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)就是因為翻修中使用的外墻隔熱隔音保溫材料阻燃等級不達(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 試驗部分

1.1 主要試驗原料

主要試驗原料見表1。

表1 主要試驗原料Table 1 Main raw materials for test

1.2 主要試驗設(shè)備

主要試驗設(shè)備見表2。

表2 主要試驗設(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，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，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，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，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，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，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，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間的延長變化不大，而PVC糊樹脂的水含量隨放置時間的延長明顯上升；當(dāng)PVC糊樹脂中含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1%時，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，發(fā)泡板開始收縮，嚴(yán)重時會造成邊角開裂。原因可能是：當(dāng)PVC糊樹脂中含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥1%時，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，一部分水分會在熔體表面形成水蒸氣層，導(dǎo)致開模阻力增加，嚴(yán)重時會使發(fā)泡板表面產(chǎn)生缺陷，甚至邊角撕裂；一部分水分會殘留在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，會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。其原因可能為：制得初始發(fā)泡板時，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態(tài)平衡中；當(dāng)烘箱溫度過低時，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，會導(dǎo)致泡孔內(nèi)部氣體過于膨脹，以致沖破泡壁，嚴(yán)重時會出現(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，以實現(xiàn)企業(yè)的健康發(fā)展。