泡沫塑料发泡方法

泡沫塑料发泡方法

泡沫塑料是以合成树脂为基体，加入发泡剂及其它添加剂，经发泡作用形成的一种具有细孔梅绵状结构的物质。常用的树脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚氨酯等。常用的发泡方法有物理发泡法、化学发泡法和机械发泡法等，所形成的气泡结构分两种：其一是独立气泡，亦称闭孔结构，一个个气泡各成薄壁独立状；其二是连通气泡，亦称开孔结构，各气泡相互连通成一体．一般气泡的直径在50—500μm之间，气泡膜厚度在l—10μm之间，在lcm3泡沫塑料中有800—8000万个气泡。

泡沫塑料因其密度和结构的不同，性能也有所差异，从包装的角度来看，泡沫塑料一般具有以下特性：

1、密度很小，一般在0.02—o.2g／cm3之间，因此重量很轻，原料消耗少，既减少包装重量，降低运输费用，成本也不高．

2、具有极好的冲击吸收性能，防震效果极好，能有效地保护被包装物品。

3、机械性能好，有较好的抗压强度和回弹性能，特别是它可根据被包装物品的重量等要求来选择性能不同的泡沫塑料．

4、化学稳定性好，对酸、碱，盐等化学药品均有较强的抗力，自身pH值处于中性，不会腐蚀包装物品．

5、加工性能优良，既可以制成不同密度的软质和硬质泡沫塑料，又可以按包装物品的外形、尺寸模压成各种包装容器，还可以把泡沫板(块)材用多种粘合剂粘接，制成各种缓冲结构材料。

6、有很好的耐水性和很低的吸湿性，即使在较湿的情况下也不会出现变形和毁体，影响其吸收外力的能力．

7、对温度的变化有相当好的稳定性，完全可以满足一般正常包装的要求.

8、由于泡沫塑料中含有大量微小气泡，故绝热性能优良，可作绝热材料，也可用于绝

热包装。

泡沫塑料品种繁多，发泡方法也各有所不同，通常的发泡方法又物理发泡法、化学发泡法和机械发泡法等。

一、物理发泡法

物理发泡法是利用物理原理实施发泡，包括一下两种方法。

1、惰性气体发泡法

这种发泡方法是在加压下把惰性气体压入熔融聚合物或糊状物料中，然后减压升温，使溶解的气体膨胀而发泡。其特点是气体发泡后不会留下残渣，不影响泡沫塑料的性能和使用。但缺点是需要较高的压力和比较复杂的高压设备。通常应用于聚氯乙烯、聚乙烯等泡沫塑料。

2、低沸点液体发泡体

这种发泡方法是利用低沸点液体蒸发汽化而发泡，把低沸点液体压入聚合物中或在一定压力、温度下，使液体溶入聚合物颗粒中，然后将聚合物加热软化，液体人也随之蒸发汽化而发泡，后一种方法又称为可发性珠粒法。通常应用于聚苯乙烯、交联聚乙烯等泡沫塑料。

二、化学发泡法

化学发泡法是在发泡过程中伴随着化学反应产生气体而发泡，包括以下两种类型。

1、热分解型发泡剂发泡法

这种发泡方法是加入热分解型发泡剂受热分解产生气体而发泡。其特点是只需在配方中加入发泡剂就可以发泡，而无需特殊设备。但缺点是有时成型温度和发泡剂分解温度不易匹配，会造成发泡过程不易控制。常应用于聚氯乙烯。聚乙烯等泡沫塑料。

2、聚合物组分间相互作用产生气体的发泡法

这种发泡方法是利用发泡体系中的两个或多个组分之间发生的化学反应，生成惰性气体（如二氧化碳或氮气）致使聚合物膨胀而发泡。发泡过程中为控制聚合反应和发泡反应平衡进行，为保证制品又较好的质量，一般加入少量催化剂和泡沫稳定剂（或表面活性剂）。其特点是无需特别加入发泡剂，但缺点是反应过程复杂。通常应用于聚氨酯等泡沫塑料。

三、机械发泡法

这种发泡方法是采用强烈的机械搅拌使空气卷入树脂乳液、悬浮液或溶液中成为均匀的泡沫体，然后再经过物理或化学变化使之胶凝，固化成为泡沫塑料。为缩短成型周期可通入空气和加入乳化剂或表面活性剂。其特点是无需特别加入发泡剂，但缺点是所需设备要求较高。通常应用于脲醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙酸乙烯、聚氯乙烯溶液等泡沫塑料。

