辐照交联制备氯化聚乙烯发泡材料研究

刘 伟，郝建钢

(天津市技术物理研究所，天津 300192)

高分子泡沫材料是以聚合物基体为连续相，以气体为分散相的多相高分子材料(吴舜英等，1999)。它以聚合物为基本组分，并含有大量气泡，也可称为以气体为填料的聚合物复合材料。与纯聚合物相比，高分子泡沫材料具有质量轻、比强度高、吸收冲击载荷强、隔热隔音能力出众等诸多优点(钱志屏，1998;贾秀峰等，2001;何继敏等，2002)。正是由于高分子发泡材料优越的性能、较多的品种、因此它被广泛应用于国民经济的各个部门。近十几年来，高分子发泡材料作为一种极有发展前途的高分子材料品种，和它相关的技术研发、产品生产和销售需求都发展非常迅猛，特别在一些工业发达国家里，泡沫塑料已经成为一个单独的化学工业部门。

高分子泡沫塑料具备很多可贵的性能，因此这类材料被广泛应用于工业、农业、交通运输业、军事航天工业等国民经济各个部门。特别在包装、日用品、建筑、船舶、车辆等方面更是受到了重用。例如，高分子泡沫塑料以其极佳的绝热性能，可用作各种保温、隔热的衬壁或相关设备泡沫塑料轻质且具备较强的吸收载荷的能力使其可作为理想的包装和防震材料开孔的泡沫塑料还可充当过滤器、载油体、载水体、人造土壤等。总之，高分子泡沫塑料材料应用非常广泛，特别是在结构泡沫塑料问世之后，它己经成为以塑代木的主要材料，随着对高分子泡沫材料的认识的和改进，他的用途正在不断被扩大，近年来，这类材料新产品层出不穷，性能不断拓展(孟伟涛等，2011;刘新刚，2011)。

与化学交联发泡法相比，氯化聚乙烯辐照交联发泡法是一种简单易行、可操作性强，发泡效果好，对设备原料要求低的发泡方法(金标义等，2010;冉祥海等，2010;郭振涛等，2010)。与物理发泡法相比，该方法对设备的要求相对较低，普通的挤出机就可以满足发泡的需要，不需要昂贵的设备投资。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

氯化聚乙烯CPE135B，山东维坊亚星公司;发泡剂(AC)，天津鼎隆兴化工贸易有限责任公司;辐照敏化剂，北京永昌贸易商行。

1.2 设备与仪器

GJ-15型地那米型电子加速器;QUANTA200型扫描电子显微镜(SEM)，荷兰FEI公司;KS20型单螺杆挤出机，天津广新盛海塑料机械设备有限公司。

1.3 实验方法

将氯化聚乙烯与一定量的辐照敏化剂，成核剂共混后，通过单螺杆挤出造粒，在一定的温度和转速下，将造好的粒料与制备好的发泡剂母粒共混挤出片材。

片材挤出后，利用电子加速器按一定的剂量进行辐照，片材辐照后，要进行热处理，热处理的目的在于消耗辐照产生的残余自由基，自由基的存在会影响材料的稳定性，在热处理数小时后，以消除因辐照而产生的残余自由基，最后，在一定温度、一定的发泡时间下放入烘箱中悬挂发泡。

1.4 检测方法

1.4.1 发泡剂分解性能分析

称取一定量的发泡剂，在热失重分析仪上测试发泡剂分解性能，升温速率10℃/min，温度范围50～300℃。

1.4.2 凝胶含量的测定

采用平底烧瓶，加入二甲苯，裁取辐照后片材并用分析天平称重，用120目的不锈钢丝网将试样粒子包好，再称重，放在沸腾的二甲苯中煮12 h，真空干燥后称重，凝聚含量的计算公式如下:

1.4.3 泡孔形态

将发泡后的片材，制样后，用扫描电镜进行观测。根据电镜照片对泡孔形态及泡孔分布进行统计，得到孔径尺寸、孔径分布等统计数据。

2 结果与讨论

2.1 发泡材料凝胶含量与发泡的关系

电子束辐照是通过使氯化聚乙烯交联的方法来提高聚丙烯的发泡能力的，在130℃下发泡，发泡前体系的凝胶含量及发泡后的拉伸强度、密度、硬度的数据(表1)。

表1 不同凝胶含量的发泡材料性能比较Table 1 Performance comparison of foaming materials with different gel content

表1中显示凝胶含量过低，也就是对于氯化聚乙烯材料辐射交联不好，导致发泡材料的各项指标都不理想，应该通过辐射剂量的调整来提高凝胶含量。因为较低的凝胶含量，体系交联程度不够，发泡时会出现泡孔塌陷，但是，如果凝胶含量过高，形成过交联，就会束缚气泡的膨胀，反而不利于发泡。

2.2 辐射交联度与发泡形态的关系

辐射交联程度低的片材，熔体的粘弹性低，发泡时承受不住气体膨胀产生的张力而出现泡孔破裂、泡孔塌陷，发泡过程中容易产生并孔或开孔，在较高的发泡温度下，或者在较长的发泡时间更易出现降解现象，即发泡后片材表面气泡逃逸较严重，会有多处凹坑出现，而交联程度较高的片材，发泡后表面会形成均匀的圆弧状泡孔突起(图1，2)。

对比图1和图2，图1的发泡材料交联程度低，发泡材料泡孔孔径偏大，泡孔均匀性变差，由于有较严重的气体逃逸，因此，发泡后密度也较低。

图1 低交联度发泡材料的SEM图.1 Low degree of crosslinking foaming material SEM

图2 高交联度发泡材料的SEM图.2 High degree of crosslinking foaming material SEM

2.3 发泡温度对发泡材料的影响

发泡温度是影响发泡的非常重要的因素，发泡温度要在发泡剂的分解温度之上，以保证发泡的分解，当然，发泡温度也不能太高，高温有可能引起氯化聚乙烯材料的热氧化降解。

首先，在气泡成核阶段，发泡温度直接关系到气泡成核，气泡成核有热点成核和异相成核两种，对热点成核来说，温度越高越有利于形成较多的气泡核，而这些气泡核的形成直接影响到发泡材料最终的泡孔密度。

其次，温度的高低会影响到气体在氯化聚乙烯熔体中的扩散速率，温度越高，扩散速率越大，气体逃逸到空气中也越多，因此会影响到发泡材料的孔径及发泡倍率，一般来说，温度越高，形成的气泡核越多，气体逃逸的也越多，泡孔孔径越小，发泡倍率越低，发泡材料密度越大。

3 结论

选用了氯化聚乙烯这种新型的发泡材料，氯化聚乙烯是一种饱和橡胶，有优秀的耐热氧老化、臭氧老化、耐酸碱、化学药品性能。辐照交联发泡法是一种新型的交联发泡的方式，其具有简单易行、可操作性强，发泡效果好，对设备原料要求低的特点。

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