PVC发泡板材的成型机理和发泡材料研究

摘要：随着森林和木材资源的日益紧张和国家对资源保护程度逐渐加强，以PVC材料代替木材已经大势所趋。目前PVC发泡板材已经广泛应用于建筑、化工、医药等行业。本文通过查阅大量PVC发泡板材的相关文献资料，主要介绍了PVC板材的分类、特点和性能，并对板材的成型机理和常见发泡材料进行了系统的总结，旨在为PVC发泡板材的生产、应用提供一定的参考价值。

关键词：PVC发泡板材；成型机理；发泡材料

前言：

PVC发泡板材指的是以PVC树脂为主要原料，加入包括稳定剂、发泡剂、润滑剂、发泡调节剂等辅助助剂，经过塑化、挤出发泡加工制备的不同形状的板状材料[1]。PVC发泡板，即雪弗板、安迪板[2]，由于具备较小的密度、较低的热导率，较好吸收噪音的效果，阻燃性好，耐腐蚀性能好，易于加工等优点而被建筑装潢、室内装修、公共建筑隔断板材、建筑地板等领域广泛应用[3]。目前PVC发泡板材在国外应用较多，目前我国PVC发泡板材的年产量和发达国家相比还存在较大的差距，PVC发泡材料在各行各业还没有得到普及。然而，随着木材、森林资源的日益紧张，以PVC来代替木材已经成为材料领域研究的热点，PVC发泡板材的发展前景广阔[4]。

不同应用领域所需要的PVC发泡板可能存在形状、性能上的差异，所需的发泡材料也不尽相同，这就决定了不同发泡板材的成型机理存在差异[5]。

1 PVC发泡板材

1.1 PVC发泡板材的分类

（1）根据发泡程度的不同可以将PVC发泡板材分为低发程度的发泡板材和高发程度的PVC发泡板材。其中，发泡程度位于20倍以上的被称为高程度发泡板材，位于15倍以下的被称为低程度发泡板材[6]。

（2）根据泡体质地软硬程度的差异，可以将PVC发泡板材分为软质发泡板和硬质发泡板两大类。其中软质PVC发泡板材的硬度和强度较小，发泡程度高，倍数大，常用于保温材料的制备[7]。而硬质PVC发泡板材硬度高，强度大，发泡程度低，倍数小，主要用于力学材料的生产制造领域。

（3）根据PVC发泡板材泡孔结构的差异，可以将其分为开孔发泡板和闭孔发泡板两大类。开孔PVC发泡板内部泡孔之间是彼此连接相通或者部分彼此连接相通的，而闭孔PVC发泡板内部泡孔与泡孔之间是隔断开，并为连接相通的。

（4）根据生产工艺的差异，可以将PVC发泡板材分为自由发泡板材、结皮发泡板材和共挤发泡板材。

PVC自由发泡板指的是发泡过程中熔融物质离开模具以后，经预冷辊进入三辊冷却定型，而得到所需形状的发泡板。PVC自由法生产工艺特点是冷却时间短，冷却速度缓慢。PVC自由发泡板的表面结构疏松，有凹凸不平的麻状表面，无明显结皮。该类发泡板材在生产过程中，操作简便且易于控制，常用于喷漆、印刷、版面等行业。

PVC结皮发泡板指的是发泡过程中熔融物质离开模具以后，经多块定型板冷却定型而得到的发泡板。PVC结皮发泡板生产工艺的特点是冷却速度快、冷却充分，特别适合厚板生产。PVC结皮发泡板表面层有一光滑、平整的硬质皮层，虽然该皮层也经过发泡，但通常密度要比中间大很多，因此结皮板表面硬度较大，力学性能优异，不容易出现划痕。另外，由于采用了多块定型板分段冷却工艺，因此其产品厚度比自由板更均匀，表面硬度更大、光亮度更高。由于具备良好的导体绝缘性、机械性能和耐腐蚀性能，PVC结皮发泡板可用于建筑材料、化工容器材料以及装饰材料领域，且经过深加工的产品可以生产强酸盛装材料以及家用水箱材料等。

