低密度硬質(zhì)交聯(lián)PVC發(fā)泡板尺寸收縮的影響因素

李志龍,尹建平,童曉鵬

(新疆天業(yè)天偉化工有限公司,新疆 石河子 832000)

泡沫塑料具有質(zhì)輕、隔熱、緩沖、絕緣、防腐、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在日用品、包裝、建筑、交通運(yùn)輸、軍事、航天工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，給人們的生活帶來了很大的方便[1]。但是由于泡沫塑料阻燃性能差，存在巨大的安全隱患。例如2017年6月14日，倫敦格倫費(fèi)爾大樓火災(zāi)就是因?yàn)榉拗惺褂玫耐鈮Ω魺岣粢舯夭牧献枞嫉燃壊贿_(dá)標(biāo),導(dǎo)致火勢迅速蔓延,最終造成71人死亡,成為二戰(zhàn)以來倫敦死亡人數(shù)最多的一次火災(zāi)。

目前市場上常見的保溫材料主要有聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯和PVC。前3種保溫材料的阻燃性能都較差，但由于其具有較高的性價(jià)比而在保溫行業(yè)大量使用，而阻燃性能較好的PVC泡沫材料則以軟質(zhì)泡沫材料和高密度泡沫材料為主。國內(nèi)對低密度硬質(zhì)交聯(lián)PVC泡沫材料的研究較少，目前還沒有成熟的產(chǎn)品投放市場。針對這種形勢，新疆天業(yè)天偉化工有限公司經(jīng)過1年的努力，開發(fā)出了一種低密度硬質(zhì)交聯(lián)PVC發(fā)泡板(以下簡稱發(fā)泡板)，經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測其性能完全滿足外墻保溫的要求，且價(jià)格和聚苯乙烯發(fā)泡板相差不多，具有很強(qiáng)的競爭力。現(xiàn)階段該發(fā)泡板已進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，下面就生產(chǎn)過程中發(fā)泡板尺寸收縮的影響因素進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試驗(yàn)原料

主要試驗(yàn)原料見表1。

表1 主要試驗(yàn)原料Table 1 Main raw materials for test

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備見表2。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備Table 2 Main instrument for test

1.3 試樣制備

①將稱量好的原料依次加入捏合機(jī)中，攪拌10～20 min后備用。②將有機(jī)溶劑和穩(wěn)定劑添加到捏合機(jī)中捏合30 min，待物料完全混合均勻后備用。③將平板發(fā)泡機(jī)溫度設(shè)置在150～180 ℃，壓力設(shè)置在10～15 MPa，冷卻溫度設(shè)置在30～50 ℃后備用。④將混合好的物料無間隙地加入模具后合模，保壓30 min后開模得到初始發(fā)泡板。⑤將得到的初始發(fā)泡板放入80～110 ℃烘箱中加熱10～12 h，取出讓其自然冷卻，最后經(jīng)修剪得到產(chǎn)品。

1.4 性能測試

發(fā)泡板的尺寸用數(shù)顯標(biāo)尺直接測量。

PVC糊樹脂的黏度按GB/T 12004.4—2003《聚氯乙烯增塑糊表觀粘度的測定 Brookfield試驗(yàn)法》測定。

水含量按GB/T 2914—2008《塑料 氯乙烯均聚和共聚樹脂 揮發(fā)物(包括水)的測定》測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVC糊樹脂黏度

筆者考察了PVC糊樹脂黏度對發(fā)泡板尺寸的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 PVC糊樹脂黏度對發(fā)泡板尺寸的影響Table 3 Effect of viscosity of PVC paste resin on dimension of foamed board

