探究新型环保材料XPE的具体应用

贺 志

（广东美的制冷设备有限公司 广东 佛山 528311）

0 引言

随着人们环保意识的不断提高，各式各样的新型环保材料得到人们的关注。绿色环保材料几乎零污染且对身体健康不会造成危害，故应用在生活工作的各个领域，不但可以降低资源损耗，而且可以给人们提供良好的环境。

交联聚乙烯发泡材料（XPE）作为环保材料，因其特殊的泡孔结构和优异的吸音性、隔热性、缓冲性及耐化学腐蚀性等，而被广泛应用于各种设施、建筑行业、农业以及大型家电等领域，同时PE也是最早实现工业化批量生产和应用的发泡材料之一。XPE材料是用聚乙烯树脂加交联剂和发泡剂经过高温连续发泡而成，材料的化学性质相对稳定，不容易发生分解，使用中没有气味，且弹性好，同时克服了传统发泡材料容易发生破碎并且变形的缺点[1]。XPE材料具有吸水率低、防潮防震、成型性好、抗撞击能力强等优点，可以实现循环再造、做到环保节能，不仅满足人们的使用需求，同时也符合新时代绿色发展的环保理念。

1 交联聚乙烯发泡材料概述

1.1 XPE材料

XPE是化学交联聚乙烯发泡材料，它是通过在低密度聚乙烯树脂（PE）中加入交联剂、发泡剂以及其他改性剂，然后经过高温连续发泡而形成。与非交联聚乙烯发泡产品（EPE）相比，XPE材料的性能得到很大程度提高，耐水、耐热性提高的同时，还具有耐化学品腐蚀的性能，同时拉伸强度也得到提高，从而大大拓宽了XPE的应用范围[2]。XPE材料化学性质稳定，无毒无味，与其他PE类材料比，在环保性、耐用性以及抗撞击性等方面更加具有优势。在20世纪40年代初，DuPont公司最早研发出聚乙烯发泡材料[3]，他们以N2作为发泡剂，然后在聚乙烯熔点附近进行发泡，但这种方式不能实现连续化生产，并未得到广泛的工业化应用。直到20世纪50年代末，Dow公司采用四氟二氯烷（C2Cl2F4）为发泡剂才实现了工业化生产[4]，欧洲大约从1970年开始生产XPE发泡材料[5]。21世纪以来随着科技的发展和技术的成熟，XPE材料在工业化生产的同时广泛应用于各个领域。

1.2 XPE材料的性能

XPE作为一种新型环保材料，具备优异的性能，具体如下。

环保性：XPE是公认的无公害材料，生产时不会对环境造成污染，使用寿命长，在长时间的使用中也不会对环境造成危害，且在使用后容易回收，废弃后焚烧也不会造成严重的大气污染，环境危害小。

隔热性：在制备过程中形成的特殊气泡结构，可以减少在空气对流过程中产生的能量交换，从而起到隔热保温的作用。同时其能够防止结露现象的发生，可以在潮湿的环境中作为保温材料来使用，比如冰箱、空调等。

吸音性：由于发泡过程中形成的多孔结构能产生腔体共振，从而改变声音的频率，起到降低噪音的功能，它可以在强噪音环境下，作为隔音减震材料来使用，比如飞机、汽车、电动机、KTV、家庭影院等。

成型性：交联形成的网状结构使其耐热性强，密度均匀，延展性好，可以用于汽车内饰件及鞋材方面的材料。

缓冲性：XPE为半硬质发泡体，在受到强大的撞击后也不会很容易失去它本身所具备的性能，常用于精密电子元器件、贵重物品的包装以及食品缓冲衬垫等领域，在缓冲性的基础上，利用它可以根据需求制备任意形状尺寸的特性，可以用在体育用品制造领域。

此外，XPE还具有耐化学药品腐蚀的特性，燃烧产物主要为H2O与CO2，无毒无味，并且容易加工，可以根据客户需求任意裁剪，也可与任意形状的材料贴合。其作为新型节能环保材料，将来拥有广阔的应用前景。

2 交联聚乙烯发泡材料的具体应用

由于交联聚乙烯发泡材料兼具交联聚乙烯和发泡材料的优异性能，它在我们工作学习生活中应用十分广泛。XPE材料的具体应用如下。

2.1 包装领域

交联聚乙烯发泡材料的高缓冲性可以使产品在运输过程中受到物理碰撞时得到缓冲，减少产品的损坏，在包装行业中应用广泛，主要应用在容器固定、内衬包装等相关领域中，如酒类的包装、电子元器件、精密量具、刃具及电子产品、家用电器等要求较高的保护材料，见图1。在包装领域中，主要的发泡材料类型有聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚丙烯泡沫（EPP）、聚乙烯泡沫（XPE）等。其中，EPS是主要的发泡材料，占比接近60%，其次是EPP、XPE等发泡材料，占比分别是20%和15%。EPS具有不可降解及硬度较差的材料特性，所以，未来在包装材料领域中的发泡材料，EPS的消费呈现萎缩的状态，而EPP和XPE发泡材料的消费增速未来保持高速增长，预估消费增速在7%～ 10%。

