以PP料為基本成分，通過物理或化學(xué)方法填充大量氣泡，即可得到聚丙烯泡沫塑料。與純塑料相比，它具有密度小、比強(qiáng)度高、能量吸收能力強(qiáng)、隔音隔熱性能好等一系列特點(diǎn)，已在交通運(yùn)輸、軍工、航空航天、日用品等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，如制作各種座墊、襯墊、床墊、梳芯、保溫隔熱材料、包裝材料、防撞防震材料、裝飾材料及建筑材料等。

在PP擠出發(fā)泡的四個過程中，首先要保證聚合物/發(fā)泡劑形成均相溶液，并建立足夠高的擠出機(jī)機(jī)頭壓力以抑制發(fā)泡體系在擠出口模附近提前發(fā)泡；隨后發(fā)泡體系要經(jīng)過成型機(jī)頭進(jìn)行快速的成核和增長，這一過程中要保證誘發(fā)更大的過飽和壓力和更快的過飽和壓力降，以盡可能地同時形成大量的氣泡核。在增長過程中，合適的機(jī)頭溫度對于增長氣泡的穩(wěn)定和較終制品發(fā)泡倍率的控制非常關(guān)鍵；而在定型固化階段，合理的冷卻速率對于較終制品的密度和性能也有重要影響。因此，加工設(shè)備包括擠出機(jī)類型、螺桿構(gòu)型、壓力控制裝置、發(fā)泡機(jī)頭，如果使用物理發(fā)泡劑，則物理發(fā)泡劑的注入和計量以及工藝參數(shù)包括溫度和壓力等對較終發(fā)泡材料的泡體結(jié)構(gòu)、密度、力學(xué)性能和熱性能等將產(chǎn)生重大的影響。

1 聚丙烯泡沫塑料的成型
根據(jù)泡沫塑料發(fā)泡成型中發(fā)泡動力的來源，一般可分為機(jī)械發(fā)泡、物理發(fā)泡、化學(xué)發(fā)泡三種類型。機(jī)械發(fā)泡是借助于機(jī)械的強(qiáng)力攪拌，使氣體均勻地混入樹脂中形成氣泡。物理發(fā)泡則是借助于發(fā)泡劑在樹脂中物理狀態(tài)的改變，形成大量氣泡。化學(xué)發(fā)泡是依靠發(fā)泡劑發(fā)生化學(xué)變化時產(chǎn)生氣體使樹脂發(fā)泡。PP發(fā)泡大多采用化學(xué)發(fā)泡，使用的發(fā)泡劑有偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸二異丙酯等；亦可使用氮?dú)庾魑锢戆l(fā)泡劑進(jìn)行物理發(fā)泡。

PP泡沫塑料的發(fā)泡過程一般可以分為二個階段：首先是在塑料熔體或液體中形成大量均勻、細(xì)密的氣泡核，然后再膨脹成為所要求的泡體結(jié)構(gòu)，較后固化定型將泡體結(jié)構(gòu)固定下來，得到泡沫塑料。 PP泡沫塑料常用的成型方法有擠出、注塑及模壓成型等。

擠出成型是PP泡沫塑料成型加工的主要方法之一，一般的異型材、板材、管材、膜片、電纜絕緣層等發(fā)泡制品都采用擠出成型。擠出成型過程中可以采用物理發(fā)泡或化學(xué)發(fā)泡兩種發(fā)泡方法。物理發(fā)泡主要采用一些碳氟化合物及其混合物，以及其它的低沸點(diǎn)液體，另外，直接注入氣體的物理發(fā)泡法也在PP泡沫塑料的擠出成型過程中得到應(yīng)用。影響擠出成型發(fā)泡的工藝參數(shù)主要包括：擠出壓力、擠出溫度、物料在擠出機(jī)中的滯留時間、口模軸向壓力等。一般來說，隨著擠出壓力的增加，泡孔尺寸減小，泡孔數(shù)量增加；高質(zhì)量的發(fā)泡體只是在較窄的溫度范圍內(nèi)才可能獲得。熔體溫度越高，聚合物熔體強(qiáng)度越低，泡內(nèi)的發(fā)泡壓力就可能超過泡沫表面張力從而使泡體破裂。必須根據(jù)特定的聚合物體系進(jìn)行優(yōu)化，確定一個適宜的發(fā)泡溫度。延長物料在擠出機(jī)內(nèi)的滯留時間，會使氣泡的數(shù)目增加。

