國產(chǎn)材料在高倍率聚乙烯發(fā)泡制品中的應用研究

田 原，余 瑩

（湖北工業(yè)職業(yè)技術學院環(huán)境工程系，湖北十堰 442000）

化學交聯(lián)發(fā)泡聚乙烯，簡稱XPE，是一種閉孔式微孔熱塑性材料，在交聯(lián)產(chǎn)品領域中產(chǎn)量最多，占70%以上。它是一種高強、緩沖、吸震、抗震的新型環(huán)保包裝材料，具有良好的絕熱性、吸音性、成型性和緩沖性，且保溫、防潮、防摩擦、耐沖擊等性能優(yōu)越。加入防靜電劑、阻燃劑后，更顯其超群的卓越性能。此外，XPE還具有無毒、無味、耐藥、耐油、耐酸、耐鹵性能，并且易于加工，可任意裁切，也可與多種材料貼合，廣泛地應用于各種運動器具、汽車內飾、日常生活用品、空調制冷、建筑隔熱防水、工業(yè)墊片及工業(yè)特種膠粘制品、工業(yè)包裝等領域。

目前，XPE產(chǎn)品雖已在國內十幾家企業(yè)批量生產(chǎn)，但生產(chǎn)工藝及主要設備基本上是從國外引進，且樹脂、主要助劑等生產(chǎn)原材料也基本依賴進口，占原料總成本的80%以上。且存在采購成本高、周期長，質量索賠繁雜等因素，使得該產(chǎn)品制造成本偏高、交貨周期延長、售后服務保證不足，成為制約該產(chǎn)品快速發(fā)展、增產(chǎn)的瓶頸。目前，國產(chǎn)材料的關鍵性指標已經(jīng)接近國外產(chǎn)品，這就為實現(xiàn)國產(chǎn)材料替代提供了契機。低倍率制品材料全部替代已經(jīng)實現(xiàn)，而高倍率制品還存在諸多問題亟待解決，基于此，現(xiàn)以40倍的中厚（5mm－6mm）XPE制品為切入點，擬從工藝配方、工藝參數(shù)等諸方面作進一步研。研究工作主要從更換樹脂（包括造粒用）、部分更換發(fā)泡劑入手，在原有工藝的基礎上進行調試，為提高該系列產(chǎn)品的全面國產(chǎn)化率提供一些可資借鑒的元素。以制品密度、泡孔結構、外觀質量等方面的試制情況遴選工藝，最終測試制品的密度、拉伸強度、撕裂強度、斷裂伸長率等主要指標來進行考量。

1 試制的原料、設備及工藝流程

1.1 原料

樹脂（LDPE），國產(chǎn);偶氮二甲酰胺（AC），國產(chǎn)和進口，工業(yè)品;過氧化二異丙苯（DCP），合資生產(chǎn)，工業(yè)品;阻燃劑;黑色母料;EVA，工業(yè)品。

1.2 設備及儀器

化學交聯(lián)發(fā)泡生產(chǎn)線;萬分之一電子天平;臺式測厚儀;微型控制電子萬能材料試驗機。

1.3 工藝流程

（1）造粒。發(fā)泡劑、交聯(lián)劑、阻燃劑用N150按原造粒配方造粒，其他助劑粒料暫用原有粒料。

（2）配混。按每鍋料100 kg計算，按工藝配方進行計量、配混。

（3）擠出交聯(lián)發(fā)泡。擠出塑化制成母片，依次進入加熱裝置交聯(lián)段、發(fā)泡段、后處理。

（4）卷曲 。

2 試制的結果與討論

2.1 擠出工藝條件的確定

2.1.1 擠出溫度

用化學交聯(lián)發(fā)泡二步法生產(chǎn)發(fā)泡材料，擠出工段主要是對混合粒料進行混煉塑化，使交聯(lián)劑、發(fā)泡劑等均勻分布在樹脂中，且通過口模與三輥壓光機的配合制成母片。加工溫度直接影響后續(xù)交聯(lián)和泡孔的均勻度，故首先應在混煉時，溫度須低于交聯(lián)劑DCP的分解溫度，否則DCP一旦分解發(fā)生交聯(lián)反應，將直接影響PE擠出的順利進行。

