聚丙烯发泡塑料性能突显研究开发大有可为（上）

肖 军

（湖北十堰化工材料公司）

聚丙烯发泡塑料性能突显研究开发大有可为（上）

肖 军

（湖北十堰化工材料公司）

聚丙烯是一种结晶聚合物，其发泡只能在结晶熔点附近进行，超过熔点熔体粘度迅速下降。通用聚丙烯树脂的熔体强度很低，发泡成型非常困难。但和其他聚烯烃材料相比，聚丙烯具有较高的刚性、优良的力学性能、良好的热和化学稳定性。首先综述了研究开发聚丙烯发泡材料成为创新热点，接着分析了聚丙烯发泡材料的性能特点及应用领域，然后介绍聚丙烯材料的发泡制备技术，最后讨论聚丙烯泡沫塑料的成型工艺，同时指出了聚丙烯材料发泡制品的应用与市场发展前景。

聚丙烯 发泡塑料 性能特点 制备技术

泡沫塑料中，聚丙烯PP发泡材料有很多优点：聚丙烯刚性优于聚乙烯PE，PP弯曲模量大约为1.52GPa，PE仅为207MPa，耐化学性与PE相似；聚丙烯的玻璃化温度低于室温，抗冲击性能优于PS，而且相比PS泡沫的难回收性，聚丙烯泡沫是一种环境友好的材料；聚丙烯有较高的热变形温度，可以在一些高温领域中应用。聚丙烯是一种结晶聚合物，其发泡只能在结晶熔点附近进行，超过熔点熔体粘度迅速下降。通用聚丙烯树脂的熔体强度很低，发泡成型非常困难。但和其他聚烯烃材料相比，聚丙烯具有较高的刚性、优良的力学性能、良好的热和化学稳定性。因此，聚丙烯无疑是制备发泡制品的首选材料，但聚丙烯发泡技术的起步则相对较晚，加速对聚丙烯发泡技术，尤其是聚丙烯环境友善发泡技术的研究、开发和推广应用，已成为各国关注的焦点，新技术不断推出，部分已商业化。

1.研究开发聚丙烯发泡材料成为创新热点

泡沫塑料种类很多，我们日常生活中经常接触的有：聚丙烯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料、环氧树脂泡沫塑料等等。其中应用最为广泛的要属聚苯乙烯泡沫塑料和酚醛泡沫塑料了。泡沫塑料也叫多孔塑料。以树脂为主要原料制成的内部具有无数微孔的塑料。质轻、绝热、吸音、防震、耐腐蚀。广泛用做绝热、隔音、包装材料及制车船壳体等。泡沫塑料的分类方法较多，常见的有三种。按硬度分类分为软质泡沫塑料、硬质泡沫塑料和半硬质泡沫塑料三类。软质泡沫塑料弹性模量小于70MPa；硬质泡沫塑料弹性模量大于700MPa；半硬质泡沫塑料弹性模量70－700MPa。按密度分类分为低发泡、中发泡和高发泡泡沫塑料三类。低发泡泡沫塑料密度大于400kg／m3；中发泡泡沫塑料密度100－400kg／m3；高发泡泡沫塑料密度小于100kg／m3。按泡孔结构分类微孔间互相连通的称为开孔型泡沫塑料，互相封闭的称为闭孔型泡沫塑料。

聚苯乙烯泡沫塑料曾经是应用最为广泛泡沫塑料品种。但由于聚苯乙烯制品废弃物体积大、不腐烂、难回收，对周围环境造成“白色污染”，所以欧洲共同体制定了强制性的“包装规则”，将发泡PS列入“避免使用”范围，联合国环保组织也决定在全世界范围内停止生产和使用发泡PS。聚氨脂泡沫片材在发泡过程中存在对人体有害的异氰酸脂残留物，而且发泡材料无法回收。聚乙烯泡沫塑料具有优异的抗化学腐蚀性、吸震性、燃烧无毒性和易于回收性，人们对聚乙烯泡沫塑料的性能及其发泡性能、发泡过程进行了大量的研究，但是聚乙烯泡沫塑料存在力学性能比较低，耐热性不高，不易于降解的缺点，限制了其广泛应用。聚丙烯泡沫塑料就是人们近年来寻找到的一种新型的泡沫塑料，与其它泡沫塑料相比，聚丙烯泡沫塑料不但具有优异的力学性能和热性能，而且具有可回收、可降解等优异的环保性能，引起了各国研究者、生产商和消费者的极大兴趣，各国投入了大量的人力、物力进行研究开发，目前几乎所有的世界著名的聚合物生产商都在进行研究开发。

