探究新型環保材料XPE的具體應用

賀 志

（廣東美的制冷設備有限公司 廣東 佛山 528311）

0 引言

隨著人們環保意識的不斷提高，各式各樣的新型環保材料得到人們的關注。綠色環保材料幾乎零污染且對身體健康不會造成危害，故應用在生活工作的各個領域，不但可以降低資源損耗，而且可以給人們提供良好的環境。

交聯聚乙烯發泡材料（XPE）作為環保材料，因其特殊的泡孔結構和優異的吸音性、隔熱性、緩沖性及耐化學腐蝕性等，而被廣泛應用于各種設施、建筑行業、農業以及大型家電等領域，同時PE也是最早實現工業化批量生產和應用的發泡材料之一。XPE材料是用聚乙烯樹脂加交聯劑和發泡劑經過高溫連續發泡而成，材料的化學性質相對穩定，不容易發生分解，使用中沒有氣味，且彈性好，同時克服了傳統發泡材料容易發生破碎并且變形的缺點[1]。XPE材料具有吸水率低、防潮防震、成型性好、抗撞擊能力強等優點，可以實現循環再造、做到環保節能，不僅滿足人們的使用需求，同時也符合新時代綠色發展的環保理念。

1 交聯聚乙烯發泡材料概述

1.1 XPE材料

XPE是化學交聯聚乙烯發泡材料，它是通過在低密度聚乙烯樹脂（PE）中加入交聯劑、發泡劑以及其他改性劑，然后經過高溫連續發泡而形成。與非交聯聚乙烯發泡產品（EPE）相比，XPE材料的性能得到很大程度提高，耐水、耐熱性提高的同時，還具有耐化學品腐蝕的性能，同時拉伸強度也得到提高，從而大大拓寬了XPE的應用范圍[2]。XPE材料化學性質穩定，無毒無味，與其他PE類材料比，在環保性、耐用性以及抗撞擊性等方面更加具有優勢。在20世紀40年代初，DuPont公司最早研發出聚乙烯發泡材料[3]，他們以N2作為發泡劑，然后在聚乙烯熔點附近進行發泡，但這種方式不能實現連續化生產，并未得到廣泛的工業化應用。直到20世紀50年代末，Dow公司采用四氟二氯烷（C2Cl2F4）為發泡劑才實現了工業化生產[4]，歐洲大約從1970年開始生產XPE發泡材料[5]。21世紀以來隨著科技的發展和技術的成熟，XPE材料在工業化生產的同時廣泛應用于各個領域。

1.2 XPE材料的性能

XPE作為一種新型環保材料，具備優異的性能，具體如下。

環保性：XPE是公認的無公害材料，生產時不會對環境造成污染，使用壽命長，在長時間的使用中也不會對環境造成危害，且在使用后容易回收，廢棄后焚燒也不會造成嚴重的大氣污染，環境危害小。

隔熱性：在制備過程中形成的特殊氣泡結構，可以減少在空氣對流過程中產生的能量交換，從而起到隔熱保溫的作用。同時其能夠防止結露現象的發生，可以在潮濕的環境中作為保溫材料來使用，比如冰箱、空調等。

吸音性：由于發泡過程中形成的多孔結構能產生腔體共振，從而改變聲音的頻率，起到降低噪音的功能，它可以在強噪音環境下，作為隔音減震材料來使用，比如飛機、汽車、電動機、KTV、家庭影院等。

成型性：交聯形成的網狀結構使其耐熱性強，密度均勻，延展性好，可以用于汽車內飾件及鞋材方面的材料。

緩沖性：XPE為半硬質發泡體，在受到強大的撞擊后也不會很容易失去它本身所具備的性能，常用于精密電子元器件、貴重物品的包裝以及食品緩沖襯墊等領域，在緩沖性的基礎上，利用它可以根據需求制備任意形狀尺寸的特性，可以用在體育用品制造領域。

此外，XPE還具有耐化學藥品腐蝕的特性，燃燒產物主要為H2O與CO2，無毒無味，并且容易加工，可以根據客戶需求任意裁剪，也可與任意形狀的材料貼合。其作為新型節能環保材料，將來擁有廣闊的應用前景。

2 交聯聚乙烯發泡材料的具體應用

由于交聯聚乙烯發泡材料兼具交聯聚乙烯和發泡材料的優異性能，它在我們工作學習生活中應用十分廣泛。XPE材料的具體應用如下。

2.1 包裝領域

交聯聚乙烯發泡材料的高緩沖性可以使產品在運輸過程中受到物理碰撞時得到緩沖，減少產品的損壞，在包裝行業中應用廣泛，主要應用在容器固定、內襯包裝等相關領域中，如酒類的包裝、電子元器件、精密量具、刃具及電子產品、家用電器等要求較高的保護材料，見圖1。在包裝領域中，主要的發泡材料類型有聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚丙烯泡沫（EPP）、聚乙烯泡沫（XPE）等。其中，EPS是主要的發泡材料，占比接近60%，其次是EPP、XPE等發泡材料，占比分別是20%和15%。EPS具有不可降解及硬度較差的材料特性，所以，未來在包裝材料領域中的發泡材料，EPS的消費呈現萎縮的狀態，而EPP和XPE發泡材料的消費增速未來保持高速增長，預估消費增速在7%～ 10%。

