輻射交聯(lián)發(fā)泡聚乙烯電暈處理研究

郭小康，李新峰，留偉兵

（浙江交聯(lián)輻照材料有限公司，浙江 蘭溪321100）

0 前言

用輻射交聯(lián)方式制備的聚乙烯發(fā)泡材料（IXPE），其特點(diǎn)是泡孔細(xì)密，表面光滑平整，在生產(chǎn)制作薄型產(chǎn)品方面具有其他任何工藝都不可比擬的特點(diǎn)。薄型IXPE產(chǎn)品可廣泛使用于工業(yè)雙面膠帶芯材、電子產(chǎn)品緩沖密封墊片、醫(yī)用創(chuàng)可貼、汽車裝飾、日用品等方面。薄型發(fā)泡材料在前面提及的這些領(lǐng)域中使用都需要進(jìn)行不干膠涂敷加工，由于聚乙烯材料表面張力較小，不能滿足涂膠工藝的需要，因此，在生產(chǎn)IXPE 時(shí)往往需要對產(chǎn)品進(jìn)行表面處理，提高其表面張力，改善其表面粘接性和潤濕性，表面張力達(dá)到38以上［1－3］，才可以滿足涂膠工藝的要求。

常用的提高材料表面張力的處理方發(fā)一般有2種：電暈處理和火焰處理?；鹧嫣幚硎怯锰刂频膰姛簦ㄟ^可燃?xì)怏w燃燒，形成溫度高達(dá)2100～2800 ℃的氧化火焰，來達(dá)到在瞬間改變材料表面性能的目的。但是火焰處理方法不適合于發(fā)泡材料，因火焰極容易引發(fā)材料泡孔收縮、塌陷，甚至引發(fā)火災(zāi)。電暈處理是提高塑料薄膜、發(fā)泡塑料等材料表面張力普遍使用的一種方法。電暈處理可改變固體材料的表面張力，電暈處理的原理是將薄型材料通過有高壓存在的兩電極間，高壓讓電極間的空氣發(fā)生電離，電極間產(chǎn)生電子流，在材料表面形成等離子區(qū)，使材料表面由非極性變成極性表面，達(dá)到改性。另外空氣在高壓電場中電離產(chǎn)生臭氧，臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，可以立即氧化塑料材料的表面分子，也使其由非極性轉(zhuǎn)化為極性，表面張力得到提高，滿足涂膠需要［1－2］。

不同厚度、不同倍率的IXPE 材料，采用電暈機(jī)在不同處理工藝條件進(jìn)行電暈處理，得到的處理效果不同。電暈處理工藝條件變化主要包括速度變化、電流變化、處理溫度變化等。電暈效果的好壞主要看在不破壞表觀前提下對所處理材料表面張力提高的程度，通過測量材料表面張力即達(dá)因值的變化，可以來表征電暈處理效果的好壞。本文對電暈處理提高IXPE 產(chǎn)品表面張力的效果測試、控制，處理后的表面張力變化規(guī)律等幾方面加以研究、探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚乙烯（PE），2426H，揚(yáng)子石化－巴斯夫有限責(zé)任公司；

偶氮二甲酰胺（AC），江蘇索普（集團(tuán)）有限公司；

甲酰胺，分析純，市售；

乙二醇乙醚，分析純，市售。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿混煉機(jī)，TSE65A，南京瑞亞高聚物制備有限責(zé)任公司；

擠出機(jī)，105，上海金湖擠出設(shè)備有限責(zé)任公司；

電子加速器，ELV－8，俄羅斯新西伯利亞物理研究所；

發(fā)泡爐，自制；

電暈處理機(jī)，CW－3600，南通三信塑膠裝備科技有限公司。

1.3 樣品制備

將PE和AC發(fā)泡劑按照一定比例混合，在雙螺桿混煉機(jī)上混合均勻完成發(fā)泡母料造粒，再將發(fā)泡母料、自制助劑母料、PE 按比例混合，用擠出機(jī)制成不同厚度的卷狀材料（稱作母片）；母片用電子加速器輻照，從線形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǔ潭染W(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)；交聯(lián)母片通過自制發(fā)泡爐加熱發(fā)泡，成為不同膨脹倍率的IXPE。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

