超臨界 CO 2發泡 熱塑性聚氨酯泡沫板的壓縮成型
Abstract
1. Introduction
2. Materials and Methods

3. Results and Discussion








采用超臨界 CO 2發泡工藝制備膨脹熱塑性聚氨酯 (ETPU) 珠粒,然后通過壓縮成型制成泡沫板。研究了發泡珠粒的泡孔結構對泡沫板性能的影響。發泡壓力越高,泡孔數量越多,泡孔尺寸越??;在固定壓力下,發泡溫度越高,粘度越低,泡孔數量越少,泡孔尺寸越大,從而增加了 ETPU 的膨脹率。雖然與蒸汽箱成型相比,可以保持 ETPU 珠粒泡孔結構的加工窗口非常有限,但通過控制壓縮壓力和溫度來實現珠粒表面的燒結,可以通過壓縮成型 ETPU 珠粒來生產泡沫板。泡沫板的性能受珠粒膨脹率的影響,膨脹率的增加會增加泡沫回彈性,降低硬度,并增加拉伸強度和斷裂伸長率。
關鍵字:
熱塑性聚氨酯;發泡珠粒;超臨界 CO 2發泡;發泡倍數;回彈性;硬度
圖形概要
1. 簡介
聚合物泡沫 [ 1,2 ]廣泛用于輕質聚合物模塑產品。制造輕質聚合物模塑產品的典型工藝是 Mucell 工藝 [ 3,4 ]和珠粒泡沫工藝 [ 5,6 ] 。在 Mucell 工藝中,將化學發泡劑 [ 7,8 ]或物理發泡劑 [ 9,10,11 ]添加到聚合物熔體中,熔體在壓力下通過模頭或進入模具,并在擠出或注塑過程中冷卻。在珠粒泡沫工藝中,使用已經發泡的膨脹珠粒 [ 12,13 ]或含有可發泡的發泡劑的可膨脹珠粒 [ 14 ]來制備泡沫產品。發泡劑加入到聚合物顆粒中,可以在聚合過程中添加[ 15,16 ] ,也可以采用高溫高壓反應釜將超臨界流體狀態的發泡劑引入到聚合物顆粒中[ 17,18 ],或者在擠出機中加入發泡劑到聚合物熔體中,通過控制冷卻條件制備可發泡或膨脹珠粒[ 19 ]。
可發性珠粒最廣泛用于聚苯乙烯[ 20 ],發泡珠粒則用于聚丙烯(發泡聚丙烯,EPP)[ 21 ]、聚苯乙烯(發泡聚苯乙烯,EPS)[ 22 ]和聚乙烯(發泡聚乙烯,EPE)[ 23 ]。發泡珠粒泡沫采用燒結工藝使用發泡聚合物珠粒制成,具有優異的絕緣性、耐熱性、抗沖擊性和能量吸收性。尤其是,EPP因其機械性能、低導熱性和減震性能而廣泛用于輕質汽車部件[ 24,25 ]。最近,人們對發泡熱塑性聚氨酯( ETPU)的興趣日益濃厚,因為它可用于制備柔軟而有彈性的材料,并且在聚合過程中其性能易于控制[ 26,27 ]。這些熱塑性聚氨酯泡沫是優異的柔性材料,具有高硬度、回彈性、優異的機械性能和動態減震性。在由發泡珠粒(尤其是 EPP)制造聚合物泡沫成型產品時,通常使用蒸汽槽成型[ 28 , 29 ],其中將高溫蒸汽送入注塑模具,以物理方式燒結和粘合珠粒表面。此過程中的關鍵因素是在粘合珠粒表面的同時保持 EPP 的泡孔結構,因此蒸汽的溫度、壓力和停留時間是重要變量。隨著發泡珠粒的研究和開發,關于發泡珠粒蒸汽槽成型的研究也已有報道[ 30 ];還報道了將熱空氣與蒸汽結合以使蒸汽均勻滲透,以減少因蒸汽變化而導致的成型缺陷[ 31 ]。蒸汽槽成型無疑是成型發泡珠粒的最佳工藝,但由于設備成本高,其普遍適用性有限,因此似乎需要研究制造成型泡沫產品的多種方法。
