超临界二氧化碳微孔发泡制备PEBA泡沫及其结构和性能_杨浩青.pdf

第 51 卷，第 6 期2023 年 6 月工程塑料应用Vol.51，No.6Jun.2023ENGINEERING PLASTICS APPLICATION超临界二氧化碳微孔发泡制备PEBA泡沫及其结构和性能杨浩青1，王燕2，孙颖1，于昕世3，贺连芳1(1.山东科技大学材料科学与工程学院，山东青岛 266590；2.山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，济南 250061；3.青岛佳友模具科技有限公司，山东青岛 266300)摘要：为了研究超临界气体CO2微孔发泡方法对聚醚嵌段酰胺(PEBA)泡沫尺寸稳定性和压缩性能的影响，分别利用一步法(高温高压饱和后快速泄压)与两步法(室温饱和泄压后快速升温)制备了具有可调结构的低密度微孔PEBA泡沫。首先测量了气体溶解度，观察了泡孔的微观结构，研究并获得了不同发泡方法、不同发泡温度和压力对泡沫的发泡倍率、泡孔尺寸和泡孔密度的影响。同时对比了两种发泡方法制备泡沫的尺寸稳定性，并获得了发泡倍率和泡孔尺寸对泡沫塑料压缩性能的影响规律。结果表明，相对于发泡温度，在一定温度范围内发泡压力对发泡倍率、泡孔尺寸和泡孔密度影响较大；一步法制备的PEBA泡沫具有更大的发泡倍率(最高7.61)，而两步法制备的PEBA泡沫具有更小的泡孔尺寸(最小2 m)；PEBA泡沫的尺寸稳定性与发泡倍率有直接关系，两步法制备的泡沫尺寸稳定性更好；一步法制备的PEBA泡沫显示出更加优越的回弹性；大孔泡沫比小孔泡沫表现出更好的压缩性能，更大发泡倍率的泡沫具有更高的压缩强度。关键词：聚醚嵌段酰胺；微孔发泡；压缩性能；尺寸稳定性；超临界气体中图分类号：TQ328 文献标识码：A 文章编号：1001-3539（2023）06-0046-08Structure and Properties of PEBA Foam Prepared by Supercritical CO2 Microporous FoamingYang Haoqing1，Wang Yan2，Sun Ying1，Yu Xinshi3，He Lianfang11.School of Material Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.Key Laboratory for Liquid-Solid Structural Evolution and Processing of Materials(Ministry of Education)，Shandong University，Jinan 250061，China；3.Qingdao Justuse Moulds Technology Co.，Ltd.，Qingdao 266300，ChinaAbstract：To investigate the effect of supercritical gas CO2 microcellular foaming method on the dimensional stability and compression performance of poly(ether-block-amide)(PEBA)foam，low density microcellular PEBA foam with adjustable structure was prepared by one-step method(rapid pressure relief after saturation in high temperature and pressure)and two-step method(rapid temperature rise after saturation in room temperature and pressure relief)，respectively.Gas solubility was measured and the microstructure of the cells was observed.Also the effects of different foaming methods，foaming temperature and pressure on the foaming expansion ratio，cell size and cell density were studied and obtained.The dimensional stability of the foams prepared by the two foaming methods was compared，and the effects of foaming expansion ratio and cell size on the compressive properties of the foams were also obtained.The results show that，in contrast to the foaming temperature，the foaming pressure has a greater influence on the foaming expansion ratio，cell size and cell density within a certain temperature range.The PEBA foam prepared by one-step method has a larger expansion ratio(maximum 7.61)，while the PEBA foam prepared by two-step method has a smaller cell size(minimum 2 m).The