2.2 体育休闲用品

交联聚乙烯发泡材料质量轻、吸水率低，使其在水上具有优异的漂浮性能，因此，较适合用来制作水上项目的体育器材，比如冲浪板、防沉垫、救生衣等用品。还可以利用它优异的缓冲性能制成护具、耐冲软垫、拳击手套、武术练习用地垫等缓冲防震用品[6]，也可以制备成学校教学用材料、儿童玩具、瑜伽垫、止滑防震垫、运动器材手柄套、防潮垫等，见图2。XPE材料无毒无异味，是公认的环保材料，在使用过程中，不会对皮肤产生任何副作用，也不会对人们的健康造成伤害，同时也不容易发生变形，使用体验感更加舒适，唯一的缺点是价格较高。此外，XPE能够表现出极强的弹性，回弹性非常好，它具有很好的隔热、防震作用，有很好的耐气候性，因此在制鞋行业中应用非常广泛。我们发现，XPE发泡材料在鞋材领域的应用占比较少，应用最多的是EVA橡胶，但由于该材料的抗撕裂性不是很强，抗剥离性弱，未来需要与其他材料进行融合改性来获得发展。在体育器材行业中，交联聚乙烯发泡材料是主要的应用发泡材料，占比超过70%，其次是PU、EPE、EPP等材料。由于在体育领域，PU多为海绵状，开孔的PU软泡具有良好的消震性能，故未来很可能会朝着XPE与PU相结合的方向发展，即内芯材料为XPE，表面材料为PU。

2.3 建筑工程领域

建筑行业是中国发泡材料最早应用的领域，也是应用规模最大的领域。建筑领域中应用的发泡材料主要有聚苯乙烯泡沫板（EPS）、挤塑板（XPS）、聚氨酯板（PU）。在建筑行业中，以上发泡材料主要应用于在建筑外墙保温、隔音减震垫、热水输送管材、地暖、人工草坪等方面[7]，见图3。在墙体保温材料领域中，存在对发泡材料替代的材料，如玻璃棉板、酚醛板等。但是，由于保温、隔音性能不如发泡材料，目前应用较少，大型工程设备墙体一般以发泡材料为主。人造草坪用XPE的发泡片材制备而成，质量轻、隔音性能好，能够防水防潮，对环境环保，对人类无毒并且使用寿命长。由于其既耐寒又耐热，温度适用范围很广，成品人造草坪可以以卷材的形式供应给有需求的用户，在运输和使用过程中很方便。未来无论是用于学校操场、儿童游乐园或者园林景观等，都能让人造草坪的舒适度及安全性能得到最大化发挥。隔音减震产品通过断绝楼板之间的固体传声，削弱声音，同时，通过腔体共振改变声音传播的频率，在隔绝撞击声的同时隔绝空气声，从而做到隔音减震，同时它还具备防水防霉的性能，适用于潮湿的环境[8]。所以，它是一种健康绿色且使用寿命高达30年以上的环保产品，可以广泛应用于KTV、工厂、家庭影院等有强烈噪音来源的娱乐场所，用于地面隔声，为周围住户带去安静。

XPE材料不仅避免了对环境的污染问题，而且它的表面还可以复合铝箔，从而让它的绝缘隔热、反辐射性能增强。同时，在用户的使用中，材料内部的孔洞结构对房屋能够起到一个缓冲减震的作用。甚至，人们在使用之前还可以根据需求在表面复合所需的材料，从而增强某一特定性能，比如，复合编织布可以增强抗撕裂能力。近年来，随着绿色可持续发展理念的不断加深，XPE材料在我国建筑领域中的占比不断提高，相信未来，我国XPE材料的在建筑行业中将会得到越来越广泛的应用，对它的需求量也会迅速加大。