本研究采用壓縮成型來豐富泡沫產品制造方法,因為它是聚合物加工中最典型且最便宜的制造方法。在不同的超臨界 CO 2發泡條件下,由發泡熱塑性聚氨酯 (ETPU) 制備泡沫板,并研究了珠狀泡沫結構對泡沫板特性的影響。
2。材料和方法
本研究中使用的熱塑性聚氨酯是 Dongsung Corp.(韓國釜山)芳香族聚醚熱塑性聚氨酯 (TPU: 6175AP),其熔點為 150°C,比重為 1.055 g/cm3 ,肖氏 A 硬度為 78。實驗室設計的高壓釜(CRS,韓國安養)用于 TPU 發泡以制備 ETPU 珠粒。高壓釜中加入 250 g 蒸餾水、100 g TPU、6.70 g 磷酸三鈣(TCP,Sigma-Aldrich,Merck KGaA,德國達姆施塔特)穩定劑和 0.13 g 十二烷基苯磺酸鈉(SDBS,Sigma-Aldrich,Merck KGaA,德國達姆施塔特)分散劑,然后用高壓泵(CRS,韓國安養)泵入CO2 。為了獲得超臨界 CO2 ,將溫度設定為 90、100、105 或 110 °C,將壓力設定為 75、80 或 90 bar;將 TPU 保持在高壓釜中 30 分鐘,然后打開球閥快速將壓力釋放到大氣壓力以制備膨脹 TPU (ETPU) 珠粒。為了制備 TPU 泡沫片,將帶有溫度控制系統的尺寸為 10 厘米×10 厘米×2.0 毫米的模腔安裝在壓縮成型機(QMESYS,QM900A,韓國義王)上。通過將 15 克 ETPU 充電模具保持在 140–150 °C 和 3.5–10.5 MPa 下 2–15 分鐘來燒結珠粒表面,然后在 4 °C 的水中淬火來制備泡沫片。圖1顯示了制備ETPU珠粒的發泡工藝和泡沫板壓縮成型工藝的示意圖。
圖 1.用于制備發泡熱塑性聚氨酯 (ETPU) 珠粒 的 CO 2輔助發泡工藝和壓縮成型工藝示意圖。
所有樣品的密度測量均采用 ASTM-D792 的水置換法。使用掃描電子顯微鏡(Coxem EM-30,韓國大田)獲得的顯微照片測量泡孔直徑 (D) 和泡孔密度 (N),從而表征在不同溫度和壓力條件下制備的 ETPU 珠粒的泡沫結構。膨脹率是通過使用電子密度計(SD-200L,加拿大安大略省沃恩)測量發泡前后顆粒的密度 ( ρ TPU,ρ ETPU ) 來確定的,然后使用以下公式計算膨脹率 (Φ)。
φ = ρ TPU / ρ ETPU
(1)
制備 5 個尺寸為 20 mm × 90 mm × 3 mm 的 ETPU 泡沫片材樣品,以 10 mm/min 的速度進行拉伸試驗。通過使用拉伸試驗機(Lloyd LR30K,美國俄亥俄州克利夫蘭)測量拉伸強度、模量和斷裂伸長率與伸長率的關系,并使用肖氏硬度計(BS-392-A,廣州安妙儀器有限公司,中國廣州)測量肖氏 A 硬度,來評估制備的 ETPU 泡沫片材的力學性能。通過使用實驗室制造的回彈儀,將一個重 0.486 g 的 5 mm 球從 41 cm 的高度落下(H o),并測量其反彈的高度(H),來評估泡沫片材的回彈性能;球的回彈率根據以下公式計算。
R = H / H o × 100(%)
(2)
3。結果與討論
