聚乙烯發泡被覆工藝 (四)--- 發泡的助劑 (中華水電冷凍空調雜誌103年8月號)

聚乙烯發泡被覆工藝 (四)
Coating works with Foamed Polyethylene-- The Additives of Foaming

陳幸郎博士
新端實業有限公司 協理
中山大學化學研究所


      在聚合物熔體中摻入發泡劑,經加溫押出後,會生成發泡製品,然而要控制發泡的品質,單獨選擇適當的發泡劑是不夠的,因為發泡製程包括要控制其發泡大小及發泡量、發泡速度、發泡溫度等,所以必須添加一些助劑,以幫助控制發泡過程,使能達到自己需要在產品或製程上的要求。
一般而言,要成為發泡助劑有幾個條件:
  1. 可調節發泡劑的分解溫度。
  2. 與發泡劑併用,可釋放出較多的氣體。
  3. 必須容易分散於塑膠聚合物中。
  4. 使用後,在押出過程不會生成有毒或腐蝕性之物質或氣體。
  5. 本身顏色或生成物顏色不會干擾原色系。
  6. 本身無毒,儲存安定。
所以我們常說,發泡助劑有降低發泡劑的分解溫度、提高氣體量、及改變發泡速率的功能。表1. 是摘錄於蔡國雄編著的「PVC加工實務」,配方比例為ADCA:添加劑=2:1,可清楚看出添加劑對ADCA發泡劑的影響,其中硬脂酸鋅與鋅氧粉,可使ADCA的分解溫度,從211℃降低到170℃,約40度,是最常用的發泡助劑。

表1. 各種添加劑對ADCA的影響
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      有一種助劑稱為發泡抑制劑(如表2),這類物質能抑制發泡劑的分解,既然都要發泡了,為何還要抑制,這是因為材料會因發泡效果的差異,造成凹凸不平花紋,例如發泡壁紙,是由PVC樹脂經印花後再加熱發泡而成,這類壁紙有高發泡印花、低發泡印花,發泡壁紙比普通壁紙厚實且鬆軟。這類產品發泡所用的發泡劑,發泡過程往往難以控制,如果只從發泡劑添加量作調配,實難以作出多層次的印花效果,所以利用添加抑制劑的方式,來控制壁紙發泡的大小,就成為便利的控制方法。舉例來說,添加千分之三可做壁紙的第一層印花,添加千分之二可做壁紙的第二層印花,添加千分之一可以做壁紙的第三層印花,也因為添加量少,不會影響成本控制。

表2.各類發泡抑制劑
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      還有一種叫架橋劑(bridging agent),也稱為交聯劑(crosslinking agent),是促進或調節聚合物分子鏈間共價鍵或離子鍵形成的物質。這一類化合物(分子量200~600),具有2個或更多的特殊基團,可以和聚合物分子分別偶聯,將這些分子結合在一起,能使線型或輕度支鏈型的大分子轉變成三維網狀結構,可提高強度、耐熱性、耐磨性、耐溶劑性等性能,可用於發泡或不發泡製品,一般常用有機過氧化物作為交聯劑,如圖1所示:

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圖1. 常見有機過氧化物之架橋劑

 

以具結晶性的高密度聚乙烯(HDPE)為例,當溫度超過熔點時,熔體的黏度會急遽下降,對發泡極為不利,因為在發泡過程中,為了保住氣體,熔體必須有一定的黏彈性,而PE結晶塑膠具此特性的溫度區間較窄,要利用添加架橋劑的方法,提高熔體的黏彈性,才能擴大熔體能夠發泡的溫度範圍,如圖2所示:

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圖2. PE的交聯發泡效應(資料來源:Polymeric Foams)

 

未交聯的PE,發泡最佳溫度區間在狹窄的Tm,可能只是2℃的區間,而交聯後的發泡最佳溫度區間可從Ta至Tb,發泡溫度區間大很多,在製程中容易加工。表3提供聚合物結晶度與其較佳發泡溫度範圍,可供大家在製程中設定溫度參數的參考。

表3. 聚合物結晶度與發泡溫度範圍
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 聚合物發泡膨漲通常包含以下三個步驟:

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氣泡會從成核到成長,最後氣泡穩定或不穩定造成氣泡破裂。當發泡劑產生的氣體熔入塑膠料,就會形成氣體/塑料熔體,若氣體量持續增加,熔體無法支撐,氣體會自熔體溢出。隨著溫度持續上升及成核的作用,氣泡會不斷增多、膨漲,使熔體塑料膨脹,而氣泡在成長過程中,氣泡數量及體積均會增大,使得氣泡的表面積增大,導致氣泡壁變薄而合併,甚至瓦解破泡,這樣的系統就會呈現不穩定狀態,而穩定氣泡的方法,如前述就是要升高熔體的黏度或固化及架橋,所以控制氣泡大小與體積量,是發泡塑膠業者很重視的環節。


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