因所用DCP的分解溫度為120－130℃，擠出溫度應控制在120℃以下，具體控制如下:

自料斗至口模:第一段110℃ ～115℃，第二段115℃ ～118℃;第三段115～118℃，第四段112～115℃，第五段110～113℃;口模105℃ ～110℃。在作業(yè)過程中，各段溫度應視口模出料的狀態(tài)和表面質量進行微調。溫度過高，口模出料下垂度增大，不易調整母片厚度，且可能會造成物料分解，甚至焦化等情況;溫度過低，塑化質量不良，出料困難，母片表面質量粗糙，彈性差，會造成泡孔不勻、破孔、發(fā)泡母片炸邊等問題［1］。

2.1.2 螺桿轉速

PE的熔體黏度對壓力的敏感性較大，螺桿轉速將決定熔體的剪切壓力大小，即PE熔體的黏度直接受螺桿轉速的影響，亦即螺桿轉速影響混合料的塑化性能［2］。提高螺桿轉速，黏度下降。若螺桿轉速過高，會造成塑化不良，助劑分散不均，甚至導致交聯(lián)劑少量未熔、發(fā)泡炸邊、發(fā)泡制品厚薄不均，泡孔均勻性差等現(xiàn)象;若轉速過低，生產(chǎn)效率太低，導致混合料焦化、交聯(lián)劑少量早交聯(lián)等。因此，轉速的控制應合理。在配方、其他工藝不變的條件下，只改變螺桿轉速得出結果如表1所示:

表1 螺桿轉速對制品密度、泡孔結構及表觀質量的影響

從表1可以看出，隨著螺桿轉速的提高，制品的密度降低，當轉速超過35 rpm以后，密度又會增加，表面略粗糙，泡孔結構不均勻。由此說明螺桿的轉速過高或過低，對發(fā)泡的效果均不利，故螺桿轉速的適合范圍應控制在30 rpm～35 rpm之間。

2.2 交聯(lián)發(fā)泡工藝條件的確定

2.2.1 交聯(lián)溫度

對不同交聯(lián)溫度下的制品截斷，觀察斷面、表面及測試制品密度，結果見表2。我們發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)溫度低的泡孔較小，由170℃提高到185℃以后，泡孔直徑逐漸增大，先是密度下降，在177℃時密度達到最小，后又上升。這是由于交聯(lián)溫度高，鋼網(wǎng)移動速度不變，熔體的表觀粘度對溫度的敏感性加劇，對溫度有一個極大值，超過此溫度后，熔體粘度急劇下降［3］，達不到發(fā)泡所需要的強度和粘度要求，大量氣體逃逸。且由于母片長時間處于粘度低的狀態(tài)，極易產(chǎn)生因淌流而變形所帶來的粘附鋼帶、起發(fā)點過早、并泡、網(wǎng)紋等一系列問題。如果在交聯(lián)溫度提高的同時，鋼網(wǎng)速度從2350 mm/min提高到2600 mm/min，泡孔直徑將逐步變大，密度下降，這從降低原料成本和提高效率來說是有利的。因此，綜合考慮多方因素，交聯(lián)溫度確定為175±2℃較為合適。

表2 交聯(lián)溫度對制品密度、泡孔結構及表觀質量的影響

2.2.2 發(fā)泡溫度

對不同發(fā)泡溫度下的制品截斷觀察斷面，制品表面及測試密度，結果見表3。發(fā)現(xiàn)隨發(fā)泡溫度從205℃的提高215℃，先是制品密度下降，泡孔的均勻度上升，制品表面平整，達到210℃后，情況發(fā)生逆轉。這是由于發(fā)泡溫度過高造成起發(fā)點早，發(fā)泡時間長，制品漂浮狀態(tài)不穩(wěn)，表面有焦化現(xiàn)象、制品發(fā)粘，破孔等，而最終導致制品密度增加，表面質量下降。如果在發(fā)泡溫度提高的同時，鋼網(wǎng)速度從2300 mm/min提高到2600 mm/min，泡孔比較均勻，制品密度下降。綜合考慮，發(fā)泡溫度確定為210±2℃較好。

