應用于聚乙烯發泡材料生產的新工藝和設備

摘 要：文章分析了現有聚乙烯生產的現狀，根據它的不足，提出了電子輻射聚乙烯發泡材料的工藝特點，并將它與化學交聯方法進行對比。結果發現：電子輻射交聯制備聚乙烯發泡材料的工藝要遠遠優于化學交聯法。

關鍵詞：聚乙烯；發泡材料；輻射；交聯

中圖分類號：TQ320.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）9-0175-02

聚乙烯泡沫是常用的工業材料，它具有許多獨特的性質，如質地強韌、抗干擾性、耐摩擦，還具有優異的絕緣、隔熱性和耐化學性，且二次加工性能良好。聚乙烯泡沫材料應用的領域非常廣泛，主要有：電子電器、元件、家用電器等；汽車內裝飾、冷卻器、地板等；兒童玩具、體育墊子、沖浪板等；水箱、中央空調、空調用等。它常采用化學交聯的工藝來制備，但是化學交聯生產的聚乙烯泡沫具有一些缺陷，需要發展新工藝。經過輻射交聯制備的聚乙烯發泡材料屬于高科技的產品。它以特殊的閉孔結構、光滑細致的外表、優異的性能，可以應用于粘結、熱成型等工藝進行二次加工。本文根據化學交聯的不足，提出采用輻射交聯的工藝來制備聚乙烯泡沫材料，闡述其生產流程和特點。

1 聚乙烯泡沫材料的發泡方法及特點

聚乙烯泡沫材料是采用聚乙烯作為最主要的原材料，通過與發泡劑、交聯劑等助劑，在高溫高壓的環境下，經過交聯發泡環節而產生的。經過交聯處理后的聚乙烯發泡材料，它具有如下特性：機械強度高，抗蠕變性，耐應力開裂，耐熱和耐低溫。聚乙烯樹脂系結晶型高聚物，呈線型結構，發泡較困難。為了改善聚乙烯發泡材料存在的不足，在發泡工藝方面應該提高聚乙烯中形成的熔融物的粘彈性，使之達到適宜的發泡條件，必須對它進行交聯處理，以利于下一步的發泡工藝。

聚乙烯泡沫發泡分為交聯和無交聯兩種，交聯又分為化學交聯和輻射交聯。化學交聯聚乙烯泡沫最早由美國于1941年研制成功，其生產方法是非連續的。輻射交聯聚乙烯泡沫由日本于1965年首先實現工業化。在聚乙烯泡沫材料的制備中，影響聚乙烯泡沫材料質量的關鍵因素是氣泡的生成和成長，良好的質量是形成細小均勻又相互獨立的泡孔結果。其生產過程對于物理發泡劑、發泡助劑、抗縮劑、成核劑的選擇和溫度控制要求相對嚴格。主要的影響因素有：發泡劑的用量，物料在料筒內滯留時間，各種助劑的用量等。

2 聚乙烯發泡材料的生產工藝

現有聚乙烯泡沫材料多采用溶液發泡或模壓發泡法來制備，工藝復雜，周期長，成本高，限制了其應用。聚乙烯泡沫材料的交聯工藝，通常有化學交聯和輻射交聯兩種：

2.1 化學交聯法

聚乙烯樹脂、交聯劑、發泡劑和發泡助劑？陴計量、捏合、混煉？陴一次發泡？陴二次發泡。

2.2 輻射交聯法

聚乙烯樹脂、發泡劑和發泡助劑？陴計量、捏合、混煉 切粒擠片？陴輻照？陴發泡。

鑒于輻射交聯必須配備電子加速器，設備投資較大，因此在目前的工業大生產中多數采用化學交聯的辦法。IXPE泡棉材料全稱電子輻射交聯聚乙烯發泡材料；普通的XPE一般采用水平爐發泡而IXPE可以采用水平爐發泡也可以通過水平爐預熱垂直爐發泡，但是無論是XPE或者IXPE前道和后道工藝基本相同，現在最常見的生產方式主要如圖1所示。

