发泡助剂和成核剂对聚乙烯发泡材料的影响

王伟 刘秀川 龙国荣

(1. 泰山体育产业集团，山东 德州, 253600；2. 山东省体育器材制造技术重点实验室，山东 德州, 253600)



发泡助剂和成核剂对聚乙烯发泡材料的影响

王伟 刘秀川 龙国荣

(1. 泰山体育产业集团，山东 德州, 253600；2. 山东省体育器材制造技术重点实验室，山东 德州, 253600)

讨论了2种偶氮二甲酰胺(AC)发泡助剂氧化锌(ZnO)、硬脂酸锌[Zn(ST)2]和滑石粉、碳酸钙2种成核剂对聚乙烯发泡材料(XPE)性能的影响。结果表明：AC发泡助剂能有效提高XPE的发泡速率、泡孔结构和回弹性；当ZnO∶Zn(ST)2∶AC质量比为0.02∶0.04∶1复配时，性能最优；当滑石粉的添加量为3份，碳酸钙添加量为1.5份时,效果最佳。

低密度聚乙烯 发泡剂 成核剂 复配

聚乙烯发泡材料(XPE)是一种无毒、无臭的环保型高分子材料，具有良好的耐冲击性、隔热性、耐水性和耐腐蚀性等，已广泛应用于日常生活中。

泡沫塑料的形成过程一般包括3个阶段，即气泡核的形成、长大和泡体的定型过程[1]。在实际生产中希望XPE既能在较低的温度下快速生成，而且泡孔细密均匀性能良好，因此选择合适的发泡助剂和成核剂是制作XPE材料的关键。下面以氧化锌和硬脂酸锌作为助发泡剂，滑石粉和碳酸钙作为成核剂，讨论其对XPE材料性能的影响，为XPE的精细化提供数据参考。

1 试验部分

1.1 主要原料

低密度聚乙烯(LDPE), 2426F,大庆石化分公司;偶氮二甲酰胺(AC),Dn15PE,江苏索普集团有限公司;过氧化二异丙苯(DCP),市售,上海高桥石油化工公司;氧化锌(ZnO),优级品,大连金石氧化锌有限公司; 硬脂酸锌[Zn(ST)2], 优级品,友强助剂有限公司;滑石粉,CMS-777,碳酸钙(CaCO3),HCMS-1000,均为合山化工有限公司。

1.2 主要设备及仪器

差示扫描量热仪(DSC)，DSC1，梅特勒-托利多公司；落球回弹仪，THT-500型，济南上地电子科技有限公司；热压机，HBSCR-500/20，青岛华博机械科技有限公司；开炼机，SK-160(B)，南京江都区轩宇试验机械厂；烘箱，XGK300，承德市开发区德盛检测设备有限公司；密炼机，K-100型，韩国金山公司；邵氏硬度计，LX-C型，上海六菱仪器厂；体式显微镜，SteREO Discovery V12，德国卡尔蔡司公司。

1.3 试样制备

发泡剂AC母料50份，交联剂DCP母料12份，LDPE基体树脂38份作为基体配方。将LDPE在开炼机上塑炼(温度为105 ℃)后依次加入AC母料,DCP母料,ZnO,Zn(ST)2,CaCO3和滑石粉等按一定质量比混炼均匀，薄通5～6次后下片，然后在热压机(140 ℃)上热压成型，冷却，备用。

将冷却成型的片材切成50 mm×50 mm小块，在240 ℃烘箱中进行鼓风发泡试验，得到XPE片材以备测试用。

1.4 性能测试

DSC测试样品的制备：将AC发泡剂母料与发泡助剂[ZnO,Zn(ST)2]按照一定的比例进行混炼，混炼均匀后，取适量，称重，放置坩埚中，在DSC仪器测试发泡剂的热分解特性。空气气氛下，以10 ℃/min升温速率至300 ℃，记录其变化过程。

密度按GB/T 6343测定；硬度按HG/T 2489—2007测试；回弹率按GBT 6670—2008测定。

2 结果与讨论

2.1 发泡助剂对XPE性能的影响

2.1.1 ZnO对XPE性能的影响

表1是ZnO添加量对XPE材料性能的影响。

表1 ZnO添加量对XPE材料性能的影响

注：AC母料50份；DCP母料12份；LDPE 38份，下同。

从表1可以看出，随着ZnO添加量的增加，XPE的密度略有减小，发泡时间变短，发泡速率明显提高。说明ZnO可明显提高AC发泡剂的发泡速度。根据发泡的状态可知，当ZnO∶AC质量比为0.03∶1时，得到的XPE材料泡孔均匀，细密，表观良好，且发泡速率快，材料的回弹性能优良。当ZnO∶AC的质量比超过0.05∶1时，XPE材料开始出现开裂现象，说明过多的ZnO使AC充分发泡，PE无法包裹足够的气体，导致材料出现轻微的开裂，不利于材料的制备。

