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低内应力型挤塑板工艺——分次降压法介孔多次发泡

挤塑板(标准名称为绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料)于世纪初引进中国后,其生产设备国产化进程发展很快,产能趋于过剩,但还没有能够比肩德国克劳斯玛菲-贝尔斯托夫那样的国际一流的生产设备,故此,国内挤塑板产业局限于设备能力,致使近年很多科技成果无法转化为生产力与品质提升力,全国也仅仅局限在一两家采用德国克劳斯玛菲-贝尔斯托夫挤塑设备的厂家,实现了“分次降压法介孔多次发泡工艺”,也仅有一家突破了“挤塑板时效失稳(挤塑板使用期尺寸变形现象)”的世界性难题。

90年代末,一种泡孔直径40μm左右的新型多孔材料介孔聚苯乙烯泡沫在德国GTZ实验室实现,泡孔密度108~1010/cm3,相对密度0.20~0.90。具有耐冲击强度高、韧性强、抗压强度高、抗疲劳寿命长、热稳定性高和导热系数低等优异特性。

20年来,国际上很多实验室研究介孔单聚合物中使用超临界流体技术。2015年这种技术在北京(天津工厂)一家集团公司挤塑板生产工艺中得到深入研究与应用。实现了挤塑板分次降压法多次发泡工艺产业化突破,由此,提升了挤塑板生命周期绝热性能的持续力。

挤塑板分次降压法多次发泡工艺,可缩短加工时间,同时制得泡孔直径更小、泡孔密度更大的介孔材料,从原料进入挤塑制程到挤出这一时段为一个循环周期,压降起始高低不影响发泡制程与应力缓释。聚苯乙烯熔融体在超临界CO₂条件下饱和后,根据长期验证的多个不同温压条件下的高成核率点位,在20秒内,先大压差降至某中间压力,而后采用联动压降的投料控制方法分次降压和快速冷却,实现快速降压法介孔发泡的成核及增长过程(加入适量成核助剂),单次降压过程得到的介孔结构具有过渡层结构以及泡孔切面呈多等边类蜂窝式,泡孔在充分增长过程中绝大部分气核消失或合并,只有很少一部分最终生长为稳定的泡孔结构,而不同的泡孔增长过程对最终的泡孔结构有很大影响。二次成核只有在一定的压降范围内,才能发生两次降压得到的理想泡孔结构;之后的几次不同降压过程与该降压幅度下气体溶解度的变化密切相关,温压比控制严格才能实现均质性理想泡孔分布,此时过渡层结构消失,发泡成核率几近100%。虽然产程处于温压变化中,但连续挤出匀速稳定。多次发泡过程中,泡孔壁内应力得到分阶段缓释,故此这种生产工艺产出的挤塑板,其内应力较低,确保了陈化期内(熟化期,GB/T10801.2界定为90天)以及全生命周期泡孔破壁率很低。

传统工艺产出的挤塑板泡孔,在陈化期因应力释放导致的泡孔壁破裂率很高(依据原料品质,泡孔破壁率30~70%不等),这也是挤塑板陈化期导热系数极速升高(近30%)、绝热性能下降、吸水率升高的原因。原理是,泡孔内低压CO₂的导热系数远小于常压下的CO₂导热系数0.0162W/(m·K),而空气的导热系数是0.0233W/(m·K)。而泡孔破壁后,密闭结构变成开放结构,泡孔内CO₂必然被空气置换,空气中水蒸气也会随隙而入产生水凝聚现象。传统工艺生产的挤塑板对“空气置换理所当然的说法”是对用户的误导。