发泡聚苯乙烯(EPS)

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发泡聚苯乙烯,又称可发性聚苯乙烯(Expandable Polystyrene, 缩写EPS),具有许多优点,包括相对密度小(1.05g/cm3)、热导率低、吸水性小、耐冲击振动、隔热、隔音、防潮、减振和优良的介电性能。

EPS为在GPPS中浸渍低沸点的物理发泡剂制成,加工过程中受热发泡,专用于制作泡沫塑料产品。EPS是苯乙烯系列树脂中重要的品种之一。在世界泡沫塑料产量中占第二位,仅次于聚氨酯泡沫塑料。

发泡聚苯乙烯(EPS)

性能

EPS为无色或白色透明珠粒,可任意着色。热合珠法发泡,可制得40~60倍的发泡材料,还可以制得100倍以上的高发泡材料。一般条件下,挤出发泡只能制得30倍左右的发泡板材和片材。挤出泡沫板具有质量小(密度33~42kg/m3)、导热系数低[0.028 W/(m·K)]的优异性能,具有一定的机械强度和吸水率。

两种方法制造的EPS共同特点是:具有硬质独立的气泡结构、质轻、热导率低、绝热性能良好、吸水率低、透湿性小、耐水性优越、电气绝缘性好、冲击性能良好等优点,特别是热合珠法制得的EPS,加工容易、价格低廉。缺点是冲击强度较低、耐热性和耐化学药品性较差。

两种方法制造的EPS的性能差别是:随着表观密度的增加,EPS的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度、冲击强度均增加。在相同表观密度条件下,挤出法生产的EPS的力学性能,如拉伸强度、压缩强度、弯曲强度高于热合珠法。热合珠法生产的EPS的吸水率大于挤出法生产的EPS。

EPS的耐热性能与发泡PE、发泡PVC等塑料相似,比热固性塑料耐热性能差。使用温度在70~80 ℃。通常采用苯乙烯与其他单体的共聚物,如苯乙烯/马来酸酐共聚物(SMA)、苯乙烯/丙腈共聚物(AS)、苯乙烯/甲基丙酸共聚物、苯乙烯/甲基丙酸甲酯共聚物等来提高EPS的耐热性,这些共聚物具有比较高的耐热等级。

生产

EPS的生产方法有两种,一是泡沫珠热合法,二是加工挤出法。

①泡沫珠热合法。

苯乙烯单体经悬浮聚合得到圆珠状的PS,再加入低沸点碳氢化合物或卤代烃化合物作为发泡剂,在加温加压条件下,发泡剂渗透到PS中,冷却后发泡剂留在PS中,即成为EPS。

热合法的关键是制备EPS珠粒。EPS珠粒制备采用悬浮聚合法,工艺有一步浸渍法(简称一步法)和二步浸渍法(简称二步法)。

一步法基本工艺是:将苯乙烯单体、引发剂、分散剂、水、发泡剂和其他助剂一同加入聚合釜中,苯乙烯/水之比约为1∶1,然后在80~90 ℃条件下进行聚合反应。当聚合反应转化率达到85%以上时,加入发泡剂,继续聚合反应。聚合完毕后,经脱水、洗涤、干燥,得到含有发泡剂的PS珠粒。一步法中可以通过选择适宜的工艺和条件,达到缩小粒径分布范围、提高产品质量的目的。改进工艺中,通过加入一些树脂(如PS、PE、PVC等)做种子,进行种子聚合,得到粒径分布很窄的EPS,同时还赋予EPS耐油、阻燃等功能。一步法的优点是工艺简单、流程短、能耗低、成本低。一步法的缺点是聚合与浸渍同时进行,产生含有发泡剂的粉末状PS,发泡剂的处理是一个难题。由于一步法技术经济的优势,目前世界上较大规模的EPS生产装置多数采用一步法。

二步法是将EPS的聚合和浸渍分成两个独立的过程,聚合工序与一步法一样。浸渍工序根据粒径大小,确定浸渍条件,一般为:压力0.98 MPa,温度70~90 ℃,浸渍时间4~12h,在15 ℃条件下放置约15天,发泡剂含量为5.5%~7.5%。二步法的优点是先对PS珠粒进行分级,然后再根据不同粒径,按不同工艺浸渍,避免了对小颗粒PS进行浸渍后,对其进行筛分脱除发泡剂处理的麻烦,所得EPS质量好。二步法的缺点是流程长、能耗大,成本高。

