发泡聚乙烯(PE)材料具有独特的多孔结构，并具有隔热、耐腐蚀、高韧性的特点[1]，被广泛应用于轻量高性能化的汽车材料[2-3]。传统PE发泡剂包括碳酸氢钠、超临界CO2和偶氮二甲酰胺等[4-6]。水作为新型聚烯烃发泡剂具有价格低、无毒无污染、不可燃等优点[7]，是未来探究发泡剂的方向[8]。苏莉[9]利用全水发泡代替氯氟烃，制备低密度聚氨酯软质泡沫，使软质块状泡沫密度降至15~20 kg/m3，并且聚氨酯软质泡沫具有较好的力学性能。谭啸天等[10]以水为发泡剂，提高了聚丙烯/低密度聚乙烯共混物的延展性能。李兵[11]以水发泡制备高熔体强度聚丙烯。胡安朋等[12]以水蒸气作为物理发泡剂，通过改变水蒸气压力以及卸压速率，得到发泡均匀、泡孔密度大、表观密度小的聚丙烯发泡制品。但是由于水表面张力较大，使得发泡结构难以控制，因此，在反应中需要加入一定量的稳定剂。本实验以水为发泡剂，低分子量聚乙二醇(PEG)为稳定剂，椰油酰基氨酸钠为表面活性剂，制备H2O/PEG发泡体系，对线性低密度聚乙烯(LLDPE)进行二次开模发泡，探究H2O与PEG配比对发泡PE的泡孔结构、力学性能、热稳定性和隔音性能的影响。1实验部分1.1主要原料线性低密度聚乙烯(LLDPE)，HES-1003 NT7，美国陶氏化学公司；聚乙二醇(PEG)，纯度95%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；高熔体强度聚丙烯(HMSPP)，HMS20Z，中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司；抗氧化剂a，三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯，工业级，市售；抗氧化剂b，四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，工业级，市售；椰油酰基氨酸钠，分析纯，武汉富鑫远科技有限公司。1.2仪器与设备单螺杆挤出机，SJ-45/28，无锡市兰陵塑机有限公司；注射机，TTI-205Ge-520，东华机械有限公司；电子万能试验机，CMT6104，美特斯工业系统（中国）有限公司；场发射扫描电镜(SEM)，Quanta FEG 250，美国FEI公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，ReactIR 45P GP，梅特勒-托利多（常州）测量技术有限公司；微波热重分析仪(TG)，MKC-M1C，青岛迈威微波化学设备有限公司；隔声性能检测设备，JKY-DWSP，北京建科源科技有限公司。1.3样品制备表1为发泡PE材料配方。将LLDPE、HMSPP和抗氧剂按一定比例混合，投入单螺杆挤出机，在150~165 ℃下挤出、造粒，得到改性PE材料。将H2O、PEG和椰油酰基氨酸钠按一定比例混合，80 ℃下充分溶解，与改性PE材料在高速混料机中混合分散后，投入二次开模发泡注射机，210 ℃下注塑为条形样条，样条尺寸为80 mm×10 mm×1.2 mm和哑铃型样条，样条尺寸为150 mm×10 mm×1.0 mm，并进行二次开模发泡，其中，开模样条厚度为4 mm，冷却，取出，得到发泡PE样条。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1发泡PE材料配方Tab.1Formula of foamed PE composites样品编号H2OPEG椰油酰基氨酸钠LLDPEHMSPP抗氧剂a抗氧剂b1020.0590100.150.1520.21.80.0590100.150.1530.41.60.0590100.150.1540.61.40.0590100.150.1550.81.20.0590100.150.15gg1.4性能测试与表征FTIR测试：扫描范围600~4 000 cm-1。SEM分析：对断面喷金处理，观察样品表面形貌。TG分析：升温速率为20 ℃/min。密度测试：液氮中冷却4 h后立即脆断成长约1 cm，计算公式为：ρ=m1m1-m2×ρ水 （1）式（1）中：ρ为密度，g/cm3；m1为样品质量，g；m2为样品在纯净水中质量，g。比拉伸强度测试：按GB/T 1040.5—2008进行测试，拉伸速率为50 mm/min，计算公式为：STS=TSρ （2）式（2）中：STS为比拉伸强度，（N·m）/kg；TS为拉伸强度，MPa；ρ为密度，g/cm3。比弯曲强度测试：按GB/T 9341—2008进行测试，弯曲速率为2 mm/min，计算公式为：SBS=BSρ （3）式（3）中：SBS为比弯曲强度，（N·m）/kg；BS为弯曲强度，（N·m）/kg；ρ为密度，g/cm3。隔音性能测试：按GB/T 33620—2017进行测试，振动频率为250、500、1 000、2 000、4 000 Hz，总声压为100 dB。