低密度硬质交联聚氯乙烯结构泡沫的研究进展

0 引言

硬质结构泡沫塑料具有低密度、低热导率、高化学稳定性、高吸能性的特点，被广泛用作隔热保温、降噪减震材料[1-3]。目前常用的硬质结构泡沫有聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）、聚丙烯（PE）、酚醛树脂（PF）、聚乙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTEF）等结构泡沫[4-7]。聚氯乙烯是由氯乙烯单体均聚而成的链状高聚物，其分解温度低于其玻璃化转变温度，易发生脱氯化氢分解，使制品变色，影响聚氯乙烯的加工性能并导致产品力学性能下降[8]。纯的PVC固化后有较高的硬度，但其内部及表面会产生大量的裂纹，制品易碎。交联聚氯乙烯就是通过向PVC中添加交联剂，使交联剂穿插或接枝于链状PVC分子上形成网状立体结构，从而提高了PVC泡沫塑料的强度、刚度等力学性能和耐热性[9-13]。

1 硬质交联聚氯乙烯泡沫塑料的发展概况

自20世纪初开始，人们对塑料的研究一直都没有停止过。1930年聚氯乙烯树脂在法国实现了工业化生产。随着科学技术的发展，国外研究者相继提出了不少关于热塑性树脂发泡及成型的理论和方法，制出了各种性能优良的发泡剂、增塑剂、稳定剂等加工助剂，硬质交联PVC泡沫塑料的制备方法也越来越多，制备工艺也在不断完善[14]。目前，工业化生产硬质交联PVC泡沫塑料的主要有日本的JFC公司、瑞士的gurit公司、瑞典的Dia-b公司等。

20世纪50年代，我国工业基础薄弱，技术落后，对泡沫塑料的研究起步较晚，到70年代才逐渐实现工业化生产，且大都是软质泡沫。直到90年代初，我国才有人开始对硬质PVC泡沫塑料的研制工作。最近数十年，我国对硬质交联PVC泡沫塑料的研究有了很大的进步[15-18]。朱文强等用PVC树脂、MDI、酸酐、三嗪化合物等为原料，采用水煮发泡工艺制得了交联PVC泡沫塑料[19]。张广成、史爱华等运用水煮发泡法制备了交联PVC泡沫塑料，并研究了开模温度、发泡剂对制品泡孔尺寸的影响，得出了卸模温度为35～50℃、AIBN与AC用量在1.5：1时，模压块气泡核尺寸及其分布较均匀的结论[20]。

2 硬质交联PVC泡沫塑料的制备

硬质交联PVC泡沫塑料的制备方法主要有模压法、挤出法等。

模压法是将PVC、增塑剂（可添加但要少量添加，或不加）、发泡剂、交联剂、稳定剂等塑料助剂在混炼机中混合均匀，然后将混合料加入模具中放在硫化机上加压并加热使PVC树脂凝胶化。然后将欲发泡制品放入高温高压蒸汽中，进行发泡，再将制品放入烘箱内进行烘干、熟化。之后便得到交联的PVC泡沫塑料。采用模压法制备硬质交联PVC泡沫塑料的好处是对模压温度、压力等工艺参数方便控制，操作工艺不复杂，生产的泡沫塑料交联度高，但不能进行连续生产。

挤出法是将PVC树脂、增塑剂、稳定剂、交联剂、发泡剂、着色剂等各种助剂通过挤出机混合均匀、加热熔融、塑化，然后由螺杆向口模挤出混合物料从而形成欲发泡制品，再将欲发泡制品放入蒸汽或水中进行后续发泡制得交联的塑料制品的一种方法。因此，要制得泡孔结构和性能都好的硬质交联PVC塑料，需要对挤出机的工作温度、挤出速度、压力、牵引速度等工艺参数进行精确控制[21-26]。采用挤出法生产硬质交联PVC泡沫塑料，可以实现连续生产且效率高，适合大批量生产。但对挤出成型的各工艺参数进行精确控制不容易，会导致生产出的制品密度分布不均，力学性能较差。

2.1 以异氰酸酯为交联剂制备硬质交联PVC泡沫塑料的过程

所用试剂：PVC树脂、邻苯二甲酸酐、偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、MDI、邻苯二甲酸二辛酯。

制备步骤：

①物料混合。

1）将固体物料在混炼机中搅拌30min。2）将上述物料加入烧杯中，然后倒入MDI和DOP。3）将上述混合物料用高速搅拌机搅拌15min，得到糊状混合物。

②制备模压块。

将上述糊料倒入已经预热至100℃的模具中，在硫化机上加压10～15MPa，加热至150～160℃并保持10min，然后自然冷却至70～80℃开模。

③模压块发泡。

将制备的模压块放在高压蒸汽中发泡30min，然后将模压块放入烘箱烘干，待其完全熟化后便得到硬质交联的PVC泡沫塑料。

2.2 制备过程中可能发生的反应

在高压和高温的模压过程中，PVC分子链吸收能量由卷曲状慢慢伸长，并逐渐形成凝胶。发泡剂分解产生气体和自由基，其中气体均匀的溶解于凝胶之中形成气泡核，自由基引发PVC分子链产生链自由基，酸酐与链自由基反应接枝于PVC分子链上，形成酸酐接枝PVC分子链结构[27]。模压块在水蒸汽中发泡的过程中，异氰酸酯与水反应产生的二氧化碳气体使模压块中的气泡核长大形成泡孔，产生的含氨基的化合物与酸酐和水反应生成的羧基化合物反应形成交联结构[28-29]。

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