以上三种发泡方法的共同特点是在发泡过程中树脂都处于液态或黏度较低的塑性状态，只有在此时加入发泡剂或加入能生产气泡的固体或液体，才能生产气体形成泡孔结构。 影响泡沫塑料性能的因素

一、加工因素

泡沫塑料性能受加工因素的影响，主要有设备、工艺过程的控制和加工人员的操作经验。泡沫塑料在加工过程中特别是在发泡膨胀过程中，受控制因素的影响，使生成的气泡变形，从圆形变化到椭圆形或细长型。这样泡壁沿膨胀方向拉长，致使泡沫塑料出现各向异性。结果沿拉力方向的力学性能增大（纵向强度增大），而垂直于取向方向的强度降低。对聚氨酯泡沫塑料所做的实验表明，泡孔的拉伸度越大，则相应的压缩应力比和模量比也越大，故泡沫塑料的各向异性程度也越大。作为泡沫塑料应尽量避免各向异性。

二、泡孔尺寸

泡孔尺寸大小是影响泡沫塑料压缩强度的重要因素之一。用光谱显微镜对两种泡孔大小不同的泡沫塑料样品所做的压缩实验表明，大泡孔（0.5～1.5mm）泡沫塑料样品被压缩10%时，外层泡孔肋架开始弯曲，当被压缩到25%时，外层泡孔崩塌，内层泡孔开始弯曲，泡沫体中心的泡孔开始变形。对于小泡孔（0.025～0.075mm）泡沫塑料样品，当被压缩时泡孔呈等量压缩，即泡沫体的内外泡孔可均匀地吸收外加压缩能量，一般认为小泡孔泡沫塑料压缩性能好于大泡孔泡沫塑料。

三、泡孔结构

同一种泡沫其开孔和闭孔所表现的性能是不一样的。实验结果表明，随开孔率提高其压缩强度明显下降。压缩强度是衡量泡沫塑料主要性能的指标之一，要生产高压缩度的泡沫塑料，应提高闭孔率，反之则应提高开孔率。另外，泡孔的大小还会影响其吸水率，即泡孔直径越大，吸水率不久越大。

四、发泡倍率

泡沫塑料的性能还取决于树脂性能、发泡剂用量、泡沫体密度等因素，这些因素又与成型条件又直接关系。随着发泡倍率的增大，泡沫体的拉伸强度、弯曲强度、热变形温度等都随之下降，而制品的成型收缩率增加

发泡缓冲材料的检测与评价

在产品实际流通或实验室里的仿真实验中，我们一直习惯从宏观角度去评价一个完整包装件的优劣。所谓宏观角度评价，反映的是包括包装材料、包装方式、包装结构以及内装产品自身特性等各种因素的综合影响结果，简单且直观。然而，宏观角度评价难以考察某一种因素在整个包装件中所发挥的功用。因此，在评价某一包装件的综合保护水平时，需要根据内装物的特性，确定一个完整包装件中包装材料、设计结构、包装方式等因素的单独保护作用。

在整个包装系统中，重点是对包装件中担任重要角色的缓冲类材料实施科学的检测和深入的分析。包装用缓冲材料广泛应用于电子产品、家用电器、仪器仪表、玻璃陶瓷等各种易损易碎物品。缓冲材料主要有泡沫类、弹簧类、纤维类等，而发泡塑料类应用最多最广。常用的发泡塑料有发泡聚乙烯（EPE）、发泡聚苯乙烯（EPS）、发泡聚氨酯（PU）等。发泡塑料是一种气体与塑料共混而成的材料，具有较大的可压缩性、缓冲性，在防震、防破碎包装中起着重要的作用。发泡缓冲材料可以根据不同的被包装产品，制成多种多样的形状和结构，置于产品的适当部位发挥缓冲效用。与其它材料相比，发泡材料的用料少、质量轻、便于加工、易于机械化生产，因此越来越多地受到使用和生产厂家的青睐。发泡类缓冲材料可粗略地分为硬质发泡材料和软质发泡材料、开孔发泡材料和闭孔发泡材料、物理发泡材料和化学发泡材料以及高密度材料和低密度材料等。同一类的塑料原料由于发泡倍率不同、熟化程度不同，所生成的发泡材料在性能和用途上具有很大的差异，如：发泡材料的外观、阻尼特性、弹性等都会有所不同。在实际应用中，通常根据产品的保护要求，通过测试的方法比较发泡缓冲材料的各项理化性能，挑选出相关参数最恰当、最经济的材料加以应用。研究发泡缓冲材料的目的就是力图做到用最低的包装成本满足产品最必要的保护要求。

