PE-木粉发泡包装材料的研究

赵学峰　庞绪富　郑立来　庞久寅

摘  要：聚乙烯/木粉发泡材料的常用辅助材料有聚乙烯树脂、发泡剂、催化稳定剂、填充剂、塑化剂等。不同配比的原材料制取的聚乙烯/木粉发泡材料的性能也不同。作者制取聚乙烯/木粉发泡材料的主要原理是利用发泡剂AC（偶氮二甲酰胺）、PE（聚乙烯粉末）、木粉、催化稳定剂（氧化锌）、增塑剂DBP（邻苯二甲酸二丁酯）、填充剂（碳酸钙）混合均匀的发泡原料放置在模具中。经过对不同配比条件下制得的聚乙烯/木粉发泡材料的性能测定分析得出比发泡剂AC用量为2%时，聚乙烯/木粉材料的发泡质量和发泡效果最好，以及加入适量木粉的条件下制得的聚乙烯/木粉发泡材料的拉伸性能更佳。

关键词：聚乙烯;木粉;拉伸强度

中图分类号：TQ323.41 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）17-0030-04

Abstract： The common auxiliary materials of polyethylene/wood powder foaming materials are polyethylene resin， foaming agent， catalytic stabilizer， filler， plasticizer， etc. The properties of polyethylene/wood powder foamed materials with different ratio of raw materials are also different. The main principle of polyethylene/wood powder foaming materials prepared by the author is to use the foaming agent AC （azodicarbonamide）， PE （polyethylene powder）， wood powder， catalytic stabilizer （zinc oxide）， plasticizer DBP（dibutyl phthalate）， filler （calcium carbonate） evenly mixed foaming materials placed in the mold. Through the determination and analysis of the properties of polyethylene/wood powder foaming materials prepared under different ratio conditions， it is concluded that when the dosage of foaming agent AC is 2%， the foaming quality and foaming effect of polyethylene/wood powder materials are the best， and the tensile properties of polyethylene/wood powder foaming materials prepared under the condition of adding an appropriate amount of wood powder are better.

Keywords： polyethylene; wood flour; tensile strength

我國于上世纪90年代初从国外引进硬质聚乙烯低发泡材料生产线，在消化引进国外先进技术的基础上，研制出自己的聚乙烯低发泡板材生产设备和技术，产品性能指标达到了国际水平。但是，由于企业引进设备比较早，国内的原料与之不配套，加之聚乙烯低发泡材料的生产设备还不成熟，产品质量波动很大，客观上也限制了产品的推广应用。随着人们对环境问题的日益关注和能源危机问题的加剧，迫使塑料合成工业生产不得不寻找新的出路[3]。聚乙烯/木粉发泡材料具有减少原料用量、能够降低生产能耗以及拥有很好的力学性能、优良的保温降噪等优点，因此在未来的一段时间里将会具有极大的市场应用潜力。

作者采用聚乙烯与木粉共混后，添加发泡剂，采用模压工艺，制备了聚乙烯木粉发泡材料，研究发泡剂AC、PE、木粉、催化稳定剂（氧化锌）不同配比条件下制得的聚乙烯/木粉发泡材料的性能。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料（见表1）

1.2 实验仪器（见表2）

1.3 试验方法

1.3.1 实验原理

聚乙烯/木粉发泡包装材料具有质轻、减震性好、较好的机械强度、耐酸碱和有机溶剂腐蚀、隔音隔热效果好、耐冲击韧性好和合成成本低廉等优点，被广泛应用于各行各业中。世界上许多国家都把聚乙烯/木粉发泡包装材料作为一个重要的工业材料。目前，在世界范围内使用聚乙烯/木粉发泡包装材料的合成方法主要有两种：物理发泡工艺和化学发泡工艺。与后者相比，物理发泡工艺过程中发生的化学反应比较少，合成过程中产生的污染相较于后者较小，其各个原料组分的温度敏感性比较低，并且气体的产生量和流量易于控制，生产效率高，被各个工业厂商广泛使用，合成技术相对比较成熟[5]。聚乙烯材料的物理发泡工艺主要分为三种;挤出成型发泡、模压成型发泡和注射成型发泡。目前国内合成聚乙烯发泡包装材料大多使用挤出成型和注射成型。本实验主要研究了用模压成型发泡法制取聚乙烯/木粉发泡包装材料的工艺并且研究了模压成型温度和各合成原料使用配比对得出的样品的性能影响。

气体在模具中的扩散是模压发泡生产工艺的重要环节。在泄压发泡时，会有一部分发泡剂分解产生的气体在饱和的聚乙烯材料中逃逸而损失。因为饱和的聚乙烯材料中的气体浓度较大而泄压瞬间外界气体浓度相对较小，所以会有气体从浓度较大的表层扩散使表面的气体浓度降低，与此同时聚乙烯材料内部同理。聚乙烯材料中的气体扩散逃逸降低了材料中的气体密度从而影响材料内泡孔的成核密度[9-11]。