由表1可以看出：PVC糊樹脂黏度在2 500～3 000 mPa·s時(shí)，得到的發(fā)泡板尺寸最大。原因可能是：當(dāng)PVC糊樹脂黏度較低時(shí)，氣體逸散速度快，致使后處理過程中泡孔保持內(nèi)外氣壓平衡的時(shí)間縮短，分子鏈內(nèi)的大部分應(yīng)力沒有來得及釋放，泡孔尺寸收縮，導(dǎo)致得到的發(fā)泡板整體尺寸下降，且表面粗糙，嚴(yán)重影響外觀質(zhì)量；隨著PVC糊樹脂黏度的增加，氣體逸散速度降低，泡孔保氣能力增強(qiáng)，后處理過程中泡孔保持內(nèi)外氣壓平衡的時(shí)間延長，分子鏈內(nèi)殘存應(yīng)力減少，泡孔收縮減小，發(fā)泡板尺寸增加，表面平整光滑；當(dāng)PVC糊樹脂黏度進(jìn)一步增加時(shí)，殘留在泡孔內(nèi)的氣體減少，其產(chǎn)生的膨脹力不足以抗衡分子鏈產(chǎn)生的收縮力，導(dǎo)致泡孔收縮，發(fā)泡板尺寸隨之降低。

2.2 交聯(lián)體系

以BIBP(雙叔丁基過氧化二異丙苯)為主交聯(lián)劑，TMPTA(三羥甲基丙烷三丙烯酸酯)為助交聯(lián)劑，考察交聯(lián)體系對發(fā)泡板尺寸的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 交聯(lián)體系對發(fā)泡板尺寸的影響Table 4 Effect of crosslinking system on dimension of foamed board

從表4可以看出：隨著主交聯(lián)劑的加入，發(fā)泡板尺寸明顯增加，但當(dāng)用量達(dá)到1.4份以后，發(fā)泡板尺寸變化不大，厚度反而有所下降，且顏色發(fā)黃；在1.0份主交聯(lián)劑的基礎(chǔ)上加入2份助交聯(lián)劑后，發(fā)泡板尺寸增加也比較明顯(尤其是厚度)，且發(fā)泡板泡孔變細(xì)，顏色恢復(fù)正常；隨著助交聯(lián)劑用量提高到4份，發(fā)泡板尺寸反而出現(xiàn)收縮，且顏色發(fā)黃。

原因可能是：當(dāng)未加入主交聯(lián)劑時(shí)，熔體強(qiáng)度不足，保泡能力差，導(dǎo)致發(fā)泡板尺寸小，且泡孔不均勻；隨著主交聯(lián)劑的加入，熔體強(qiáng)度增加，保泡能力增加，收縮率降低，得到的發(fā)泡板尺寸增加；當(dāng)主交聯(lián)劑的用量進(jìn)一步增加時(shí)，其作為過氧化物對PVC的降解有一定的促進(jìn)能力，導(dǎo)致熔體強(qiáng)度反而下降，且發(fā)泡板因降解而顏色發(fā)黃；當(dāng)加入2份助交聯(lián)劑時(shí)，主交聯(lián)劑的交聯(lián)速率加快，對PVC的降解作用降低，從而使熔體強(qiáng)度提高，得到的發(fā)泡板尺寸增加，且泡孔和顏色都較好；當(dāng)加入4份助交聯(lián)劑時(shí)，交聯(lián)體系已經(jīng)過量，導(dǎo)致PVC降解，發(fā)泡板尺寸收縮、顏色發(fā)黃。

2.3 原料水含量

用水分測定儀測定粉料中的水含量，用卡爾費(fèi)修水分測定儀測定有機(jī)溶劑中的水含量，考察放置不同時(shí)間的原料中水含量的變化及其對發(fā)泡板的影響，結(jié)果見表5。

表5 原料水含量對發(fā)泡板質(zhì)量的影響Table 5 Effect of water content of raw materials on quality of foamed board

由表5可以看出：填料和有機(jī)溶劑的水含量隨放置時(shí)間的延長變化不大，而PVC糊樹脂的水含量隨放置時(shí)間的延長明顯上升；當(dāng)PVC糊樹脂中含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1%時(shí)，對發(fā)泡板質(zhì)量影響不大；當(dāng)PVC糊樹脂中含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥1%時(shí)，發(fā)泡板開始收縮，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成邊角開裂。原因可能是：當(dāng)PVC糊樹脂中含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥1%時(shí)，在加工過程中水分無法完全揮發(fā)出去，而其與PVC熔體相容性差，一部分水分會(huì)在熔體表面形成水蒸氣層，導(dǎo)致開模阻力增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使發(fā)泡板表面產(chǎn)生缺陷，甚至邊角撕裂；一部分水分會(huì)殘留在PVC熔體中，在后處理過程中因水的沸點(diǎn)比有機(jī)溶劑低，其揮發(fā)速度相對較快，使泡孔保持內(nèi)外壓平衡的時(shí)間縮短，分子鏈內(nèi)應(yīng)力釋放不完全，收縮率增大。

