PE-木粉發(fā)泡包裝材料的研究

趙學(xué)峰　龐緒富　鄭立來　龐久寅

摘? 要：聚乙烯/木粉發(fā)泡材料的常用輔助材料有聚乙烯樹脂、發(fā)泡劑、催化穩(wěn)定劑、填充劑、塑化劑等。不同配比的原材料制取的聚乙烯/木粉發(fā)泡材料的性能也不同。作者制取聚乙烯/木粉發(fā)泡材料的主要原理是利用發(fā)泡劑AC（偶氮二甲酰胺）、PE（聚乙烯粉末）、木粉、催化穩(wěn)定劑（氧化鋅）、增塑劑DBP（鄰苯二甲酸二丁酯）、填充劑（碳酸鈣）混合均勻的發(fā)泡原料放置在模具中。經(jīng)過對不同配比條件下制得的聚乙烯/木粉發(fā)泡材料的性能測定分析得出比發(fā)泡劑AC用量為2%時，聚乙烯/木粉材料的發(fā)泡質(zhì)量和發(fā)泡效果最好，以及加入適量木粉的條件下制得的聚乙烯/木粉發(fā)泡材料的拉伸性能更佳。

關(guān)鍵詞：聚乙烯;木粉;拉伸強度

中圖分類號：TQ323.41 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

我國于上世紀90年代初從國外引進硬質(zhì)聚乙烯低發(fā)泡材料生產(chǎn)線，在消化引進國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制出自己的聚乙烯低發(fā)泡板材生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，產(chǎn)品性能指標(biāo)達到了國際水平。但是，由于企業(yè)引進設(shè)備比較早，國內(nèi)的原料與之不配套，加之聚乙烯低發(fā)泡材料的生產(chǎn)設(shè)備還不成熟，產(chǎn)品質(zhì)量波動很大，客觀上也限制了產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。隨著人們對環(huán)境問題的日益關(guān)注和能源危機問題的加劇，迫使塑料合成工業(yè)生產(chǎn)不得不尋找新的出路[3]。聚乙烯/木粉發(fā)泡材料具有減少原料用量、能夠降低生產(chǎn)能耗以及擁有很好的力學(xué)性能、優(yōu)良的保溫降噪等優(yōu)點，因此在未來的一段時間里將會具有極大的市場應(yīng)用潛力。

作者采用聚乙烯與木粉共混后，添加發(fā)泡劑，采用模壓工藝，制備了聚乙烯木粉發(fā)泡材料，研究發(fā)泡劑AC、PE、木粉、催化穩(wěn)定劑（氧化鋅）不同配比條件下制得的聚乙烯/木粉發(fā)泡材料的性能。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料（見表1）

1.2 實驗儀器（見表2）

1.3 試驗方法

1.3.1 實驗原理

聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料具有質(zhì)輕、減震性好、較好的機械強度、耐酸堿和有機溶劑腐蝕、隔音隔熱效果好、耐沖擊韌性好和合成成本低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。世界上許多國家都把聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料作為一個重要的工業(yè)材料。目前，在世界范圍內(nèi)使用聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料的合成方法主要有兩種：物理發(fā)泡工藝和化學(xué)發(fā)泡工藝。與后者相比，物理發(fā)泡工藝過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)比較少，合成過程中產(chǎn)生的污染相較于后者較小，其各個原料組分的溫度敏感性比較低，并且氣體的產(chǎn)生量和流量易于控制，生產(chǎn)效率高，被各個工業(yè)廠商廣泛使用，合成技術(shù)相對比較成熟[5]。聚乙烯材料的物理發(fā)泡工藝主要分為三種;擠出成型發(fā)泡、模壓成型發(fā)泡和注射成型發(fā)泡。目前國內(nèi)合成聚乙烯發(fā)泡包裝材料大多使用擠出成型和注射成型。本實驗主要研究了用模壓成型發(fā)泡法制取聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料的工藝并且研究了模壓成型溫度和各合成原料使用配比對得出的樣品的性能影響。

氣體在模具中的擴散是模壓發(fā)泡生產(chǎn)工藝的重要環(huán)節(jié)。在泄壓發(fā)泡時，會有一部分發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體在飽和的聚乙烯材料中逃逸而損失。因為飽和的聚乙烯材料中的氣體濃度較大而泄壓瞬間外界氣體濃度相對較小，所以會有氣體從濃度較大的表層擴散使表面的氣體濃度降低，與此同時聚乙烯材料內(nèi)部同理。聚乙烯材料中的氣體擴散逃逸降低了材料中的氣體密度從而影響材料內(nèi)泡孔的成核密度[9-11]。