2.4 大型家电领域

在大型家电领域，特别是冰箱、空调等，发泡材料有着广泛应用。一方面发泡材料可作为隔热保暖的材料应用，另一方面发泡材料作为隔音材料应用。XPE主要应用在冰柜、冰箱、冷库、空调、热水器等制冷或制热电器的保冷、保温材料以及麦克风、音响等电器的隔音内衬材料中等，见图4。在保温、保冷环境中应用的发泡材料，主要为PU（硬泡）和XPE，其中PU（硬泡）占80%，主要替代品为EPP。PU发泡材料具有较低的导热系数且可以根据需求制成各种形状大小，所以可以作为隔热保温材料应用于冰箱的门体以及箱体隔热层的制作。另外，XPE由于具有优异的隔热性和优良的成型性，外形美观，所以主要应用在空调领域，一般用于空调保温管和隔热异形件等。

2.5 交通领域

在汽车工业中应用的发泡材料，具有质量轻、缓冲减震、性价比高等优点，目前已经在车船制造业中有广泛的应用，主要应用在汽车中的保险杠、仪表台隔热减震、顶棚内饰、车门内饰、坐垫、脚垫、卡车睡垫等缓冲材料。据不完全统计，一辆车中用到的发泡材料有数百公斤之多。在汽车工业中，发泡材料被广泛应用在安全座椅减震材料，保险杠内部防撞缓冲材料，遮阳板、顶棚衬里、侧门防撞吸能块、垫材、扶手工具箱、隔音板以及装饰条等内装饰等，见图5。汽车内装饰材料通常使用聚氨酯泡沫材料，占比在80%以上。XPE可以作为替代品之一，但由于PU材料相对于其他材料具有非常明显的轻量化和成本优势，同时又具有较好的隔热、隔音、缓冲减震等性能，目前占主流市场。

2.6 医疗领域

每年有超过15万例髋关节和膝关节置换手术，超过50%的病人接受聚乙烯部件（超高分子量聚乙烯，UHMWPE）。随着时间的推移，聚乙烯的磨损会在体内引起异物反应，从而导致骨质疏松、疼痛，故需要重新植入。此外，由于伽马射线消毒造成的氧化性磨损在20世纪90年代引起了一些严重的故障。为了解决这些问题，人们开发了新的交联聚乙烯，其分子质量高于超高分子量聚乙烯，因此具有更高的耐磨性。同时，人们通过使用其他灭菌方法和抗氧化剂（如维生素E）稳定超高分子量聚乙烯，避免伽马射线灭菌引起的氧化性磨损[9]。除此，XPE在膝关节置换术以及膝关节成形术中具有独特优势。膝关节置换中XPE材料的应用见图6。

2.7 农业领域

交联聚乙烯发泡材料可以利用其出色的隔热性作为隔热材料来制备大棚保温被，见图7。这种大棚保温被是由许多层的XPE材料复合而成，具有优异的保温性能和满足需求的强度，同时还具有吸水率低、质量轻、抗光老化等性能。与传统的草帘覆盖相比，由于保温性，大棚的平均温度提高了15 ℃左右，同时由于高强度，它的使用寿命延长了5～10年[10]，在提高产能的同时还做到了降低成本，符合现代人追求的绿色、节能、环保、可持续发展理念，未来将有广阔的发展前景。

2.8 电线电缆领域

交联聚乙烯发泡材料可以应用于电线电缆的填充以及外部绝缘层、包覆层等领域，且尤其适用于超高压电缆，见图8。XPE作为电线电缆的填充材料，具有填充简单，且填充后完整度好等优势，同时，还可以避免整体松散不紧凑的问题。所以，采用XPE材料作为填充材料的电线电缆的结构更加稳定、表面更加平滑完整，性能更具优势。另一方面，XPE材料作为半硬质材质，刚性好，当它作为填充材料旋转成圈时不需要外部施加应力，很方便[11]。XPE材料较适用于高压电缆和超高压电缆的包覆层，故具有广阔的发展空间，未来中国电线电缆包覆层中XPE的应用消费增速高达10%及以上增长。

3 结语

在日常生活中，一次性塑料制品的使用和应用范围越来越广，废旧塑料的回收和再利用在我国的环保领域仍然是一个亟待解决的重大课题。近年来，国家和地方相继出台的“限塑令”也使人们提高了环保意识。交联聚乙烯发泡材料同时具备交联材料和发泡材料的性能，与传统的发泡聚乙烯材料相比，其泡孔结构更加均匀，弹性和力学性能更优。而且，XPE材料环保无公害，使用寿命长，易于回收，且在燃烧后主要以水与二氧化碳的形式排放到大气环境中，不会对环境造成污染，所以，其应用领域较广泛，主要应用于包装、休闲体育用品、建筑工程、大型家电、交通、医疗、农业、电线电缆等领域。随着制备技术的不断发展，未来XPE材料必将有更加广阔的发展前景。