圖2顯示了在不同發泡溫度和壓力下制備的ETPU的SEM顯微照片。圖2測得的泡孔直徑和密度以及圖3所示的通過測量發泡前后顆粒的密度確定的膨脹比反映了發泡溫度和壓力對這些值的影響。從圖2可以看出,在本研究采用的溫度和壓力條件下,ETPU泡沫具有閉孔結構。從圖2可以看出,當壓力較低(75 bar)時,泡孔未充分發育,泡孔間壁較厚,表明該條件不適合制備ETPU。泡孔尺寸隨著壓力的升高而減小,在90 bar時,泡孔直徑為20~60μm,泡孔密度為108個泡孔/cm3 ,無論溫度如何,它都可以歸類為細泡孔泡沫[ 32 ]。相反,在 90 bar 以下,泡孔直徑大于 100 μm,泡孔密度為 10 6泡孔/cm 3,是傳統泡孔泡沫的代表。這是因為在較高壓力下 TPU 中形成了更多的核,其中相同總量的 CO 2隨后擴散,由此發生的膨脹形成相對較小的泡孔。在固定壓力下,溫度升高會降低 TPU 的粘度,從而導致泡孔變大和泡孔密度降低。膨脹率隨著發泡過程的壓力和溫度的升高而增加,這表明它更多地取決于泡孔大小而不是泡孔密度。從圖 3c中可以看出,本研究中獲得的大多數 ETPU 的膨脹率一般低于 4,這是高密度泡沫的特征。然而,當發泡溫度為 80–90 bar 和 110 °C 時,可獲得中等密度泡沫,其膨脹率為 4–10;當發泡溫度為 90 bar 和 110 °C 時,可獲得最高膨脹率為 7。泡沫結構取決于發泡條件,這無疑會影響由 ETPU 珠粒制成的泡沫片材的性能。
圖2.超臨界CO 2發泡工藝 中不同發泡溫度和壓力下制備的ETPU的SEM顯微照片。
圖3.超臨界CO 2發泡工藝 中不同發泡溫度和壓力下制備的ETPU珠粒的物理性質:( a )泡沫尺寸;( b )泡沫密度;( c )膨脹比。
圖 4顯示了成型溫度對泡沫板結構的影響。泡沫板是在 105 °C 和 90 bar 條件下對 ETPU 珠粒進行 15 分鐘壓縮成型而形成的。從圖中可以看出,在 140 °C 下壓縮成型時,由于燒結不充分,所以無法制造泡沫板;而在 150 °C 下,珠粒表面會熔化,這表明,通過壓縮成型制備泡沫板應在略低于 150 °C(TPU 的熔點)的一個較窄的溫度范圍內進行。圖5顯示了成型時間對 145 和 150 °C 下泡沫板形成的影響。在 145 °C 下,珠粒的燒結不會像在 140 °C 下成型那樣在 5 分鐘內發生,但會在 8-15 分鐘內充分發生,并且不會發生泡孔變形。在 150 °C 下,當成型時間相對較短(2-3 分鐘)時,可以形成保持珠粒結構的泡沫片材;然而,在較長的成型時間下,可以看到與在 145 °C 下成型的片材相反的片材表面的變形。圖 6顯示了在與圖 5相同的條件下制備的樣品的表面和橫截面 SEM 顯微照片。圖 6a中在 145 °C 下成型的泡沫片材表面光滑,沒有顯示 TPU 的不規則表面熔融,但圖 6b中在 150 °C 下成型的泡沫片材顯示出不規則的表面熔融,因此導致表面的破壞性變形。在芯層和貼近皮膚的層之間似乎獲得了相似的細胞形態。在兩種條件下,珠粒之間的界面都會隨著成型時間的增加而變厚,表明珠粒表面進行了有效燒結。雖然在145°C下成型時泡孔結構沒有變形,但是由于熔融,在150°C時原始ETPU的泡孔會發生變形,并且成型時間會延長,特別是在發生界面燒結的珠粒之間的界面處。
