国产材料在高倍率聚乙烯发泡制品中的应用研究

田 原，余 莹

（湖北工业职业技术学院环境工程系，湖北十堰 442000）

化学交联发泡聚乙烯，简称XPE，是一种闭孔式微孔热塑性材料，在交联产品领域中产量最多，占70%以上。它是一种高强、缓冲、吸震、抗震的新型环保包装材料，具有良好的绝热性、吸音性、成型性和缓冲性，且保温、防潮、防摩擦、耐冲击等性能优越。加入防静电剂、阻燃剂后，更显其超群的卓越性能。此外，XPE还具有无毒、无味、耐药、耐油、耐酸、耐卤性能，并且易于加工，可任意裁切，也可与多种材料贴合，广泛地应用于各种运动器具、汽车内饰、日常生活用品、空调制冷、建筑隔热防水、工业垫片及工业特种胶粘制品、工业包装等领域。

目前，XPE产品虽已在国内十几家企业批量生产，但生产工艺及主要设备基本上是从国外引进，且树脂、主要助剂等生产原材料也基本依赖进口，占原料总成本的80%以上。且存在采购成本高、周期长，质量索赔繁杂等因素，使得该产品制造成本偏高、交货周期延长、售后服务保证不足，成为制约该产品快速发展、增产的瓶颈。目前，国产材料的关键性指标已经接近国外产品，这就为实现国产材料替代提供了契机。低倍率制品材料全部替代已经实现，而高倍率制品还存在诸多问题亟待解决，基于此，现以40倍的中厚（5mm－6mm）XPE制品为切入点，拟从工艺配方、工艺参数等诸方面作进一步研。研究工作主要从更换树脂（包括造粒用）、部分更换发泡剂入手，在原有工艺的基础上进行调试，为提高该系列产品的全面国产化率提供一些可资借鉴的元素。以制品密度、泡孔结构、外观质量等方面的试制情况遴选工艺，最终测试制品的密度、拉伸强度、撕裂强度、断裂伸长率等主要指标来进行考量。

1 试制的原料、设备及工艺流程

1.1 原料

树脂（LDPE），国产;偶氮二甲酰胺（AC），国产和进口，工业品;过氧化二异丙苯（DCP），合资生产，工业品;阻燃剂;黑色母料;EVA，工业品。

1.2 设备及仪器

化学交联发泡生产线;万分之一电子天平;台式测厚仪;微型控制电子万能材料试验机。

1.3 工艺流程

（1）造粒。发泡剂、交联剂、阻燃剂用N150按原造粒配方造粒，其他助剂粒料暂用原有粒料。

（2）配混。按每锅料100 kg计算，按工艺配方进行计量、配混。

（3）挤出交联发泡。挤出塑化制成母片，依次进入加热装置交联段、发泡段、后处理。

（4）卷曲 。

2 试制的结果与讨论

2.1 挤出工艺条件的确定

2.1.1 挤出温度

用化学交联发泡二步法生产发泡材料，挤出工段主要是对混合粒料进行混炼塑化，使交联剂、发泡剂等均匀分布在树脂中，且通过口模与三辊压光机的配合制成母片。加工温度直接影响后续交联和泡孔的均匀度，故首先应在混炼时，温度须低于交联剂DCP的分解温度，否则DCP一旦分解发生交联反应，将直接影响PE挤出的顺利进行。

因所用DCP的分解温度为120－130℃，挤出温度应控制在120℃以下，具体控制如下:

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℃。在作业过程中，各段温度应视口模出料的状态和表面质量进行微调。温度过高，口模出料下垂度增大，不易调整母片厚度，且可能会造成物料分解，甚至焦化等情况;温度过低，塑化质量不良，出料困难，母片表面质量粗糙，弹性差，会造成泡孔不匀、破孔、发泡母片炸边等问题［1］。

2.1.2 螺杆转速

PE的熔体黏度对压力的敏感性较大，螺杆转速将决定熔体的剪切压力大小，即PE熔体的黏度直接受螺杆转速的影响，亦即螺杆转速影响混合料的塑化性能［2］。提高螺杆转速，黏度下降。若螺杆转速过高，会造成塑化不良，助剂分散不均，甚至导致交联剂少量未熔、发泡炸边、发泡制品厚薄不均，泡孔均匀性差等现象;若转速过低，生产效率太低，导致混合料焦化、交联剂少量早交联等。因此，转速的控制应合理。在配方、其他工艺不变的条件下，只改变螺杆转速得出结果如表1所示:

