采用二氧化碳／酒精復合發泡劑制備擠出聚苯乙烯發泡板材

劉本剛，汪文昭，張永佳，劉海明，王向東

（北京工商大學材料與機械工程學院，輕工業塑料加工應用研究所，北京100048）

0 前言

PS擠出發泡材料（XPS）作為絕熱保溫材料，在外墻保溫、冷庫、土木工程等領域應用廣泛。目前，國內主要以含氫氯氟烴（HCFCs）HCFC－22和HCFC－142b作為發泡劑制備XPS發泡材料［1－3］。HCFCs是一種臭氧消耗潛能值（ODP）和全球溫室效應影響指數（GWP）較高的發泡劑，在使用過程中造成了環境和氣候等方面的問題，正逐步在生產和消費行業被限制使用 和 淘 汰［4－6］。中 國 已 經 在XPS 泡 沫 行 業 展 開 了HCFCs發泡劑的淘汰工作，CO2由于具有價格低廉、來源廣泛、無毒、環境友好等優點，被認為是最具發展潛力的HCFCs替代品［7－9］。

與HCFCs相比，CO2的熱導率高、在PS熔體中的溶解度低，擴散速率快［10］，單獨采用CO2作為發泡劑制備的發泡材料存在密度高、絕熱和阻燃性能差等諸多缺點［11－13］，采用組合發泡劑被認為解決上述缺陷的有效技術途徑。Daigneault等［14］以CO2和2－乙基己醇為組合發泡劑制備成功低密度PS泡沫；BASF［15］公司以CO2和丙酮為組合發泡劑，制備成功密度為0.025g／cm3的PS 泡沫。然而，與CO2進行組合的發泡劑的類別、采用組合發泡劑制備XPS泡沫的工藝等仍需要進行深入探索。

本文采用CO2／EtOH 組合發泡劑制備XPS板材，探討發泡劑組合和發泡工藝對XPS泡沫結構與性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PS，158K，揚子－巴斯夫有限責任公司；

成核劑，NUC－640A，北京普利貝特新材料科技有限公司；

助發泡劑，FMB20，北京普利貝特新材料科技有限公司；

EtOH，純度≥99.7%，北京化工廠；

CO2，純度99.5%，市售。

1.2 主要設備及儀器

雙螺桿擠出發泡機組，ZE25，德國貝爾斯托夫公司；

全自動真密度分析儀，Ultra PYC 1200e，美國康塔儀器公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），JSM－6490LV，日本電子株式會社；

電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG－9203A，上海精宏實驗設備有限公司；

高速混合機，GH－10，北京塑料機械廠。

1.3 樣品制備

將PS樹脂和助劑按照表1進行配比，并在高速混合機中混合5min，加入發泡機組中制備發泡樣品；發泡過程中，喂料速度為10kg／h；機組1～6區溫度設定為：45、180、180、180、180、180 ℃，7～10區溫度為發泡溫度，根據實驗情況進行調節；發泡劑于3 區注入，發泡制品從機頭擠出后，在壓平機上進行定型，在冷卻輥托架上隨機取樣進行測試；

實驗過程中，PS 樹脂為100 份，成核劑添加量為1份，助發泡劑添加量為0.8份，發泡劑實驗配方如表1所示。

1.4 性能測試與構表征

密度測試：采用真密度計／開閉孔率測定儀對PS的表觀密度進行測試，每組樣品測試3次，取平均值；

泡體結構表征：將發泡試樣在液氮中冷凍、脆斷，表面進行噴金，采用SEM 在不同放大倍數下觀察泡體的結構，加速電壓10kV；

發泡材料泡孔尺寸和泡孔密度計算：泡孔尺寸通過計算機軟件測量得到，泡孔密度采用計算機軟件分析SEM 照片，由式（1）、（2）計算得到［16］。

表1 發泡劑實驗配方Tab.1 Experiment formula of foaming agent

式中 φ——體積膨脹率

ρp——未發泡材料的密度，g／cm3

ρf——發泡材料的密度，g／cm3

n——泡孔密度，個／cm3

nb——統計面積中的泡孔數量，個

L——統計面積的邊長，cm

2 結果與討論

2.1 單用CO2對PS擠出發泡工藝及泡體結構的影響

發泡溫度為140℃，控制口模處壓力在7.0 MPa以上，單獨采用CO2作為發泡劑，用量分別為2.0、2.5、3.0、3.5份時泡沫樣品的密度和發泡倍率如圖1所示，從圖1可以看出，在CO2用量2.0份時，泡沫樣品的密度高，發泡倍率低；隨 著CO2用量從2.0 份增 加到3.0份，泡沫樣品的密度快速降低，發泡倍率提高；CO2用量從3.0份增加到3.5份，泡沫樣品的密度繼續增加，但增加得緩慢。這是由于隨著CO2用量的提高，PS熔體中溶解的CO2用量提高，在發泡時可以充分膨脹，從而獲得較低的密度。

