在塑料中加入一些填料，就可使塑料某些性能得到改進，由此更適合于某些專門用途。為了降低塑料的密度和硬度，或者增強它的隔熱性或隔音性，則最理想的填料就是空隙。含有空隙或泡孔的塑料，分類為泡沫塑料。隨著發(fā)泡的程度，也就是空隙造成的泡沫的體積份額的差異，泡沫塑料的性能與基礎塑料可能有相當大的差別。發(fā)泡劑是一種化學品，可加到塑料中，在加工過程的適當時間，它即會放出氣體，使塑料中形成泡孔。
塑料泡沫的形成一般可分為四個階段。第一階段，發(fā)泡劑必須完全均勻地分散在聚合物內(nèi)，聚合物通常呈液體或熔融態(tài)。發(fā)泡劑此時在聚合物中可以形成真正的溶液，或者僅僅是均勻地分散在聚合物中，形成二相系統(tǒng)。第二階段，大量單個的氣泡形成后，該系統(tǒng)即轉(zhuǎn)變成一個氣體分散在液體中的系統(tǒng)了。此時往往要加入核化劑，以促進大量小氣泡形成。核化劑一般是極細的惰性顆粒，它們?yōu)樾職庀嗟男纬商峁┎课弧?/SPAN>
第三階段，最初形成的泡孔在不斷漲大，這是因為有更多的氣體擴散并透過聚合物進入了泡孔。如果這段時間夠長，則單個的泡孔就將互相接觸。假如隔開單個泡孔的壁破裂，那么，通過這種聚結(jié)方式，就會形成更大些的泡孔。如果主要是通過泡孔互連而形成的泡沫，則稱之為開孔式泡沫。如果是由互不相連的泡孔形成的泡沫，就叫閉孔式泡沫。如果允許泡孔聚結(jié)無限制地進行下去，那么泡沫就會塌陷，這是因為氣體全部自動地與聚合物分離開了。
第四階段，當聚合物粘度增加，泡孔不能再增長時，泡沫就會穩(wěn)定住。采用冷卻、交聯(lián)或其它方法都可以增加聚合物粘度。發(fā)泡過程的后三個階段，從時間來看，則可短至幾分之一秒，最長也不會超過幾秒鐘。泡沫的形成，要求聚合物呈液態(tài)。為此，可通過加熱溶解或塑化聚合物。泡沫塑料的生產(chǎn)過程幾乎與任何普通塑料生產(chǎn)過程一樣，通常經(jīng)過擠塑、滾塑和注塑，以及增塑糊加工和熱成型等過程。出于同樣原因，基本上任何種類的塑料都能制成泡沫塑料。聚氯乙烯（硬質(zhì)和軟質(zhì)都可）、聚苯乙烯、聚丙烯、ABS和聚乙烯，都已工業(yè)規(guī)模地制成泡沫塑料。耐熱工程塑料和熱固性聚合物也是如此。
上述泡沫塑料的最終市場極為廣闊。結(jié)構泡沫塑料的模塑制品具有重量輕的特點，常用來做器具的罩殼。聚氯乙烯地板利用其泡沫可增加緩沖作用及裝飾紋理。特低密度的泡沫塑料，廣泛用于食品包裝和服務行業(yè)，因為這些行業(yè)對于材料的保溫性能很是看重。管道外包裝保溫也采用這類塑料，特低密度的泡沫塑料具有重量輕、緩沖性能好的特點，可作為優(yōu)良的包裝填料，而它的緩沖性能又適合制作各種襯墊、填料，例如人造革皮的襯墊。在注塑較厚的零部件時，采用小量的發(fā)泡劑常�？梢苑乐怪破飞铣霈F(xiàn)凹痕，低密度的閉孔泡沫塑料通常用來制造漂浮設備，而開孔泡沫塑料的吸液性能好，可被用于相應的用途。以上僅例舉了泡沫塑料最常用的用途，這不過是用來說明泡沫塑料的應用是多么的廣泛，以及采用發(fā)泡劑的原因所在。
發(fā)泡劑類型