圖 4. 成型溫度對 ETPU 珠粒在 3.5 MPa 壓力下壓縮成型 15 分鐘的影響。
圖 5. ETPU 珠粒在 3.5 MPa 壓力下壓縮成型時成型時間的影響,成型溫度:( a ) 145°C;( b ) 150°C。
圖 6.在( a)145°C 和(b)150°C 下成型的 ETPU 片材表面和橫截面的 SEM 顯微照片。
模壓成型壓力對珠粒燒結的影響如圖7所示。隨著壓力的增加,珠粒之間的界面變厚,這可能會提高泡沫片材的物理性能;但是,隨著成型時間的增加,可以看到泡沫表面的破壞性變形和界面附近的泡孔變形(圖6)。因此,在3.5 MPa下模壓成型似乎可以得到最好的泡沫片材。根據這些結果,ETPU泡沫片材的模壓成型是可能的,但是與蒸汽箱注塑成型相比,可以最小化泡孔變形的溫度和壓力范圍非常有限,因此需要精確控制成型溫度和壓力。
圖 7. 壓縮成型壓力對 145°C 下 ETPU 珠粒燒結的影響。
通過對在不同條件下制備的具有不同泡孔結構的 ETPU 珠粒進行模壓成型,在 3.5 MPa 和 145 °C 的溫度下模壓 15 分鐘,研究了泡孔結構對泡沫板性能的影響,在此成型條件下,珠粒會發生燒結,并且泡孔的變形最小。圖 8 顯示了使用具有不同泡孔直徑和泡孔密度的 ETPU 在 145 °C 下模壓 15 分鐘后泡沫板的 SEM 顯微照片。在所有 ETPU 中,通過表面融合進行燒結已經很充分;當使用在低壓和低溫下發泡的 ETPU 時,珠粒融合形成的界面更厚,并且泡孔結構在模壓成型過程中不會變形。
圖 8. 在 3.5 MPa 壓力和 145 °C 溫度下壓縮成型 15 分鐘后制成的 ETPU 泡沫片橫截面的 SEM 顯微照片。
圖9顯示了泡孔直徑、泡孔密度和發泡倍率對模壓成型泡沫片回彈性能的影響。球回彈性能通常用于評價泡沫的回彈性能。與硬度不同,球回彈性能反映泡沫的瞬時手感,當泡沫的回彈性能差或能量吸收低時,其回彈性能也較低?;貜椥阅芡ǔMㄟ^選擇聚氨酯聚合中所用的異氰酸酯和多元醇來控制。但是,如圖9所示,即使使用單一聚氨酯不同的球,也可以通過模壓成型具有不同泡孔結構的ETPU(由在不同條件下發泡TPU獲得)來獲得回彈性能。球回彈性能取決于發泡倍率,發泡倍率越高,泡沫的回彈性能越高(圖9),這表明與高密度泡沫相比,中密度泡沫具有更高的泡沫回彈性能和能量吸收能。在 75 bar 下發泡的 ETPU 泡沫板表現出相對較低的球回彈率(圖 9),這似乎是由于低發泡壓力下 TPU 的泡孔膨脹不足造成的(圖 2)。理論發泡率可由泡孔體積(V g )計算得出,而泡孔體積又可由圖 3中的泡孔數(N)和泡孔直徑(D)計算得出,理論發泡率(Φ理論值)可由顆粒體積(V p = 1)計算得出,圖 9中顯示了該數據以及測量數據。它與使用發泡前后測量的密度計算出的實驗發泡率(Φ)顯示出相似的相關性,這表明考慮兩個相互補充的因素——泡孔直徑和泡孔密度——計算出的理論發泡率與泡沫板的性能相關。
?????? = Nπ6???3五???=否???6德3
(3)
φ理論值 = (??????+??????) /??????= 1 +??????= 1 + ???π6???3???理論 價值=(五頁+五???)/五頁=1+五???=1+否???6德3
(4)
