工藝的重視仍需進(jìn)一步加強(qiáng)，預(yù)期今后將會在這方面出現(xiàn)一些革新。吹塑、旋轉(zhuǎn)模塑及熱成型（如泡沫及擠出薄膜和板材的真空成型）等工藝，將在泡沫塑料產(chǎn)品生產(chǎn)中逐漸成為更常用的加工工藝。

 

　　

 

　　發(fā)泡劑的評價及分析

 

　　分析發(fā)泡劑性能的評價主要有其化學(xué)組成、體積密度和流散性、比表面積、粒徑分布、分解溫度及分解過程、燃燒殘余物、產(chǎn)氣量、氣體組成、分解殘余物、熱性能、在基質(zhì)中的工藝行為、分散性、溶解度相容性、毒性等方面。

 

　　發(fā)泡劑助劑包的分析不僅僅在于發(fā)泡劑成分及含量分析，更重要的是助劑包中的發(fā)泡助劑、潤滑劑、交聯(lián)劑，成核劑等微量助劑的定性定量。微量助劑的細(xì)微差別可能導(dǎo)致發(fā)泡制品性能的巨大差異。

 

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