物理發(fā)泡劑從理論上講，在加工過(guò)程中，任何能與聚合物混合，并隨之能汽化的材料，都可用來(lái)作為發(fā)泡劑。但實(shí)際上，物理發(fā)泡劑最好是在適當(dāng)?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(lèi)發(fā)泡劑必須在適當(dāng)條件下能溶于聚合物，但溶解度不能過(guò)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(chēng)作發(fā)泡劑的效率，對(duì)于所有各種類(lèi)型的發(fā)泡劑來(lái)說(shuō)，這都是一種重要的檢測(cè)指標(biāo)，高效發(fā)泡劑標(biāo)準(zhǔn)為：每克至少釋放150-200cc.氣體(按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計(jì))。
目前最常用的物理發(fā)泡劑是氯氟烴類(lèi)、烴類(lèi)和壓縮氣體(如氮?dú)夂虲O2)。這類(lèi)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(dāng)改變溫度和/或壓力時(shí)就可使發(fā)泡劑發(fā)生汽化，即開(kāi)始發(fā)泡。例如，如果一種低沸點(diǎn)的烴類(lèi)發(fā)泡劑被泵送至一臺(tái)裝有熔融塑料的擠塑機(jī)中，那么擠塑機(jī)內(nèi)的高壓就能使烴類(lèi)發(fā)泡劑保持液態(tài)形式溶于聚合物中，當(dāng)聚合物熔體出擠塑機(jī)時(shí)，驟然的壓降即迫使發(fā)泡劑汽化，從而產(chǎn)生泡沫。簡(jiǎn)單氣體，如氮?dú)夂虲O2則需要比烴類(lèi)或氯氟烴類(lèi)高得多的壓力，方能達(dá)到這一結(jié)果。核化劑可以促進(jìn)形成均勻的泡孔結(jié)構(gòu)。
為制成特低密度泡沫塑料(密度低至10lb/cu.ft.左右)采用氯氟烴和烴類(lèi)發(fā)泡劑效果極佳。其主要原因有兩個(gè)。一是由于所需發(fā)泡劑之量極大(有時(shí)達(dá)到基質(zhì)樹(shù)脂重量的20%或更多)，而這類(lèi)發(fā)泡劑要比化學(xué)發(fā)泡劑便宜，這就補(bǔ)償了設(shè)備上的較高費(fèi)用;二是與泡沫穩(wěn)定化的熱力學(xué)相關(guān)。正如本文前面談到的，要使一個(gè)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(lèi)和氯氟烴類(lèi)發(fā)泡劑，實(shí)際上可以降低它們所用于的聚合物的熔體粘度。當(dāng)它們發(fā)生汽化而脫離聚合物溶液時(shí)，熔體的粘度升高了，就可減少為穩(wěn)定泡沫所需的冷卻費(fèi)用。對(duì)于特低密度的泡沫塑料來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤其重要。
盡管發(fā)泡劑具有固有的優(yōu)點(diǎn)，但使用起來(lái)并不是沒(méi)有問(wèn)題的。大部分這類(lèi)發(fā)泡劑都會(huì)污染自然環(huán)境，而且正在繼續(xù)嚴(yán)重化。特別是氯氟烴類(lèi)。而烴類(lèi)也有這一問(wèn)題，僅是程度稍輕。
使用最廣泛的氯氟烴類(lèi)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(lái)，人們已經(jīng)確認(rèn)，這類(lèi)化學(xué)品的使用與大氣上層臭氧層變薄有關(guān)。因此，通過(guò)法律約束與自愿行動(dòng)的結(jié)合，這類(lèi)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(lèi)(HCFCS)和氟烴類(lèi)(HFCS)所代用。但是取代品最后是否能普遍使用，這一問(wèn)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(chēng)，他們開(kāi)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(lèi)常用的物理發(fā)泡劑，即烴類(lèi)，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)臭氧層沒(méi)有什么影響。然而它們的使用也不是沒(méi)有法規(guī)限制的。烴類(lèi)的釋放也和其它揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCS)一樣，要受到法律的限制，因?yàn)樗鼈兊尼尫盼飼?huì)危害低層大氣層，特別是生成了臭氧。法規(guī)的嚴(yán)厲性在各地區(qū)是有區(qū)別的，這要根據(jù)當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量而定。此外還應(yīng)考慮到烴的易燃性。在作任何采用烴類(lèi)為發(fā)泡劑的工廠(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，這一點(diǎn)應(yīng)為重要考慮因素。最廣泛用作發(fā)泡劑的烴類(lèi)是丁烷和正戊烷。
