改变塑料工业的50大创新No.13-结构发泡(Structural Foam)

直至1960年代中期,热塑性塑料注射成型工艺在诸如货物托盘、家具之类大型扁平结构件上难觅踪影,在该领域占据主导地位的是金属、木材和热固性玻纤增强复合材料。当时的注射成型机由于吨位受限无法对大或厚的制品进行保压,从而会导致该类制品出现后翘曲和缩痕(内部加强筋或台所对应之表面处)。20世纪30年代,富有想象力的成型厂家通过将碳酸氢钠(普通的小苏打)加入聚合物熔体来使聚合物发泡的方法解决该问题,但最终结果是不了了之。

重大突破出现于1963年:Union Carbide在新泽西Bound Brook实验室的Richare(Dick) Angel将氮气注入到注射机机筒里并利用螺杆将其与熔体混合,从而获得发泡制品。 该新方法(Union Carbide于1966年获得该方法的专利)可以获得皮芯结构的硬质发泡制品。

该方法可以生产壁厚从0.125到0.5英寸的无缩痕复杂制品,同时可以降低10%-30%的制品重量。它也可以在同样重量下生产更硬的制品并且同时节约树脂和使制品更为密实。该低压工艺使得采用更为便宜的铝制模具进行成型成为可能。但是,成型厂家必须付25000美元给Union Carbide以获得使用授权,另外在生产制品的过程中还需另付最高达2美分/磅的费用。

该工艺最早使用的原料是聚乙烯、聚苯乙烯和ABS。紧接着使用的结构发泡材料是EVA、聚丙烯、离聚物、聚氯乙烯和尼龙。GE Plastics的重金研发将聚碳酸酯、PBT和PPO合金也成功应用于结构发泡工艺。该工艺起初在办公设备上获得巨大成功。但微处理器的出现使得电子设备的尺寸急剧减小,从而导致该工艺在这个领域急剧萎缩。更多的长期应用包括托盘、装货箱、货柜及废物箱。

Union Carbide授权了该工艺但并没有提供相应的设备。四家设备制造商(Waldron-Hartig, Williams-White, Kohler General, and Sterling Extruder)根据Union Carbide的指导开始开发第一批设备。1969 年, 马塞诸塞州Springfield的Springfield Cast Products公司 (现在的Uniloy Milacron) 据说开发出了第一台商业化的专门用于结构发泡成型的设备。

出现于1969年的Uniloy-Springfield 结构发泡机器,其重150吨。据报道,其是为了新的发泡工艺而建造的第一台商业化机器。

到了1968年,涌现出许多化学发泡工艺与Union Carbide的专利方法竞争。Allied Chemical(现在的Honeywell)采用物理混合的方法预混化学发泡剂和树脂,然后再进行注塑发泡。源自Phillips石化的Engelit工艺(基于T.P. Engle1964年的法国专利)则采用预先制备的发泡剂浓缩母粒和树脂物理共混的方法。Marbon Chemical(之后的Borg-Warner Chemical公司,再之后的GE Plastics)第一个推出了可以直接注塑成型的ABS树脂和发泡剂的共混物。

Union Carbide 是短射(低压)结构发泡工艺的开拓者,该工艺允许泡孔自由生长和填充模具。1968年,USM公司在马塞诸塞州Beverly的研发中心正在开发一种高压工艺(之后由USM公司的分公司 Farrel公司商业化)——首先模具进行充分保压,然后开模容许制品的芯部发泡。该方法避免了过度发泡并且可得到光滑的表面,但它极大地限制了制品设计的灵活性并增加了模具费用。

多喷嘴注塑可实现同时或依次多模填充。现在多达40个的2磅重的制品可以用多喷嘴注塑一次完成。旋转式的多工位注射机可以用一个注射单元实现多个模具的填充,该种设备现在也有供应商提供,比如Hettinga,Wilmington Machinery及在意大利的Presma。

其他的创新包括芯部发泡的三明治成型(ICI工艺)——共注射实体表面和发泡的芯部。20世纪70年代,在ICI授权下,Battenfeld推出了采用该工艺的共注塑机器。20世纪70年代出现的另一个可实现光滑表面的工艺是气体反压成型——注射之前,利用气体在模具内形成压力。

结构发泡成型的一个意想不到的额外影响就是刺激了塑料喷漆市场的发展。发泡制品经常需要喷漆来掩盖标志性的涡流效应(或者银纹)。(来源:Plastics Technology)

译者-Kimmy 微信号:聚合物加工成型 ,授权发布高分子网(gaofenzi.org)

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聚合物加工成型

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