根據(jù)發(fā)泡氣體的來源，可將發(fā)泡劑主要分成以下兩類：即物理發(fā)泡劑和化學發(fā)泡劑。僅從名稱上就可得知，物理發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體是通過狀態(tài)的物理變化——一般是從液態(tài)到氣態(tài)；而化學發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體則是通過化學反應。后者是熱敏性化學品，當加熱時，發(fā)泡劑發(fā)生分解反應，產(chǎn)生氣態(tài)和固態(tài)兩種分解產(chǎn)物，上述兩類發(fā)泡劑又可各自分成許多小類。
物理發(fā)泡劑從理論上講，在加工過程中，任何能與聚合物混合，并隨之能汽化的材料，都可用來作為發(fā)泡劑。但實際上，物理發(fā)泡劑最好是在適當?shù)臈l件能液化，并在正常的塑料加工溫度（或低于這一溫度）下，能夠汽化，使塑料發(fā)泡。這類發(fā)泡劑必須在適當條件下能溶于聚合物，但溶解度不能過大。發(fā)泡劑氣體在聚合物內(nèi)的滲透能力非常重要，每單位重量發(fā)泡劑所釋放的出的氣體的體積也同樣重要。后者即稱作發(fā)泡劑的效率，對于所有各種類型的發(fā)泡劑來說，這都是一種重要的檢測指標，高效發(fā)泡劑標準為：每克至少釋放150－200cc.氣體（按標準狀態(tài)計）。
目前最常用的物理發(fā)泡劑是氯氟烴類、烴類和壓縮氣體（如氮氣和CO2）。這類發(fā)泡劑的使用要求是：其溫度和壓力必須保證發(fā)泡劑以液態(tài)形式與塑料混合。當改變溫度和／或壓力時就可使發(fā)泡劑發(fā)生汽化，即開始發(fā)泡。例如，如果一種低沸點的烴類發(fā)泡劑被泵送至一臺裝有熔融塑料的擠塑機中，那么擠塑機內(nèi)的高壓就能使烴類發(fā)泡劑保持液態(tài)形式溶于聚合物中，當聚合物熔體出擠塑機時，驟然的壓降即迫使發(fā)泡劑汽化，從而產(chǎn)生泡沫。簡單氣體，如氮氣和CO2則需要比烴類或氯氟烴類高得多的壓力，方能達到這一結(jié)果。核化劑可以促進形成均勻的泡孔結(jié)構。
為制成特低密度泡沫塑料采用氯氟烴和烴類發(fā)泡劑效果極佳。其主要原因有兩個。一是由于所需發(fā)泡劑之量極大（有時達到基質(zhì)樹脂重量的20%或更多），而這類發(fā)泡劑要比化學發(fā)泡劑便宜，這就補償了設備上的較高費用；二是與泡沫穩(wěn)定化的熱力學相關。正如本文前面談到的，要使一個泡沫穩(wěn)定化，必須在出現(xiàn)塌陷之前就得改變聚合物熔體的粘度。使用最廣泛的烴類和氯氟烴類發(fā)泡劑，實際上可以降低它們所用于的聚合物的熔體粘度。當它們發(fā)生汽化而脫離聚合物溶液時，熔體的粘度升高了，就可減少為穩(wěn)定泡沫所需的冷卻費用。對于特低密度的泡沫塑料來說，這一點尤其重要。
盡管發(fā)泡劑具有固有的優(yōu)點，但使用起來并不是沒有問題的。大部分這類發(fā)泡劑都會污染自然環(huán)境，而且正在繼續(xù)嚴重化。特別是氯氟烴類。而烴類也有這一問題，僅是程度稍輕。