PVC共挤发泡板是由主、副2台或多台挤出机，先各自塑化，然后通过分配器、模具共挤成型产生的一种发泡板。其主要特点是皮层、芯层配方不同，挤出设备是独自塑化后经分配器进入挤出模具共同挤出。一般皮层不发泡、芯层发泡。共挤发泡板生产工艺更复杂，生产技术要求更高。PVC共挤发泡板表面比结皮发泡板更硬、更光亮。产品常常用于对表面硬度和光亮度要求较高的领域。

1.2 PVC发泡板材的特点

大量相关文献资料证实，相比其它实心轻质塑料板材、珍珠岩、石棉板材、陶粒等材料而言，PVC发泡板材具备优异的隔热保温、承载能力以及隔音等特性，生产过程机械化程度高、操作简便、节省人力、节省资源。利用PVC发泡板材作为保温隔热材料，在外墙体保温、屋面保温等领域展现出良好的结构附着性能和隔热性能，完全可以取代聚乙烯板材等隔热材料。目前，我国南方许多墙体、屋面建筑的隔热材料均应用PVC发泡板材深加工制造的PVC发泡砖。PVC发泡板材主要具备以下几个特点：

（1）保温效果好：PVC发泡板材的热导系数约为0.065W/（M.K），热阻是混凝土的10倍以上；

（2）质地轻：PVC发泡板材的平均密度约为250Kg/m3，密度约为混凝土的五分之一左右，大大降低了建筑物的承载量；

（3）良好的隔音效果：PVC发泡板材中有大量分布均匀的气泡，相比混凝土具有较强吸收声音的能力，因此隔音性能良好；

（4）防水性：PVC发泡板材不吸水，具有较好的防水特性；

（5）不易老化：PVC发泡板材耐腐蚀、防虫蛀，与普板木材比使用寿命长，不容易老化；

（6）施工简便，造价低：施工过程中只用PVC发泡机便可以实现机械化操作，且在垂直距离200m范围内可自由输送，生產产量高，成本低。

1.3 PVC发泡板材性能

（1）热性能：PVC发泡板材具有较差的热稳定性，150℃条件下材料性质发生较大变化，开始分解。板材的融化温度大约在160℃左右，且PVC发泡板材氧化指数极高，在空气中很难燃烧，具有较高的阻燃性。

（2）力学性能：PVC发泡板材的力学性能较好，强度较高。且板材的强度随着分子量的增加明显提高。硬质PVC板材的弹性模量位于1500MPa到3000MPa之间，软质PVC板材的弹性位于1.5MPa到15MPa之间。

（3）导电性能：PVC发泡板材因自身极性较大，相比PP和PE等材料而言，具有较差的导电性能。板材电阻率和介电常数较高，耐电性能不好，在电力材料中一般只用在低频和低压绝缘材料制造领域。

2 PVC发泡板材的成型机理

PVC发泡成型机理根据所使用发泡剂的差异一般有化学发泡技术和物理发泡技术两大类。

（1）化学发泡技术

化学发泡技术是PVC内部通过化学反应来产生气泡，具体工艺是加入发泡剂后进行热处理，因热降解后有气体生成，也可以在设计配方过程中，加入可以通过化学反应来产生气体的发泡剂，使物料体系在加工过程中有气泡生成即可。化学发泡技术生产工艺中，物料混合、升温、塑化以及发泡膨胀都是在塑机中进行。

（2）物理发泡技术

一般而言，采用物理发泡技术生产PVC发泡板材的方式主要有三种：一是在高压作用下在熔融物料中注入气体，然后降低压力使多余的气泡排出物料，进而在板材中形成气泡；二是设计配方时加入沸点较低的物料，通过加热达到物料沸点后使之蒸发转变为气体状态，在熔融物料中即可产生气泡；三是在物料中加入空心球，达到熔融状态后可形成发泡体。

