浅谈PVC发泡板材

王洪艳,李 琴,张 建,袁少飞,杜官本,张家祖

(1.浙江省林业科学研究院,浙江省竹类重点实验室 浙江 杭州310023;2.西南林业大学;3.浙江农林大学)

浅谈PVC发泡板材

王洪艳1,李 琴1,张 建1,袁少飞1,杜官本2,张家祖3

(1.浙江省林业科学研究院,浙江省竹类重点实验室 浙江 杭州310023;2.西南林业大学;3.浙江农林大学)

介绍了PVC发泡板材的分类、成型机理、成型方法及国内外PVC发泡材料的研究进展,并对其应用前景进行了展望。

PVC发泡板；硬质；软质；结皮发泡；自由发泡

PVC发泡板是指以聚氯乙烯(PVC)为主要原料,添加发泡剂、稳定剂、润滑剂等助剂,经发泡、塑化而制成的不同规格的板材。PVC发泡板又被称为雪弗板或安迪板,PVC发泡板因其密度小热导率低、吸音性能好、阻燃性能和耐化学性能优良、易于用常规机械加工等特点,现广泛应用于室内装潢装修、公共场所建筑物隔间、地板等。PVC发泡板在国外一些发达国家应用比较广泛,在国内发展相对缓慢,我国目前PVC发泡板年产约为几十万吨,且未完全利用。随着国家“十三五”期间对建材和其他材料的节能环保要求提高以及中国木材资源的日益匮乏,PVC发泡板的应用将会得到快速发展[1－3]。

1 PVC发泡板的分类

1.1 按发泡程度分类

按PVC发泡板的发泡程度不同,可将PVC发泡板分为高发泡板和低发泡板。高发泡板的发泡倍率一般为20～45倍,而低发泡板的发泡倍率一般低于15倍。

1.2 按泡体质地的软硬程度分类

按泡体质地的软硬程度不同,可将PVC发泡板分为硬质发泡板和软质发泡板。通常硬质发泡板的发泡倍率较低、强度高,多作力学材料使用,而软质发泡的发倍率较高、密度低、强度低,一般用作保温材料。

1.3 按泡孔结构分类

按泡孔结构的不同,可将PVC发泡板分为闭孔发泡板和开孔发泡板。闭孔发泡板是指板材内部具有相对独立的泡孔结构,并且泡孔之间有壁膜隔开,泡孔间无法互相连通,而开孔发泡板是指板材内部泡孔与泡孔之间部分连通,或者完全连通。

1.4 按制作工艺分类

按制作工艺的不同,可将PVC发泡板分为结皮发泡和自由发泡板。PVC结皮发泡板的板材表面被强制冷却形成一层表皮层,此表皮层的表面不发泡,[4],PVC结皮发泡板表面硬度非常高,一般很难产生划痕,因此广泛应用于橱柜,装饰板材及建筑材料等方面;PVC自由发泡板是指发泡剂熔融体离开模具模口后,任其自由膨胀,然后通过定型装置定型,制成不同形状的PVC发泡板,由于PVC发泡板表面硬度一般,因此常被用于广告展板,裱画板等。

2 PVC发泡板的成型机理

和其他发泡板材一样,PVC发泡板需要经历3个过程,即内部形成气泡核,然后自由膨胀,再冷却固化定型。首先,PVC聚合物熔融体内部通过发泡剂的作用形成大量均匀致密的气泡核,此过程为气泡核的形成;然后进入第2个过程即气泡核的膨胀,由于受模具的限制,气泡核膨胀到一定程度即停止定型,达到第3个过程即冷却固化定型阶段,此过程中,应尽量保持气泡的完整性,不要有气泡裂开和凹坑[3－6],经历这3个过程后,最终制得PVC发泡板。

2.1 气泡核的形成

在PVC的熔融材料中加入适量的发泡剂,发泡剂自由分散,并在热的条件下,发泡剂分解而产生气体,进而形成气－液混合溶液,随着材料中的气体不断产生,溶液慢慢达到过饱和状态,溶液中也会有气体溢出[7],气泡核就形成了。

PVC发泡板常用的发泡剂分无机发泡剂和有机发泡剂两大类。无机发泡剂主要有碳酸氢钠,有机发泡剂主要有偶氮二甲酰胺,偶氮二异丁腈[8]。

2.2 气泡的膨胀

PVC发泡板气泡膨胀的过程又称为气泡的成长,它是气泡核的形成和固化定型之间的过程[3－7],气泡膨胀的初期会有气泡核进一步的长大。后期,随着PVC熔体的温度降低,粘度会变大,泡体固化慢慢形成。气泡产生后,气泡的半径会增大,这是因为气泡的内压与气泡的半径成反比,气泡越小,气泡内的内压就越大。随着气泡的增大,当两个气泡靠近并互相接触后,气体会从小气泡内进入到大气泡内,气泡的半径也会变大。