使用最廣泛的氯氟烴類發(fā)泡劑，都是一些全鹵代品種，通常叫作CFCS。CFC－11和CFC－12就是典型代表。近年來，人們已經(jīng)確認，這類化學品的使用與大氣上層臭氧層變薄有關。因此，通過法律約束與自愿行動的結(jié)合，這類發(fā)泡劑正迅速地被淘汰，目前它們正在被部分鹵化的氯氟烴類（HCFCS）和氟烴類（HFCS）所代用。但是取代品最后是否能普遍使用，這一問題目前還不能肯定。其它與上述不同的取代途徑目前也正在探討之中。DOW公司最近宣稱，他們開發(fā)了一種采用CO2制造特低密度聚苯乙烯泡沫塑料的新工藝。
另外一類常用的物理發(fā)泡劑，即烴類，相對來說對臭氧層沒有什么影響。然而它們的使用也不是沒有法規(guī)限制的。烴類的釋放也和其它揮發(fā)性有機化合物（VOCS）一樣，要受到法律的限制，因為它們的釋放物會危害低層大氣層，特別是生成了臭氧。法規(guī)的嚴厲性在各地區(qū)是有區(qū)別的，這要根據(jù)當?shù)乜諝赓|(zhì)量而定。此外還應考慮到烴的易燃性。在作任何采用烴類為發(fā)泡劑的工廠設計時，這一點應為重要考慮因素。最廣泛用作發(fā)泡劑的烴類是丁烷和正戊烷。
化學發(fā)泡劑也可以分成二個主要類型：有機化學品和無機化學品。有機化學發(fā)泡劑品種非常多，而無機化學發(fā)泡劑則種類有限。最早的化學發(fā)泡劑（大約在1850年）是簡單的無機碳酸鹽和碳酸氫鹽。這類化學品加熱后會放出CO2，它們最后被碳酸氫鹽和檸檬酸的混配物取代了，因為后者的預后效果要好得多。當今更優(yōu)秀的無機發(fā)泡劑，其化學機理基本與上述相同，是聚碳酸類（原文為Poly－carbonic acids）和碳酸鹽類混用。聚碳酸的分解是吸熱反應，在160℃左右，每g酸可放出100ml．左右的CO2，進一步加熱至199℃左右時，將會放出更多的氣體。這一分解反應的吸熱性質(zhì)可能帶來某種程度的好處，因為在發(fā)泡過程中散除熱量是個大問題。除了作為發(fā)泡的氣體來源，這類物質(zhì)時常還用作物理發(fā)泡劑的核化劑。據(jù)信，這類化學發(fā)泡劑分解時形成的最初的泡孔，為隨后物理發(fā)泡劑放出的氣體提供了遷移的場所。
與無機發(fā)泡劑相反，可供選擇的有機化學發(fā)泡劑品種繁多，物理形態(tài)也各自不同。過去一些年來曾評價過數(shù)百種可能用作發(fā)泡劑的有機化學品。用來評判的準則也很多。最重要的幾條是：在可控制速度和可預計溫度的條件下，所釋放的氣體不僅量大，而且再現(xiàn)性好；反應產(chǎn)生的氣體和固體均為無毒者，而且對于發(fā)泡的聚合物不能有任何不良影響，例如，產(chǎn)生顏色或不良氣味；最后，是成本問題，這也是相當重要的一條準則。當今工業(yè)上使用的那些發(fā)泡劑，是最符合上述這些準則的。