与其他发泡材料制品相比，聚丙烯发泡材料是一种性能卓越的高结晶型聚合物／气体复合材料，以其独特而优越的性能成为目前增长最快的新型的环保、抗压、缓冲、隔热材料。聚丙烯发泡制品具有良好的热稳定性，其热变形温度远高于聚乙烯发泡材料，其最高使用温度可达130℃，并且高温下制品的尺寸稳定性好。同时由于聚丙烯的玻璃化温度低于室温，这使其具有比PS更高的抗冲击性能，所以聚丙烯发泡材料具有十分优异的抗震吸能性能以及高的形变后回复率。另外聚丙烯泡沫塑料还具有很好的耐热性、耐化学品、耐油性和隔热性，具有较高的拉伸强度和抗冲击强度以及较高的韧性、适宜和柔顺的表面、优异的微波适应性、良好的环境效应和易于回收等优点。这些优越性使PP发泡材料广泛应用在包装、汽车缓冲和隔热材料等各个领域。发泡PP是一种环保材料，其主要成分为热塑性树脂聚丙烯，不仅可回收再利用，而且由于聚丙烯分子链上具有活泼的甲基氢原子，在光照作用下容易产生分子链降解反应，这使材料具备自然光降解的特性，如果对其进行生物改性还可以使其具备生物降解特性，从而制得光／生物双降解材料，这样在作一次性包装材料使用时就不会造成白色污染，大大减轻对环境的压力。所以发泡聚丙烯也是制备环保型发泡包装制品的首选材料。聚丙烯发泡材料可以借助于现有的挤出设备及二次成型设备进行生产，固定资产的投资远远低于PS和聚氨酷泡沫塑料，其生产工艺也比较简单，可以采用挤出发泡成型片材，再进行热成型，发泡PP片材总的加工成本低于现有的其他发泡材料。因此聚丙烯发泡材料的研制成功具有重大的实际意义，它必将带来发泡材料生产与应用领域的革命，从根本上改变国内外泡沫塑料市场格局，所以聚丙烯发泡材料的生产己经成为新的创新热点，我国也将其列为十二五塑料发展的重点。

2.聚丙烯发泡材料的性能特点及应用领域

聚丙烯泡沫塑料是以聚丙烯树脂为主体，加入发泡剂及其它添加剂制成。它机械强度较好，有优良的抗拉强度、柔韧性和弹性摩擦系数大，耐磨性能好，有助于制止与其相接触的光滑表面的滑动密度小，绝热性优良，无毒、无味等，但它对光的稳定性差。

工业上用的聚丙烯塑料发泡材料（EPP），由固体和气体两个相组成，呈黑色、粉红色或白色的颗粒状，直径大小一般在Ф2～7 mm之间。EPP颗粒的外壁是闭合的，内部充满了气体。通常，其固相成分只占总重量的2%～10%，其余部分均为气体。该发泡材料具有如下特性：比重轻，其密度一般为17～100 kg／m3。客户可根据不同模制品的需求，选用不同密度大小的预发泡原料；耐温能力强，通常可承受－40℃～110℃的温度，在短时间内可承受的温度范围甚至更大；缓冲性能好，即使在垫层不厚的情况下也能起到很好的缓冲作用；可以100%的回收利用，与其他泡沫材料相比，EPP是一种纯粹的碳氢化合物，不含增塑剂或发泡剂等其它任何不利于再循环的化学物质，因此加热后即可消解，燃烧后留下的只是水和二氧化碳。即使是在100℃下进行雾测试，也能满足环保法规的要求。此外，当EPP与其他聚丙烯如PP薄膜、注塑骨架、TPO面料等结合在一起时，还可实现所谓的“材料一体化系统”，即该系统在被回收利用时不需要进行分解。