表3 發(fā)泡溫度對制品密度、泡孔結構及表觀質量的影響

2.2.3 鋼網(wǎng)速度

由于設備的長度及交聯(lián)段、發(fā)泡段已固化，應該說時間比也就不變了。鋼網(wǎng)速度控制著母片的停留時間，即決定交聯(lián)發(fā)泡的總時間。交聯(lián)時間的確定是以在交聯(lián)溫度下交聯(lián)劑的半衰期的8－10倍來確定的。從2.2.1和2.2.2所呈現(xiàn)的情況看，溫度和時間是有關聯(lián)的。在交聯(lián)、發(fā)泡溫度升高時，應相應地提高鋼網(wǎng)速度，從而獲得較佳的交聯(lián)、發(fā)泡時間，同時可通過加熱爐在兩側設置的若干調風板，調整風量控制溫度，從而配合調節(jié)交聯(lián)發(fā)泡時間。鋼網(wǎng)速度過快，起發(fā)位置靠近發(fā)泡爐出口，發(fā)泡劑未完全分解就離開發(fā)泡爐，制品密度大，達不到倍率要求;鋼網(wǎng)速度過慢，停留時間長，母片在交聯(lián)段粘網(wǎng)，就會出現(xiàn)過早發(fā)泡、泡孔塌陷、破孔，甚至表面焦化等現(xiàn)象，密度同樣也會增大，表面質量差。同時，鋼網(wǎng)的速度也要與擠出速度相配合，結合2.2.1和2.2.2所述及表4的試制結果，鋼網(wǎng)速度控制在2350－2550 mm/min較為合理。

表4 鋼網(wǎng)速度對制品密度、泡孔結構及表觀質量的影響

2.3 配方的確定

2.3.1 交聯(lián)劑用量（粒料）

由于選用的國產(chǎn)樹脂的熔融指數(shù)較高，流動性較好，但黏彈性差、強度弱，交聯(lián)劑粒料在原配方的基礎上應適當增加，試制結果見表5。在試制過程中，我們發(fā)現(xiàn)，隨著交聯(lián)劑用量的增加，泡孔的均勻性則變得較好，粘網(wǎng)的情況也大大改善;但當用量達到10.5時，發(fā)泡困難，密度增大。從表5可看出，每100kg混合料中交聯(lián)劑用量＜9.0kg時，制品的密度較高，交聯(lián)的程度變低，且生產(chǎn)不穩(wěn)定;在交聯(lián)劑用量＞10.0kg時，制品的密度也較高。這是因為交聯(lián)的程度過大，熔體黏度增大，氣體不能均勻地分散其中，而呈大泡狀逃逸，使發(fā)泡倍率降低，密度增大，因此每100kg混合料中DCP粒料的適宜用量9.0～10.0kg為好。

表5 交聯(lián)劑用量對制品密度、泡孔結構及表觀質量的影響

2.3.2 發(fā)泡劑配比（粒料）

本試制采用國產(chǎn)發(fā)泡劑和進口發(fā)泡劑搭配使用，用量比例調整及試制結果見表6，從中我們發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)發(fā)泡劑所占比例較大時，泡孔的均勻性下降，表面破孔、塌孔現(xiàn)象上升，密度增大。且生產(chǎn)過程中制品易斷，強度下降。由于國產(chǎn)發(fā)泡劑發(fā)氣量大且發(fā)氣速度快，不均勻，致泡孔破裂氣體逸出。綜合來看，用量比例以3:2較為合適。

表6 發(fā)泡劑配比對制品密度、泡孔結構及表觀質量的影響

2.3.3 發(fā)泡劑用量

發(fā)泡劑用量的多少直接關系到發(fā)氣量的大小，會影響制品的密度［4］。每100 kg混合料中發(fā)泡劑粒料用量為55kg時，制品的密度最小;當AC用量超過60kg以后，發(fā)氣量太大，以致氣泡破裂較多，氣體逸出，制品密度反而上升，試制結果見表7。故發(fā)泡劑用量確定為55kg左右為宜。

