LDPE/EVA發泡材料的研制

摘" " " 要： 以偶氮二甲酰胺（AC）為發泡劑，過氧化二異丙苯（DCP）為交聯劑，硬脂酸鋅（ZnSt）為活化劑，二氧化硅（SiO2）為勻泡劑，低密度聚乙烯（LDPE）和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）為發泡塑料載體，研究了發泡材料的最佳原料配比和加工條件，并對發泡材料的各項性能進行了表征。實驗發現當PE為70 phr、EVA為13 phr、DCP為2 phr、AC為15 phr時得到的發泡試樣綜合性能最好。

關" 鍵" 詞：低密度聚乙烯；發泡材料；模壓；發泡劑

中圖分類號：TQ328" " " "文獻標識碼： A" " " 文章編號： 1004-0935（2023）06-0822-03

發泡塑料材料中有許多小的氣孔，具有吸水率低、密度小、隔音效果好以及保溫效果好等優點，因此用途很廣，例如軟的泡沫塑料可以做汽車坐墊、沙發。塑料發泡一般包括生成氣泡核、氣泡核膨大和泡體定型3個主要過程，其中氣泡核生成階段直接決定泡孔的數量、分布和形貌[1]。氣泡核的形成機理主要有3種[2]，其中添加發泡劑形成低勢能點發泡的機理應用最為廣泛。

在塑料發泡成型過程中，塑料自身的物理和化學特性對泡孔的形態和數目、表觀密度起決定性作用。另外，時間、溫度和壓力等也是發泡材料生產時主要的控制參數[3-4]。通常，物理發泡時的加工壓力與表觀密度成正比[5]，與泡孔的尺寸成反比。因此，為使泡孔形貌滿足需要，要求熔融態的塑料在擠出機內和口模位置受到的壓力要高于發泡壓力，而熔體離開口模時壓力要下降，此時擠出溫度也明顯下降，泡孔將被定型。擠出機不同加熱位置的溫度和壓力應保持合理的梯度，否則也會影響泡孔的形貌[6]。因此，采用物理發泡法制備發泡塑料設備性能和工藝條件要求很高，限制了該方法的應用。

同物理發泡相比，化學發泡更為簡單。研究發現，當低密度聚乙烯（LDPE）采用化學法發泡時，所得到的低密度閉孔泡沫材料擁有優異的物理和力學性能，特別是它的韌性、撓曲性和緩沖性能都非常好。由于低密度聚乙烯（LDPE）泡沫在隔音和隔熱方面特殊性能，使之廣泛應用于減震包裝、化工管道保溫、工民建的節能材料等領域[7]。LDPE泡沫塑料是泡沫塑料中應用較廣的一種，也是最早成功制得的泡沫塑料之一[8]。但其卻存在許多缺點，因此在本文中，以AC為發泡劑、DCP為交聯劑，通過加入乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）的方法試圖彌補LDPE泡沫塑料的缺點，并探索出最佳原料配比以及加工工藝條件。

1" 實驗部分

1.1" 原料與試劑

線性低密度聚乙烯（LDPE），工業級，天津市鋒濤泰禾商貿有限公司；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA），工業級，濰坊宏海塑料科技有限公司；二氧化硅（SiO2），分析純，上海市奉賢奉城試劑廠；硬脂酸鋅（ZnSt），分析純，沈陽市東興試劑廠；過氧化二異丙苯（DCP），化學純，中國上海試劑采購供應站聯營企業；偶氮二甲酰胺（AC），工業級，沈陽昌德隆化工原料有限公司。

1.2" 實驗儀器

平板硫化機，XLB-D2.00MN型，青島銘羽機械； 22寸開煉機，廣東利拿實業有限公司；電子天平，BS210S Max 210 g d=0.1 mg，北京賽多利斯天平有限公司；202-1型電熱恒溫干燥箱，上海陽光實驗儀器有限公司。

1.3" 實驗流程

在100 ℃下，首先將計量的低密度聚乙烯（LDPE）和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）加入開煉機中混合，待其均勻混合并熔融后，緩慢加入設計量的ZnSt、DCP、AC和ZnO，當所有原料均勻混合后，制成厚度約為1～2 mm的未發泡的片材。然后將上述片材裁剪成合適尺寸放置到平板硫化機上的預熱模具中，在10 MPa的壓力下發泡并保壓15 min，溫度為變量，隨后卸壓，制得產品用于" " 測試。