2.4 穩(wěn)定體系

在其他條件不變的情況下，筆者考察了穩(wěn)定體系對發(fā)泡板尺寸和泡孔尺寸的影響，穩(wěn)定體系的組成見表6，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表6 穩(wěn)定體系的組成Table 6 Composition of stabilizing agent system

表7 穩(wěn)定體系對發(fā)泡板尺寸和泡孔尺寸的影響Table 7 Effect of stabilizing agent system on dimension of foamed board and cell size

由表6、表7可以看出：采用有機(jī)錫穩(wěn)定劑制得的發(fā)泡板的表面更加光滑，而液體鈣鋅穩(wěn)定劑和三鹽穩(wěn)定劑的長期穩(wěn)定性較好，制得的發(fā)泡板顏色較好，但是泡孔尺寸較大，影響保溫效果。綜合考慮，適宜的穩(wěn)定體系為液體鈣鋅穩(wěn)定劑4份、有機(jī)錫穩(wěn)定劑4份，制得的發(fā)泡板發(fā)泡效果最好，泡孔尺寸最小。

2.5 烘箱溫度

筆者考察了烘箱溫度對發(fā)泡板尺寸的影響，結(jié)果見表8。

表8 烘箱溫度對發(fā)泡板尺寸的影響Table 8 Effect of drying oven temperature on dimension of foamed board

由表8可知：隨著烘箱溫度的升高，發(fā)泡板的尺寸逐漸增加；當(dāng)超過100 ℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。其原因可能為：制得初始發(fā)泡板時(shí)，泡孔內(nèi)部的氣體形成的膨脹力與分子鏈形成的收縮力處于短暫的動(dòng)態(tài)平衡中；當(dāng)烘箱溫度過低時(shí)，泡孔內(nèi)部氣體產(chǎn)生的膨脹力和分子鏈形成的收縮力保持平衡的時(shí)間不足以使分子鏈的內(nèi)應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致泡孔縮小甚至消失，嚴(yán)重影響發(fā)泡倍率；隨著溫度的上升，內(nèi)部氣體產(chǎn)生的膨脹力和分子鏈形成的收縮力保持平衡的時(shí)間延長，分子鏈的內(nèi)應(yīng)力大部分得到釋放，泡孔形態(tài)得到最大限度的保持；當(dāng)進(jìn)一步升高溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致泡孔內(nèi)部氣體過于膨脹，以致沖破泡壁，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，影響發(fā)泡板的整體性能。適宜的烘箱溫度為80～100 ℃。

2.6 小結(jié)

綜上所述，性能優(yōu)良的發(fā)泡板的制備工藝為：PVC糊樹脂黏度為2 500～3 000 mPa·s，主交聯(lián)劑為1.0份，助交聯(lián)劑為2份，原料含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1%，液體鈣鋅穩(wěn)定劑為4份，有機(jī)錫穩(wěn)定劑為4份，烘箱溫度為80～100 ℃。

3 表征

采用上述工藝制得的發(fā)泡板如圖1所示。

圖1 發(fā)泡板樣品Fig.1 Specimen of foamed board

用掃描電鏡對發(fā)泡板的泡孔形態(tài)進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：泡孔的泡壁很薄，在放大500倍時(shí)可清晰地看到泡孔壁上的填料，說明填料起到了支撐作用，使泡孔收縮率有所降低，與前期的試驗(yàn)結(jié)論相符[2]。

4 結(jié)語

低密度硬質(zhì)交聯(lián)PVC發(fā)泡板是節(jié)能、環(huán)保材料，不僅符合國家鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策，還可以大量替代木材，是具有極大發(fā)展前途的新產(chǎn)品。發(fā)泡板生產(chǎn)企業(yè)要積極提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品的市場競爭力，不斷努力創(chuàng)新，大力拓寬產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的健康發(fā)展。