消失模铸造用泡沫塑料模样材料的优化选择

消失模铸造模样是用泡沫塑料制成的。它是以合成树脂为母材制成的、内部具有无数微小气孔结构的塑料。其主要特点是：

1）消失模铸造模样材料的堆密度为16～25kg/m³，它是同体积钢铁铸件重的1/250～1/350，铸铝件的1/100。

2）泡沫塑料的泡孔互不连通，具有防止空气对流的作用，因此不易传热和吸水，起着隔热、隔水作用。其热导率约为铸铁的1/1429。

3）消失模铸造用泡沫塑料模样材料发气量较小，热解残留物少。1000℃时泡沫聚苯乙烯的发气量是105cm³/g，泡沫聚苯乙烯汽化液的残留物仅占总量的0.015%。（质量分数）

4）消失模铸造模样发泡聚苯乙烯价格比较低，成形加工方便，资源丰富，因此它成为目前应用最广的一种模样材料。

1.泡沫聚苯乙烯（EPS）

（1）泡沫聚苯乙烯的制取过程 泡沫聚苯乙烯是由从原油、煤中提取的苯（C₆H₆），与从天然气中得到的乙烯（C₂H₄），在氯化铝（AlCl₃）的催化作用下，发生烃化反应而合成乙苯，再经脱氢处理得到的。苯乙烯单体在引发剂过氧苯甲酰（BPO）和分散剂聚乙烯醇（PVA）的参与下，在水溶液中悬浮聚合，得到透明的聚苯乙烯珠粒，其反应如下：

按发泡加入方式的不同，可将可发性聚苯乙烯珠粒的制造方法分为一步法和二步法两种。一步法是将苯乙烯、引发剂和发泡剂同时加入反应锅中，一步聚合得到含有发泡剂的可发性聚苯乙烯珠粒。由一步法制得的可发性聚苯乙烯，泡孔均匀细小，制品弹性较好。由于发泡剂在聚合时一步加入，简化了操作工序，但是聚合时加入发泡剂，会起阻聚作用，所以这种聚合物相对分子质量较低，一般为40000～50000。反应后生成部分粉末状物体，需要进行处理。二步法则是先将苯乙烯单独聚合成聚苯乙烯珠粒，然后将获得的聚苯乙烯珠粒进行筛选，将聚苯乙烯珠粒按大小分成不同的级别。在同一级别的珠粒中，加入发泡剂重新加热，使发泡剂渗入珠粒中，冷却后就成为可发性聚苯乙烯珠粒。显然两步法操作工序更多，发泡剂渗透也需较长的时间；但其优点是聚合物质量得到提高，相对分子质量可达50000～60000或更大，颗粒度经过筛选分级，有助于提高产品质量。

EPS常用的发泡剂及其性能见表12-1。

表12-1 EPS常用发泡剂及其性能

（2）EPS珠粒的基本要求及其规格、型号 消失模铸造发泡模样用的聚苯乙烯珠粒属于一种高发泡、硬质、闭孔结构的泡沫塑料，其基本要求如下：

1）发泡剂含量。它是影响后续工序预发泡和成形发泡以及铸件质量的关键指标。发泡剂含量低，得不到密度低的预发泡珠粒，成形时不能充分膨胀和融合，因而容易形成不光洁的粒珠状表面。同时，由于珠粒间融合不好，模样强度低，在浸涂、搬运和加砂振实模组时，可能因强度不足而折断；有时由于涂料渗入融合不好的裂缝，使铸件内部出现灰黑色涂料渣。发泡剂含量低，一般都会使成形模样的密度大，这是造成铸件皱皮、冷隔、浇不足、炭黑缺陷，以及浇注时反喷、断流的主要原因。当然，也不是发泡剂含量越高越好，发泡剂含量过高，预发泡时（尤其是采用真空预发泡工艺时）容易造成结块。试验证明，EPS珠粒预发泡剂的质量分数为6.0%～6.5%是比较合适的，最少不得低于5.5%。

2）剩余苯乙烯单体含量。它使聚苯乙烯珠粒的塑性增加，当其质量分数超过0.5%时，会使预发泡阶段出现不希望的黏结现象，降低剩余苯乙烯单体的含量会使珠粒软化温度升高，因而预发泡、成形发泡温度有所升高。此外，苯乙烯单体含有毒性，会增加浇注时发散到大气中有害气体含量，因此要控制珠粒中的剩余苯乙烯单体的质量分数，使之不大于0.5%。