化學(xué)發(fā)泡劑化學(xué)發(fā)泡劑也可以分成二個(gè)主要類(lèi)型：有機(jī)化學(xué)品和無(wú)機(jī)化學(xué)品。有機(jī)化學(xué)發(fā)泡劑品種非常多，而無(wú)機(jī)化學(xué)發(fā)泡劑則種類(lèi)有限。最早的化學(xué)發(fā)泡劑(大約在1850年)是簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)碳酸鹽和碳酸氫鹽。這類(lèi)化學(xué)品加熱后會(huì)放出CO2，它們最后被碳酸氫鹽和檸檬酸的混配物取代了，因?yàn)楹笳叩念A(yù)后效果要好得多。當(dāng)今更優(yōu)秀的無(wú)機(jī)發(fā)泡劑，其化學(xué)機(jī)理基本與上述相同，是聚碳酸類(lèi)(原文為Poly-carbonicacids)和碳酸鹽類(lèi)混用。聚碳酸的分解是吸熱反應(yīng)，在320°F左右，每克酸可放出100cc.左右的CO2，進(jìn)一步加熱至390°F左右時(shí)，將會(huì)放出更多的氣體。這一分解反應(yīng)的吸熱性質(zhì)可能帶來(lái)某種程度的好處，因?yàn)樵诎l(fā)泡過(guò)程中散除熱量是個(gè)大問(wèn)題。除了作為發(fā)泡的氣體來(lái)源，這類(lèi)物質(zhì)時(shí)常還用作物理發(fā)泡劑的核化劑。據(jù)信，這類(lèi)化學(xué)發(fā)泡劑分解時(shí)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(chǎng)所。
與無(wú)機(jī)發(fā)泡劑相反，可供選擇的有機(jī)化學(xué)發(fā)泡劑品種繁多，物理形態(tài)也各自不同。過(guò)去一些年來(lái)曾評(píng)價(jià)過(guò)數(shù)百種可能用作發(fā)泡劑的有機(jī)化學(xué)品。用來(lái)評(píng)判的準(zhǔn)則也很多。最重要的幾條是：在可控制速度和可預(yù)計(jì)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(yīng)產(chǎn)生的氣體和固體均為無(wú)毒者，而且對(duì)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?xì)馕?最后，是成本問(wèn)題，這也是相當(dāng)重要的一條準(zhǔn)則。當(dāng)今工業(yè)上使用的那些發(fā)泡劑，是最符合上述這些準(zhǔn)則的。
低溫發(fā)泡劑從眾多可選用的化學(xué)發(fā)泡劑中進(jìn)行選擇，主要應(yīng)考慮的問(wèn)題是：發(fā)泡劑的分解溫度應(yīng)與塑料的加工溫度相適應(yīng)。有兩種有機(jī)化學(xué)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240°F左右。每克約產(chǎn)生115cc氮?dú)夂鸵恍┧�。第二種是氧化雙(苯磺酷)肋，或稱(chēng)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(xì)粉狀，其正常分解溫度是320°F。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265°F左右。每克可放出125cc氣體，主要是氮?dú)狻BSH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(duì)于高溫塑料來(lái)說(shuō)，例如耐熱ABS、硬聚氯乙烯類(lèi)、一些低熔融指數(shù)的聚丙烯類(lèi)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(xì)的白色粉末，分解溫度約445°F，一克發(fā)氣量為140cc，主要為氮?dú)夂虲O2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(yīng)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425°F開(kāi)始緩慢分解，但產(chǎn)氣量不大.直到溫度達(dá)到465一480°F，才會(huì)大量放氣，而這一溫度范圍很適于聚碳酸酯的加工過(guò)程。產(chǎn)氣量大約是175cc/g，主要是氮?dú)�。另外還有一些正在開(kāi)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(lèi)、聚氯乙烯類(lèi)和苯乙烯類(lèi)熱塑性塑料的加工溫度范圍在300-410°F。對(duì)于這類(lèi)塑料，有一種發(fā)泡劑使用可靠，就是偶氮二碳酸胺，又稱(chēng)偶氮雙甲酸胺，或簡(jiǎn)稱(chēng)AZO或AZ。在純凈狀態(tài)時(shí)，它是一種黃色/橙色粉末，大約在390°F開(kāi)始分解，分解時(shí)產(chǎn)氣量為220cc/g，所產(chǎn)氣體主要為氮?dú)夂虲O，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(duì)發(fā)泡的塑料的顏色也無(wú)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(gè)，從產(chǎn)氣量來(lái)說(shuō)，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(zhǔn)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(jià)格最低的化學(xué)發(fā)泡劑之一，不僅從每克產(chǎn)氣效率，而且從每美元的產(chǎn)氣量來(lái)看都相當(dāng)便宜。