在PP擠出發(fā)泡中，泡沫結(jié)構(gòu)受到熔體結(jié)晶的影響，在擠出機(jī)頭處進(jìn)行固化定型。因此，擠出機(jī)頭處PP的結(jié)晶溫度非常重要，如果結(jié)晶發(fā)生在發(fā)泡的早期，即發(fā)生在溶解的發(fā)泡劑剛擴(kuò)散出熔體而進(jìn)入成核的氣泡，那么較早的固化將使推動氣泡增長的氣體量不足，氣泡增長的動力不夠，影響發(fā)泡倍率和較終制品的密度；如果結(jié)晶的速率過快，也將造成上述情況的發(fā)生。而如果保持很高的機(jī)頭溫度，結(jié)晶時間較長，則氣體向外擴(kuò)散逃逸的幾率增大。因此，合適的結(jié)晶溫度和結(jié)晶速率對于PP的擠出發(fā)泡具有重要影響。

PP擠出發(fā)泡屬于連續(xù)性生產(chǎn)，效率高，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。一個典型的聚丙烯擠出發(fā)泡成型生產(chǎn)線包括以下6個部分：擠出機(jī)、成型口模、冷卻定型裝置、牽引裝置、切割裝置和卷取裝置。其中，擠出機(jī)的類型、螺桿的構(gòu)型、壓力控制裝置、發(fā)泡機(jī)頭，如果使用物理發(fā)泡劑，則物理發(fā)泡劑的注入和計量等對于控制發(fā)泡過程穩(wěn)定進(jìn)行、獲取合理的泡體結(jié)構(gòu)具有重要意義。

擠出機(jī)是聚丙烯擠出發(fā)泡生產(chǎn)線的核心部分。在現(xiàn)有的研究中，單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)均有使用，單螺桿擠出機(jī)又分為單階單螺桿擠出機(jī)和雙階串聯(lián)式單螺桿擠出機(jī)。

單階單螺桿擠出發(fā)泡生產(chǎn)線中，為了保證聚丙烯熔體和氣體的均勻混合，形成均相溶液，螺桿的長徑比要大，一般在20以上，同時為了提高混合質(zhì)量，通常在螺桿計量段的過渡處增加混煉元件，如在圖1中螺桿頭部增加一段銷釘段。此外，為了避免溶有發(fā)泡劑的聚丙烯熔體在到達(dá)發(fā)泡機(jī)頭之前提前發(fā)泡，并抑制過高溫度下氣體膨脹速度快而導(dǎo)致的氣泡塌陷，在熔體到達(dá)發(fā)泡機(jī)頭之前，需要使溶解有發(fā)泡劑的熔體充分冷卻到適宜溫度，因此通常在發(fā)泡機(jī)頭之前增加靜態(tài)混合器，對于小型的擠出發(fā)泡生產(chǎn)線，靜態(tài)混合器的長度約為螺桿直徑的6-8倍。根據(jù)所用發(fā)泡劑的不同，這種擠出機(jī)可以分為中間注入式和進(jìn)口混入式兩種，化學(xué)發(fā)泡劑采用進(jìn)口混入式，而物理發(fā)泡劑則采用中間注入式。

聚丙烯及相關(guān)助劑在主擠出機(jī)中進(jìn)行熔融和混合，發(fā)泡劑在主擠出機(jī)尾部注入，然后溶有發(fā)泡劑的熔體通過連接塊被轉(zhuǎn)移至輔擠出機(jī)的加料段。采用輔擠出機(jī)的目的是為了使溶有發(fā)泡劑的熔體冷卻到適宜的溫度，獲得較佳的壓力以抑制氣泡塌陷。為了達(dá)到上述目的，通常主擠出機(jī)的螺桿剪切混合能力要強(qiáng)，而輔擠出機(jī)的螺桿計量段要長，螺槽要深，以實現(xiàn)穩(wěn)定的低溫擠出。雙階串聯(lián)式單螺桿擠出機(jī)對工藝參數(shù)的控制精確，可以實現(xiàn)低密度聚丙烯發(fā)泡材料的連續(xù)擠出發(fā)泡。