2.3 泡体的固化定型

PVC发泡板气泡膨胀的后期也称泡体的固化定型阶段,随着PVC树脂粘度逐渐粘稠,使得板材内的气泡慢慢失去流动性,进而固化定型。由于气泡的不断形成,气泡的数量不断增多,使得气泡的容积和表面积逐渐增大,而泡体的厚度不断减小,泡体的结构越来越不稳定,气泡与气泡之间可能会融合,凹陷甚至裂开,但气体体积的增大造成的内压还难以使气泡壁再变形的程度,导致气泡无法进一步膨胀,于是气泡结构达到稳定固化。

3 PVC发泡板的成型方法

PVC发泡材料的成型方法虽然多种多样,但PVC发泡板的成型方法主要可以分为挤出成型和模压成型两大类[9]。挤出成型是指物料通过挤出机料筒与螺杆之间的作用,边受热边塑化,边被螺杆向前推送,连续通过模具摸头而生产板材的一种加工方法,其具有周期短、产量大、效率高、成型工艺简单等优点,是工业大规模化生产中的主要方法;模压成型是指将一定量的物料放入成型的模具腔中,经加热固化定型的一种加工方法,模压成型具有工艺简单,操作方便等优点,但生产效率较低。

4 PVC发泡板的研究现状

PVC发泡材料的研究最早开始于19世纪60年代,当时主要采用挤出成型工艺。80年代以来随着新工艺新生产技术的应用,PVC发泡材料才真正进入实用阶段。进入新世纪以来,研究学者们为了进一步改善纯PVC发泡材料的性能,在PVC中添加了其他材料进行发泡,因此PVC复合发泡材料应运而生,其中最为代表性应为PVC木塑复合发泡板。目前国内外对PVC木塑复合发泡板的研究方向主要是(1)PVC材料和木质材料界面相容性研究;(2)复合材料发泡程度和泡孔结构影响因素的研究;(3)PVC木塑复合发泡板连续成型设备及工艺。

国内对PVC木塑复合发泡板界面相容性的研究最早开始于1985年。当时福建林学院杨庆贤[9－10]等人对废旧PVC与木粉的复合情况做了初步探索研究,随后,我国一些科研单位(如中国林科院木工所、南京林业大学、中南林业科技大学等)的科研工作者对PVC木塑发泡复合材料的界面相容性、成型工艺及配方设计等问题都进行了深入的研究。

鲁圣军[8]等学者采用纳米CaCO3为填充材料,对PVC材料进行改性,制成PVC发泡复合板。他们发现纳米CaCO3粒子的加入可以提高PVC发泡板材的韧性,并且板材的强度、模量、热变形温度、加工流变性都有很好的改善。

苑会林[11－12]等人对提高PVC发泡板的拉伸和冲击强度做了系统的研究,主要方法是选用铝酸酯和烯酸丁酯作为偶联剂对木粉进行表面处理,并以处理后的木粉为配料合成出新型的复合PVC发泡板,此种板材可以具有很好的拉伸和冲击强度。

北京化工大学塑料研究所[2]分别对PVC/竹粉、PVC/杨木粉、PVC/砂光粉等木塑复合材料的发泡性能做了研究,研究结果表明,木纤维的种类对PVC/木纤维复合材料的发泡性能有一定的影响。其中含有较多的粘合剂和石膏粉的砂光粉会大大增加发泡材料的发泡难度,而采用复合发泡剂则可成功制得PVC/砂光粉发泡木塑复合材料,可控制发泡后复合材料的密度在0.7－0.85g/cm3。

L.M.Matuana[13]等采用木质纤维素中的水分作为发泡剂制备PVC/木粉复合材料。研究结果表明,化学发泡剂(AC)和木质纤维素中的水分含量没有协同作用,而在配方中加入丙烯酸可明显降低PVC发泡材料密度,在适当条件下,如合适的机头温度、适宜的丙烯酸,没有AC的条件下也可以制成PVC/木粉复合泡材料。

F.Mengelogludeng[14]分别采用吸热型和放热型两种发泡剂对挤出成型发泡板的泡孔结构做了研究。结果表明,这两种发泡剂通过挤出成型方法制成的硬质PVC/木粉复合发泡板的延展性会得到明显的提高,孔隙率达到35%,其中放热型发泡剂制得的复合板泡孔尺寸较小。

