劉 偉，郝建鋼

(天津市技術(shù)物理研究所，天津 300192)

高分子泡沫材料是以聚合物基體為連續(xù)相，以氣體為分散相的多相高分子材料(吳舜英等，1999)。它以聚合物為基本組分，并含有大量氣泡，也可稱(chēng)為以氣體為填料的聚合物復(fù)合材料。與純聚合物相比，高分子泡沫材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、吸收沖擊載荷強(qiáng)、隔熱隔音能力出眾等諸多優(yōu)點(diǎn)(錢(qián)志屏，1998;賈秀峰等，2001;何繼敏等，2002)。正是由于高分子發(fā)泡材料優(yōu)越的性能、較多的品種、因此它被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)。近十幾年來(lái)，高分子發(fā)泡材料作為一種極有發(fā)展前途的高分子材料品種，和它相關(guān)的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品生產(chǎn)和銷(xiāo)售需求都發(fā)展非常迅猛，特別在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家里，泡沫塑料已經(jīng)成為一個(gè)單獨(dú)的化學(xué)工業(yè)部門(mén)。

高分子泡沫塑料具備很多可貴的性能，因此這類(lèi)材料被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、軍事航天工業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)。特別在包裝、日用品、建筑、船舶、車(chē)輛等方面更是受到了重用。例如，高分子泡沫塑料以其極佳的絕熱性能，可用作各種保溫、隔熱的襯壁或相關(guān)設(shè)備泡沫塑料輕質(zhì)且具備較強(qiáng)的吸收載荷的能力使其可作為理想的包裝和防震材料開(kāi)孔的泡沫塑料還可充當(dāng)過(guò)濾器、載油體、載水體、人造土壤等?？傊?，高分子泡沫塑料材料應(yīng)用非常廣泛，特別是在結(jié)構(gòu)泡沫塑料問(wèn)世之后，它己經(jīng)成為以塑代木的主要材料，隨著對(duì)高分子泡沫材料的認(rèn)識(shí)的和改進(jìn)，他的用途正在不斷被擴(kuò)大，近年來(lái)，這類(lèi)材料新產(chǎn)品層出不窮，性能不斷拓展(孟偉濤等，2011;劉新剛，2011)。

與化學(xué)交聯(lián)發(fā)泡法相比，氯化聚乙烯輻照交聯(lián)發(fā)泡法是一種簡(jiǎn)單易行、可操作性強(qiáng)，發(fā)泡效果好，對(duì)設(shè)備原料要求低的發(fā)泡方法(金標(biāo)義等，2010;冉祥海等，2010;郭振濤等，2010)。與物理發(fā)泡法相比，該方法對(duì)設(shè)備的要求相對(duì)較低，普通的擠出機(jī)就可以滿(mǎn)足發(fā)泡的需要，不需要昂貴的設(shè)備投資。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

氯化聚乙烯CPE135B，山東維坊亞星公司;發(fā)泡劑(AC)，天津鼎隆興化工貿(mào)易有限責(zé)任公司;輻照敏化劑，北京永昌貿(mào)易商行。

1.2 設(shè)備與儀器

GJ-15型地那米型電子加速器;QUANTA200型掃描電子顯微鏡(SEM)，荷蘭FEI公司;KS20型單螺桿擠出機(jī)，天津廣新盛海塑料機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將氯化聚乙烯與一定量的輻照敏化劑，成核劑共混后，通過(guò)單螺桿擠出造粒，在一定的溫度和轉(zhuǎn)速下，將造好的粒料與制備好的發(fā)泡劑母粒共混擠出片材。

片材擠出后，利用電子加速器按一定的劑量進(jìn)行輻照，片材輻照后，要進(jìn)行熱處理，熱處理的目的在于消耗輻照產(chǎn)生的殘余自由基，自由基的存在會(huì)影響材料的穩(wěn)定性，在熱處理數(shù)小時(shí)后，以消除因輻照而產(chǎn)生的殘余自由基，最后，在一定溫度、一定的發(fā)泡時(shí)間下放入烘箱中懸掛發(fā)泡。

1.4 檢測(cè)方法

1.4.1 發(fā)泡劑分解性能分析

稱(chēng)取一定量的發(fā)泡劑，在熱失重分析儀上測(cè)試發(fā)泡劑分解性能，升溫速率10℃/min，溫度范圍50～300℃。

1.4.2 凝膠含量的測(cè)定

采用平底燒瓶，加入二甲苯，裁取輻照后片材并用分析天平稱(chēng)重，用120目的不銹鋼絲網(wǎng)將試樣粒子包好，再稱(chēng)重，放在沸騰的二甲苯中煮12 h，真空干燥后稱(chēng)重，凝聚含量的計(jì)算公式如下:

1.4.3 泡孔形態(tài)

將發(fā)泡后的片材，制樣后，用掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)電鏡照片對(duì)泡孔形態(tài)及泡孔分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到孔徑尺寸、孔徑分布等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡材料凝膠含量與發(fā)泡的關(guān)系

電子束輻照是通過(guò)使氯化聚乙烯交聯(lián)的方法來(lái)提高聚丙烯的發(fā)泡能力的，在130℃下發(fā)泡，發(fā)泡前體系的凝膠含量及發(fā)泡后的拉伸強(qiáng)度、密度、硬度的數(shù)據(jù)(表1)。

表1 不同凝膠含量的發(fā)泡材料性能比較Table 1 Performance comparison of foaming materials with different gel content

表1中顯示凝膠含量過(guò)低，也就是對(duì)于氯化聚乙烯材料輻射交聯(lián)不好，導(dǎo)致發(fā)泡材料的各項(xiàng)指標(biāo)都不理想，應(yīng)該通過(guò)輻射劑量的調(diào)整來(lái)提高凝膠含量。因?yàn)檩^低的凝膠含量，體系交聯(lián)程度不夠，發(fā)泡時(shí)會(huì)出現(xiàn)泡孔塌陷，但是，如果凝膠含量過(guò)高，形成過(guò)交聯(lián)，就會(huì)束縛氣泡的膨脹，反而不利于發(fā)泡。

2.2 輻射交聯(lián)度與發(fā)泡形態(tài)的關(guān)系

輻射交聯(lián)程度低的片材，熔體的粘彈性低，發(fā)泡時(shí)承受不住氣體膨脹產(chǎn)生的張力而出現(xiàn)泡孔破裂、泡孔塌陷，發(fā)泡過(guò)程中容易產(chǎn)生并孔或開(kāi)孔，在較高的發(fā)泡溫度下，或者在較長(zhǎng)的發(fā)泡時(shí)間更易出現(xiàn)降解現(xiàn)象，即發(fā)泡后片材表面氣泡逃逸較嚴(yán)重，會(huì)有多處凹坑出現(xiàn)，而交聯(lián)程度較高的片材，發(fā)泡后表面會(huì)形成均勻的圓弧狀泡孔突起(圖1，2)。

對(duì)比圖1和圖2，圖1的發(fā)泡材料交聯(lián)程度低，發(fā)泡材料泡孔孔徑偏大，泡孔均勻性變差，由于有較嚴(yán)重的氣體逃逸，因此，發(fā)泡后密度也較低。

圖1 低交聯(lián)度發(fā)泡材料的SEM圖.1 Low degree of crosslinking foaming material SEM

圖2 高交聯(lián)度發(fā)泡材料的SEM圖.2 High degree of crosslinking foaming material SEM

2.3 發(fā)泡溫度對(duì)發(fā)泡材料的影響

發(fā)泡溫度是影響發(fā)泡的非常重要的因素，發(fā)泡溫度要在發(fā)泡劑的分解溫度之上，以保證發(fā)泡的分解，當(dāng)然，發(fā)泡溫度也不能太高，高溫有可能引起氯化聚乙烯材料的熱氧化降解。

首先，在氣泡成核階段，發(fā)泡溫度直接關(guān)系到氣泡成核，氣泡成核有熱點(diǎn)成核和異相成核兩種，對(duì)熱點(diǎn)成核來(lái)說(shuō)，溫度越高越有利于形成較多的氣泡核，而這些氣泡核的形成直接影響到發(fā)泡材料最終的泡孔密度。

其次，溫度的高低會(huì)影響到氣體在氯化聚乙烯熔體中的擴(kuò)散速率，溫度越高，擴(kuò)散速率越大，氣體逃逸到空氣中也越多，因此會(huì)影響到發(fā)泡材料的孔徑及發(fā)泡倍率，一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，形成的氣泡核越多，氣體逃逸的也越多，泡孔孔徑越小，發(fā)泡倍率越低，發(fā)泡材料密度越大。

3 結(jié)論

選用了氯化聚乙烯這種新型的發(fā)泡材料，氯化聚乙烯是一種飽和橡膠，有優(yōu)秀的耐熱氧老化、臭氧老化、耐酸堿、化學(xué)藥品性能。輻照交聯(lián)發(fā)泡法是一種新型的交聯(lián)發(fā)泡的方式，其具有簡(jiǎn)單易行、可操作性強(qiáng)，發(fā)泡效果好，對(duì)設(shè)備原料要求低的特點(diǎn)。

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