盡管單螺桿擠出機(jī)在聚丙烯擠出發(fā)泡研究中已得到廣泛應(yīng)用，但采用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行聚丙烯擠出發(fā)泡也是一種很好的選擇。雙螺桿擠出機(jī)以其穩(wěn)定的固體喂料、良好的分散混合和分布混合，均勻的熔體溫度分布而在聚丙烯的擠出發(fā)泡中已經(jīng)得到了應(yīng)用。但是，采用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出發(fā)泡面臨幾個問題：（1）設(shè)備的投資較大；（2）由于是饑餓式喂料，工作壓力較低，因此當(dāng)采用物理發(fā)泡劑時，一方面，發(fā)泡劑可通過加料斗逃逸，另一方面壓力低，溶解在熔體中的發(fā)泡劑量少，對氣泡成核造成負(fù)面影響。因此，采用雙螺桿擠出機(jī)時，必須要對螺桿進(jìn)行精心設(shè)計以維持適宜的機(jī)筒壓力，保持動態(tài)的熔體密封以阻止發(fā)泡劑逃逸。同時要在擠出機(jī)尾部加裝聚合物熔體齒輪泵以穩(wěn)定和提高即將進(jìn)入發(fā)泡機(jī)頭的熔體壓力。

發(fā)泡劑用量對于聚丙烯擠出發(fā)泡的影響很大，為了得到優(yōu)質(zhì)的發(fā)泡材料，要盡可能多地在聚丙烯熔體中溶解足夠量的發(fā)泡劑。在采用物理發(fā)泡劑時，為了以精確的壓力、溫度和流率在聚丙烯熔體中注入物理發(fā)泡劑。目前研究大多采用正位移泵來完成發(fā)泡劑的定壓、定量輸送，發(fā)泡劑的注入和計量裝置

成型工藝如螺桿轉(zhuǎn)速、壓力降和壓力降低速率、成核劑的分散以及發(fā)泡機(jī)頭的溫度等對于聚丙烯擠出發(fā)泡的氣泡成核和增長速率具有很大的影響，通過合理的控制成型工藝，可以對聚丙烯擠出發(fā)泡的泡體結(jié)構(gòu)和材料性能進(jìn)行有效控制

螺桿轉(zhuǎn)速對于發(fā)泡劑和成核劑在聚丙烯熔體中的分散和溶解具有重要影響。一般而言，較高的螺桿轉(zhuǎn)速有利于提高混合和擴(kuò)散的質(zhì)量，但是過高的螺桿轉(zhuǎn)速也可能導(dǎo)致擠出發(fā)泡出現(xiàn)波動，因此需要根據(jù)不同的發(fā)泡體系優(yōu)選適宜的螺桿轉(zhuǎn)速。
當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為10r/min時，擠出發(fā)泡聚丙烯材料中的氣泡數(shù)量較少，泡孔的尺寸很大，制品表面比較粗糙；當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為30r/min時，擠出物在離模后即急劇膨脹，發(fā)泡材料中密布大量的細(xì)小泡孔，材料的韌性較高，表面光滑

無論是均相成核還是異相成核，壓力降和壓力降速率對于聚丙烯擠出發(fā)泡的影響很大，壓力降越大，壓力降速率越快，氣泡的成核速率越快，成核的數(shù)量越多。
聚丙烯擠出發(fā)泡中常用的成核劑為滑石粉、苯甲酸鈉等。目前的研究表明：在發(fā)泡體系中添加成核劑，可以降低不添加成核劑時所需要的較高加工壓力和壓力降速率。至于成核劑的類型和規(guī)格、添加量的多少、降低壓力和壓力降速率的程度則取決于發(fā)泡體系的性能和加工工藝等諸多因素
 