②加工挤出法。

将PS与添加剂在挤出机中混合,然后在熔融状态下压入烷烃或氟化烃等发泡剂,经挤出,发泡剂在机头模腔中泄压冷却,发泡剂的气化与PS的固化同时进行,从而制得膨胀发泡制品。

挤出法发泡生产工艺一般采用物理发泡,制得的EPS是一种整体泡沫。将GPPS与成核剂和其他添加剂混合,加入挤出机中,在挤出机中的塑化段(180~240 ℃)熔融,再在挤出机的混合段中加入发泡剂,在挤出机螺杆的强烈剪切作用下,充分混合,形成流动的凝胶体。在低温低压段,凝胶体进行发泡,由于压力急剧降低,熔融在PS中的发泡剂立刻气化膨胀,并以成核剂为中心,形成互不贯通的气泡。

由于加工温度迅速降低,发泡剂急速气化,带走大量热量,PS树脂温度迅速降低,熔融黏度提高,发泡体开始凝固。发泡阶段,PS固化速度越快,气泡壁越不易被破坏。温度迅速降低,既保护所形成的气泡膜,又保证了通过塑模后,PS中气体不至于逸出,因此,精确地控制低温低压段的工艺条件至关重要。

成型

EPS的加工成型主要有以下几个步骤:预发泡、筛分、熟化和成型。

①预发泡。

采用预发泡的方式,可以保证成型后的制品达到规定的容量和结构均匀,预发泡是制造发泡制品的重要环节。可采用蒸汽加热预发泡,热空气和真空预发泡。预发泡有间歇与连续两种方法。

预发泡过程为:将体系加热到80 ℃以上时,珠粒开始软化,由于发泡剂的作用,珠粒受热气化膨胀,在珠粒中形成互不贯通的泡孔。软化的PS体积膨胀,被拉伸呈橡胶状。此时,熔体强度能够抵抗内部的压力。经预发泡的物料仍为颗粒状,其体积比原来大数十倍,通称预胀物。制造密度0.1g/cm3以上的泡沫制品,可用珠状物直接模塑,不必经过预发泡与熟化两阶段。

②筛分。

筛分是将预发泡后粒子中的小粒子和结块粒子去掉,筛分不同尺寸的颗粒,并用于不同制品的生产。如板材、块材筛孔直径15~20mm;大型制品的筛孔直径8~9mm;小型制品的筛孔直径6mm;杯子等筛孔直径1.4~1.6mm。

③熟化。

熟化是将预发泡和筛分的PS颗粒,送至熟化器中放置,使空气进入颗粒的泡孔中。熟化可以解除预发泡后,颗粒中的泡孔因冷凝而造成的负压和真空状态,使颗粒内外压力达到平衡,避免加工成型时因受热而出现收缩现象的过程。熟化时间一般为12~72h,这与颗粒尺寸大小和环境温度有关。

④成型。

熟化后的PS颗粒被送入模具中,加热到20~60s。聚合物受热软化。由于空气受热膨胀,已熟化颗粒的泡孔中压力迅速增加。控制加热时间,使泡孔内的空气来不及逸出,膨胀的PS颗粒互相挤压黏结在一起,形成与模具形状相同的泡沫塑料制品,通水冷却后定型。温度和时间是成型过程中的重要影响因素,控制不当,或者珠粒之间不黏结,或者泡孔破裂使制品收缩,都无法成型。一般成型温度为100~105℃,成型时间为2~6min。

结构

制备方法不同,所得PS制品的泡孔结构也不同。如PS挤出泡沫板具有闭空式结构,由均厚的蜂窝壁紧密相连,壁间没有空隙。其泡孔直径平均约0.2mm。

加工挤出法EPS的泡孔结构加入成核剂后,能提高EPS的发泡性能,EPS形成大量气泡核,发泡孔细密均匀,发泡倍率明显提高。

应用

EPS最主要的应用领域是包装,其次是建筑材料。包装材料可应用在电子、机械工业、通信、家用电器、计算机、灯具、礼品,食品、快餐、农产品、水产品、日用品、家具、玩具等。在建筑领域,EPS可作为各种建筑板材,如保温板、隔音板、隔热板、防潮板、轻体墙板等。