表1 螺杆转速对制品密度、泡孔结构及表观质量的影响

从表1可以看出，随着螺杆转速的提高，制品的密度降低，当转速超过35 rpm以后，密度又会增加，表面略粗糙，泡孔结构不均匀。由此说明螺杆的转速过高或过低，对发泡的效果均不利，故螺杆转速的适合范围应控制在30 rpm～35 rpm之间。

2.2 交联发泡工艺条件的确定

2.2.1 交联温度

对不同交联温度下的制品截断，观察断面、表面及测试制品密度，结果见表2。我们发现，交联温度低的泡孔较小，由170℃提高到185℃以后，泡孔直径逐渐增大，先是密度下降，在177℃时密度达到最小，后又上升。这是由于交联温度高，钢网移动速度不变，熔体的表观粘度对温度的敏感性加剧，对温度有一个极大值，超过此温度后，熔体粘度急剧下降［3］，达不到发泡所需要的强度和粘度要求，大量气体逃逸。且由于母片长时间处于粘度低的状态，极易产生因淌流而变形所带来的粘附钢带、起发点过早、并泡、网纹等一系列问题。如果在交联温度提高的同时，钢网速度从2350 mm/min提高到2600 mm/min，泡孔直径将逐步变大，密度下降，这从降低原料成本和提高效率来说是有利的。因此，综合考虑多方因素，交联温度确定为175±2℃较为合适。

表2 交联温度对制品密度、泡孔结构及表观质量的影响

2.2.2 发泡温度

对不同发泡温度下的制品截断观察断面，制品表面及测试密度，结果见表3。发现随发泡温度从205℃的提高215℃，先是制品密度下降，泡孔的均匀度上升，制品表面平整，达到210℃后，情况发生逆转。这是由于发泡温度过高造成起发点早，发泡时间长，制品漂浮状态不稳，表面有焦化现象、制品发粘，破孔等，而最终导致制品密度增加，表面质量下降。如果在发泡温度提高的同时，钢网速度从2300 mm/min提高到2600 mm/min，泡孔比较均匀，制品密度下降。综合考虑，发泡温度确定为210±2℃较好。

表3 发泡温度对制品密度、泡孔结构及表观质量的影响

2.2.3 钢网速度

由于设备的长度及交联段、发泡段已固化，应该说时间比也就不变了。钢网速度控制着母片的停留时间，即决定交联发泡的总时间。交联时间的确定是以在交联温度下交联剂的半衰期的8－10倍来确定的。从2.2.1和2.2.2所呈现的情况看，温度和时间是有关联的。在交联、发泡温度升高时，应相应地提高钢网速度，从而获得较佳的交联、发泡时间，同时可通过加热炉在两侧设置的若干调风板，调整风量控制温度，从而配合调节交联发泡时间。钢网速度过快，起发位置靠近发泡炉出口，发泡剂未完全分解就离开发泡炉，制品密度大，达不到倍率要求;钢网速度过慢，停留时间长，母片在交联段粘网，就会出现过早发泡、泡孔塌陷、破孔，甚至表面焦化等现象，密度同样也会增大，表面质量差。同时，钢网的速度也要与挤出速度相配合，结合2.2.1和2.2.2所述及表4的试制结果，钢网速度控制在2350－2550 mm/min较为合理。

表4 钢网速度对制品密度、泡孔结构及表观质量的影响

2.3 配方的确定

2.3.1 交联剂用量（粒料）

由于选用的国产树脂的熔融指数较高，流动性较好，但黏弹性差、强度弱，交联剂粒料在原配方的基础上应适当增加，试制结果见表5。在试制过程中，我们发现，随着交联剂用量的增加，泡孔的均匀性则变得较好，粘网的情况也大大改善;但当用量达到10.5时，发泡困难，密度增大。从表5可看出，每100kg混合料中交联剂用量＜9.0kg时，制品的密度较高，交联的程度变低，且生产不稳定;在交联剂用量＞10.0kg时，制品的密度也较高。这是因为交联的程度过大，熔体黏度增大，气体不能均匀地分散其中，而呈大泡状逃逸，使发泡倍率降低，密度增大，因此每100kg混合料中DCP粒料的适宜用量9.0～10.0kg为好。