P.Spitael通過合理的機(jī)頭設(shè)計，在CO2用量為5.2%時，壓力降分別為15.9MPa、13.8MPa時,得到的聚丙烯發(fā)泡材料密度為0.13g/cm3、0.21 g/cm3；泡孔尺寸為37um、62um，泡孔密度為5.45x107個/cm3、1.07 x107個/cm3。
C.B.Park等通過機(jī)頭設(shè)計，在CO2作為發(fā)泡劑時，壓力降分別為8.27MPa、 13.8MPa和 27.6MPa時得到的聚丙烯發(fā)泡材料泡孔密度分別為3 x106個/cm3、3 x107個/cm3和4x107個/cm3。
由此可見，進(jìn)行合理的機(jī)頭設(shè)計，可以有效控制所得發(fā)泡材料的綜合性能。
2.3 成核劑的分散

成核劑在聚丙烯擠出發(fā)泡中扮演重要的角色，添加成核劑與否對泡孔密度、泡孔尺寸和泡孔尺寸分布具有很大影響，成核劑與熔體和氣體形成的液-固、液-氣界面可以作為氣泡成核的催化劑，降低氣泡成核的活化能，當(dāng)活化能低于聚合物熔體均相成核的活化能時，將在界面處誘發(fā)異相成核，從而更加容易產(chǎn)生大量的氣泡核。

為了制備泡孔尺寸分布較窄、泡孔密度較高的聚丙烯發(fā)泡材料，必須要保證在聚丙烯熔體中分布的成核劑的性能均一，成核劑的性能出現(xiàn)小的波動將導(dǎo)致成核速率出現(xiàn)大的波動。如果成核劑的粒徑和表面性能不均勻，存在多分布性，則所得泡孔尺寸也將存在多分布性, 因為在能量較低的成核點(diǎn)處將優(yōu)先發(fā)生氣泡的成核和增長。與聚合物中已有的其他助劑及雜質(zhì)的非均相成核和均相成核相比，理想成核劑的成核對能量的要求更低，否則其他助劑及雜質(zhì)的成核將在成核劑發(fā)揮作用之以前耗費(fèi)發(fā)泡劑；此外，成核點(diǎn)要多，并且均勻分散，以保證成核點(diǎn)之間的平均距離足夠小，否則將得到雙峰分布的氣泡尺寸分布。

在聚丙烯擠出發(fā)泡中，為了得到較高發(fā)泡倍率、較低密度的發(fā)泡材料，必須有效抑制氣泡增長過程中的氣體損失。發(fā)泡劑在高溫下的擴(kuò)散系數(shù)非常高，因此，發(fā)泡機(jī)頭的溫度過高時，氣體非常容易從機(jī)頭逃逸。此外，隨著氣泡增長，泡孔壁變薄，氣體在氣泡之間的相互擴(kuò)散加劇，造成氣體通過泡孔相繼擴(kuò)散出去的可能性加大，導(dǎo)致用于氣泡增長的氣量降低，發(fā)泡材料的密度和發(fā)泡倍率均下降。

氣泡成核過程對控制泡體結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，如果在PP熔體中能同時出現(xiàn)大量均勻分布的氣泡核，氣泡的成核速率非常高，則常常能得到泡孔密度高、泡孔尺寸細(xì)小并且分布均勻的優(yōu)質(zhì)泡沫體，氣泡的成核行為比較好；如果PP熔體中的氣泡核不是同時出現(xiàn)，而是逐步出現(xiàn)的，氣泡的成核速率低，并且數(shù)量較少，則常常得到泡孔尺寸大、分布不均勻、泡孔密度較小的劣質(zhì)泡沫體，氣泡的成核行為比較差。因此，研究PP擠出發(fā)泡的氣泡成核的關(guān)鍵在于盡可能地提高氣泡的成核速率和成核密度，而成核密度是決定泡孔密度的關(guān)鍵因素，只有氣泡的成核速率很快，成核的密度很高，較終的泡孔密度才有可能很高。