我们常见到的是成型的缓冲材料。测试成型缓冲材料的物理性能，重点是考察其缓冲性能。检测缓冲材料的方法很多，不同类型的缓冲材料有其相应的试验方法和试验项目。检测缓冲材料的各项性能指标，我们经常采用中国国家标准、美国ASTM 标准、ISO 国际标准和日本JIS 标准等。测试项目常见的有：缓冲材料的外观、表观密度、尺寸稳定性、静态压缩特性、动态压缩特性、蠕变特性、压力保持以及振动传递特性等。

观察发泡缓冲材料的外观，我们可以辨别出发泡缓冲材料的原料类型，如EPE、EPS、PU 等；

同时也能判断出发泡缓冲材料的发泡类型，如开孔或闭孔；以及发泡缓冲材料的熟化程度。

表观密度是决定同类发泡缓冲材料缓冲性能的一项主要物理特性，它是评价发泡缓冲材料最直观的途径。通常同类材料中密度较高的刚性较大，密度较低的弹性较好。发泡缓冲材料的泡孔成型不同，分成开孔和闭孔。针对不同的泡孔成型表观密度有其对应的测定方法。根据选用不同模制材料的位置，分别可以测量表观总密度、表观芯密度、体积密度。测量表观密度低于30kg/m3 的闭孔泡沫材料时，要将加工过程中混入的气体质量包含在内。气体质量要以测定时状态调节的环境温度作为计算依据。发泡缓冲材料表观密度所决定的缓冲特性在其它物理性能指标中也会有所体现，如静态压缩特性曲线中，表观密度较高的材料所呈现的曲线斜率会大于表观密度较低的材料；在动态压缩特性、蠕变特性及压力保持试验中，表观密度较低的材料形变回复性比较好。

发泡缓冲材料的尺寸稳定性是考察发泡缓冲材料的耐候能力，它与发泡缓冲材料的加工原料和加工工艺息息相关。“结构紧凑”是缓冲包装设计的关键，发泡缓冲材料在交变的温湿度环境下进行流通，包装件所受到的冲击、振动、堆码都会使发泡缓冲材料受到应力挤压产生形变，随着变形在时间上的不断积累，造成发泡缓冲材料以及整个包装出现一定的永久形变，并产生空隙，使包装件结构发生改变，从而降低了包装件的自身保护能力。在实际流通过程中，缓冲衬垫上发生的微小尺寸变化，会对包装结构造成很大影响。在GB/T8811-1988中，规定尺寸稳定性试验的温度为70℃＆#177; 2℃，在此环境中将试样连续放置48h后比较尺寸变化率。试验温度应该根据包装件的流通环境全过程进行综合考虑。一般应将包装件流通过程中所遭受的极限温湿度作为试验的测试目标，才能准确且有针对性的考察发泡缓冲材料的耐候性能。

缓冲材料的静态压缩是模拟在静态载荷下包装件中缓冲衬垫所表现出的形变和力学特性。包装件在运输和仓储过程中都会遇到不同的堆码方式，不论何种堆码方式，在此过程中都会对包装件产生静态压力。这种静态载荷同时可由外包装纸箱、缓冲衬垫以及内装产品自身共同承担支撑作用。在静态载荷的作用下，发泡缓冲材料受到压缩，产生变形，改变了包装件整体结构，影响了缓冲效果。发泡缓冲材料自身所产生的应力、应变取决于材料本身的特性，它与材料类型、材料质量、发泡方式、发泡倍率、混合密度、成型工艺等有着直接的关系。静态压缩试验是对发泡缓冲材料试样以100 ＆#177; 20mm/min 的加载速度压缩试样