2.2 體育休閑用品

交聯聚乙烯發泡材料質量輕、吸水率低，使其在水上具有優異的漂浮性能，因此，較適合用來制作水上項目的體育器材，比如沖浪板、防沉墊、救生衣等用品。還可以利用它優異的緩沖性能制成護具、耐沖軟墊、拳擊手套、武術練習用地墊等緩沖防震用品[6]，也可以制備成學校教學用材料、兒童玩具、瑜伽墊、止滑防震墊、運動器材手柄套、防潮墊等，見圖2。XPE材料無毒無異味，是公認的環保材料，在使用過程中，不會對皮膚產生任何副作用，也不會對人們的健康造成傷害，同時也不容易發生變形，使用體驗感更加舒適，唯一的缺點是價格較高。此外，XPE能夠表現出極強的彈性，回彈性非常好，它具有很好的隔熱、防震作用，有很好的耐氣候性，因此在制鞋行業中應用非常廣泛。我們發現，XPE發泡材料在鞋材領域的應用占比較少，應用最多的是EVA橡膠，但由于該材料的抗撕裂性不是很強，抗剝離性弱，未來需要與其他材料進行融合改性來獲得發展。在體育器材行業中，交聯聚乙烯發泡材料是主要的應用發泡材料，占比超過70%，其次是PU、EPE、EPP等材料。由于在體育領域，PU多為海綿狀，開孔的PU軟泡具有良好的消震性能，故未來很可能會朝著XPE與PU相結合的方向發展，即內芯材料為XPE，表面材料為PU。

2.3 建筑工程領域

建筑行業是中國發泡材料最早應用的領域，也是應用規模最大的領域。建筑領域中應用的發泡材料主要有聚苯乙烯泡沫板（EPS）、擠塑板（XPS）、聚氨酯板（PU）。在建筑行業中，以上發泡材料主要應用于在建筑外墻保溫、隔音減震墊、熱水輸送管材、地暖、人工草坪等方面[7]，見圖3。在墻體保溫材料領域中，存在對發泡材料替代的材料，如玻璃棉板、酚醛板等。但是，由于保溫、隔音性能不如發泡材料，目前應用較少，大型工程設備墻體一般以發泡材料為主。人造草坪用XPE的發泡片材制備而成，質量輕、隔音性能好，能夠防水防潮，對環境環保，對人類無毒并且使用壽命長。由于其既耐寒又耐熱，溫度適用范圍很廣，成品人造草坪可以以卷材的形式供應給有需求的用戶，在運輸和使用過程中很方便。未來無論是用于學校操場、兒童游樂園或者園林景觀等，都能讓人造草坪的舒適度及安全性能得到最大化發揮。隔音減震產品通過斷絕樓板之間的固體傳聲，削弱聲音，同時，通過腔體共振改變聲音傳播的頻率，在隔絕撞擊聲的同時隔絕空氣聲，從而做到隔音減震，同時它還具備防水防霉的性能，適用于潮濕的環境[8]。所以，它是一種健康綠色且使用壽命高達30年以上的環保產品，可以廣泛應用于KTV、工廠、家庭影院等有強烈噪音來源的娛樂場所，用于地面隔聲，為周圍住戶帶去安靜。

XPE材料不僅避免了對環境的污染問題，而且它的表面還可以復合鋁箔，從而讓它的絕緣隔熱、反輻射性能增強。同時，在用戶的使用中，材料內部的孔洞結構對房屋能夠起到一個緩沖減震的作用。甚至，人們在使用之前還可以根據需求在表面復合所需的材料，從而增強某一特定性能，比如，復合編織布可以增強抗撕裂能力。近年來，隨著綠色可持續發展理念的不斷加深，XPE材料在我國建筑領域中的占比不斷提高，相信未來，我國XPE材料的在建筑行業中將會得到越來越廣泛的應用，對它的需求量也會迅速加大。