低溫發(fā)泡劑從眾多可選用的化學發(fā)泡劑中進行選擇，主要應考慮的問題是：發(fā)泡劑的分解溫度應與塑料的加工溫度相適應。有兩種有機化學發(fā)泡劑已為低溫聚氯乙烯、低密度聚乙烯和某些環(huán)氧所廣泛接受。第一種是甲苯磺酰肼（TSH）。這是一種乳黃色粉末，分解溫度為116℃左右。每克約產(chǎn)生115ml氮氣和一些水分。第二種是氧化雙（苯磺酷）肋，或稱OBSH。這種發(fā)泡劑或許在低溫用途中使用更為普遍，這種材料為白色細粉狀，其正常分解溫度是160℃。如果采用活化劑，如尿素或三乙醇胺，則可將這一溫度下降到129℃左右。每克可放出125ml氣體，主要是氮氣。OBSH分解后的固體產(chǎn)物是聚合物，如果它與TSH共同使用，則可減輕臭味。
高溫發(fā)泡劑對于高溫塑料來說，例如耐熱ABS、硬聚氯乙烯類、一些低熔融指數(shù)的聚丙烯類和工程塑料，如聚碳酸酯和尼龍，采用較高分解溫度的發(fā)泡劑比較合適。甲苯磺酞氨基崛（TSS或TSSC）是一種很細的白色粉末，分解溫度約229℃，1g發(fā)氣量為140ml，主要為氮氣和CO2的混合物，并有少量CO和氨。這種發(fā)泡劑常用于聚丙烯和某些ABS。但由于其分解溫度之故，所以它在聚碳酸酯的應用是有限的。另外一種高溫發(fā)泡劑——5一本基四唑（5－PT）一直成功地用在聚碳酸酯中。它在約218℃開始緩慢分解，但產(chǎn)氣量不大．直到溫度達到240℃~249℃，才會大量放氣，而這一溫度范圍很適于聚碳酸酯的加工過程。產(chǎn)氣量大約是 175ml／g，主要是氮氣。另外還有一些正在開發(fā)中的四唑衍生物，它們具有較高的分解溫度，而且放出的氣體比5—PT還多。
偶氮二碳酸胺大多數(shù)主要工業(yè)用熱塑性塑料的加工溫度，其范圍如上所述。大部分聚烯烴類、聚氯乙烯類和苯乙烯類熱塑性塑料的加工溫度范圍在149℃~210°℃ 。對于這類塑料，有一種發(fā)泡劑使用可靠，就是偶氮二碳酸胺，又稱偶氮雙甲酸胺，或簡稱AZO或AZ。在純凈狀態(tài)時，它是一種黃色／橙色粉末，大約在199℃ 開始分解，分解時產(chǎn)氣量為 220ml／g，所產(chǎn)氣體主要為氮氣和CO，并帶有少量CO2，在某些條件下也含有氨。其固體分解產(chǎn)物是米色的，它不僅可作為表明完全分解的指示劑，而且對發(fā)泡的塑料的顏色也無不良影響。
AZ成為廣泛使用的泡沫塑料發(fā)泡劑，其原因有多個，從產(chǎn)氣量來說，AZ是最有效的發(fā)泡劑之一，它釋放的氣體產(chǎn)生泡沫的效率高。而且氣體放出速度快，又不失控。AZ及其固體產(chǎn)物均是毒性低的物質(zhì)（AZ被FDA批準為可加入到與食品接觸的塑料的添加劑，其
用量為5%，甚至還可直接用作食品添加劑，雖然其用量更低）。AZ也是價格最低的化學發(fā)泡劑之一。
AZ所以能普遍應用，除上述原因外，還在于它的分解特性。它釋放氣體的溫度及速度都能改變，可適應149℃~260℃ 范圍內(nèi)的幾乎所有使用目的�；罨蚪凶饔锰砑觿└淖兓瘜W發(fā)泡劑的分解特點，這一問題在前文OBSH的使用中已談到。AZ比其它任何化學發(fā)泡劑的活化都要好得多。有多種添加劑，首先是金屬鹽類，就能降低AZ的分解溫度，其下降的度數(shù)主要看所選用的添加劑的種類和用量而定。另外，這類添加劑還具有其它作用，比如，改變氣體釋放速度；或者在分解反應開始前產(chǎn)生一個延遲期或誘導期。因此，幾乎所有工藝過程中氣體的釋放方式，都可以人為設計。