表7 發(fā)泡劑用量對制品密度、泡孔結構及表觀質量的影響

2.3.4 EVA用量

EVA與LDPE有良好的相容性，在加工溫度范圍內粘度的變化沒有LDPE敏感，使其在較寬的溫度范圍內能適于發(fā)泡的較佳的粘度狀態(tài)，可提高熔體的強度，在氣泡膨脹時熔體粘彈性，增加泡孔穩(wěn)定性，泡核均勻膨脹，泡孔細膩，均勻，提高制品的撕裂強度等。由于本工藝選用的是國產(chǎn)樹脂，黏度低，交聯(lián)劑用量相對大些，制品不免偏硬，加入EVA也會使制品整體柔軟［5］。從表8看出，EVA對泡孔結構影響很大，隨著其用量的增加，泡孔逐漸減小，密度降低，當每100kg混合料中中用量超過5.0kg時，密度又會增大，泡孔直徑變大，泡孔開始破裂，材料表面粗糙，回彈性不好，泡沫收縮厲害。這主要是由于EVA用量合適時，熔體的強度、粘彈性表現(xiàn)為較佳，泡孔大小均勻、致密;用量過大時，熔體強度提高過大，發(fā)泡困難，因此每100kg混合料中EVA的適宜用量為4.0－5.0kg左右。

表8 EVA用量對制品密度、泡孔結構及表觀質量的影響

2.4 制品主要指標結果

對工藝已基本穩(wěn)定的XPE制品進行關鍵力學性能按企業(yè)要求的標準方法進行測試，考量其是否達到進口材料生產(chǎn)的制品的同類指標，為進一步改良工藝提供依據(jù)，測試結果見表9。

表9 交聯(lián)發(fā)泡聚乙烯（XPE）性能指標檢測

從表9可以看出，制品的主要力學性能達到了企業(yè)的標準要求，完全可以投放市場進行使用。

3 結論

（1）化學交聯(lián)發(fā)泡聚乙烯產(chǎn)品的生產(chǎn)，采用國產(chǎn)樹脂替代進口樹脂，擠出交聯(lián)發(fā)泡是可行的。當然，溫度、螺桿轉速的控制也是至關重要的，因為它會直接影響到A C、DCP的分散程度，從而決定交聯(lián)發(fā)泡工藝參數(shù)的調整難度。擠出溫度控制在115℃左右，螺桿轉速控制在30rpm～35rpm時，可以使得熔體的黏度、彈性適合發(fā)泡。

（2）發(fā)泡劑、交聯(lián)劑、助發(fā)泡劑協(xié)調熔體的黏彈性和發(fā)泡的速率，每100kg混合料中AC粒料用量為55kg左右，DCP粒料用量為9.0～10.0kg，EVA用量為4.0－5.0kg時，可以得到外觀平整、手感好、泡孔均勻，密度及主要力學性能達標的聚乙烯高發(fā)泡材料。

（3）鑒于目前國產(chǎn)發(fā)泡劑的質量有待進一步提高，未能達到進口產(chǎn)品的同等性能，故本試制過程所需發(fā)泡劑只能采用部分替代的原則。但我們有理由相信，隨著科技的進步，發(fā)泡劑的完全替代，即100%替代為國內產(chǎn)品是完全可能的。

［1］王小妹，等.高分子加工原理與技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2010:137－138.

［2］王慧敏.高分子材料加工工藝學［M］.北京:中國石化出版社，2012:104.

［3］許佳潤，等.低密度聚乙烯泡沫塑料研究進展［J］.工程塑料應用，2010（9）:90.

［4］馮紹華，等.聚乙烯擠出發(fā)泡研究［J］.現(xiàn)代塑料加工應用，2003（8）.17－18.

［5］李學鋒，等.改性低密度聚乙烯發(fā)泡材料配方和生產(chǎn)技術［J］.塑料科技，2001（1）:35－36.