聚丙烯发泡发泡材料及其在体育器材中的运用

摘要：

聚丙烯发泡材料具有质量轻、隔音、吸收冲击能量大等优点，在体育器材中得到了广泛的应用。本文综述了发泡聚丙烯（EPP）发泡的原理、工艺、国内外进展状况，对其在体育中的应用做些简单的介绍，并对化学交联及共混改性进行PP发泡的研究进行评论，指出下一步的开发方向。

关键字：聚丙烯；发泡材料；体育器材；应用

发泡塑料作为一种新型的材料，与纯塑料相比，它们具有密度小、比强度高、能量吸收能力强、隔音隔热性能好等一系列优点[1] 主要品种有聚氨酯(PUR)软、硬质泡沫塑料，聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)挤出发泡三大类。其中，发泡聚丙烯(EPP)是继聚苯乙烯泡沫塑料之后JSP 公司开发的一种新型材料，与传统发泡材料相比，其具有优良的耐热性、力学性能、适宜和柔顺的表面，优异的微波适应性以及良好的环境适应性等优点，而且，由于聚丙烯分子上存在一个甲基，其化学性质决

定了发泡聚丙烯本身的降解性能将明显优于其它发泡材料，因此，在日本、美国和德国等国家得到了大力发展。从1982年EPP首次应用于汽车保险杠以来，该材料目前已广泛应用，随后EPP应用于汽车、包装、体育用品以及日用和结构材料等各个领域。本文分别对聚丙烯发泡材料的开发研究进展及其在体育器材中的应用做简要介绍。,

1. 聚丙烯发泡材料的开发研究进展

聚丙烯结晶型聚合物，在结晶熔点以下几乎不流动，结晶熔点以上则熔体粘度急剧变小，所以在聚丙烯发泡过程中所产生的气体很难被熔体包住。此外，聚丙烯从熔融态转变为结晶态会放出大量的热量，由熔体转变为固体所需时间较长，加之聚丙烯透气率高，发泡气体易逃逸，故适于聚烯发泡的温度区间窄，发泡过程较难控制[2]发泡聚丙烯（EPP）发泡的原理、国内外研究的工艺进展状况做些相应的介绍。，因此，发泡聚丙烯的工业化开发颇有难度。目前，国外少数国家如美国、意大利、德国PP发泡材料的生产已实现了工业化。我国近几年才开始PP发泡材料方面的研究，至今还没有开发出稳定高发泡PP的成熟技术，工业化生产在我国还在起步阶段。下面将就

1.1聚丙烯发泡机理及发泡剂

1.1.1发泡机理

物理发泡是将一种挥发性的液体在一定压力下将其注入聚合物熔体中，当熔体经过机头时，压力下降，液体汽化，形成泡沫。一般需要设置专用的发泡剂计量、加压和注入系统，发泡剂通常是在PP完全熔融的挤出机相应的位置处直接加入。气体发泡剂在熔体中相容性差，需要使用混合效果极好的排气系统。另外,熔体压力和挤出过程中压力降的大小亦影响物理发泡过程。因此今后物理发泡剂的研制目标是开发一些不太稳定的挥发性化合物做发泡剂，同时要解决这些发泡剂和树脂相容性的问题及其从气泡中扩散速度快、易使气泡塌陷等问题。所以该技术对设备和工艺条件的精确控制要求很高。

目前开发较为成功的是CO2超临界流体发泡技术。该技术现正由美国的Trexel、Microcellular Pastics Technology、Axiomatics公司和日本的Sekisui Plastics of Tokyo公司等进行商业化推广[3]。 PP化学发泡是加入化学发泡剂在一定温度下分解放出气体进行发泡。PP发泡工艺控制比较困难，由于聚丙烯树脂为结晶聚合物，结晶度较高，在升温达到结晶熔融温度后，聚合物熔体粘度迅速下降，使发泡过程中产生的气体很难保持住；聚丙烯树脂热容较大，树脂从熔融状态转变到结晶态要放出大量的热，也使聚丙烯树脂的熔体强度下降，这些都使发泡的气体易于逃逸。因此增强熔体强度，选择合适的主发泡剂、助发泡剂及成核剂是化学发泡的关键。

