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華東理工大學(xué)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(xué)者一開(kāi)始就希望搞明白的基礎(chǔ)問(wèn)題。

  開(kāi)始時(shí)，人們認(rèn)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(shí)是錯(cuò)誤的，并在枝化結(jié)構(gòu)的制備與可發(fā)泡性方面得到驗(yàn)證。

  進(jìn)而，流變學(xué)家們通過(guò)流變學(xué)與分子結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的長(zhǎng)支鏈結(jié)構(gòu)才是提高熔體強(qiáng)度，便于發(fā)泡的有效方法。其基本原理實(shí)際上也很容易理解，在熔體狀態(tài)下的發(fā)泡過(guò)程，其為相當(dāng)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(guò)程，卻無(wú)法保證膜不被拉破。只有在拉伸過(guò)程中，越拉伸，熔體的拉伸黏度越大，方可保證膜不會(huì)破裂。相反剪切黏度小一點(diǎn)，拉伸會(huì)變得更快，發(fā)泡更迅速，倍率更大。不同結(jié)構(gòu)樹(shù)脂的熔體拉伸黏度可以形象地表現(xiàn)為以下場(chǎng)景：當(dāng)從一束筷子中抽出一只筷子時(shí)并不難，但從一堆枝杈很多的樹(shù)枝中抽出一根樹(shù)枝來(lái)卻不然，或許會(huì)越抽越抽不出來(lái)。這就是直鏈聚合物與具有長(zhǎng)支鏈聚合物的熔體在拉伸時(shí)的差別。采用剪切流變分析可以方便地對(duì)熔體強(qiáng)度以及是否具有長(zhǎng)支鏈進(jìn)行判斷，參見(jiàn)圖1、2。

圖1 熔體剪切實(shí)模量與角頻率的關(guān)系

圖2 熔體剪切虛黏度與實(shí)黏度的關(guān)系

  對(duì)聚合物熔體在不同剪切角頻率下進(jìn)行實(shí)模量與實(shí)黏度以及虛黏度的檢測(cè)，頻率越低，實(shí)模量卻越高者熔體強(qiáng)度就越大（圖1）。在熔體剪切虛黏度與實(shí)黏度的關(guān)系中（圖2），所有線型聚合物的熔體都會(huì)形成一個(gè)圓弧狀的所謂Cole-Cole 環(huán)，相反支鏈越長(zhǎng)，枝化度越高者曲線越會(huì)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(guān)鍵問(wèn)題。筆者等根據(jù)上述拉伸黏度以及應(yīng)變硬化的概念，提出采用式(1) 進(jìn)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(yīng)力，ε為拉伸應(yīng)變。確定了發(fā)泡的最大倍率，d 為拉伸應(yīng)變速率，與發(fā)泡速率對(duì)應(yīng)。在不同溫度下，以發(fā)泡等同的速率拉伸熔體，同時(shí)記錄拉伸應(yīng)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(jiǎn)單明確的判據(jù)，尚有待學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界的進(jìn)一步公認(rèn)。

PS 發(fā)泡材料領(lǐng)域

  PS 發(fā)泡材料的最佳應(yīng)用領(lǐng)域是建筑物與工程的隔熱保溫領(lǐng)域，但EPS 的發(fā)展并不樂(lè)觀，未來(lái)很可能被XPS 所取代。但前提是必須有高熔體強(qiáng)度與高彈性的PS 樹(shù)脂問(wèn)世，否則XPS 的發(fā)泡倍率趕不上EPS 也是枉然。即使生產(chǎn)EPS 也不應(yīng)采用傳統(tǒng)的懸浮聚合法，而是已經(jīng)工業(yè)化了的以XPS 方法制造的EPS。

PE 發(fā)泡材料領(lǐng)域

  PE 發(fā)泡材料領(lǐng)域的發(fā)展方向并不十分引人關(guān)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(qiáng)度的HDPE，使尚未謀面的，以HDPE為基體樹(shù)脂的EPE 以及XPE 能夠問(wèn)世。

PP 發(fā)泡材料領(lǐng)域

  EPP和XPP兩種PP的發(fā)泡材料都是未來(lái)的發(fā)展方向，只是必須得到工業(yè)化可行的高熔體強(qiáng)度PP 樹(shù)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(chǎn)方式，轉(zhuǎn)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?lián)Q代的材料。除此以外，作為高生產(chǎn)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(lái)將在旅行保溫杯、防燙咖啡杯、旅行保溫餐盒，乃至車(chē)載冷柜、疫苗箱以及釣魚(yú)箱市場(chǎng)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(jī)的問(wèn)世。

發(fā)泡PET

  發(fā)泡PET 迄今為止雖并未形成廣泛的應(yīng)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(fù)合成XPET 板材，必將是大型會(huì)議桌臺(tái)面、室內(nèi)隔斷等輕質(zhì)人造木材的不二選擇。前提是必須首先得到高熔體強(qiáng)度的PET 樹(shù)脂，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展與PET 發(fā)泡相應(yīng)的設(shè)備與技術(shù)。

  本文節(jié)選自《國(guó)際塑料商情》2017年7月刊，作者為鄭安吶教授