采用涂液法測試固體材料表面張力的測試辦法是涂液法，按照GB／T 14216—2008，用甲酰胺和乙二醇乙酯2種液體按不同比例進(jìn)行混合，得到一系列不同潤濕張力的測試液，實(shí)驗(yàn)中所用測試液配比見表1；測試時(shí)將測試液涂拭在材料表面上，可保持2s液面才破裂的測試液所對應(yīng)的潤濕張力即表示材料的表面張力；

測定材料的電暈前表面張力時(shí)，需要把材料完成加工后放置24h再測得；材料電暈處理后的表面張力隨著時(shí)間變化而會(huì)有衰減，所以分為完成處理后立即測量值（即測值）以及不同放置時(shí)間測量值，未注明時(shí)間的均為即測值；

表1 測試液配比Tab.1 Ingredient of the testing solution

2 結(jié)果與討論

2.1 材料配方對表面張力的影響

發(fā)泡材料發(fā)泡前后體積將發(fā)生很大變化，發(fā)泡后體積與發(fā)泡前體積之比稱為發(fā)泡倍率，按發(fā)泡倍率不同，IXPE產(chǎn)品可分為5、10、15、20、25、30等不同倍率。生產(chǎn)不同發(fā)泡倍率產(chǎn)品，其原料配方不同，主要差別是發(fā)泡劑含量有差異，發(fā)泡材料的中間過程產(chǎn)品即發(fā)泡材料母片，由于配比差異其表面張力也不同，而且是否經(jīng)過輻照交聯(lián)處理也有很大區(qū)別。表2是不同材料配方母片輻照前后的張力變化情況。不同發(fā)泡倍率產(chǎn)品電暈處理前的表面張力狀況有較大差別，而且還與是否壓光有關(guān)，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表3所示。

表2 不同發(fā)泡倍率母片輻照處理前后的表面張力mN／mTab.2 Surface tension of different sheets before and after irradidtion mN／m

表3 不同倍率發(fā)泡產(chǎn)品電暈處理前表面張力mN／mTab.3 Surface tension of different base sheets before and after corona treatment mN／m

由表2可看出，純PE 表面張力最小，隨著發(fā)泡劑加入比例增加，改變了材料的結(jié)晶性，表面張力趨于增加。電子束輻照交聯(lián)，可以改變材料結(jié)構(gòu)，同樣改變了材料表面的表面能，材料表面張力變大。

由表3可看出，隨著發(fā)泡產(chǎn)品倍率提高，材料表面張力會(huì)增加。發(fā)泡材料的微觀泡孔結(jié)構(gòu)，改變了表面特性，增加了液體的潤濕，發(fā)泡倍率加大，單位體積內(nèi)泡孔數(shù)增加，表面泡孔結(jié)構(gòu)更利于浸潤。發(fā)泡材料剛完成發(fā)泡后，其表面張力小于發(fā)泡前對應(yīng)的母片，這是因?yàn)榘l(fā)泡在高溫下進(jìn)行，使得表面進(jìn)行了結(jié)晶融化和重新結(jié)晶，改變了前期輻照交聯(lián)引起的表面變化。同一材料，若表面壓光處理后，表面張力會(huì)略有下降，這是因?yàn)閴汗飧淖兞瞬牧媳砻娴呐菘仔螒B(tài)，形成了一層平整表皮，不利于液體的浸潤。