從圖2和圖3可以看出，隨著CO2用量的增加，泡沫樣品的平均泡孔直徑和泡孔密度都增加。當CO2用量為和2.0%時，泡孔尺寸為78μm，泡孔沒有充分增長，其泡孔密度僅為1.9×106個／cm3；隨著CO2用量增至3.5份時，泡孔尺寸增加到152μm，泡孔密度則提高到3.2×106個／cm3。根據經典的成核理論式（3）［17－18］，成核的速率的計算公式如式（3）～（5）所示。

圖1 CO2用量對PS發泡材料密度和發泡倍率的影響Fig.1 Effect of CO2content on density and expanded redio

圖2 不同CO2用量的PS泡沫樣品的SEM 照片Fig.2 SEM for PS foaming sample with different CO2content

式中 f0、f1——氣體分子進入臨界氣泡核使氣泡核成為穩定氣泡的概率

C′0——氣體分子的濃度

N——成核速率

N′homo——均相成核速率

Nhet——異相成核速率

k——玻爾茲曼常數

T——絕對溫度

C1——異相成核點的濃度

圖3 CO2用量對PS發泡材料泡孔尺寸及泡孔密度的影響Fig.3 Effect of CO2content on cell diameter and cell density

根據式（3）～（5），在氣泡成核階段，異相成核與均相成核會同時發生，成核數量為異相成核數量和均相成核數量的加和，在能量壁壘較低的界面存在的情況，異相成核的速率大于均相成核速率，但是均相成核不能忽視，本實驗過程中，成核劑添加量均為1 份，異相成核對于成核點密度的貢獻相同。均相成核中，成核點密度與發泡劑的用量呈正相關。發泡劑用量越大，成核點密度越大。當發泡劑用量從2.0份增長至3.5份時，均相成核密度會隨著發泡劑用量的增加而增加，從而形成更多數量的泡孔。

在泡孔增長階段，溶解于熔體中的CO2氣體會擴散到已形成的臨界泡核中去，最終導致泡孔的不斷增長，在PS熔體中CO2用量越大，其提供泡孔增長的發泡劑用量越大，因而，形成的泡孔越大，最終導致泡沫樣品的密度隨著CO2用量的增加而降低。

試驗中發現，當采用CO2作為發泡劑時，制品表面出現凸凹不平，采用壓平機定型時，無法消除條紋，這是由于CO2的沸點為－78 ℃，沸點很低，蒸汽壓高，當溶有CO2的PS熔體從口模脫離的一瞬間，由熱力學不穩定性誘發快速的氣泡成核和增長。泡沫體積快速膨脹，熔體在口模橫向的增長受到限制，導致出現條紋，為了解決這一問題，采用EtOH 作為復合發泡劑進行擠出發泡研究。

2.2 雙組分發泡劑中CO2用量對擠出發泡的影響

從表2中看出，酒精的用量2.5份時，隨著CO2用量從2.0份增加到3.5份，發泡樣品密度呈下降趨勢；CO2用量3.5份時，密度最小，為0.040g／cm3，當CO2用量增加到4.0份，發泡樣品密度開始增大。

圖4為EtOH 的用量2.5 份時，不同CO2用量的發泡樣品的SEM 照片，圖5為對應的泡孔尺寸和泡孔密度的SEM 照片。從圖4和圖5中可以看出，當CO2用量由2.0份增加到3.5份的過程中，平均泡孔尺寸由292μm 降至183μm，而泡孔密度則由1.20×106個／cm3升高到6.54×106個／cm3，繼續增大CO2用量，泡孔尺寸會變小，并有塌陷的大泡孔，說明發泡劑用量過大，造成泡孔破裂，部分發泡劑擴散到空氣中，導致密度升高。

表2 雙組分發泡劑中CO2用量對發泡樣品密度的影響Tab.2 Effect of CO2content in foaming agent blends on density and expanded redio

圖4 雙組分發泡劑中不同CO2用量的發泡樣品SEM 照片Fig.4 SEM for PS foaming sample with different CO2 content in foaming agent blends

