塑料中的发泡剂

在塑料中加入一些填料，就可使塑料某些性能得到改进，由此更适合于某些专门用途。为了降低塑料的密度和硬度，或者增强它的隔热性或隔音性，则最理想的填料就是空隙。含有空隙或泡孔的塑料，分类为泡沫塑料。随着发泡的程度，也就是空隙造成的泡沫的体积份额的差异，泡沫塑料的性能与基础塑料可能有相当大的差别。发泡剂是一种化学品，可加到塑料中，在加工过程的适当时间，它即会放出气体，使塑料中形成泡孔。

塑料泡沫的形成一般可分为四个阶段。第一阶段，发泡剂必须完全均匀地分散在聚合物内，聚合物通常呈液体或熔融态。发泡剂此时在聚合物中可以形成真正的溶液，或者仅仅是均匀地分散在聚合物中，形成二相系统。第二阶段，大量单个的气泡形成后，该系统即转变成一个气体分散在液体中的系统了。此时往往要加入核化剂，以促进大量小气泡形成。核化剂一般是极细的惰性颗粒，它们为新气相的形成提供部位。

第三阶段，最初形成的泡孔在不断涨大，这是因为有更多的气体扩散并透过聚合物进入了泡孔。如果这段时间够长，则单个的泡孔就将互相接触。假如隔开单个泡孔的壁破裂，那么，通过这种聚结方式，就会形成更大些的泡孔。如果主要是通过泡孔互连而形成的泡沫，则称之为开孔式泡沫。如果是由互不相连的泡孔形成的泡沫，就叫闭孔式泡沫。如果允许泡孔聚结无限制地进行下去，那么泡沫就会塌陷，这是因为气体全部自动地与聚合物分离开了。

第四阶段，当聚合物粘度增加，泡孔不能再增长时，泡沫就会稳定住。采用冷却、交联或其它方法都可以增加聚合物粘度。发泡过程的后三个阶段，从时间来看，则可短至几分之一秒，最长也不会超过几秒钟。泡沫的形成，要求聚合物呈液态。为此，可通过加热溶解或塑化聚合物。泡沫塑料的生产过程几乎与任何普通塑料生产过程一样，通常经过挤塑、滚塑和注塑，以及增塑糊加工和热成型等过程。出于同样原因，基本上任何种类的塑料都能制成泡沫塑料。聚氯乙烯（硬质和软质都可）、聚苯乙烯、聚丙烯、ABS和聚乙烯，都已工业规模地制成泡沫塑料。耐热工程塑料和热固性聚合物也是如此。

上述泡沫塑料的最终市场极为广阔。结构泡沫塑料的模塑制品具有重量轻的特点，常用来做器具的罩壳。聚氯乙烯地板利用其泡沫可增加缓冲作用及装饰纹理。特低密度的泡沫塑料，广泛用于食品包装和服务行业，因为这些行业对于材料的保温性能很是看重。管道外包装保温也采用这类塑料，特低密度的泡沫塑料具有重量轻、缓冲性能好的特点，可作为优良的包装填料，而它的缓冲性能又适合制作各种衬垫、填料，例如人造革皮的衬垫。在注塑较厚的零部件时，采用小量的发泡剂常常可以防止制品上出现凹痕，低密度的闭孔泡沫塑料通常用来制造漂浮设备，而开孔泡沫塑料的吸液性能好，可被用于相应的用途。以上仅例举了泡沫塑料最常用的用途，这不过是用来说明泡沫塑料的应用是多么的广泛，以及采用发泡剂的原因所在。

发泡剂类型

根据发泡气体的来源，可将发泡剂主要分成以下两类：即物理发泡剂和化学发泡剂。仅从名称上就可得知，物理发泡剂产生气体是通过状态的物理变化——一般是从液态到气态；而化学发泡剂产生气体则是通过化学反应。后者是热敏性化学品，当加热时，发泡剂发生分解反应，产生气态和固态两种分解产物，上述两类发泡剂又可各自分成许多小类。