2.2 電暈處理功率、處理線速度對表面張力的影響

同一材料在不同功率、不同速度下做電暈處理，得到的表面張力不同。電暈設(shè)備的輸出功率是通過輸出電流調(diào)整改變的，輸出電流和處理功率成比例。表4是30倍3mm 產(chǎn)品在固定處理線速度（5 m／min）、不同輸出電流條件下的電暈處理結(jié)果。表5給出的是在固定電暈機(jī)輸出電流（2.6A）時(shí)，不同處理線速度對應(yīng)的表面張力?？梢钥闯?，提高輸出電流或降低處理速度，都可以提高電暈處理效果，材料可獲得更高的表面張力。

表4 輸出功率對處理效果影響Tab.4 Effects of corona treatment power on surface tension

表5 線速度對處理效果的影響Tab.5 Effects of line speed on surface tension

2.3 材料厚度對電暈處理的影響

材料厚度不同，對電暈設(shè)備要求不同。調(diào)節(jié)電極時(shí)，電極距離待處理材料表面一般為1～3mm，否則電弧不均勻或形不成電弧；放電電極與放電導(dǎo)輥間距離一般不能太大，否則也形不成均勻電弧。放電電極與放電導(dǎo)輥間可離需要加大時(shí)，必須調(diào)高輸出電壓，處理產(chǎn)品厚度小時(shí)需要的輸出電壓較小，處理厚產(chǎn)品時(shí)需要加大輸出電壓［3］。

表6是15倍1mm 產(chǎn)品在處理線速度8m／min、不同輸出電流條件下的電暈處理結(jié)果。結(jié)合表4數(shù)據(jù)可以看出，電暈處理達(dá)到同樣的效果，發(fā)泡材料厚度較小時(shí)需要的電流較小、處理效率也高（線速度高）；厚度增大，則需要加大功率，放慢處理速度。此外，試驗(yàn)和生產(chǎn)中還發(fā)現(xiàn)處理薄產(chǎn)品時(shí)更容易形成連續(xù)電弧，不容易產(chǎn)生放電擊穿，處理結(jié)果也容易達(dá)到要求值。處理厚產(chǎn)品則容易出現(xiàn)火花不均勻現(xiàn)象。

表6 電暈處理工藝對處理效果的影響Tab.6 Effects of corona process conditions on surface tension

2.4 電暈處理效果與電暈處理溫度關(guān)系

產(chǎn)品電暈處理可以在發(fā)泡生產(chǎn)過程中進(jìn)行電暈，即在線處理；也可以發(fā)泡完成后使用前再進(jìn)行處理。通過15倍1.5mm 產(chǎn)品做在線處理和材料放置達(dá)到室溫后再做電暈處理的對比，發(fā)現(xiàn)在線處理效果明顯容易達(dá)到要求。都按5m／min線速度處理，表面張力達(dá)到38mN／m，在線處理需要輸出電流2.0A，而放置后處理時(shí)則需要輸出電流2.5A。生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)，產(chǎn)品電暈處理生產(chǎn)工藝有差別，夏天需要的輸出電流小，冬天則大?？梢姴牧蠝囟?、環(huán)境溫度對電暈處理效果有明顯影響作用。材料溫度高，有利于表面分子的極化，從而達(dá)到較好效果。筆者推薦在線電暈處理，可提高效率、降低成本。

2.5 電暈處理效果隨放置時(shí)間、溫度、條件的變化

材料電暈處理后，電暈效果隨著放置時(shí)間會(huì)減弱直至消除。消除的快慢與放置環(huán)境條件有關(guān)［3］。15倍1.5mm 產(chǎn)品，經(jīng)電暈處理表面張力即測達(dá)到38mN／m后，取樣展平，在室內(nèi)暴露于空氣中放置，觀測隨著放置時(shí)間推移表面張力的衰減程度。結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，處理完畢后，大約1周時(shí)間內(nèi)，表面張力衰減較小，1～2周時(shí)間范圍內(nèi)，衰減較快，3周開始衰減速度變緩，逐步衰減到最低值，隨后基本保持不變。殘留值比未作電暈處理時(shí)的材料表面張力略高。