注射發(fā)泡成型法屬于一次成型法，可簡化泡沫塑料制品的制造工序，其特點(diǎn)是產(chǎn)量高、質(zhì)量好，特別適用于形狀比較復(fù)雜、尺寸精度要求較高的制品。影響注射成型泡沫塑料制品質(zhì)量的主要有材料配方、成型設(shè)備及工藝條件三個因素。在材料配方和成型設(shè)備確定后，決定制品性能的主要因素是工藝條件。壓力、溫度和時間是較重要的工藝條件。聚合物熔體中所溶解的氣體能否游離出來形成氣泡，熔體中已形成的氣泡能否穩(wěn)定，這兩點(diǎn)與熔體壓力密切相關(guān)，因為熔體的壓力直接影響氣體在熔體中的溶解度。當(dāng)熔體所受外界壓力增加，氣體在熔體中溶解度增加，熔體中過飽和氣體量減少，氣泡的半徑減小。壓力的改變對熔體中氣泡的增長或塌陷的影響非常敏感，通過控制壓力來調(diào)節(jié)發(fā)泡過程是非常有效的。聚合物的物理狀態(tài)是溫度的函數(shù)，確定適宜的溫度，對發(fā)泡成型非常重要，與溫度相關(guān)的主要工藝參數(shù)為料筒溫度、模具溫度。-般來說，提高熔體的出口溫度有利于氣泡的增長，但如果熔體溫度過高，不僅會導(dǎo)致聚合物降解，還會引起熔體粘度下降。總的來說，熔體溫度高，氣泡直徑增大，氣泡數(shù)量減少。制品的發(fā)泡倍數(shù)一般隨模溫的降低而下降，提高模溫可以改善熔體在模具中的流動條件，還可以改善制品的表面質(zhì)量，提高制品的發(fā)泡倍數(shù)。但是冷卻定型的時間將延長，不利于提高勞動生產(chǎn)效率。注射速率對發(fā)泡制品的泡孔均勻性、發(fā)泡倍數(shù)及表面質(zhì)量都有較大的影響。聚合物熔體高速充模，可以獲得大小均勻的泡孔，提高注射速率可以明顯增大制品的發(fā)泡倍數(shù)。

低壓發(fā)泡注射壓力較低，通常為2—9MPa。注射時，注射柱塞或螺桿將貯料室或機(jī)筒前端熔料加壓，以極短的時間注入模腔。由于注射速度快、時間短，發(fā)泡劑還來不及放出氣體發(fā)泡，這時型腔未被熔體充滿，模腔的充料量只占模腔容積的75%—85%，進(jìn)行所謂欠料注塑。
低壓法成型時，合模力也比普通注射低，一般情況下，兩者合模力之比為1/15—1/20。

低壓發(fā)泡注塑成型優(yōu)點(diǎn)：可生產(chǎn)較厚制品，比一般注塑制品有較大彎曲強(qiáng)度，溫度對沖擊強(qiáng)度影響不大。

可以明顯的改進(jìn)凹痕、溢邊及翹曲，如對結(jié)晶聚合物PP采用低壓發(fā)泡注塑可明顯地改變其表觀質(zhì)量。

表層致密，可涂層和印刷和浮雕圖案。
采用低發(fā)泡注塑還可以節(jié)省資金，因為采用普通注塑機(jī)加上一個自鎖噴嘴或液控噴嘴就能用來生產(chǎn)簡單結(jié)構(gòu)發(fā)泡制品。由于模腔壓力低，鎖模力小，可用鋁合金制造模具，以降低模具造成價

PP泡沫塑料還可以通過模壓成型工藝成型制品，PP泡沫塑料的模壓成型工藝可分為一步法和二步法。一步法的發(fā)泡過程是一次性完成的，物料經(jīng)配料混合后，模壓成型坯，然后加熱加壓發(fā)泡制得PP泡沫塑料制品。二步法的基本程序與一步法相似，一次發(fā)泡后，一部分發(fā)泡劑分解使物料部分發(fā)泡，隨之冷卻，趁熱在常壓下進(jìn)行第二次發(fā)泡。由于二步法發(fā)泡時物料的膨脹速率大大降低，發(fā)泡倍數(shù)可以加大。具體的模壓成型方法有多種，可視原材料的形成、制品的情況而定。比較典型的一種方法是PP發(fā)泡粒子的模壓熔結(jié)成型，先將閉孔的發(fā)泡PP加入模具中，壓入氣體，然后通入水蒸氣，使粒子熔融，形成制品。
 

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