1.1.2发泡剂类型

PP发泡分为物理发泡和化学发泡。常用的物理发泡剂包括戊烷、丁烷、CO2或N2等；化学发泡剂包括放热型发泡剂和吸热型发泡剂。放热型发泡剂大多为有机发泡剂，如偶氮二甲酰胺、对甲苯磺酰胺基脲等，吸热型发泡剂一般是柠檬酸、碳酸氢钠、碳酸钠的混合物。其中最为典型的是德国Boehringer Ingelgeim

公司生产的Hydrocerol发泡剂。经剖析其成分主要是柠檬酸，碳酸氢钠[4]

。

1.2 发泡聚丙烯材料研发进展

与非结晶的PS相比，结晶PP的发泡温度范围窄，发泡难度大。在熔点以下，体系黏度大，气泡难以生成，而在熔点以上，体系黏度迅速下降，熔体强度低，导致气体在体系中逃逸难以形成封闭的气泡。同时，在冷却阶段，由于PP结晶放热量大，体系黏度变低，使得形成的气泡可能进一步被破坏。

人们采用了各种方法来改进PP的这种缺点，所有的方法都具有相同的目的，即提高体系在发泡时的熔体强度。目前主要采用的方法有：直接使用高熔体强度PP、化学交联和接枝、共混改性[5]。

1.2.1基于高熔体强度聚丙烯的研究

使聚丙烯具有良好的发泡性能最直接也是最简单的方法就是采用高熔体强度的支化PP 树脂（HMSPP）作为发泡材料或主要组分。支化PP树脂具有比普通PP更高的熔体强度，它最先由比利时的Montell 公司开发出来并实现工业化，该公司生产的Pro-faxPF-814树脂具有比普通线性PP高出9倍的熔体强度（与普通PP的性能对比见表１）。此后，其它一些国家和公司（如韩国的三星综合化学公司、Chisso America 等）也相继开发出了大量的HMSPP产品，目前已在这些地区广泛应用。郦华兴[6]等对国外PP材料挤出发泡的研究进行了报道。对比了线性PP和支化PP的挤出物理发泡性能。在相同的实验条件下，两种材料的发泡特性体现出巨大的差异：线性PP发泡时，即使采用水急冷，气泡的开孔率仍然很高，且泡孔彼此相连，而支化PP的气泡合并现象很少。由此可见熔体强度对发泡性能的影响十分明显。

除了直接采用高熔体强度的PP外，为降低成本，可以利用其对普通PP进行共混改性，以达到增加体系熔体强度的目的。刘振龙[8]等以质量分数为10%～15%HMSPP分别与均聚和共聚PP进行共混。采用均聚PP为树脂基体的材料具有较高的刚性，但是发泡倍率以及材料韧性不及以共聚PP体系，这主要是均聚PP较高的结晶度决定的。当在以 HMSPP/均聚PP体系中加入第三组分弹性体乙烯辛烯共聚物（POE）后，可以增加发泡倍率，改善发泡材料的韧性。此外，文章对三种不同的化学发泡剂的发泡效果进行了对比，它们分别是HP-20P、EP1755和RA。其中HP-20P、EP1755为吸热型发泡剂，一旦受热停止，发泡剂就会停止分解，材料的形态体现为较小的泡孔。而RA属于放热型发泡剂，在没有吸热的情况下仍可能继续分解，导致气泡孔径的增大。

1.2.2基于化学交联提高聚丙烯熔体强度的研究

由于我国高熔体强度PP的生产还是空白，为增加熔体强度，国内在PP发泡方面的研究主要集中于PP的化学交联上。王兰[9]等以过氧化二异丙苯(DCP)为交联剂，二乙烯基苯为助交联剂研究了发泡PP 挤出型材的性能受各组分以及工艺条件的影响，通过设计正交配方实验方案，发现按照用量对制品拉伸强度影响最大的因素分别为：AC发泡剂、交联剂、成核剂以及发泡助剂PbSt。徐志娟[10]等利用发泡剂(AC）、交联剂(DCP)研究了PP在挤出发泡过程中工艺条件的影响，发现挤出机头的设计对制品的发泡形态有重要影响，如果机头口模设计不合理，导致螺杆和机头之间出现压力损失，很容易引起熔体的提前发泡，导致熔体在离开机头后爆炸式膨胀而引起熔体破裂。同时，螺杆的转速也对制品质量有很大影响，转速太低，机头处的背压低，容易发生提前发泡，而当其转速过高时，则会产生熔体滑移现象，导致熔体流动的不稳