厚度的70%，反复三次预压缩，第四次通过计算机采集系统记录下发泡缓冲材料试样所承受的载荷和压缩变化量，即得到负荷——形变曲线，可以进一步转化为应力——应变曲线和缓冲系数——静应力曲线。利用缓冲系数——静应力曲线可以作为包装中缓冲衬垫尺寸的设计基础。我们可以通过理论计算得到缓冲衬垫的厚度和缓冲衬垫与所包装产品的接触面积。

发泡缓冲材料的静态压缩特性，依据不同标准，有着不同的方法。中国国家标准和日本JIS标准规定，在试验前试样要在一定压力下保持30秒后再测量其厚度，作为试样的原始厚度。中国国家标准要求对缓冲材料的加载速度为12＆#177;3mm/min；日本JIS标准要求对试样以相同程度反复压缩10次后，以预压缩的厚度作为初始厚度进行压缩试验并记录下曲线。预压缩的压缩量在中国国家标准中规定为原始厚度的0%～65%，而日本JIS 标准则要求是原厚度的20%。ISO 国际标准对发泡缓冲材料的静态压缩性能试验的要求有高密度材料和低密度材料之分，密度范围不同，试验方法也有所不同。低密度发泡缓冲材料的静态压缩试验是以100 ＆#177; 20mm/min 的速度压缩试样原始厚度的EMBED Equation.3 或压缩到预定的应变值，然后撤去压力。重复这样的预压缩三次，在第四次压缩时记录载荷——形变曲线。这种方法适合材料质地较软、易变形、变形量显著且容易恢复形变的低密度发泡缓冲材料。该试验方法更接近发泡缓冲材料的实际使用情况。高密度发泡缓冲材料的试验方法与低密度的不同之处在于对试样的加载速度降低到5 ＆#177; 1mm/min。由于高密度发泡缓冲材料的刚性大，不易变形，容易产生永久形变，实际应用中适于包装质量较大的产品，其耐反复压缩性能较差。

冲击是检验某种规格的缓冲材料传递加速度的能力，缓冲材料依靠自身形变吸收冲击能量来减少传递到产品上的加速度。冲击是包装件在储运环境中所考核的重点项目，因为它关系到产品是否能够最终以完好的状态呈现在使用者面前。包装件在流通过程中无法避免会受到冲击的危害，如人工装卸、机械搬运、运输工具的起动、停车、列车连挂、路面不平坦等都会引起对包装件不同程度的冲击。冲击是造成包装件损坏的主要原因之一。冲击是一种现象，是一个物体的位置、速度或加速度在外力作用下发生的突然变化；是在一个很短的时间内使加速度迅速增加，然后又急剧减少。当冲击对包装件内装产品产生的加速度达到或超过产品的脆值时，产品就会遭到致命损坏。研究发泡缓冲材料承受冲击的能力，就是要找出它在冲击中发挥作用的规律，选择恰当的发泡缓冲材料，从而削弱冲击对内装产品的影响，降低产品的破损率。发泡缓冲材料动态冲击试验就是模拟包装件中的缓冲衬垫在受到冲击时所

表现出的缓冲性能。

发泡缓冲材料动态冲击试验是在规定的冲击高度下，以一系列不同的载荷来冲击缓冲材料试样，记录下最大冲击加速度、冲击时间和速度变化以及被冲击试样的厚度变化。通过动态冲击试验我们可以得到冲击加速度——静应力曲线，进而转化成冲击加速度——最大静应力曲线和缓冲系数——最大静应力曲线以及厚度变化——静应力曲线和冲击加速度——静态位移曲线。

测试步骤是将一个试样置于冲击台面中央，用胶带固定。将重锤提升至预先设置的高度，激活程序，记录下冲击加速度、冲击时间和速度变化。每个试样冲击5次后放置3min测量其厚度，该厚度与试样原始厚度的差值作为静态位移，静态位移与原始厚度的比值（百分比）为厚度变化。通过上述五种曲线，可以了解各种发泡缓冲材料的动态特性。分析、比较获得的曲线，在进行缓冲包装结构设计、缓冲材料选择时加以利用，挑选出一种既满足保护要求，又经济实惠的缓冲材料，得到优化设计的产品包装。