表5 交联剂用量对制品密度、泡孔结构及表观质量的影响

2.3.2 发泡剂配比（粒料）

本试制采用国产发泡剂和进口发泡剂搭配使用，用量比例调整及试制结果见表6，从中我们发现，国产发泡剂所占比例较大时，泡孔的均匀性下降，表面破孔、塌孔现象上升，密度增大。且生产过程中制品易断，强度下降。由于国产发泡剂发气量大且发气速度快，不均匀，致泡孔破裂气体逸出。综合来看，用量比例以3:2较为合适。

表6 发泡剂配比对制品密度、泡孔结构及表观质量的影响

2.3.3 发泡剂用量

发泡剂用量的多少直接关系到发气量的大小，会影响制品的密度［4］。每100 kg混合料中发泡剂粒料用量为55kg时，制品的密度最小;当AC用量超过60kg以后，发气量太大，以致气泡破裂较多，气体逸出，制品密度反而上升，试制结果见表7。故发泡剂用量确定为55kg左右为宜。

表7 发泡剂用量对制品密度、泡孔结构及表观质量的影响

2.3.4 EVA用量

EVA与LDPE有良好的相容性，在加工温度范围内粘度的变化没有LDPE敏感，使其在较宽的温度范围内能适于发泡的较佳的粘度状态，可提高熔体的强度，在气泡膨胀时熔体粘弹性，增加泡孔稳定性，泡核均匀膨胀，泡孔细腻，均匀，提高制品的撕裂强度等。由于本工艺选用的是国产树脂，黏度低，交联剂用量相对大些，制品不免偏硬，加入EVA也会使制品整体柔软［5］。从表8看出，EVA对泡孔结构影响很大，随着其用量的增加，泡孔逐渐减小，密度降低，当每100kg混合料中中用量超过5.0kg时，密度又会增大，泡孔直径变大，泡孔开始破裂，材料表面粗糙，回弹性不好，泡沫收缩厉害。这主要是由于EVA用量合适时，熔体的强度、粘弹性表现为较佳，泡孔大小均匀、致密;用量过大时，熔体强度提高过大，发泡困难，因此每100kg混合料中EVA的适宜用量为4.0－5.0kg左右。

表8 EVA用量对制品密度、泡孔结构及表观质量的影响

2.4 制品主要指标结果

对工艺已基本稳定的XPE制品进行关键力学性能按企业要求的标准方法进行测试，考量其是否达到进口材料生产的制品的同类指标，为进一步改良工艺提供依据，测试结果见表9。

表9 交联发泡聚乙烯（XPE）性能指标检测

从表9可以看出，制品的主要力学性能达到了企业的标准要求，完全可以投放市场进行使用。

3 结论

（1）化学交联发泡聚乙烯产品的生产，采用国产树脂替代进口树脂，挤出交联发泡是可行的。当然，温度、螺杆转速的控制也是至关重要的，因为它会直接影响到A C、DCP的分散程度，从而决定交联发泡工艺参数的调整难度。挤出温度控制在115℃左右，螺杆转速控制在30rpm～35rpm时，可以使得熔体的黏度、弹性适合发泡。

（2）发泡剂、交联剂、助发泡剂协调熔体的黏弹性和发泡的速率，每100kg混合料中AC粒料用量为55kg左右，DCP粒料用量为9.0～10.0kg，EVA用量为4.0－5.0kg时，可以得到外观平整、手感好、泡孔均匀，密度及主要力学性能达标的聚乙烯高发泡材料。

（3）鉴于目前国产发泡剂的质量有待进一步提高，未能达到进口产品的同等性能，故本试制过程所需发泡剂只能采用部分替代的原则。但我们有理由相信，随着科技的进步，发泡剂的完全替代，即100%替代为国内产品是完全可能的。

［1］王小妹，等.高分子加工原理与技术［M］.北京:化学工业出版社，2010:137－138.

［2］王慧敏.高分子材料加工工艺学［M］.北京:中国石化出版社，2012:104.

［3］许佳润，等.低密度聚乙烯泡沫塑料研究进展［J］.工程塑料应用，2010（9）:90.

［4］冯绍华，等.聚乙烯挤出发泡研究［J］.现代塑料加工应用，2003（8）.17－18.

［5］李学锋，等.改性低密度聚乙烯发泡材料配方和生产技术［J］.塑料科技，2001（1）:35－36.