圖9. 泡沫結構對ETPU泡沫片球回彈的影響。
圖 10顯示了制備的泡沫板的肖氏 A 硬度。與球回彈性能相反,由于泡孔直徑小、泡孔數量少,膨脹率低的泡沫相對較硬;另一方面,膨脹率較高的泡沫硬度低,因此較軟。在低壓和 75 bar 和 90 °C 的溫度下用 ETPU 發泡制備的泡沫板,泡孔膨脹不完全,其硬度值與未發泡的 TPU 板相似。這似乎是由于發泡條件不充分導致大部分 ETPU 未發泡。隨著膨脹率超過 4,硬度幾乎沒有變化,表明在中等密度泡沫板(膨脹率 ≥ 4)的情況下,由泡孔數量和大小決定的膨脹率不會影響泡沫板的硬度,而在高密度泡沫(膨脹率 < 4)的情況下則會影響。
圖 10. 泡沫結構對 ETPU 泡沫片肖氏 A 硬度的影響。
泡沫板的拉伸性能如圖11所示。拉伸強度和斷裂伸長率隨發泡率的增加而增加,但模量降低。由ETPU珠粒在相對較低的壓力和溫度下發泡制成的泡沫板具有較厚的泡孔壁,因此發泡率較低,由于未發泡部分的模量較高,施加的拉伸力很容易在珠粒之間的燒結界面處破裂。由發泡珠粒制成的泡沫板的拉伸強度取決于珠粒之間燒結界面的失效和珠粒內部泡孔的失效。當壓縮成型條件不合適且燒結不充分時,珠粒界面處的失效預計會導致非常差的拉伸強度,但在適當條件下加工的泡沫板的機械性能預計取決于界面或泡孔的失效,具體取決于泡孔結構。圖 12顯示了本研究中在最佳壓縮成型條件下加工的泡沫板的拉伸試驗斷裂表面的橫截面 SEM 顯微照片,可以看出,界面和孔隙處都會發生失效,其相對程度取決于所用的 ETPU。由低發泡率珠粒制成的泡沫板會在珠粒-珠粒界面處失效,而由于發泡壓力和溫度較高而具有較高發泡率的泡沫板會在孔隙處失效,從而產生較高的拉伸強度和斷裂伸長率。也就是說,高發泡率珠粒中的閉孔結構吸收了拉伸試驗中的能量,而不會在界面處失效,直到最終失效的是孔隙而不是界面。根據這些結果,似乎使用中密度泡沫珠粒而不是高密度泡沫珠粒更有利于通過壓縮成型制成的泡沫板具有足夠的機械強度。
圖 11. ETPU 泡沫片的機械性能:( a ) 拉伸強度;( b ) 斷裂伸長率;( c ) 楊氏模量。
圖 12. 拉伸試驗中 ETPU 泡沫板斷裂表面的 SEM 顯微照片。
4。結論
研究了發泡壓力和溫度對發泡TPU泡孔形成的影響,以及將制備好的EPTU模壓成型為泡沫片材的可能性。研究了發泡珠粒結構對模壓成型泡沫片材性能的影響,得出以下結論。
本研究中使用的 TPU 在 75-90 bar 和 90-110 °C 下發泡時呈現封閉的泡孔結構,并且可以制備具有細泡孔和/或常規泡孔的多種泡沫結構的 ETPU 珠粒。在較高的發泡壓力下,會形成更多的核,泡孔尺寸會減小,從而導致更高的膨脹率,而在固定壓力下發泡溫度的升高會影響粘彈性,從而增加泡孔尺寸并減少泡孔數量,從而降低膨脹率。已經證實了壓縮成型 ETPU 以制備泡沫板的可能性,但在燒結 ETPU 珠粒期間,EPTU 中的泡孔結構不會變形,從而獲得泡沫板的加工窗口非常狹窄。ETPU 的膨脹率會影響泡沫板的性能,膨脹率越高,硬度越低,因此回彈性越高。發達的泡孔結構還有助于提高機械性能,例如拉伸強度和斷裂伸長率。
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