CO2為低沸點發泡劑，沸點為－78.45℃［19］。成核階段，CO2有較高的動力突破成核能壘，有利于泡孔成核點的形成。從圖6中可以看出，隨著CO2用量增加，泡沫泡孔密度從1.20×106個／cm3增加到6.54×106個／cm3。當EtOH 濃度不變情況下，CO2濃度的增加，能提高泡孔的數量。但隨著CO2用量的增加，泡孔尺寸呈下降趨勢。從圖6 中看出，泡孔平均尺寸從292μm減小到129μm。由于CO2濃度高時，成核點數量增加，導致大量泡孔同時增長，因此泡孔尺寸會減少。同時，泡孔密度增大，泡孔與泡孔之間間距減小，泡孔之間的作用力增加，泡孔增長受阻，泡孔尺寸小。當CO2用量為4%時，泡孔與泡孔之間作用達到一定值時，如圖6（e）中所示，出現泡孔合并和泡孔破裂現象［20］。

圖5 雙組分中不同CO2 用量的發泡樣品泡孔平均尺寸及泡孔密度Fig.5 Effect of CO2content in foaming agent blendson cell diameter and cell density

圖6 雙組分發泡劑中不同EtOH 用量的SEM 照片Fig.6 SEM for PS foaming sample with different EtOH content in foaming agent blends

2.3 雙組分發泡劑中EtOH 用量對擠出發泡的影響

表3為CO2用量為3.0份時，雙組分發泡劑中不同EtOH 用量發泡劑試樣密度。從表3中看出，隨著EtOH用量從1.5份增加到3.0份，發泡樣品密度呈下降趨勢；EtOH 用量3.0份時，密度最小，達到0.038g／cm3，當EtOH 用量增加到3.5份，發泡樣品密度開始上升。

表3 雙組分發泡劑中EtOH 用量對發泡樣品密度和發泡倍率的影響Tab.3 Effect of EtOH content in foaming agent blends on density and expanded redio

圖6 和 圖7 為CO2的 用 量3.0 份時，不同EtOH用量的樣品對應的SEM 照片和相應的平均泡孔尺寸和泡孔密度。從圖中可以看出，隨著EtOH 用量增加，泡孔尺寸逐漸增大。當EtOH 用量從1.5 份增加至3.0份時，平均泡孔尺寸由157μm 增加到206μm，而泡孔密度則由8.7×106個／cm3降低到3.55×106個／cm3，當EtOH 用量增至3.5份時，開始出現泡孔壁破裂現象，如圖6中（d）所示；隨著EtOH 用量進一步增加，泡孔壁破裂程度加大，如圖6（e）所示。在EtOH 與CO2組合發泡劑中，由于EtOH 為高沸點發泡劑，沸點為78.35 ℃［20］。在成核 過 程中，EtOH 突破成核能 壘 的動力小，對泡孔成核的貢獻小。如圖7 所示，泡孔密度并沒有隨著EtOH 用量的增加呈上升的趨勢。在泡孔增長階段，EtOH 從熔體中擴散到已成核的泡孔，致使泡孔增長。當EtOH 用量為3.0 份時，隨著泡孔增長，泡孔壁不足以支撐泡孔生長，出現泡孔破裂現象。并隨著EtOH 用量增加到3.5 份，泡孔破裂現象加重［21］。

圖7 雙組分中CO2 用量對發泡樣品泡孔平均尺寸及泡孔密度的影響Fig.7 Effect of EtOH content in foaming agent blends on celldiameter and cell density

在CO2用量一定時，隨著EtOH 用量的增加，組合發泡劑的總用量增加，因而泡沫密度降低，發泡倍率上升。當EtOH 用量增加到3.0 份時，出現泡孔壁破裂現象；隨著EtOH 用量增加到3.5份時，泡孔壁破裂現象加重。因而，當EtOH 用量超過一定量時，泡孔壁將破裂，提高EtOH 用量將導致泡沫密度上升，倍率下降。

3 結論

（1）以單組份CO2作為發泡劑連續擠出PS發泡，泡沫密度隨著發泡劑用量的增加而降低，但發泡試樣表面出現不平整的條紋；

（2）以雙組分CO2和EtOH 作為發泡劑連續擠出PS發泡，固定一種發泡劑，改變另一種發泡劑用量時，泡沫的密度都會降低，當發泡劑用量過高時，會出現泡孔破裂，導致密度增加；

（3）低沸點的CO2氣泡成核作用大，而高沸點的EtOH 對于泡孔增長的作用大；

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