1.3.2 實驗步驟

用電子天平稱取設(shè)計好的原料配比混合攪拌，為了在實驗時更好地取出實驗樣品在模具中墊好鋁箔紙（上下各兩層），將混合好的原料放置于墊好鋁箔紙的模具中。將硫化機升溫到預(yù)先設(shè)置好的溫度后，把模具放于模壓機的下層平板上，按下上升按鈕，拖料版上升并將磨具上下壓在上下兩板之間，模壓壓力3kPa。在達到約定的加熱時間后，模壓機蜂鳴器提醒，關(guān)閉模壓機。此時實驗還沒有結(jié)束，待模具在模壓機上冷卻1h后泄壓取下模具。將制成的聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料在模具中取出，并選材測量其性能。

本實驗技術(shù)路線圖如圖1。

1.4 正交實驗設(shè)計

在制取發(fā)泡聚乙烯/木粉的過程中，由于要考慮到發(fā)泡劑AC用量、PE/木粉的用量、ZnO用量三個因素，如果作一個三因素三水平的實驗，按全面實驗要求，須進行3×3×3=27種組合的實驗，且尚未考慮每一組合重復(fù)，因此采用高效率、快速、經(jīng)濟的正交實驗設(shè)計方法，以發(fā)泡劑用量、PE/木粉的用量和ZnO用量為主要因素進行3因素、3水平9組正交試驗。

2 結(jié)果與分析

材料拉伸強度的測試：

原理：在制取的聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料試樣上截取能夠滿足測量要求的小試樣，然后夾持均勻橫截面樣品兩端，用拉伸力將試樣沿軸向拉伸，一般拉至斷裂為止，通過記錄的力來測定材料的基本拉伸力學(xué)性能[12-13]。

裝置：采用數(shù)顯式萬能試驗機。

試樣：截小樣的標(biāo)準(zhǔn)為;小樣寬20mm長150mm以上的長條。

步驟如下：根據(jù)試驗要求，用相應(yīng)寬度的取樣刀制取一定尺寸的試樣。旋轉(zhuǎn)蝶形螺桿，將試樣一端夾緊在上夾頭上;同樣，旋轉(zhuǎn)蝶形螺桿，將另一端夾緊下夾頭上，然后點擊控制器上的試驗按鍵，當(dāng)試件被拉斷時，控制器的讀數(shù)停止變動，記錄下此時讀數(shù)。進行下一組拉伸試驗時，需要將控制器上數(shù)據(jù)清零再繼續(xù)上述操作。

結(jié)果處理：對于每個試樣，力以N為單位，記錄下在這至少100mm拉伸長度內(nèi)的拉伸力的最大值和最小值，計算出相應(yīng)的拉伸強度。

拉伸強度的計算：

σt=p/（b×d）? ? ? ? （1）

式中：σt-為拉伸強度，MPa;P-為最大負荷，N;b-為試樣寬度，mm;d-為試樣厚度，mm。

注意：計算時采用的面積是斷裂處試樣的原始截面積，而不是斷裂后端口截面積。

表4 聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料的拉伸強度

偶氮二甲酰胺不穩(wěn)定，受熱分解時主要生成氮、一氧化碳和二氧化碳等氣體：N2 65%、CO3 2%、CO2 3%;分解產(chǎn)生殘渣：聯(lián)二脲、脲唑、氰尿酸。分解溫度在200～210℃，高于聚乙烯的熔點，所以需要加入氧化鋅對其進行改性降低其分解溫度。偶氮二甲酰胺具有發(fā)泡效率高，價格便宜，發(fā)氣量大，分解產(chǎn)物無毒無污染的優(yōu)點，所以本實驗選擇偶氮二甲酰胺為發(fā)泡劑。

氧化鋅作為催發(fā)泡穩(wěn)定劑用來降低發(fā)泡劑AC的分解溫度，縮短實驗發(fā)泡時間，使起始分解溫度和終了分解溫度的溫度差小，也就是使發(fā)泡劑的分解帶窄。

為了降低混合原料的熔融粘度和凝膠溫度，使原料更容易發(fā)泡并且提高發(fā)泡質(zhì)量，鄰苯二甲酸二丁酯作為增塑劑加入，更好的獲得聚乙烯發(fā)泡包裝材料樣品。