2.1.2 Zn(ST)2对XPE性能的影响

表2是Zn(ST2)添加量对XPE材料性能的影响。从表2中可以看出，随着Zn(ST)2添加量的增加，XPE材料的密度略有增加，发泡速率提高，发泡时间变短，但当Zn(ST)2∶AC质量比超过0.08∶1时，发泡时间反而变长，说明Zn(ST)2的加入可在一定添加量范围内提高AC发泡剂的发泡速度。根据发泡的状态可得，当Zn(ST)2∶AC的质量比为0.06∶1时，得到的XPE材料泡孔均匀，细密，表观良好，且发泡速度快，回弹率高，有利于生产。

表2 Zn(ST)2添加量对XPE材料性能的影响

2.1.3 ZnO与Zn(ST)2复配对XPE性能影响

表3是ZnO和Zn(ST)2复配对XPE材料性能的影响。

表3 ZnO和Zn(ST)2复配对XPE材料性能的影响

从表3可以看出，当ZnO∶Zn(ST)2∶AC的质量比为0.02∶0.04∶1时，得到的XPE材料泡孔均匀，细密，表观良好，且发泡速度快，回弹性能优良，同时具有良好的热稳定性。在实际的生产过程中可以按照此添加比例进行复配，得到性能良好的XPE材料。

2．1.4 DSC热分析

图1是发泡剂AC及其助剂的DSC分析。

图1 发泡剂AC及其助剂的DSC分析

从图1可以看出，添加ZnO，Zn(ST)2后发泡剂AC分解反应的起始温度提前，说明ZnO，Zn(ST)2能够促进AC发泡剂的分解，锌元素的加入能够活化AC的热分解反应，促使放热反应向低温方向发生，有利于材料的制备。

2.2 成核剂对XPE性能的影响

为了能够使XPE材料的泡孔更加细密均匀，同时降低材料的生产成本，分别考察了滑石粉和CaCO3粉体对XPE发泡材料性能的影响。其中AC母料按照ZnO∶Zn(ST)2∶AC质量比为0.02∶0.04∶1进行复配。

2.2.1 滑石粉添加量对XPE材料性能影响

表4是滑石粉添加量对XPE材料性能的影响。

表4 滑石粉添加量对XPE材料性能的影响

从表4以看出，添加滑石粉后，XPE材料的密度和硬度均明显增加，这是因为添加了无机材料滑石粉(密度2.8 g/cm3)后，使发泡时成核点分布均匀，从而使XPE材料泡孔结构更细密均匀，表观良好，力学性能提高。当添加滑石粉3 份时，XPE材料的泡孔均匀，细密，硬度和回弹性能提高，发泡时间相对短，效果最佳。

2.2.2 CaCO3对XPE性能的影响

表5是CaCO3添加量对XPE材料性能影响。

表5 CaCO3添加量对XPE材料性能的影响

从表5可以看出，添加CaCO3后，XPE材料的密度和硬度均没有明显的变化，但XPE材料的回弹率升高，这是因为添加了CaCO3无机材料(密度2.7 g/cm3左右)后，使发泡时成核点分布均匀，从而使XPE材料泡孔结构更细密均匀，因此XPE材料的回弹性能提高。当CaCO3的添加量为1.5 份时，XPE材料的泡孔均匀，细密，硬度好，发泡时间相对短，效果最佳。CaCO3和滑石粉两者均能作为成核剂使用，不同之处在于，滑石粉添加后XPE材料的密度和硬度增加，而CaCO3添加后XPE材料的密度和硬度变化不大，因此在生产中如希望得到硬度较大的XPE材料可以选用滑石粉作为填料。

3 结论

a) 添加助发泡剂可以提高材料的发泡速率，改善材料的泡孔结构，当ZnO∶Zn(ST)2∶AC质量比为0.02∶0.04∶1进行复配，得到的XPE材料性能最优。

b) 通过DSC分析可以看出，添加ZnO,Zn(ST)2后发泡剂AC的分解反应起始温度提前，说明ZnO和Zn(ST)2能够促进发泡剂AC分解。

c) 滑石粉与CaCO3在XPE中是良好的成核剂，当滑石粉的添加量为3 份，CaCO3添加量为1.5 份时效果最佳。

[1] 傅志红，王洪，彭玉成.微孔塑料挤出成型中的成核密度及成核时间[J].中国塑料，2001，16(3)：43-45.

Effects of Blowing Promoter and Nucleating Agents on XPE Material

Wang Wei Liu Xiuchuan Long Guorong

(1.Tai Shan Sports Industry Group, Dezhou,Shandong,253600；2.Key Laboratory of Shandong Province for Manufacturing Technology Sports Goods, Dezhou,Shandong,253600)

The effects of two kinds of blowing promoters azodicarbonamide(AC) [ZnO and Zn(ST)2] and two kinds of nucleating agents (talcum powder and CaCO3) on properties of XPE material were discussed. The results show that blowing promoters AC can improve the rate, cell structure and recovery of XPE. When ZnO∶Zn(ST)2∶AC is 0.02∶0.04∶1,the properties of XPE materials are excellent. When the amounts of talcum powder and CaCO3are 3 phr and 1.5 phr respectively,the properties of XPE materials are excellent.

low density polyethylene; foaming agent; nucleating agent; compound

2015-08-24;修改稿收到日期:2016-03-22。

王伟，男，硕士研究生，主要从事高分子材料加工成型与复合材料方面的研究。E-mail:skywangwei2008@163.com。

助 剂

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.05.011