2.4 大型家電領域

在大型家電領域，特別是冰箱、空調等，發泡材料有著廣泛應用。一方面發泡材料可作為隔熱保暖的材料應用，另一方面發泡材料作為隔音材料應用。XPE主要應用在冰柜、冰箱、冷庫、空調、熱水器等制冷或制熱電器的保冷、保溫材料以及麥克風、音響等電器的隔音內襯材料中等，見圖4。在保溫、保冷環境中應用的發泡材料，主要為PU（硬泡）和XPE，其中PU（硬泡）占80%，主要替代品為EPP。PU發泡材料具有較低的導熱系數且可以根據需求制成各種形狀大小，所以可以作為隔熱保溫材料應用于冰箱的門體以及箱體隔熱層的制作。另外，XPE由于具有優異的隔熱性和優良的成型性，外形美觀，所以主要應用在空調領域，一般用于空調保溫管和隔熱異形件等。

2.5 交通領域

在汽車工業中應用的發泡材料，具有質量輕、緩沖減震、性價比高等優點，目前已經在車船制造業中有廣泛的應用，主要應用在汽車中的保險杠、儀表臺隔熱減震、頂棚內飾、車門內飾、坐墊、腳墊、卡車睡墊等緩沖材料。據不完全統計，一輛車中用到的發泡材料有數百公斤之多。在汽車工業中，發泡材料被廣泛應用在安全座椅減震材料，保險杠內部防撞緩沖材料，遮陽板、頂棚襯里、側門防撞吸能塊、墊材、扶手工具箱、隔音板以及裝飾條等內裝飾等，見圖5。汽車內裝飾材料通常使用聚氨酯泡沫材料，占比在80%以上。XPE可以作為替代品之一，但由于PU材料相對于其他材料具有非常明顯的輕量化和成本優勢，同時又具有較好的隔熱、隔音、緩沖減震等性能，目前占主流市場。

2.6 醫療領域

每年有超過15萬例髖關節和膝關節置換手術，超過50%的病人接受聚乙烯部件（超高分子量聚乙烯，UHMWPE）。隨著時間的推移，聚乙烯的磨損會在體內引起異物反應，從而導致骨質疏松、疼痛，故需要重新植入。此外，由于伽馬射線消毒造成的氧化性磨損在20世紀90年代引起了一些嚴重的故障。為了解決這些問題，人們開發了新的交聯聚乙烯，其分子質量高于超高分子量聚乙烯，因此具有更高的耐磨性。同時，人們通過使用其他滅菌方法和抗氧化劑（如維生素E）穩定超高分子量聚乙烯，避免伽馬射線滅菌引起的氧化性磨損[9]。除此，XPE在膝關節置換術以及膝關節成形術中具有獨特優勢。膝關節置換中XPE材料的應用見圖6。

2.7 農業領域

交聯聚乙烯發泡材料可以利用其出色的隔熱性作為隔熱材料來制備大棚保溫被，見圖7。這種大棚保溫被是由許多層的XPE材料復合而成，具有優異的保溫性能和滿足需求的強度，同時還具有吸水率低、質量輕、抗光老化等性能。與傳統的草簾覆蓋相比，由于保溫性，大棚的平均溫度提高了15 ℃左右，同時由于高強度，它的使用壽命延長了5～10年[10]，在提高產能的同時還做到了降低成本，符合現代人追求的綠色、節能、環保、可持續發展理念，未來將有廣闊的發展前景。

2.8 電線電纜領域

交聯聚乙烯發泡材料可以應用于電線電纜的填充以及外部絕緣層、包覆層等領域，且尤其適用于超高壓電纜，見圖8。XPE作為電線電纜的填充材料，具有填充簡單，且填充后完整度好等優勢，同時，還可以避免整體松散不緊湊的問題。所以，采用XPE材料作為填充材料的電線電纜的結構更加穩定、表面更加平滑完整，性能更具優勢。另一方面，XPE材料作為半硬質材質，剛性好，當它作為填充材料旋轉成圈時不需要外部施加應力，很方便[11]。XPE材料較適用于高壓電纜和超高壓電纜的包覆層，故具有廣闊的發展空間，未來中國電線電纜包覆層中XPE的應用消費增速高達10%及以上增長。

3 結語

在日常生活中，一次性塑料制品的使用和應用范圍越來越廣，廢舊塑料的回收和再利用在我國的環保領域仍然是一個亟待解決的重大課題。近年來，國家和地方相繼出臺的“限塑令”也使人們提高了環保意識。交聯聚乙烯發泡材料同時具備交聯材料和發泡材料的性能，與傳統的發泡聚乙烯材料相比，其泡孔結構更加均勻，彈性和力學性能更優。而且，XPE材料環保無公害，使用壽命長，易于回收，且在燃燒后主要以水與二氧化碳的形式排放到大氣環境中，不會對環境造成污染，所以，其應用領域較廣泛，主要應用于包裝、休閑體育用品、建筑工程、大型家電、交通、醫療、農業、電線電纜等領域。隨著制備技術的不斷發展，未來XPE材料必將有更加廣闊的發展前景。