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化学发泡剂的原理及其种类特点

(2016-04-27 09:19:11)
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杂谈

化学发泡剂化学发泡剂也可以分成二个主要类型:有机化学品和无机化学品。有机化学发泡剂品种非常多,而无机化学发泡剂则种类有限。最早的化学发泡剂(大约在1850年)是简单的无机碳酸盐和碳酸氢盐。这类化学品加热后会放出CO2,它们最后被碳酸氢盐和柠檬酸的混配物取代了,因为后者的预后效果要好得多。当今更优秀的无机发泡剂,其化学机理基本与上述相同,是聚碳酸类(原文为Poly-carbonic acids)和碳酸盐类混用。

聚碳酸的分解是吸热反应,在320°F 左右,每克酸可放出100cc.左右的CO2,进一步加热至390°F左右时,将会放出更多的气体。这一分解反应的吸热性质可能带来某种程度的好处,因为在发泡过程中散除热量是个大问题。除了作为发泡的气体来源,这类物质时常还用作物理发泡剂的核化剂。据信,这类化学发泡剂分解时形成的最初的泡孔,为随后物理发泡剂放出的气体提供了迁移的场所。  
        与无机发泡剂相反,可供选择的有机化学发泡剂品种繁多,物理形态也各自不同。过去一些年来曾评价过数百种可能用作发泡剂的有机化学品。用来评判的准则也很多。最重要的几条是:在可控制速度和可预计温度的条件下,所释放的气体不仅量大,而且再现性好;反应产生的气体和固体均为无毒者,而且对于发泡的聚合物不能有任何不良影响,例如,产生颜色或不良气味;最后,是成本问题,这也是相当重要的一条准则。当今工业上使用的那些发泡剂,是最符合上述这些准则的。 
        低温发泡剂从众多可选用的化学发泡剂中进行选择,主要应考虑的问题是:发泡剂的分解温度应与塑料的加工温度相适应。有两种有机化学发泡剂已为低温聚氯乙烯、低密度聚乙烯和某些环氧所广泛接受。第一种是甲苯磺酰肼(TSH)。这是一种乳黄色粉末,分解温度为110°C左右。每克约产生115cc氮气和一些水分。第二种是氧化双(苯磺酷)肋,或称OBSH。这种发泡剂或许在低温用途中使用更为普遍,这种材料为白色细粉状,其正常分解温度是150°C。如果采用活化剂,如尿素或三乙醇胺,则可将这一温度下降到130°C左右。每克可放出125cc气体,主要是氮气。OBSH分解后的固体产物是聚合物,如果它与TSH共同使用,则可减轻臭味。 

高温发泡剂对于高温塑料来说,例如耐热ABS、硬聚氯乙烯类、一些低熔融指数的聚丙烯类和工程塑料,如聚碳酸酯和尼龙,采用较高分解温度的发泡剂比较合适。甲苯磺酞氨基崛(TSS或TSSC)是一种很细的白色粉末,分解温度约220°C,一克发气量为140cc,主要为氮气和CO2的混合物,并有少量CO和氨。这种发泡剂常用于聚丙烯和某些ABS。但由于其分解温度之故,所以它在聚碳酸酯的应用是有限的。另外一种高温发泡剂——5一本基四唑(5-PT)一直成功地用在聚碳酸酯中。它在约215°C开始缓慢分解,但产气量不大.直到温度达到240-250°C,才会大量放气,而这一温度范围很适于聚碳酸酯的加工过程。产气量大约是 175cc/g,主要是氮气。另外还有一些正在开发中的四唑衍生物,它们具有较高的分解温度,而且放出的气体比5—PT还多。 
        偶氮二碳酸胺大多数主要工业用热塑性塑料的加工温度,其范围如上所述。大部分聚烯烃类、聚氯乙烯类和苯乙烯类热塑性塑料的加工温度范围在150-210°C 。对于这类塑料,有一种发泡剂使用可靠,就是偶氮二碳酸胺,又称偶氮二甲酰胺,或简称ADC或AC。在纯净状态时,它是一种黄色/橙色粉末,大约在200°C 开始分解,分解时产气量为 220cc/g,所产气体主要为氮气和CO,并带有少量CO2,在某些条件下也含有氨。其固体分解产物是米色的,它不仅可作为表明完全分解的指示剂,而且对发泡的塑料的颜色也无不良影响。 
        AC成为广泛使用的泡沫塑料发泡剂,其原因有多个,从产气量来说,AC是最有效的发泡剂之一,它释放的气体产生泡沫的效率高。而且气体放出速度快,又不失控。AC及其固体产物均是毒性低的物质。AC也是价格最低的化学发泡剂之一,不仅从每克产气效率,而且从每美元的产气量来看都相当便宜。 
        AC所以能普遍应用,除上述原因外,还在于它的分解特性。它释放气体的温度及速度都能改变,可适应150-200°C 范围内的几乎所有使用目的。活化,或叫作用添加剂改变化学发泡剂的分解特点,这一问题在前文OBSH的使用中已谈到。AC比其它任何化学发泡剂的活化都要好得多。有多种添加剂,首先是金属盐类,就能降低AC的分解温度,其下降的度数主要看所选用的添加剂的种类和用量而定。另外,这类添加剂还具有其它作用,比如,改变气体释放速度;或者在分解反应开始前产生一个延迟期或诱导期。因此,几乎所有工艺过程中气体的释放方式,都可以人为设计。

        AC颗粒的大小也会影响分解过程,一般来说,在给定温度下,平均粒径越大者,释放气体越慢。这种现象在加有活化剂的系统尤为明显。为此,商品AC的粒径范围为2—20微米或更大,采用者可随意选择。许多加工者研制了他们自己的活化系统,也有些厂商选AC制造厂家提供的各种不同的预活化混合物。有许多稳定剂,特别是用于聚氯乙烯类者,以及某些颜料都会对AC起到活化剂作用。所以,当改变配方时必须谨慎从事,因为AC的分解特性可能随之也有变化。 
        工业上可用的AC,其品级很多,不仅在粒径大小、活化系统上可供选择,而且在流动性上也有可选择的余地。例如,有一种添加剂加到AC中,就可以增加AC粉末的流动性和可分散性。这类品级的AC,对于聚氯乙烯增塑糊,非常适用。因为发泡剂可充分分散到增塑糊中,这对于泡沫塑料的最终制品的质量是关键问题。除了采用流动性好的品级外,还可将AC分散在邻苯二甲酸酯或其它载体系统中。处理时就会像液体那样容易。

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