国产材料在高倍率聚乙烯发泡制品中的应用研究

摘 要： 生产成本是企业关注的一个十分敏感的问题。针对当前企业生产化学交联聚乙烯发泡卷材原材料成本高、供应周期长等问题，采用国产树脂、发泡剂全部或部分替代，从配方、工艺参数等方面进行研究、试制，为提高系列产品的国产化率提供依据。

关键词： 聚乙烯;高倍率;交联;发泡;工艺

文献标识码： A 文章编号： 20958153（2015）06009904

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

[参考文献]

[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，2010：137138.

[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）.1718.

[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）：3536.

Application of Domestic Material in High Rate Polyethylene Foam Products

TIAN Yuan，YU Ying

（Dept.of environmental Engineering， Hubei Industrial Polytechnic， Shiyan 442000，China）

Abstract：The cost of production is a very sensitive problem concerned by enterprises.In view of the problems such as high cost of raw materials and long supply cycle for current enterprises to produce chemical crosslinking polyethylene foam coil， this paper states that using all or partly domestic resin and foaming agent to replace it， researching and manufacturing products based on formula and process parameters ， and provides references to improve the localization rate of series product.

Key words： polyethylene; high ratio; crosslinking; foaming; technology