聚丙烯（PP）刚性优于聚乙烯（PE），PP弯曲模量大约为1.52GPa，PE仅为207MPa，耐化学性与PE相似。其压缩强度略低于硬质PUR和发泡PS，但比软质PUR和PE高。聚丙烯的玻璃化温度低于室温，抗冲击性能优于PS，而且相比PS泡沫的难回收性，聚丙烯泡沫是一种环境友好的材料。聚丙烯有较高的热变形温度，可以在一些高温领域中应用。发泡聚丙烯通常能耐130℃的高温，比聚乙烯泡沫的最高使用温度80℃高得多。封闭式泡孔结构使其热导率不会因潮湿而受影响，因此可用作保温材料；制品即使在－30℃时也表现出很好的性能。由于PP发泡制品具有很好的吸收能量特性，具有优异的抗压吸能性能。广泛应用于汽车保险杠能量处理系统及其他防冲撞吸能部件；PP发泡制品受多次连续撞击和挠曲变形后会很快恢复原始形状，而不产生永久形变。PP发泡制品的密度能够达到很低水平，因此能大幅度降低重量，同时PP发泡制品柔韧性好，可反复使用，不易破碎。易回收再利用，易分解，制品不含对人体有毒有害的成分，燃烧不产生有毒物质；PP发泡制品是半硬质成形，具有适度的硬度、柔软性，不会擦伤、碰伤与其接触的物体，具有较好的表面保护性。

发泡聚丙烯通常能耐130℃的高温，比聚乙烯泡沫的最高使用温度80℃高得多。封闭式泡孔结构使其热导率不会因潮湿而受影响，因此可用作保温材料。良好的低温特性：制品即使在－30℃时也表现出很好的性能。能量吸收：由于PP发泡制品具有很好的吸收能量特性，具有优异的抗压吸能性能。广泛应用于汽车保险杠能量处理系统及其他防冲撞吸能部件。尺寸形状恢复稳定性：PP发泡制品受多次连续撞击和挠曲变形后会很快恢复原始形状，而不产生永久形变；质量轻且能够反复使用：PP发泡制品的密度能够达到很低水平，因此能大幅度降低重量，同时PP发泡制品柔韧性好，可反复使用，不易破碎，易回收再利用，易分解，制品不含对人体有毒有害的成分，燃烧不产生有毒物质。具有良好的表面保护性和隔音性能：PP发泡制品是半硬质成形，具有适度的硬度、柔软性，不会擦伤、碰伤与其接触的物体，具有较好的表面保护性。聚丙烯树脂具有质轻、原料来源丰富、性能价格比优越以及优良的耐热性、耐化学腐蚀性、易于回收等特点，是世界上产量增长量最快的通用热塑性树脂。目前我国PP树脂已成为产量最大的树脂品种。然而应用主要是编织产品和农用薄膜，PP树脂行业面临消费结构单一，需求不旺且产品档次低的问题。各树脂生产企业都在积极调整生产思路，开发生产适销对路、高质量、高附加值的专用料，以使PP具有更大的应用价值和经济效益。近年来聚丙烯泡沫的研究开发也成为热点，尽管聚丙烯发泡产品具有良好的性能和应用前景，但聚丙烯泡沫的开发难度很大，目前国内尚未有其相关的、可工业化的核心技术。一些发达国家正在大力发展并作为替代发泡聚苯乙烯的绿色包装材料。

发泡塑料模板（PP发泡板）耐摩擦，易清洗，阻燃性好，使用寿命长，能承受巨大的负荷。而且这种模板周转次数多，可反复利用，与木模板、竹胶板相比，可降低工程造价。此外，这种模板还可以根据工程需要灵活调整规格，减少接缝数量，大大提高支模效率。现今，该生产技术已成功的应用在市场。并给企业带来料很好的经济效益和很好的社会效益。该技术在国内处于技术领先地位，完全可以与发达国家制造的塑料模板相媲美。现在各地有生产基地。这些生产基地的建立，对再生聚烯烃塑料带来了广阔的市场，特别是PP再生塑料的低发泡改性带来了可喜的市场前景。

复合发泡塑料模板为塑料合金类，属高科技产品，技术已达到国际领先水平。塑料模板的整体性好，表面硬度高，耐磨擦，易清洗，施工温度适应范围大，耐热耐寒，抗老化，能承受各种施工负荷、重量轻、使用寿命长、施工轻便。省工：省工40%以上，有效降低人工成本。省时：省时40%以上，大幅提高施工效率，广泛适用于高层建筑及桥梁施工。周转率高，可周转使用50次以上。可反复回收再利用：可进行回收再加工，充分利用废旧原料。

无烟绿色环保，无任何有毒有害气体排放；幅面大，最大宽度为2000mm，长度不限。宽度，长度都可以根据工程需要任意调节，减少接缝数量，可大大提高支模工作效率。

有足够的机械强度，不翘曲、不开裂、不变形。耐水性能好，在水中长期浸泡不分层，不起泡，板材尺寸稳定。韧性好，可做变曲面的模板。脱模容易，除去下方支撑，基本自动脱落。