1.3.2 实验步骤

用电子天平称取设计好的原料配比混合搅拌，为了在实验时更好地取出实验样品在模具中垫好铝箔纸（上下各两层），将混合好的原料放置于垫好铝箔纸的模具中。将硫化机升温到预先设置好的温度后，把模具放于模压机的下层平板上，按下上升按钮，拖料版上升并将磨具上下压在上下两板之间，模压压力3kPa。在达到约定的加热时间后，模压机蜂鸣器提醒，关闭模压机。此时实验还没有结束，待模具在模压机上冷却1h后泄压取下模具。将制成的聚乙烯/木粉发泡包装材料在模具中取出，并选材测量其性能。

本实验技术路线图如图1。

1.4 正交实验设计

在制取发泡聚乙烯/木粉的过程中，由于要考虑到发泡剂AC用量、PE/木粉的用量、ZnO用量三个因素，如果作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行3×3×3=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合重复，因此采用高效率、快速、经济的正交实验设计方法，以发泡剂用量、PE/木粉的用量和ZnO用量为主要因素进行3因素、3水平9组正交试验。

2 结果与分析

材料拉伸强度的测试：

原理：在制取的聚乙烯/木粉发泡包装材料试样上截取能够满足测量要求的小试样，然后夹持均匀横截面样品两端，用拉伸力将试样沿轴向拉伸，一般拉至断裂为止，通过记录的力来测定材料的基本拉伸力学性能[12-13]。

装置：采用数显式万能试验机。

试样：截小样的标准为;小样宽20mm长150mm以上的长条。

步骤如下：根据试验要求，用相应宽度的取样刀制取一定尺寸的试样。旋转蝶形螺杆，将试样一端夹紧在上夹头上;同样，旋转蝶形螺杆，将另一端夹紧下夹头上，然后点击控制器上的试验按键，当试件被拉断时，控制器的读数停止变动，记录下此时读数。进行下一组拉伸试验时，需要将控制器上数据清零再继续上述操作。

结果处理：对于每个试样，力以N为单位，记录下在这至少100mm拉伸长度内的拉伸力的最大值和最小值，计算出相应的拉伸强度。

拉伸强度的计算：

σt=p/（b×d）        （1）

式中：σt-为拉伸强度，MPa;P-为最大负荷，N;b-为试样宽度，mm;d-为试样厚度，mm。

注意：计算时采用的面积是断裂处试样的原始截面积，而不是断裂后端口截面积。

表4 聚乙烯/木粉发泡包装材料的拉伸强度

偶氮二甲酰胺不稳定，受热分解时主要生成氮、一氧化碳和二氧化碳等气体：N2 65%、CO3 2%、CO2 3%;分解产生残渣：联二脲、脲唑、氰尿酸。分解温度在200～210℃，高于聚乙烯的熔点，所以需要加入氧化锌对其进行改性降低其分解温度。偶氮二甲酰胺具有发泡效率高，价格便宜，发气量大，分解产物无毒无污染的优点，所以本实验选择偶氮二甲酰胺为发泡剂。

氧化锌作为催发泡稳定剂用来降低发泡剂AC的分解温度，缩短实验发泡时间，使起始分解温度和终了分解溫度的温度差小，也就是使发泡剂的分解带窄。

为了降低混合原料的熔融粘度和凝胶温度，使原料更容易发泡并且提高发泡质量，邻苯二甲酸二丁酯作为增塑剂加入，更好的获得聚乙烯发泡包装材料样品。

碳酸钙作为填充剂降低了实验成本，增加发泡倍率。其用量大概为PE和增塑剂总份数的十分之一到四分之一。

由表4的聚乙烯/木粉发泡包装材料的拉伸强度可知，反应过程中，发泡剂PE/木粉用量、AC用量对其拉伸强度的影响较大，对聚乙烯发泡包装材料影响的主次关系为：发泡剂PE/木粉用量>AC用量>氧化锌用量，最优组合为A1B1C2。因为氧化锌用量对实验结果的影响不大，根据所设计的实验可得出，每80克PE混合5克木粉，发泡温度为175℃，与4克氧化锌、20克碳酸钙和5毫升DBP相混合的原料制取的聚乙烯/木粉发泡包装材料拉伸强度最大为：20.83MPa。

经过SPSS软件进行数据分析，如表5所示，在95%的置信区间内，PE：木粉对应的Sig.值小于0.01，差异极显著，即PE：木粉对拉伸强度的影响有极显著差异。AC用量的Sig.值小于0.01，差异极显著，即AC用量对拉伸强度的影响有极显著差异。而ZnO用量的Sig.值为0.154，大于0.05，差异不显著，因此PE：木粉对拉伸强度的影响最大，其次是AC用量，这与所得的实验结果相吻合。

3 结论

使用模压法制得的聚乙烯/木粉发泡材料，根据国家标准GB/T 1040.2-2006中对聚乙烯材料的性能测定要求，经过测试证明，试样具有很好的强度。对所有性能测试结果分析对比得出：

（1）经过对制取的聚乙烯/木粉发泡包装材料的性能测定得出：发泡剂AC用量为2%时，聚乙烯/木粉材料的发泡质量和发泡效果最好。

（2）在聚乙烯/木粉的发泡过程中，在物料配比一定的条件下，氧化锌用量的多少，对整个发泡过程和发泡材料的性能没有明显影响。

（3）通过实验数据分析确定了最佳方案：每80克PE混合5克木粉，发泡温度为175℃，与4克氧化锌、20克碳酸钙和5毫升DBP相混合的原料制取的聚乙烯/木粉发泡材料拉伸强度最大为：20.23MPa。

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