然而，PVC发泡板材加工工艺无论选择哪种发泡技术，发泡过程都经过气泡形成、气泡膨胀、定型固化等几个阶段。

3 发泡材料

发泡材料泡孔大小、均匀程度是影响PVC发泡板材质量的主要因素。低倍率发泡板材的泡孔均匀且气泡较小，产品韧性好，表面光滑。

采用化学发泡机理来生产板材，对发泡剂的基本要求是无毒无害、不容易燃烧、不容易腐蚀设备，且对产品成型、产品化学、物理性质不产生影响。化学法所选择物料的发泡速度必须容易控制，且气泡生成后具备良好的分散性能。其中化学发泡法应用较多的发泡材料主要有碳酸铵、碳酸氢铵、偶氮二异丁腈和偶氮甲酰胺等。目前市场使用最多的发泡剂是偶氮甲酰胺类。

物理发泡技术对发泡材料的基本要求是具有良好的热稳定性能，无害无毒，不能对设备产生腐蚀，高温状态下稳定性良好，不容易燃烧，产生的气体不和物料发生化学反应，且在熔融物料中的扩散速度不能高于在空气中的流动速度。一般采用物理发泡机理生产PVC发泡板材常用的发泡材料主要有二氧化碳、空气、甲烷、乙烷和氮气等。由发泡材料来看，物理发泡技术所采用的的发泡剂成本较为低廉，特别是氮气和二氧化碳，对环境污染性较小，高温不易燃烧，且发泡完成后不容易产生残留物质，对PVC性能影响较小，但发泡过程对设备要求较高，生产工艺相对复杂，初期投资大。

PVC发泡板材在生产过程中加入高分子量聚合物的目的是为了加速PVC塑化速度和效率，提高熔融物料的熔体强度，预防气泡合并，得到泡孔均匀一致、密度低的产品。不同厂家生产的发泡材料不同，生产的板材质量也不尽相同，因此，PVC发泡板材在生产前要合理选择发泡剂。

4 结论

PVC发泡板在隔热、隔音、保温和载重能力方面的性能相比其它实心轻质材料（如石棉制品、陶粒、膨化珍珠岩等）来说，生产工艺操作简便，省时省力，机械化程度高。在国外，PVC发泡板被材料领域认为是最具潜力的“传统木材代替品”。发泡材料的选择对于板材的生产质量来说是一项至关重要的因素。因此，PVC发泡板在加工生产过程中应根据具体需求来选择合适的发泡材料和发泡技术，进而得到合适的、质量优异的产品。

参考文献：

[1]王洪艳，李琴，张建，等.浅谈PVC发泡板材[J].山东林业科技， 2016（6）：109-111.

[2]熊磊，张婧，于今，等.PVC运动地板的减震性能及发泡技术的分析研究[J].化工管理，2016（20）：131-132.

[3]崔崇.碳酸钙对PVC低发泡板材成型的影响[C].中国塑料加工工业协会改性塑料专业委员会理事会第一次会议暨2014年年会.2014.

[4]黄鹤.HDPE/竹粉复合发泡材料的成型机理及性能的研究[D].湖南工业大学，2016.

[5]施辉忠.硬质PVC低发泡管材的成型[J].塑料工业，1989（4）：27-29.

[6]韩培儒，赵金龙.PVC-U发泡型材的制備[J].工程塑料应用，2006， 34（6）：39-42.

[7]韩振.PVC基木塑复合结皮发泡地板基材的研究[D].东北林业大学，2010.

[8]忻圣强.PVC-PANI共混物的制备与性能研究[D].西安科技大学，2012.

作者简介：苗伟出生于1971年女汉族籍贯山东淄博沂源县，学历大专，中级职称，现任山东博拓塑业股份有限公司总经理