塑料模板属高分子材料，表面光洁度高，做清水混凝土，浇注物件表面光滑美观，混凝土浇注后能够达到清水墙要求，减去墙壁二次抹灰工艺，可直接贴面装饰，减缩工期30%。产品耐酸、耐碱，防腐性能好，非常适合在沿海地区、地下工程、矿井、海堤坝等工程中应用。使用和存放均不需要做任何防腐处理，不污染混凝土表面。施工性能好，可锯，可钻，纵、横向可以任意连接组合，钉、锯、钻孔等性能优于竹木胶合板、小钢模。可以根据施工需要加工成各种形状的钢框模板。安装拆卸施工方便、快捷、安全，支撑操作方便，有利于组织施工，可有效提高施工进度。

随着时代科技的进步，聚丙烯塑料发泡材料因其环保性，耐用性等优良性能，在现代许多行业有着广泛的应用。聚丙烯塑料发泡材料（epp产品）的应用领域有：包装行业（如：计算机、高级医疗器具、精密仪器、声像材料、照相机、液晶玻璃、陶瓷、工艺品、各种家用电器等的防震缓冲包装，以免在运输过程中遭受损伤及破坏）。汽车行业如：汽车保险杠、汽车侧面防震芯、汽车车门防震芯、高级安全汽车座椅、工具箱、后备箱、扶手、底垫板、遮阳板、仪表盘等。据统计数据反映：目前每辆汽车平均用塑料100－130kg，其中应用EPP塑料约4－6kg；电子行业结构件（如：冰箱空调内衬、太阳能热水器上下尾托、通信设备内衬板等等）；物流运输行业（如：EPP保护隔材、EPP栈板、EPP托盘、EPP周转箱等）；玩具模型及体育用品（如玩具模型：飞机模型，船只模型；体育用品：运动头盔，冲浪板，浮桶，运动垫；建筑行业可作为保温、隔音效果好的建筑材料。由于EPP材料的低热传导性、低水蒸气透过性、高能量吸收性及压缩性，使其适于填充不平坦表面的空隙，如作为屋顶、墙壁、混凝土板、公路的伸缩缝中的填料、密封剂保持物、密封条等。EPP发泡板通过减小热和湿气的损失可以促进混凝土的凝固。利用其低热传导性，EPP泡沫塑料可用于普通建筑的屋面衬垫材料，通过EPP泡沫衬垫可以减小多层建筑的声音传播。

3.聚丙烯材料的发泡制备技术

根据泡沫塑料发泡成型中发泡动力的来源，一般可分为机械发泡、物理发泡、化学发泡三种类型。机械发泡是借助于机械的强力搅拌，使气体均匀地混入树脂中形成气泡。

物理发泡则是借助于发泡剂在树脂中物理状态的改变，形成大量气泡。化学发泡是依靠发泡剂发生化学变化时产生气体使树脂发泡。PP发泡大多采用化学发泡，使用的发泡剂有偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸二异丙酯等，亦可使用氮气作物理发泡剂进行物理发泡。

泡沫塑料的发泡过程一般可以分为二个阶段：首先是在塑料熔体或液体中形成大量均匀、细密的气泡核，然后再膨胀成为所要求的泡体结构，最后固化定型将泡体结构固定下来，得到泡沫塑料。化学发泡聚丙烯泡沫可以按类似聚乙烯的发泡工艺，采用普通的挤出法制造，而物理发泡法一般需要设置专用的发泡剂计量、加压和注入系统，发泡剂通常是在聚丙烯完全熔融的挤出机相应位置处直接加入。随着对环境保护、消费后塑料回收和制品性能价格比等要求的提高，以CO2、N2、丁烷和戊烷等物理发泡剂为主的物理发泡法得到了广泛的重视。以往的CO2物理发泡法所需施加的气体压力在7MPa以下，所得发泡制品大多数为开孔或者是大直径泡孔结构。为了得到更高泡孔密度的闭孔结构发泡制品，通常将发泡剂在超临界状态下注入聚合物基体。实质上，聚合物在成型加工的过程中，要承受高温高压的作用。这个高温高压的加工区与这些发泡剂的超临界相态区常常也是一致的。