物理发泡剂从理论上讲，在加工过程中，任何能与聚合物混合，并随之能汽化的材料，都可用来作为发泡剂。但实际上，物理发泡剂最好是在适当的条件能液化，并在正常的塑料加工温度（或低于这一温度）下，能够汽化，使塑料发泡。这类发泡剂必须在适当条件下能溶于聚合物，但溶解度不能过大。发泡剂气体在聚合物内的渗透能力非常重要，每单位重量发泡剂所释放的出的气体的体积也同样重要。后者即称作发泡剂的效率，对于所有各种类型的发泡剂来说，这都是一种重要的检测指标，高效发泡剂标准为：每克至少释放150－200cc.气体（按标准状态计）。

目前最常用的物理发泡剂是氯氟烃类、烃类和压缩气体（如氮气和CO2）。这类发泡剂的使用要求是：其温度和压力必须保证发泡剂以液态形式与塑料混合。当改变温度和／或压力时就可使发泡剂发生汽化，即开始发泡。例如，如果一种低沸点的烃类发泡剂被泵送至一台装有熔融塑料的挤塑机中，那么挤塑机内的高压就能使烃类发泡剂保持液态形式溶于聚合物中，当聚合物熔体出挤塑机时，骤然的压降即迫使发泡剂汽化，从而产生泡沫。简单气体，如氮气和CO2则需要比烃类或氯氟烃类高得多的压力，方能达到这一结果。核化剂可以促进形成均匀的泡孔结构。

为制成特低密度泡沫塑料（密度低至 10lb/cu.ft.左右）采用氯氟烃和烃类发泡剂效果极佳。其主要原因有两个。一是由于所需发泡剂之量极大（有时达到基质树脂重量的20%或更多），而这类发泡剂要比化学发泡剂便宜，这就补偿了设备上的较高费用；二是与泡沫稳定化的热力学相关。正如本文前面谈到的，要使一个泡沫稳定化，必须在出现塌陷之前就得改变聚合物熔体的粘度。使用最广泛的烃类和氯氟烃类发泡剂，实际上可以降低它们所用于的聚合物的熔体粘度。当它们发生汽化而脱离聚合物溶液时，熔体的粘度升高了，就可减少为稳定泡沫所需的冷却费用。对于特低密度的泡沫塑料来说，这一点尤其重要。

尽管发泡剂具有固有的优点，但使用起来并不是没有问题的。大部分这类发泡剂都会污染自然环境，而且正在继续严重化。特别是氯氟烃类。而烃类也有这一问题，仅是程度稍轻。

使用最广泛的氯氟烃类发泡剂，都是一些全卤代品种，通常叫作CFCS。CFC－11和CFC－12就是典型代表。近年来，人们已经确认，这类化学品的使用与大气上层臭氧层变薄有关。因此，通过法律约束与自愿行动的结合，这类发泡剂正迅速地被淘汰，目前它们正在被部分卤化的氯氟烃类（HCFCS）和氟烃类（HFCS）所代用。但是取代品最后是否能普遍使用，这一问题目前还不能肯定。其它与上述不同的取代途径目前也正在探讨之中。DOW公司最近宣称，他们开发了一种采用CO2制造特低密度聚苯乙烯泡沫塑料的新工艺。

另外一类常用的物理发泡剂，即烃类，相对来说对臭氧层没有什么影响。然而它们的使用也不是没有法规限制的。烃类的释放也和其它挥发性有机化合物（VOCS）一样，要受到法律的限制，因为它们的释放物会危害低层大气层，特别是生成了臭氧。法规的严厉性在各地区是有区别的，这要根据当地空气质量而定。此外还应考虑到烃的易燃性。在作任何采用烃类为发泡剂的工厂设计时，这一点应为重要考虑因素。最广泛用作发泡剂的烃类是丁烷和正戊烷。