化学发泡法挤出PE低发泡材料研究

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摘要采用化学交联、化学发泡法挤出了低发泡PE棒材.研究发现,当口模温度为170℃左右、螺杆转速为55 r/min~64 r/min时,熔体的黏度、弹性适合发泡;而当每100 g PE 中,AC用量为2 g,DCP用量为0.2 g~0.4 g,ZnO+Zn(St)2用量为2g时,可以得到外观光滑、手感好、泡孔细密的PE低发泡材料.

关键词挤压;发泡剂;交联

0 引言

聚乙烯(PE)泡沫塑料具有优异的物理、化学和力学性能,它的低发泡制品质轻、耐腐蚀、隔热、绝缘,具有一定的韧性,可进行钉、锯等机械性加工,广泛用于化工、建筑等领域.近年来装饰市场对化学建材需求的增长,给泡沫材料的开发提供了很好的机遇.PE泡沫的成型工艺分为化学发泡法和物理发泡法.物理发泡法需专用输送物理发泡剂的设备,或增加很繁琐的工艺,成本较高.化学发泡法又分化学交联和辐射交联,而辐射交联也需很昂贵的辐照设备,投资很大;化学交联生产PE发泡制品多见于模压法生产,生产不连续,制品应用受到很大限制.鉴于此,笔者对PE挤出化学交联发泡工艺及助剂进行了初步的探讨.

1 实验

1.1 原料与设备

高密度聚乙烯HDPE,工业品;低密度聚乙烯LDPE,工业品;偶氮二甲酰胺AC,工业品;过氧化二异丙苯DCP,化学纯;氧化锌ZnO,硬酯酸锌Zn(St)2,碳酸钙等均为工业品.

SK-160B双辊炼塑机,上海橡胶机械厂;LSJ120转矩流变仪,上海轻机模具厂;其他实验仪器自制.

1.2 工艺流程

1.3 性能测试

密度测定按GB1033-70进行;用肉眼观测发泡样条的外观及泡孔结构.

2 结果与讨论

2.1 工艺条件对泡沫性能的影响

2.1.1 温度对于挤出PE发泡材料,加工温度直接影响熔体的粘弹性和泡沫的稳定性.首先在混炼时,混炼温度须低于交联剂DCP的分解温度,否则DCP一旦分解发生交联反应,将影响PE 挤出的顺利进行.因此交联剂、发泡剂应最后加入,且辊温应低于130 ℃.

挤出温度的控制如下:自料斗至口模第一段130 ℃~140 ℃;第二段140 ℃~150 ℃;第

三段165 ℃~175 ℃;口模160 ℃~170 ℃.其中口模温度的控制是关键,口模温度对发泡制品的密度影响如图1.从图1可看出,随着口模温度的提高,制品密度呈下降趋势,当口模温度超过180 ℃时,制品表面毛糙,发泡出现不均匀大孔,密度有上升趋势,说明熔体弹性变差,气泡破裂,气体散失.当口模温度太低时,发泡剂分解不均匀,也不会得到均匀、密度较低的发泡制品.因此,在挤出发泡过程中,要求熔体的流变行为、发泡剂的分解和PE的交联作用相适应.温度过高,熔体的黏度太低,弹性变差,气泡不易保持而导致破裂,表面毛糙,因此口模温度在170 ℃左右为宜.

图1 口模温度与制品密度的关系

2.1.2 螺杆转速PE的熔体黏度对压力的敏感性较大,螺杆转速决定了熔体的剪切压

力大小,即PE熔体的黏度直接受螺杆转速的影响,也即螺杆转速影响PE发泡材料的

性能.提高螺杆转速,黏度下降.若螺杆转速过高,发泡剂分解后气体不易保持,易产

生气泡破裂、表面毛糙的现象;相反,若转速过低,生产效率太低,且气泡会有大孔

现象,发泡不均匀.因此,转速的控制应合理.在相同配方、相同工艺条件下,只改变

螺杆转速得出结果如表1所示.从表1看出,随着螺杆转速的提高,制品的密度降低,

当转速超过64 r/min以后,密度又会增加,表面略粗糙,泡孔结构不均匀,说明螺

杆转速过高过低对PE低发泡均不利,适合的转速范围应在55 r/min~64 r/min.

表1 螺杆轩速对制品性能的影响

螺杆转速/r.min-1

密度

/g.cm-3

泡孔结构外观

300.82不均匀、大孔略微粗糙

400.72均匀、略大稍光滑

550.65均匀、细小光滑

640.68均匀、细微光滑

700.75不均、略大稍粗糙

2.2 配方对泡沫材料性能的影响

2.2.1 LDPE和HDPE的比例LDPE本身带有支链,结晶度低,大分子间自由体积较大,从而使分子链具有良好的柔顺性,发泡制品柔软性高,不适宜制低发泡制品.HDPE用来制备发泡材料具有可发性好、泡沫软硬可调等优点,但是由于其分子链规整性好,结晶度高,熔融黏度迅速下降,对发泡不利,且发泡后的制品强度、刚性很低.为了弥补其缺点,采用两种共混的发泡基体,适当交联后,延缓熔体黏度下降的速度,改善发泡条件,实验中考查了LDPE和HDPE的不同配比对发泡效果的影响,见表2.从表2看出,随着LDPE含量的下降,发泡制品的密度下降,泡孔均匀细小,但是当LDPE配比

少于10时,泡孔结构不均匀,密度有所增加,因此LDPE和HDPE的最佳配比为20∶80.

表2 LDPE和HDPE配比对发泡效果的影响

LDPE∶HDPE密度/g.cm-3泡孔结构外观

50∶500.72大孔、不均塌陷、表面粗糙

40∶600.72泡孔略大表面粗糙

30∶700.68细小、均匀略光、有个别开孔

20∶800.65孔细微、均匀表面光滑

10∶900.70细小、不均匀表面光滑

2.2.2 发泡剂含量对制品密度的影响目前常用的化学发泡剂是偶氮二甲酰氨即发泡剂AC,由于它的发气量大,无毒无味,无污染,且其分解的残渣对制品性能没有太大影响,因此常选用AC作为化学发泡制品的发泡剂.AC用量的大小,决定发气量,直接影响制品的密度.发泡剂用量与制品密度的关系如图2.从图2看出,每100 g PE中发泡剂AC用量为2 g时,制品的密度最小;当AC用量超过2 g以后,发气量太大,以致气泡破裂,气体逸出,制品密度反而上升.

图2 发泡剂用量对制品密度的影响

2.2.3 发泡助剂对发泡效果的影响单纯AC的分解温度在210 ℃左右,而PE的熔点为120 ℃~130 ℃.PE是结晶型塑料,接近熔点时的黏度随温度的升高而急剧下降,发泡气体易于逃逸,不易保持.加入一定的交联剂使PE产生交联,黏度提高.交联后,黏度随温度的变化不再急剧下降,从而在比较宽的温度范围内获得适合发泡的黏度条件,提高泡沫的稳定性,见图

3.采用过氧化二异丙苯DCP为交联剂,它的分解温度为170 ℃左右,在聚乙烯的加工温度范围之内,交联剂用量对制品密度的影响见图

4.

图3 交联与否对PE熔融性能的影响

(a)无交联PE (b)交联PE

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