振动传递特性是检验某种规格的缓冲衬垫的吸振能力。振动所带来的危害无处不在，在建筑结构、机械结构、包装结构中都有着不可忽视的影响。在包装件的流通过程中，造成内装产品损坏的另一主要原因就是振动。震源来自运输工具本身的动力装置振动、公路路面高低不平、铁轨的接缝以及风浪引起的水面波动等。振动会使产品或外包装容器表面划伤、漆膜脱落；产品内部会因反复施加的作用力而使螺丝松动、部件变形、产生裂纹，甚至部件之间相互撞击；产品的致命危险是当外界激振频率与包装件或内装产品的某一元件的固有频率相同时，产生共振现象。尤其是电子产品和精密仪器，振动会直接影响到它们的使用性能。发泡缓冲材料除了要有优良的抵御冲击的性能以外，还应具备良好的吸振性能，减小运输工具向内装产品传递振动。发泡缓冲材料的吸振特性主要与这种材料的阻尼相关。阻尼的存在能够消耗一部分振动能量，使作用在内装产品上的振动减小。我们可以通过模拟试验分析包装件受到振动时所反应出的情况，找出包装件损坏的可能因素，有针对性地采取防护措施加以保护。吸振特性试验可在振动试验机上进行，将发泡缓冲材料置于模拟内装物的一系列质量载荷的上下表面，同时分别在振动台和内装物上安置传感器。以扫频方式得到各个质量系统的振动传递率——频率曲线和该质量系统下的共振点。从而可以获得该种材料的振动特性评价。

压力保持是考察缓冲材料的形变恢复能力，以此来确定缓冲材料的有效使用范围。发泡缓冲材料的压力保持试验是测试发泡材料回弹性的优劣。当包装件受到冲击时，发泡缓冲材料的回弹性是引起产品遭受二次冲击的重要因素。因此，应该对包装中的发泡缓冲材料进行预处理，如预压缩，使之发生塑性变形，然后再以这种状态作为包装使用基础，使其发挥缓冲作用。

压力保持试验是先测量试样的初始厚度，压缩试样使其变形量为原始厚度的50%，保持此状态放置24h，24h后卸载压力，分别在卸载压力后30min和24h后测量试样的厚度，作为试验后的试样厚度。试样的厚度变化与初始厚度的比值为该种发泡缓冲材料的厚度变化率（百分比）。

蠕变特性展现出缓冲材料在使用过程中的形变历程，我们可以通过它了解缓冲材料在形变上的使用极限。发泡缓冲材料的压缩蠕变特性是材料应力对于时间的效应，蠕变现象就是在长时间的静压负荷下，随时间的增长而变形加大的现象。包装件在流通过程中需要长期贮存，这样就会给包装材料产生蠕变提供了条件，特别是变形余地较大的发泡缓冲类材料。蠕变导致材料的塑性变形，加大了衬垫与内装产品之间的空隙，当产品受到冲击时更易造成二次冲击。贮存时间的长短、温湿度以及各项环境条件均会影响外包装和内部缓冲衬垫的抗压强度。随着贮存时间的延长，外包装和缓冲衬垫都会产生蠕变，使得强度下降，一旦载荷过大达到包装溃值，外包装会出现明显的变形，使内装物直接承受外部压力，长时间如此，将影响产品的使用性能，甚至造成产品的损坏。

蠕变的测试方法是先给予试样一定的预压缩之后加载适当配重，并在间隔不同时间后测量试样的厚度；加载72h后移去配重，分别在间隔不同时间后测量试样的厚度，最终绘制出发泡缓冲材料的蠕变——时间曲线。

随着发泡缓冲材料在各个领域的广泛应用，出现了一些新颖的应用方式。例如，由于生产工艺的制约，为达到低密度EPE通常是多层粘合而成。我们习惯使用其脱模平面作为使用的受力面，同时也有使用与其脱模平面相垂直的表面作为使用面。我们发现这样的使用方式会使发泡缓冲材料在使用中刚度增强，但粘合层在受力时会有分离现象，可能会影响发泡缓

冲材料承受多次冲击的能力。

由于空气的热传导性很小，且又被封闭于塑料中不能对流，所以发泡缓冲材料是一种隔热、保温性能非常优良的材料。但发泡缓冲材料自身对温度和湿度的适应能力还有待进一步研究。

产品的缓冲包装要以一种综合的全面的角度去考核。希望上述介绍的检验评价经验能有助用户在实际工作中以最少量的包装材料达到最恰当的保护功能。