同時(shí)把處理好的產(chǎn)品收卷包裝完好進(jìn)行放置做對比。從材料卷中心部位取得樣品測量，電暈處理效果保持較好，14d 時(shí)表面張力仍能達(dá)到37～38 mN／m之間。

圖1 電暈后表面張力隨放置時(shí)間變化Fig.1 Surface tension after corona treatment

試驗(yàn)中，同時(shí)也將電暈好、表面張力38 mN／m 的材料放置在烘箱內(nèi)180 ℃加熱2min，取出冷卻后測表面張力，其值變?yōu)?5～36 mN／m 之間，等同于未處理材料。

由此可見電暈處理后材料表面張力的衰減，同溫度有關(guān)、同氣氛有關(guān)。溫度高衰減加快，接觸空氣充分衰減加快。為了減少這種衰退，一是可適當(dāng)加強(qiáng)電暈處理程度，二是要妥善包裝、避免暴曬，并盡可能減少使用前的放置時(shí)間。但過分加大在線電暈處理程度，運(yùn)輸途中會(huì)引發(fā)粘連，使用時(shí)難于打開。

2.6 二次電暈處理電暈效果研究

經(jīng)過在線處理的材料，放置直至電暈效果完全衰退，做再次電暈處理，采用與第一次處理同樣的處理工藝。試驗(yàn)結(jié)果如表7數(shù)據(jù)所示，以15倍1.5mm 產(chǎn)品為例，第一次處理達(dá)到表面張力到達(dá)38mN／m，處理線速度5m／min時(shí)需要輸出電流2.0A，放置1個(gè)月后，電暈效果基本消除，表面張力接近原始值，第二次處理達(dá)到38mN／m 在同樣速度時(shí)電流只需要1.5A，而且客戶反應(yīng)更均勻，涂膠時(shí)效果更好。由此可以得出結(jié)論，生產(chǎn)時(shí)在線電暈處理和涂膠工序中再次處理相結(jié)合，有明顯實(shí)際意義，不僅能避免第一次電暈程度太高引發(fā)運(yùn)輸途中的黏連，而且能得到更好、更均勻的涂膠效果。該結(jié)果與已報(bào)道的塑料薄膜產(chǎn)品電暈研究相似［3］。

表7 二次電暈處理工藝條件Tab.7 Conditions of second corona treatment

3 結(jié)論

（1）輻射交聯(lián)發(fā)泡材料的泡孔結(jié)構(gòu)能改變其表面浸潤性，隨著發(fā)泡倍率的提高，表面張力增加；

（2）電暈處理功率加大、速度降低，材料表面張力更容易達(dá)到38mN／m，電暈處理效果更好；

（3）電暈處理效果隨溫度提高而提高；電暈處理后電暈效果有衰減現(xiàn)象存在，常溫下空氣中存放，電暈效果可保持1周，3周基本衰退完畢達(dá)到穩(wěn)定；衰減速度隨著溫度提高加快、接觸空氣充分也可加快衰減；

（4）通過再次電暈處理使材料表面張力達(dá)到38mN／m的涂膠要求，對材料副作用更小。

［1］ 周先進(jìn)，趙 燕，麥建國.BOPP薄膜電暈處理及效果研究［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)，2004，16（4）：25－27.Zhou Xianjin，Zhao Yan，Mai Jianguo.Study on Corona Effect and Treatment of BOPP Film［J］.Modern Plastics Processing and Applications，2004，16（4）：25－27.

［2］ 劉嘉銘，王宗英.塑料薄膜電暈處理效果的影響因素［J］.塑料科技，1998，123（2）：48－49.Liu Jiaming，Wang Zongying.Facts on Corona Effect of Plastics Film.Plastics Science ＆ Technology.1998，123（2）：48－49.

［3］ 何煒德.淺淡電暈處理工藝［J］.塑料，2000，29（2）：42－43.He Weide.Corona Treatment［J］.Plastics，2000，29（2）：42－43.