dimensional stability of PEBA foam is directly related to the foaming expansion ratio，the PEBA foam prepared by two-step method has better dimensional stability.The PEBA foam prepared by one-step method shows a more superior resilience.The foam with larger cells shows better compressive properties than the foam with smaller cells，and the foam with larger foaming expansion ratio exhibits higher compression strength.Keywords：poly（ether-block-amide）；microcellular foaming；compressive property；dimensional stability；supercritical gasdoi:10.3969/j.issn.1001-3539.2023.06.008基金项目：山东省自然科学基金项目(ZR2021ME129)通信作者：贺连芳，高级实验师，主要研究方向为塑性成形数值模拟收稿日期：2023-03-18引用格式：杨浩青，王燕，孙颖，等.超临界二氧化碳微孔发泡制备PEBA泡沫及其结构和性能J.工程塑料应用，2023，51(6)：4653.Yang Haoqing，Wang Yan，Sun Ying，et al.Structure and properties of PEBA foam prepared by supercritical CO2 microporous foamingJ.Engineering Plastics Application，2023，51(6)：4653.46网络首发时间：2023-06-21 14:20:16网络首发地址：https:/ 有 协 同 3D 导 电 通 道 和 微 裂 纹 的 微 发 泡RGOPebax复合材料，用于压阻传感器研究，发现由于结合了微孔结构和3D互连通道，微发泡复合材料表现出高柔性(高达50%的可压缩性)和低密度(低至 0.2 g/cm3)。Cao 等7采用两步发泡工艺对PEBA样品进行了发泡，并对泡孔结构进行了研究，结果表明发泡过程中PEBA样品的泡孔结构变化与结晶状态密切相关。目前，很少有研究讨论一步法发泡和两步法发泡制备的PEBA泡沫之间的差异；另外，迄今为止报道的孔径小于10 m的真正微孔PEBA泡沫的密度仍然很高(0.5 g/cm3)。这些因素很大程度上限制了微孔PEBA泡沫的应用。为了制备结构和性能可调的PEBA泡沫，笔者研究了PEBA在一步法发泡和两步法发泡中的发泡行为，并进一步研究PEBA泡沫的循环压缩力学性能及尺寸稳定性能。首先，通过注塑制备样品后，采用不同发泡方法分别对PEBA样品进行发泡，制备 PEBA 泡沫样品；其次，采用扫描电子显微镜(SEM)分别对不同发泡方法、不同温度和压力下制备的PEBA泡沫进行拍摄，以观察泡孔的微观结构，随后测试泡沫的发泡倍率、泡孔尺寸、泡孔密度等；最后，记录不同发泡方法和不同温度、压力的泡沫样品14 d内的发泡倍率变化以测试尺寸稳定性，对泡沫样品进行循环压缩测试以观察和比较不同发泡方法制备泡沫样品的力学性能差异。1 实验部分1.1主要原材料PEBA：4533 SA 01，密 度 1.01 g/cm3、熔 点143、肖氏硬度(D)41、玻璃化转变温度-60，法国Arkema公司；物理发泡剂CO2：市售。1.2主要仪器及设备真空干燥箱：DZF-2B型，北京永光明医疗仪器厂；注塑机：ZE900/210型，宁波长飞亚塑料机械有限公司；SEM：JSM 6610-LV型，日本电子株式会社；溅射镀膜机：ETD-900M型，北京意力博通技术发展有限公司；电子万能试验机：HDW-2000型，济南恒旭试验机技术有限公司；电子天平：DX-160E型，厦门群隆仪器有限公司。1.3PEBA泡沫制备将PEBA颗粒(约3 kg)在80 下干燥并在真空炉中加热8 h以去除水蒸气。使用配备有双板模具的注塑机制备PEBA板，注射速度、填充压力和填充时间分别设置为64 cm3/s，60 MPa，6 s。从料斗到喷嘴的料筒温度分布为 43.6，189.8，195，200，200，195，模具温度为65。使用直径为15 mm的钢制圆形模具对PEBA板进行切割，获得圆柱形样品。使用图 1 所示的自建微孔发泡系统来制备 PEBA泡沫。一步法制备PEBA泡沫的示意图如图1所示。调节温度控制系统使上下模板均达到设定的温度(120140)，将圆柱样品放入反应釜中，通过液压系统调节下模板的升降，使反应釜封闭，并关闭泄压阀。将CO2气瓶和总气体控制阀门打开，将气体47工程塑料应用2023 年，第 51 卷，第 6 期压力控制器调节至设定的压力，启动开关和风扇以及时散热。打开阀门，使 CO2充入反应室。经 30 min的饱和时间后，快速打开阀门卸压，以诱导样品发泡。两步法制备PEBA泡沫的温度和压力设定方法与一步法相似，只是温度设定为室温(25)，且饱和时间与一步法不同。待样品在反应釜中饱和结束，快速卸压后，迅速将反应釜内的PEBA样品取出，放入预先设定好温度(125140)的油浴锅中诱导发泡，经过大约2 min后取出泡沫样品，并快速放入冰水中以降温并固定泡孔结构。一步法与两步法发泡主要的不同在于温度与压力控制方式，二者的发泡原理如图2所示。在一步法发泡过程中，反应釜的温度以大约10/min的速率升至指定温度，随后按照饱和时间保温30 min，最后快速降温至室温。所需温度应低于PEBA的熔点，以确保高熔体强度，这对于确保