華東理工大學鄭安吶教授
一種熱塑性塑料能否發(fā)泡？在什么工藝下才可以發(fā)泡？能發(fā)多大倍率的泡？
這些都是眾多學者一開始就希望搞明白的基礎問題。
開始時，人們認為只要提高熔體的黏度即可令塑料得以發(fā)泡，因而采用納米材料或高分子量PE 混入PP之中的方法，但很快就被證實是錯誤的，并在枝化結構的制備與可發(fā)泡性方面得到驗證。
進而，流變學家們通過流變學與分子結構的研究，發(fā)現一定數量的長支鏈結構才是提高熔體強度，便于發(fā)泡的有效方法。其基本原理實際上也很容易理解，在熔體狀態(tài)下的發(fā)泡過程，其為相當于雙軸拉伸聚合物熔體膜。即便熔體的剪切黏度很大，但只能延緩發(fā)泡脹大的過程，卻無法保證膜不被拉破。只有在拉伸過程中，越拉伸，熔體的拉伸黏度越大，方可保證膜不會破裂。相反剪切黏度小一點，拉伸會變得更快，發(fā)泡更迅速，倍率更大。不同結構樹脂的熔體拉伸黏度可以形象地表現為以下場景：當從一束筷子中抽出一只筷子時并不難，但從一堆枝杈很多的樹枝中抽出一根樹枝來卻不然，或許會越抽越抽不出來。這就是直鏈聚合物與具有長支鏈聚合物的熔體在拉伸時的差別。采用剪切流變分析可以方便地對熔體強度以及是否具有長支鏈進行判斷，參見圖1、2。
圖1 熔體剪切實模量與角頻率的關系
圖2 熔體剪切虛黏度與實黏度的關系
對聚合物熔體在不同剪切角頻率下進行實模量與實黏度以及虛黏度的檢測，頻率越低，實模量卻越高者熔體強度就越大（圖1）。在熔體剪切虛黏度與實黏度的關系中（圖2），所有線型聚合物的熔體都會形成一個圓弧狀的所謂Cole-Cole 環(huán)，相反支鏈越長，枝化度越高者曲線越會反向上翹。雖然該判斷有效、方便，只是尚不能回答該塑料“能否發(fā)泡？發(fā)泡的工藝？以及能發(fā)多大倍率？”等諸多關鍵問題。筆者等根據上述拉伸黏度以及應變硬化的概念，提出采用式(1) 進行判斷的方法，滿足式(1) 即可以發(fā)泡。
其中σE 為熔體的拉伸應力，ε為拉伸應變。確定了發(fā)泡的最大倍率，d 為拉伸應變速率，與發(fā)泡速率對應。在不同溫度下，以發(fā)泡等同的速率拉伸熔體，同時記錄拉伸應力，滿足式(1) 的溫度即是可行的發(fā)泡工藝溫度，最大的即確定了最大的發(fā)泡倍率。這一簡單明確的判據，尚有待學術界以及工業(yè)界的進一步公認。
PS 發(fā)泡材料領域
PS 發(fā)泡材料的最佳應用領域是建筑物與工程的隔熱保溫領域，但EPS 的發(fā)展并不樂觀，未來很可能被XPS 所取代。但前提是必須有高熔體強度與高彈性的PS 樹脂問世，否則XPS 的發(fā)泡倍率趕不上EPS 也是枉然。即使生產EPS 也不應采用傳統(tǒng)的懸浮聚合法，而是已經工業(yè)化了的以XPS 方法制造的EPS。
PE 發(fā)泡材料領域
PE 發(fā)泡材料領域的發(fā)展方向并不十分引人關注，LDPE需發(fā)展平口模，一次得到10cm 以上厚度的XPE。另一方面，研發(fā)得到高熔體強度的HDPE，使尚未謀面的，以HDPE為基體樹脂的EPE 以及XPE 能夠問世。
PP 發(fā)泡材料領域
EPP和XPP兩種PP的發(fā)泡材料都是未來的發(fā)展方向，只是必須得到工業(yè)化可行的高熔體強度PP 樹脂，特別是出于XPP 制備需求的考慮。此外，EPP 也需改變目前的生產方式，轉而采用XPP 的方法由原料直接制備EPP 的發(fā)泡珠粒，方可使EPP 能全方位成為EPS 更新換代的材料。除此以外，作為高生產效率與直接得到制品的注塑工藝，注塑出PP 高發(fā)泡倍率的制品（JPP），未來將在旅行保溫杯、防燙咖啡杯、旅行保溫餐盒，乃至車載冷柜、疫苗箱以及釣魚箱市場擁有廣闊的發(fā)展前景，這亟待一種全新型的PP 高發(fā)泡倍率注塑機的問世。
發(fā)泡PET
發(fā)泡PET 迄今為止雖并未形成廣泛的應用，但有鑒于其剛性高，尺寸穩(wěn)定性好，若雙面覆以PET 薄片，復合成XPET 板材，必將是大型會議桌臺面、室內隔斷等輕質人造木材的不二選擇。前提是必須首先得到高熔體強度的PET 樹脂，并在此基礎上進一步發(fā)展與PET 發(fā)泡相應的設備與技術。
本文節(jié)選自《國際塑料商情》2017年7月刊，作者為鄭安吶教授
- 《聚合物泡沫塑料加工技術研討會》將于9月28日在北京舉辦 2010-07-23