AZ所以能普遍應(yīng)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(yīng)300一410°F范圍內(nèi)的幾乎所有使用目的�；罨�，或叫作用添加劑改變化學(xué)發(fā)泡劑的分解特點(diǎn)，這一問(wèn)題在前文OBSH的使用中已談到。AZ比其它任何化學(xué)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(lèi)，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(lèi)和用量而定。另外，這類(lèi)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(yīng)開(kāi)始前產(chǎn)生一個(gè)延遲期或誘導(dǎo)期。因此，幾乎所有工藝過(guò)程中氣體的釋放方式，都可以人為設(shè)計(jì)。
AZ顆粒的大小也會(huì)影響分解過(guò)程，一般來(lái)說(shuō)，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(chǎng)商選AZ制造廠(chǎng)家提供的各種不同的預(yù)活化混合物。有許多穩(wěn)定劑，特別是用于聚氯乙烯類(lèi)者，以及某些顏料都會(huì)對(duì)AZ起到活化劑作用。所以，當(dāng)改變配方時(shí)必須謹(jǐn)慎從事，因?yàn)锳Z的分解特性可能隨之也有變化。
工業(yè)上可用的AZ，其品級(jí)很多，不僅在粒徑大小、活化系統(tǒng)上可供選擇，而且在流動(dòng)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(dòng)性和可分散性。這類(lèi)品級(jí)的AZ，對(duì)于聚氯乙烯增塑糊，非常適用。因?yàn)榘l(fā)泡劑可充分分散到增塑糊中，這對(duì)于泡沫塑料的最終制品的質(zhì)量是關(guān)鍵問(wèn)題。除了采用流動(dòng)性好的品級(jí)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(shí)就會(huì)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(diǎn)之一，就是它在分解時(shí)產(chǎn)生一種揮發(fā)性固體，在一定環(huán)境條件下，它會(huì)揮發(fā)，然后凝積在較冷的金屬表面，如模具或擠出機(jī)模頭上。這一現(xiàn)象叫作積垢。這一缺點(diǎn)也可改正，即在A(yíng)Z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(lèi)不積垢型AZ廣泛使用在注塑和電線(xiàn)電纜的應(yīng)用中。
還有一種特殊品級(jí)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(jí)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(duì)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(kāi)發(fā)了一些高度專(zhuān)門(mén)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(shù)。有一種品級(jí)的AZ，是專(zhuān)為上述工藝而設(shè)計(jì)，并經(jīng)特別改性的。采用這種品級(jí)的AZ，能使聚烯烴泡沫塑料中泡孔的大小、結(jié)構(gòu)，以及均勻度均達(dá)到最佳程度。
如果使用的是AZ干粉，直接將AZ粉傾入樹(shù)脂粒料中，采用桶混法摻和即可。此時(shí)，如果AZ用量在1%或以下，則摻混后樹(shù)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(guò)1%時(shí)，則應(yīng)加人一些潤(rùn)濕劑，以防止二者分離。一旦上述摻混料制成，輸送時(shí)就必須避免使用氣力輸送機(jī)，否則可能發(fā)生分離的問(wèn)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(jìn)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(lái)較困難。對(duì)于那些不希望用粉末操作的用戶(hù)，AZ的液體分散劑也可即刻買(mǎi)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(shù)也可用來(lái)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。