3）珠粒粒度及均匀度。为了得到光洁、平整的泡沫塑料模样，要求珠粒粒度小些为好，尤其是对于3～4mm的薄壁模样，为使模样断面上有三颗以上的预发泡珠粒，必须采用0.3～0.4mm的小珠粒。然而珠粒越小，表面积越大，发泡剂越容易逃逸，因此保存越困难。

粒度的均匀性对于获得均匀光洁的模样也十分重要，特别是要注意防止混入发泡剂含量极低的碎珠粒和粉末状下脚料，它们是造成模样强度下降，密度增加，表面质量恶化的“害群之马”，必须严格控制。

4）相对分子质量。一般说来，相对分子质量大的珠粒发泡成型的模样强度、刚度、抗蠕变能力更好，线收缩相应减少并趋稳定，发泡剂不易逸散。进口的珠粒相对分子质量一般为25～30万，而国内一般为6万左右。

5）珠粒的保存性。保存性除了与粒度和相对分子质量有关外，还与珠粒的生产方式和发泡剂的种类有关，如早期EPS采用丁烷作发泡剂，其沸点太低，保存性就差些，后来用沸点高一些的戊烷作发泡剂，保存性就好些。

图12-1所示为美国研究人员测定的在密封容器内珠粒中戊烷的衰减曲线。研究结果认为：在低于15℃存入密闭容器中，戊烷衰减速度很慢，而在15～30℃的密闭容器中的保存期是三至五个月。表12-2列出了珠粒直径、储存方式对发泡剂散失量的影响。

图12-1 在密封容器内EPS珠粒中戊烷的衰减曲线

表12-2 珠粒直径、储存方式对发泡剂散失量的影响（质量分数，%）

表12-3、表12-4、表12-5分别列举了目前国产和引进的商品泡沫聚苯乙烯珠粒的规格、型号。

表12-3 国产EPS珠粒规格

表12-4 美国EPS珠粒规格

表12-5 日本消失模铸造用EPS珠粒

（3）EPS的热相变和其他物理力学性能

1）EPS的热相变状态。采用DSCT型差式扫描量热仪（误差为±0.1℃及±0.1%），在升温速度为50℃/min、静态空气气氛下测定EPS热相变状态，其DSC曲线如图12-2所示。测出的EPS相变温度及相变热列于表12-6。EPS热相变状态见表12-7。

图12-2 EPS试样的DSC曲线

T_s—固态温度 T_m—液态温度 T_V—汽化温度

表12-6 由DSC测出的EPS相变温度及相变热

表12-7 EPS热相变状态

2）EPS的物理和力学性能。表12-8列出了国产聚苯乙烯泡沫塑料的力学和物理性能，表12-9列出了某些国家消失模铸造用聚苯乙烯泡沫塑料的物理和力学性能。表12-10列出了EPS制成的泡沫颗粒的物理性能。

表12-8 国产聚苯乙烯泡沫塑料的力学和物理性能

表12-9 某些国家消失模铸造用聚苯乙烯泡沫塑料的物理和力学性能

（续）(www.xing528.com)

表12-10 EPS制成的泡沫颗粒的物理性能

注：所有数据取自EPS泡沫板材的试验平均值。

①在23℃试验。

图12-3 预发珠粒的断面SEM照片

发泡后泡沫材料组织呈蜂窝状（见图12-3），它是由若干连壁的空心小球组成，充满1cm³大约需要10000个小球，每个小球的直径约50μm，壁厚1～3μm，泡孔的大小随聚苯乙烯相对分子质量的增加而减少，泡孔壁厚随相对分子质量的增大而增厚。

表12-11列出了发泡EPS中EPS和孔隙各占体积分数。

除强度之外，抗变形能力是泡沫材料另一项重要的性能指标。决定抗变形能力的两个主要性能是刚度和抗蠕变能力。泡沫材料的刚度一般是指在短时间内承受载荷不发生变形的能力，通常以比例极限来衡量（比例极限越高，刚度越大）。抗蠕变能力则是泡沫材料在载荷作用下，抵抗缓慢变形的能力。在高温下，蠕变将加快，因此在模样熟化、从模具中顶出以及热模搬运过程中，更要注意控制模样的热蠕变变形。