Virgina等[15]通过分步发泡的方法制成了PVC/木纤维发泡复合材料,并且得到了很好的泡孔结构,但在生产过程中,必须严格控制发泡的时间和温度。发泡的时间不宜过长,温度也不宜过高,否则会使泡孔合并,发生并孔现象而不利于得到最佳的孔隙度。

纵观以上国内外学者的研究内容,目前对PVC发泡板的研究主要还是围绕(1)原料的处理;(2)配方设计;(3)制品的成型设备及成型工艺这几个方面展开。

5 展望

PVC发泡板是作为一种可代替木材的合成板,已广泛应用于天花板,地板,室内及车内装饰板材等。随着国家对环境保护重视力度的加强,可回收利用的PVC发泡板以及以塑代木的PVC木塑复合发泡板将有更广阔的市场,

[1]敖欢,刘廷华.木塑复合材料发泡成型技术研究进展[J].塑料工业,2005,37(4):88－91.

[2]温安华,薛平,贾明印.微发泡木塑复合材料的研究进展[J].塑料工业,2006,34(6):1－5.

[3]薛平,贾明印,王哲,丁筠.PVC/木粉复合材料挤出发泡成型的研究[J].工程塑料应用,2004,32(12):66－70.

[4]韩振.PVC基木塑复合结皮发泡地板基材的研究[D].东北林业大学硕士论文,2010.

[5]钱志屏.泡沫塑料[M].北京:中国石化出版社,1998.

[6]连荣炳.软质聚氯乙烯发泡材料的研究[D].四川大学硕士学位论文,2006.

[7]石璞,欧阳龙,蔡淑容.植物纤维发泡材料的发泡机理与成型工艺探讨[J].包装学报,2013,5(3):55－58.

[8]鲁圣军,熊传溪,董丽杰.PVC树脂的微发泡工艺研究[J].包装学报,2013,5(3):55－58.

[9]刘荣榕.PVC/木粉复合材料的制备及其性能的研究[D].上海交通大学硕士论文,2010.

[10]杨庆贤,黄祖迹,刘治生.木/塑复合材料建筑模板的研制[J],1993,13(3):238－241.

[11]苑会林,李军,马沛岚.表面处理对木粉增强PVC发泡复合板材性能的影响[J].工程塑料应用[J],2003,31(8):22－25.

[12]赵永生,朱复华,薛平,刘素梅,蒋洋.木粉对PVC木塑复合材料力学性能影响[J].现代塑料加工应用,2005,17(6):12－15.

[13]LAURENT M.MATUANA,FATIH MENGELOGLU.Manufacture of Rigid PVC/Wood－Flour Composite Foams Using Moisture Contained in Wood as Foaming Agent[J].JOURNAL OF VINYL&ADDITIVE TECHNLOGY,2002,8(4):264－270.

[14]FATIH MENGELOGLU,LAURENT M.MATUANA.Foaming of Rigid PVC/Wood－Four Composites Through a Continuous Extrusion Process[J].JOURNAL OF VINYL AND ADDITIVE TECHNLOGY.2001,7(3):142－148.

[15]VIRGINIA O.GUFFEY,AMIEL B.SABBAGH.PVC/Wood－flour Composites Compmatibilized With Chlorinated Polyethylene.JOURNAL OF VINYL&ADDITIVE TECHNLOGY[J].2002,8(4):259－263.

Discussion of the PVC foam board

WANG Hongyan1,LI Qin1,Zh ANG Jian1,YUAN Shaofei1,DU Guanben2,ZHANG Jiazu3
(1.Key Laboratory of Bamboo Research of Zhejiang,Zhejiang Forestry Academy,Hangzhou 310023;2.Southwest Forestry University;3.Zhejiang A&F U University)

The classification of PVC foam board,the forming mechanism,the forming method,the research progress of PVC foam material at home and abroad were introduced in this paper,and the application prospect of the PVC foam board was also prospected.

PVC foam board;hard;soft;skin foaming;free foaming

S781.6

A

1002－2724(2016)06－0109－03

2016－11－03

浙江省林业工程重中之重一级学科开放基金(2014lygcy026)资助,浙江省公益技术农业项目(2015C32087)资助。

王洪艳(1984－),女,博士,助理研究员,湖北荆州人,主要从事人造板及胶黏剂的研究研究。E－mail:15990054143＠163.com