常用的造粒方式有四種方式，具體如圖2（a）、（b）、（c）、（d）所示，本公司采用（d）圖的線路。

3 制備聚乙烯泡沫材料的輻射交聯工藝

聚乙烯通過輻射交聯制備的基本原理是：高能粒子將聚乙烯分子激發，使之形成激發的自由基，而這些自由基相互彼此結合，從而產生交聯鍵，導致聚乙烯分子的三維立體網狀結構的形成，如圖3所示。

IXPE泡棉材料的全稱是：電子輻射交聯聚乙烯發泡材料，它以聚乙烯為主要材料，按照一定的比例配以幾種輔料，先將它們混合，然后擠塑成型，依靠輻照加工技術，該技術具有綠色健康的特性，它利用電離子輻射作用于聚乙烯，形成的交聯作用從而改變了聚乙烯原有的結構，形成網狀的、獨立的、閉孔的、泡孔結構，生產出閉孔泡沫材料。其產品特征為：產品發泡倍率分別為5，10，15，20，25，30，35倍，常規寬度為1 m，1.04 m，1.05 m，1.1 m，最寬做到2.4 m，2.5 m，單層厚度為0.2～8 mm，其它厚度如50 mm等需要復合。我公司采用輻射交聯工藝流程如圖4所示。

它的工藝過程是在雙螺桿上造好5 mm大小的顆粒等各種母料（發泡母料、敏化母料等）然后根據用戶需要在PE中添加不同母料，擠出不同倍率、不同要求全配方粒料，再由擠出機擠出成片，通過輻照傳送裝置進行輻照，最后在水平預熱垂直發泡爐上進行發泡。此工藝在生產實際中，影響產品質量的主要指標有4個，即：混合物的配方、擠片、輻射交聯作用、發泡專用設備等。

①混合物配方的結果，直接影響著產品的性能，決定產品質量指標的好壞，同時也對產品加工的難易程度、成品率的高低、成本的大小，有著直接的影響。

②擠片質量的好壞，直接影響到泡孔的大小、物料的均勻性及成品的尺寸精度。

③聚乙烯輻射交聯發泡材料的加工時，母片必須進行連續的、均勻的輻照加工。因此輻照加速器一些參數控制產品質量，如輻照能量、束流、掃描寬度、傳送速度、照射方式等。為了使聚乙烯輻射交聯發泡材料的生產運行滿足工藝要求，輻照加速器的能量、束流、掃描寬度等參數的選擇是重中之重。它可以通過糾偏、控制張力等措施，解決發泡材料的輻射生產工藝。

④加熱發泡是輻射交聯發泡材料生產中最特殊，也是最重要的環節。聚乙烯輻射交聯發泡材料的制備中，發泡工藝需要控制的主要參數有3個，即：加熱溫度、預熱時間、發泡時間。發泡時的加熱溫度要高于發泡劑的分解溫度，確保發泡劑分解完整，確保產品質量。

輻射交聯與化學交聯發泡工藝相比較，它具有如下優點：①輻射交聯發泡工藝由于不采用化學交聯劑，因此它不會產生有害氣體，減少空氣污染。②輻射交聯發泡工藝更容易控制反應進程，而且原材料如基礎樹脂或發泡劑選擇更簡單、方便。③化學交聯工藝的交聯劑通過加熱，它會在較寬溫度范圍進行分解，導致產品的均勻性出現缺陷。而輻射交聯工藝是不存在這一問題的，因為它在同一溫度下實現產品交聯。④輻射工藝可在任意溫度的條件下，使產品實現預定的交聯，然后再進行發泡，因此它的發泡速度比化學交聯發泡速度快1倍。⑤能夠生產多種型號的產品，交聯度控制方便，可得到孔徑大小各異，發泡率相差很大的泡沫材料。⑥生產規模擴大，輻射交聯發泡工藝成本明顯越低，而化學交聯發泡工藝成本則不隨生產規模而改變。

4 結 語

通過分析可知，采用電子輻射交聯工藝生產聚乙烯發泡材料具有比化學法更環保，更經濟。一是采用輻射交聯技術可制備發泡倍率高達30倍的聚乙烯泡沫。二是利用輻射技術能夠顯著地縮短發泡時間，降低發泡溫度，為此工藝的推廣奠定了堅實的基礎。

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