表12-11 发泡EPS中EPS和孔隙各占体积分数

注：1.EPS原体积密度为640kg/m³。

2.EPS体积分数=预发密度/EPS原密度。

2.聚甲基丙烯酸甲酯（EPMMA）和共聚料（STMMA）

由于EPS分子中碳含量高，热解后产生的炭渣多，故对铸件质量有不良影响，尤其是对低碳钢增碳的质量分数可高达0.1%～0.3%，甚至更高。1986年，美国DOW化学公司成功开发出了聚甲基丙烯酸甲酯（EPMMA），并将其应用于低碳钢的生产，取得了明显的效果。但EPMMA的发气量和发气速度都比较大，浇注时容易产生反喷。后来，人们利用EPS与MMA竞聚率相近的特点，合成了EPS与MMA以一定比例配合的共聚料STMMA，其在解决碳缺陷和发气量大引起反喷缺陷两方面都取得了较好的效果，成为目前铸钢和球墨铸铁件生产中广泛采用的新材料。目前，我国杭州亚太化工有限公司生产的共聚料已经得到了广泛应用。

（1）制造工艺过程 EPMMA制造工艺过程如下：

制造中要注意控制好两个技术环节：

1）粒径及其分布。通过悬浮剂种类、用量、搅拌浆的形式和转速等工艺参数的优化，可以将合成珠粒直径控制在0.2～0.8mm的范围内，其中0.2～0.6mm的质量分数大于90%，粒形为表面光滑的球形。

2）相对分子质量、发泡温度和发泡偌数。通过调整工艺配方、聚合温度及压力等参数，实现相对分子质量、发泡温度和发泡偌数的较佳匹配。

（2）EPS与EPMMA及STMMA的性能比较 表12-12为三种材料的分子结构、碳含量及主要物理性能。

表12-12 三种材料的分子结构、碳含量及主要物理性能

图12-4和图12-5所示分别为三种材料在不同温度下的发气量和发气速度。

图12-4 EPS、STMMA和EPMMA的发气量

图12-5 EPS、STMMA和EPMMA的发气速度

（3）珠粒的性能指标和应用范围应用范围。表12-13 为三种国产珠粒的性能指标及

表12-13 三种国产珠粒的性能指标及应用范围

注：1.每一粒径范围的过筛率≥90%。

2.发泡偌数是指在热空气中用3号料，测试条件分别为：EPS/110℃，STMMA/120℃，EPMMA/130℃；各10min。

（4）珠粒大小的选择 根据模样的壁厚选择原始珠粒大小。壁厚越薄，要求珠粒粒径越小。珠粒粒径决定了模样最小壁厚的临界值，模样壁厚小于该临界值，其表面就会出现明显颗粒龟纹。

为便于分析，假设原始珠粒均匀圆整，粒径为ф₀，按偌率K进行预发，预发后的珠粒也都均匀圆整，其粒径为ф_K，如图12-6所示。要使泡沫壁厚处表面光滑，断面上至少排列3颗已预发的泡沫珠粒，如图12-7所示。

图12-6 原始珠粒预发K偌

a）原珠粒 b）预发后珠粒

图12-7 最小壁厚与珠粒个数

设铸件最小壁厚为δ_min，则由δ_min≥3ф_K和K=ф_K/ф₀，得出δ_min≥Kф₀/3。一般由预发泡偌率K=30，得出δ_min≥10ф₀或ф₀≤（1/10）δ_min，即原始珠粒不应大于铸件最小壁厚的1/10。

实际上珠粒越小，预发偌率越低，泡沫塑料模样的密度越大。因此，要控制泡沫塑料模样的密度，不能选择珠粒过小的泡沫原料。根据理论算式，并结合实际生产经验，将原始珠粒、泡沫珠粒、泡沫塑料模样壁厚及密度的对应估算值列入表12-14。参考此表，可按泡沫件的最小壁厚来选择原始珠粒大小。

表12-14 原始珠粒、泡沫珠粒、泡沫塑料模样壁厚及密度的对应估算值