2" 性能測試

硬度測試：根據標準GB/T 6031—1998進行硬度的測試。

斷面形貌觀察（SEM）：材料的斷面形貌通過JSM-6360LV型掃描電鏡觀察。

表觀體積測試：根據標準GB/T 6364—1995進行表觀體積測試，計算公式如（1）。

ρ=（M1+M2）/V×106。" " " " （1）

式中：ρ—表觀（體積）密度，kg·m-3；

M1—試樣質量，g；

M2—排出空氣的質量，g；

V—試樣體積，mm3。

吸水性測試：參照標準GB/T1034—1998進行吸水性測試。

3" 結果與討論

3.1" DCP和AC對泡沫塑料表觀體積密度與硬度的影響

DCP和AC對泡沫塑料表觀體積密度與硬度的影響如表1所示。由表1可以看出，DCP的添加量從1 phr增加到4 phr時，泡沫的表觀體積密度在 87.6 g·cm-3到91.9 g·cm-3之間變化，變化率約為4.7%，這說明DCP的添加量對泡沫表觀體積密度影響不明顯。相同條件下，發泡材料的硬度則從16迅速增加到41，硬度變化率為61%，這表明提高DCP的添加量可以明顯提升泡沫的硬度，這是因為DCP是LDPE的交聯劑，添加更多的交聯劑可以使泡沫塑料中有更高的交聯密度，泡沫中交聯狀態的分子在外力作用下滑移更為困難，表現出更高的硬度。從應用角度綜合考慮發泡材料的表觀體積密度和硬度指標，認為DCP加入量2%時獲得發泡塑料綜合性能最好。同時，也研究了AC的變化對泡沫表觀體積密度與硬度影響。結果表明，增加發泡劑AC的量可以明顯降低泡沫的表觀體積密度，同時也可以明顯降低泡沫的硬度，這是由于增加AC的用量可以在LDPE中產生更多的氣孔，導致表觀體積密度降低，同時還可以導致孔壁變薄，表現為泡沫塑料更加柔軟。由以上測試結果可知，交聯劑DCP對泡沫材料的硬度有顯著影響，而發泡劑AC對泡沫材料的表觀體積密度和硬度均有顯著影響。

3.2" 模壓溫度對材料表觀體積密度與硬度的影響

AC是一種高溫發泡劑[9-10]，DSC的測試結果表明，只有當溫度達到205 ℃以上時，發泡劑AC才能夠快速分解，短時間內會分解完畢，并生成大量氣體。從生產的角度來說，AC發泡劑在短時間內就分解完畢是不利，其負面影響包括兩個方面：第一，氣體難以快速在塑料熔體中形成均勻的氣孔；第二，瞬時產生的大量氣體壓力較高，致使泡孔之間的孔壁變薄直至穿孔形成聯通孔。高壓氣體也會沖破低黏度高熱塑料熔融體的束縛而逸出，導致發泡劑的發泡效率低，所以需要添加催化劑在降低AC的分解溫度的同時，使AC發泡劑的分解溫度范圍變寬，這樣氣體可以均勻釋放。另外，還需要考慮到在DCP/AC發泡體系中，發泡劑AC要在交聯劑DCP的分解之前生成氣體。實驗表明，當ZnSt 為" "5 phr、AC為5 phr時，AC可以在140 ℃時開始分解，而在170 ℃左右時基本分解完畢，因此在該溫度范圍內探索了最佳的溫度，結果如表2所示。由表2可知，發泡溫度為150 ℃時，材料的綜合性能最好。

3.3" LDPE/EVA配比對泡沫吸水率的影響

LDPE具有很高的熔融指數，擁有極好的流變性或熔融流動性，這是由LDPE低的相對分子質量和短支鏈所決定的，所以在LDPE具有良好加工性的同時，低黏度的高溫熔體對AC發泡劑分解的氣體束縛力較弱，很容易形成通孔的LDPE泡沫塑料。乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）中醋酸乙烯（VAc）的質量分數通常在5%～40%之間，同低密度聚乙烯（LDPE）相比，EVA分子鏈中的醋酸乙烯結構可以降低共聚物的結晶度度，提高韌性和抗沖擊性，因此將EVA和LDPE共混可以明顯提高熔體的黏度，降低泡沫塑料的開孔率。原料配比對材料吸水性的影響如表3所示。從表3可以看出，隨著EVA的添加量從5 phr提高到10 phr，泡沫材料的吸水率略有降低，當添加量增加到15 phr以上時，泡沫材料吸水率迅速下降到5.9%，繼續提高EVA的添加量，吸水率下降趨勢又趨于平緩。這是因為在添加了EVA的氣液相共存的發泡體系中，高黏度的EVA熔體抑制了氣泡繼續膨脹，氣泡發生合并、塌陷或者破裂的可能性大為降低，會產生大量的閉孔結構，因此發泡材料吸水率會不斷下降。

3.4" EVA對泡沫塑料形貌的影響

掃描電子顯微鏡（SEM）可以清晰地觀察到未加和添加EVA的LDPE泡沫塑料的微觀形貌，觀察結果如圖1所示。

從圖1可以看出，未添加EVA的泡沫塑料含有很多的通孔，而添加了EVA的泡沫的通孔數量則大大減少，這是因為含有EVA材料的高黏度的熔體對分解產生的氣體束縛力增強，抑制了泡孔變大，泡壁變薄現象，因此通孔數量變少。

4" 結 論

交聯劑DCP用量對泡沫塑料的硬度影響較大，而發泡劑AC可以同時影響泡沫塑料的硬度和表觀體積密度，添加EVA能夠顯著降低泡沫塑料的吸水率。當發泡溫度150 ℃、PE/EVA配比80/20、DCP為2 phr時，得到的塑料泡沫的硬度為33，表觀體積密度為91.9 g·cm-3，吸水率為4.4%，材料的綜合性能最好。

參考文獻：

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Abstract： Using azodicarbonamide （ AC ） as foaming agent， diisopropyl benzene peroxide （ DCP ） as crosslinking agent， zinc stearate as activator， silica （ SiO2 ） as foaming additive， low density polyethylene （ LDPE ） and ethylene-vinyl acetate copolymer （ EVA ） as foaming plastic carrier， the optimum raw material ratio and processing conditions of foaming materials were studied， and the properties of foaming materials were characterized. It was found that when PE was 70 phr， EVA was 13 phr， DCP was 2 phr， AC was 15 phr， prepared foaming sample had the best comprehensive performance.

Key words： Low density polyethylene; Foaming material; Mould; Foaming agent