碳酸鈣作為填充劑降低了實驗成本，增加發(fā)泡倍率。其用量大概為PE和增塑劑總份數(shù)的十分之一到四分之一。

由表4的聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料的拉伸強度可知，反應(yīng)過程中，發(fā)泡劑PE/木粉用量、AC用量對其拉伸強度的影響較大，對聚乙烯發(fā)泡包裝材料影響的主次關(guān)系為：發(fā)泡劑PE/木粉用量>AC用量>氧化鋅用量，最優(yōu)組合為A1B1C2。因為氧化鋅用量對實驗結(jié)果的影響不大，根據(jù)所設(shè)計的實驗可得出，每80克PE混合5克木粉，發(fā)泡溫度為175℃，與4克氧化鋅、20克碳酸鈣和5毫升DBP相混合的原料制取的聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料拉伸強度最大為：20.83MPa。

經(jīng)過SPSS軟件進行數(shù)據(jù)分析，如表5所示，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，PE：木粉對應(yīng)的Sig.值小于0.01，差異極顯著，即PE：木粉對拉伸強度的影響有極顯著差異。AC用量的Sig.值小于0.01，差異極顯著，即AC用量對拉伸強度的影響有極顯著差異。而ZnO用量的Sig.值為0.154，大于0.05，差異不顯著，因此PE：木粉對拉伸強度的影響最大，其次是AC用量，這與所得的實驗結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

使用模壓法制得的聚乙烯/木粉發(fā)泡材料，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.2-2006中對聚乙烯材料的性能測定要求，經(jīng)過測試證明，試樣具有很好的強度。對所有性能測試結(jié)果分析對比得出：

（1）經(jīng)過對制取的聚乙烯/木粉發(fā)泡包裝材料的性能測定得出：發(fā)泡劑AC用量為2%時，聚乙烯/木粉材料的發(fā)泡質(zhì)量和發(fā)泡效果最好。

（2）在聚乙烯/木粉的發(fā)泡過程中，在物料配比一定的條件下，氧化鋅用量的多少，對整個發(fā)泡過程和發(fā)泡材料的性能沒有明顯影響。

（3）通過實驗數(shù)據(jù)分析確定了最佳方案：每80克PE混合5克木粉，發(fā)泡溫度為175℃，與4克氧化鋅、20克碳酸鈣和5毫升DBP相混合的原料制取的聚乙烯/木粉發(fā)泡材料拉伸強度最大為：20.23MPa。

參考文獻：

[1]Lee Y H，Kuboki T，Park C B，et? al. The Effects of Nano-clay on the Extrusion Foaming of Wood Fiber/Polyethylene Nanocomposites[J]. Polym Eng Sci，2011，51（3）：1022-1041.

[2]MARTINI-VVEDENSKY J E，SUH N P，WALDMANF A. Microcellular Closed Cell Foams and Their Method of Manufacture[P]. US：4473665，1984-09-25.

[3]于慧潔，郭奕崇，信春玲.聚乙烯微孔發(fā)泡擠出成型研究[J].塑料，2007，36（5）：66-69.

[4]孫陽，劉廷華.微孔塑料的注射成型研究進展[J].塑料，2007，18（209）：16-19.

[5]孔磊.民航用微孔塑料成型原理及方法[J].廣州化工，2008，36（1）：18-19.

[6]劉偉，王臣，楊明警，等.木粉/POE協(xié)同改性PP的超臨界CO2發(fā)泡性能[J].工程塑料應(yīng)用，2019，47（01）：31-37.

[7]張愛賓.落葉松單寧/軟木粉改性酚醛樹脂發(fā)泡材料性能研究[D].北京林業(yè)大學(xué)，2018.

[8]康鵬，金滟，蔡濤.PET樹脂發(fā)泡技術(shù)研究進展[J].塑料工業(yè)，2011，39（3）：35-39.

[9]周曉濤.超臨界二氧化碳發(fā)泡EPDMLDPE熱塑性彈性體微孔泡沫的研究[D].廣州工業(yè)大學(xué)，2014.

[10]蔡業(yè)彬，國明成，鵬玉成.泡沫塑料加工過程中的氣泡成核理論Ⅰ-經(jīng)典成核理論及述評[J].塑料科技，2005，3（167）：11-13.

[11]王蘇煒，徐凌秀，薛平，等.擠出發(fā)泡成型PP/POE木塑復(fù)合材料配方體系的研究[J].塑料工業(yè)，2019，47（11）：35-40.

[12]田峰，杜振杰，劉長軍.軍品藥材包裝材料的要求、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2015，36（3）：107-109.

[13]宋丕雙，于明磊.國內(nèi)外聚乙烯生產(chǎn)現(xiàn)狀及趨勢[J].彈性體，2011，20（5）：74-79.

[14]謝乾.PVC/竹粉復(fù)合發(fā)泡材料的制備及性能研究[D].湖南工業(yè)大學(xué)，2018.