流体在其临界温度和临界压力以上所处的状态，称为超临界状态。处于超临界状态的流体也称为超临界流体。超临界流体具有相对较大的、与液体相近的密度，因而有很高的溶解度，同时又具有与气体相近的粘度，流动性比液体好得多，传质系数也比液体大得多。采用超临界流体制备微孔结构聚合物材料的基本方法，是将超临界流体高度饱和的聚合物熔体／气体混和体系，在其冷却过程中诱导极大的热力学不稳定性，通过控制或改变共混体系的压力和温度等工艺参数，从而在聚合物基体中形成大量的以超临界介质为泡核的微孔结构材料。其主要步骤为：形成聚合物／气体饱和体系。在一定温度下，采用适当方法，使高压非反应性气体（CO2或N2）溶解在聚合物中，形成浓度均匀的聚合物／气体饱和体系。体系的气体浓度一般可达到5%～20%（质量分数，下同）。气体在聚合物中的溶解过程为扩散控制，速度慢、耗时长，可采用提高温度和压力的方法加快扩散速度。气核引发通过降低压力和／或升高温度，使聚合物／气体饱和体系进入热力学不稳定状态，成为过饱和体系，此时体系内的气体需要达到低自由能状态，因而通过均相成核和异相成核，几乎同时形成大量气核；气泡增长，体系内的过饱和气体，扩散入气核，使气泡增长，体系的自由能持续降低。气泡增长由允许增长时间、体系温度、过饱和状态、体系应力状态和粘弹性控制。微孔结构定型通过淬火等方法使得到的泡体结构固定。上述各个步骤中，得到均匀的高浓度聚合物／气体体系、气核引发以及气体溢出控制是工艺的关键所在。这个过程牵涉到复杂的物理化学过程。采用该工艺制备的聚丙烯发泡材料的泡孔很细小，一般为5～30mm。与传统技术生产的泡沫片材相比，这种微孔泡沫的拉伸强度和压缩强度比同样密度的发泡片材高30%～40%，而且可以在现有生产线上生产。

超临界流体技术为微孔结构聚合物材料的制备提供了广阔的前景。微孔结构聚合物的定义是，气泡密度在109～1012孔／cm3、气泡直径在1～10μm、相对密度（发泡制品的密度与纯塑料密度之比）为0.05～0.95的闭孔泡沫塑料。微孔结构材料不但能减轻重量，降低材料消耗，而且其力学和热学性能都有更明显的改善。由于微孔结构材料具有更高的冲击强度，能吸收更多的能量，其疲劳寿命可以数倍甚至数十倍地提高，同时其绝缘绝热、隔音、保温性能也会大幅度地增加。因此，优良的微孔结构材料既可以用做隔热、过滤、包装和建筑材料，也可以广泛用作日用品和工程结构材料。

最近几年，一些公司还采用了交联工艺路线来制备聚丙烯发泡制品，如采用PP和PE的混和物，将PE交联等。但是这种工艺更复杂，投资更高。英国的Zote公司推出了一种微交联的热成型PP泡沫塑料，采用了两阶工艺，即首先挤出3mm厚的不发泡片，然后用过氧化物将其交联或者采用辐照交联，之后将其切成一定的长度，再将其置于高压釜中，使其受热受压，同时使N2溶入其中。一定时间后将片材移到一个低压釜中，使气体从体系中逸出，这时片材膨胀到原来的22倍左右，其中有10%的闭孔结构，密度为0.3g／cm3。最后，根据需要切成所需要的厚度。该公司欲将其产品应用到汽车和运动器材上。

众所周知，纯聚丙烯是难以进行发泡加工的，但是采用共混改性的方法同样也能提高体系的发泡性能。共混的方法很多，可以将聚丙烯与其他聚合物进行共混改性以获得利于发泡加工的形态结构，也可以在聚丙烯基体中混入适当的助剂或填料，来改进体系的发泡性能。

（未完待续：见本刊2014年第6期）

Pp foam plastic performance highlights the research and development

Xiao Jun
（Hubei shiyan chemicalmaterials company，442001）

polypropylene is a crystalline polymer，its foam only near the crystalmelting point，more than melting pointmelt viscosity drops rapidly.General low melt strength of polypropylene resin，foam molding is very difficult.But compared with those of other polyolefin material polypropylene has high rigidity，excellentmechanical properties，good thermal and chemical stability.First summarizes the research development of polypropylene foam material，aswell as the innovation，then analyzed the performance characteristics and application fields of pp foam material，then introduces foaming preparation technology of polypropylenematerials，the final discussion of polypropylene foam plastic molding process，and points out the application and market prospect of polypropylene foam material products.

polypropylene foam plastic properties preparation technology