AZ顆粒的大小也會影響分解過程，一般來說，在給定溫度下，平均粒徑越大者，釋放氣體越慢。這種現(xiàn)象在加有活化劑的系統(tǒng)尤為明顯。為此，商品AZ的粒徑范圍為2—20微米或更大，采用者可隨意選擇。許多加工者研制了他們自己的活化系統(tǒng)，也有些廠商選AZ制造廠家提供的各種不同的預活化混合物。有許多穩(wěn)定劑，特別是用于聚氯乙烯類者，以及某些顏料都會對AZ起到活化劑作用。所以，當改變配方時必須謹慎從事，因為AZ的分解特性可能隨之也有變化。
工業(yè)上可用的AZ，其品級很多，不僅在粒徑大小、活化系統(tǒng)上可供選擇，而且在流動性上也有可選擇的余地。例如，有一種添加劑加到AZ中，就可以增加AZ粉末的流動性和可分散性。這類品級的AZ，對于聚氯乙烯增塑糊，非常適用。因為發(fā)泡劑可充分分散到增塑糊中，這對于泡沫塑料的最終制品的質(zhì)量是關鍵問題。除了采用流動性好的品級外，還可將AZ分散在鄰苯二甲酸酯或其它載體系統(tǒng)中。處理時就會像液體那樣容易。
還有一種改性的AZ，是不積垢型的。AZ發(fā)泡劑的不多的缺點之一，就是它在分解時產(chǎn)生一種揮發(fā)性固體，在一定環(huán)境條件下，它會揮發(fā)，然后凝積在較冷的金屬表面，如模具或擠出機模頭上。這一現(xiàn)象叫作積垢。這一缺點也可改正，即在AZ中加入一種添加劑，改變其分解方式，以阻止某種特殊分解產(chǎn)物的形成。這類不積垢型AZ廣泛使用在注塑和電線電纜的應用中。
還有一種特殊品級的AZ是用于硬聚氯乙烯的。這一改性的AZ，能夠被硬脂酸鈣所活化。而硬脂酸鈣是硬聚氯乙烯配方中常用的組份。未經(jīng)改性的AZ則不能被硬脂酸鈣所活化。因此，采用了這種品級的AZ，硬聚氯乙烯就可以在正常加工溫度下加工，而不必再加用其它活化劑了。況且，有許多活化劑對于聚氯乙烯的穩(wěn)定性還可能有不良影響。
為了制取特低密度的聚烯烴泡沫塑料（約為2lb/ft3），目前開發(fā)了一些高度專門化的工藝方法。其中，交聯(lián)被用于泡沫穩(wěn)定化（粘度增加）技術。有一種品級的AZ，是專為上述工藝而設計，并經(jīng)特別改性的。采用這種品級的AZ，能使聚烯烴泡沫塑料中泡孔的大小、結(jié)構，以及均勻度均達到最佳程度。
如果使用的是AZ干粉，直接將AZ粉傾入樹脂粒料中，采用桶混法摻和即可。此時，如果AZ用量在1％或以下，則摻混后樹脂粒料的表面上即粘敷了一層AZ粉，H者不致分離。大部分配方中發(fā)泡用的AZ用量在1％或更少些。如果用量需要超過1％時，則應加人一些潤濕劑，以防止二者分離。一旦上述摻混料制成，輸送時就必須避免使用氣力輸送機，否則可能發(fā)生分離的問題。在有的連續(xù)操作，如擠塑作業(yè)中，發(fā)泡劑粉沫可直接加入進料料斗，就像加入顏料或其它添加劑那樣。但是這種情況下，控制起來較困難。對于那些不希望用粉末操作的用戶，AZ的液體分散劑也可即刻買到。還有一種可供選用的劑型是固體母粒。生產(chǎn)顏料母粒的技術也可用來生產(chǎn)發(fā)泡劑固體母粒。所以二者的供貨者往往是相同的商家。
常用塑料助劑分析系列——發(fā)泡劑