2结果和讨论2.1FIIR分析图1为不同配方的发泡PE红外谱图。从图1可以看出，加入PEG后，在3 360 cm-1处的峰，为PEG的R—OH的特征峰；样品2中R—OH伸缩振动峰红移至3 378 cm-1处，可能是由于水分子的引入，PEG中羟基被H2O中氢键吸引。样品3~样品5在3 400 cm-1左右具有较宽的—OH特征峰，说明样品中含有大量H2O。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F001图1不同配方的发泡PE红外谱图Fig.1FTIR spectra of different foamed PE composites2.2SEM分析图2为不同样品断面的SEM照片。从图2可以看出，不同质量比的H2O与PEG，对于发泡PE材料的泡孔形貌区别较大。当m(H2O)∶m(PEG)=0∶2时，发泡PE泡孔较少，泡孔直径小；当m(H2O)∶m(PEG)=0.2∶1.8和0.4∶1.6时，泡孔较为均匀、发泡程度高，此时泡孔呈均匀、稳定、规则的球形，发泡效果最好；当m(H2O)∶m(PEG)=0.6∶1.4和0.8∶1.2时，泡孔直径进一步扩大，并且伴随泡孔畸形、并泡等现象。原因是未添加H2O将导致复合发泡液发泡温度过高，而过高的H2O含量下，混合发泡剂表面张力过大，在注塑过程中可能出现液滴的团聚，并且混合发泡液中H2O含量过高，还将导致发泡液过早发泡、发泡PE出现银纹、应力集中。因此，最佳复合发泡液发泡比例为0.2∶1.8和0.4∶1.6。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2不同样品断面的SEM照片Fig.2SEM images of fracture surface of different samples2.3TG表征图3为不同配方的发泡PE样品TG曲线。从图3可以看出，样品1在420 ℃左右开始分解，并在480 ℃左右完全分解。加入H2O后，发泡PE的最初分解温度下降。当温度小于250 ℃，加入H2O后发泡PE样品与样品1相比质量轻，原因是复合发泡液中残余的H2O挥发，该现象不会对发泡PE耐热性能产生明显影响。而温度高于250 ℃，发泡PE中残余的H2O会产生含氧自由基，进一步诱导发泡PE氧化，引发PE分子链的迅速降解，因此降低发泡PE的耐热性能。当m(H2O)∶m(PEG)为0.2∶1.8时，样品耐热性能仅次于配比为0∶2时的发泡PE，当样品m(H2O)∶m(PEG)大于0.4∶1.6时，样品耐热性能较差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F003图3不同配方的发泡PE样品TG曲线Fig.3TG curves of different foamed PE composites2.4力学性能表征图4为不同配方的发泡PE样品比拉伸性能分析。从图4可以看出，随着H2O与PEG比例由0∶2增加到0.8∶1.2，样品断裂伸长率逐渐下降，从102%降至44%。而比拉伸强度呈现先升高后降低的趋势，m(H2O)∶m(PEG)为0∶2、0.2∶1.8、0.4∶1.6，比拉伸强度从17.8 (N·m)/kg升至19.0 (N·m)/kg；m(H2O)∶m(PEG)=0.8∶1.2，比拉伸强度降至14.3 （N·m）/kg。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F004图4不同配方的发泡PE样品比拉伸性能分析Fig.4Analysis of specific tensile properties of samples of different foamed PE composites图5为不同配方的发泡PE样品比弯曲性能。从图5可以看出，比弯曲强度和弯曲模量随H2O与PEG比例的增大呈现先增后降的趋势。H2O与PEG的比例从0∶2增加到0.4∶1.6，比弯曲强度从17.6 （N·m）/kg升至17.9 （N·m）/kg；当m(H2O)∶m(PEG)为0.6∶1.4和0.8∶1.2，比弯曲强度降至17.3 (N·m)/kg和16.9 (N·m)/kg。m(H2O)∶m(PEG)从0∶2增加到0.2∶1.8，比弯曲强度从465 （N·m）/kg升至498 (N·m)/kg；m(H2O)∶m(PEG)为0.8∶1.2，比弯曲强度降至424 (N·m)/kg。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F005图5不同配方的发泡PE样品比弯曲性能分析Fig.5Analysis of specific bending properties of samples of different foamed PE composites因此，当m(H2O)∶m(PEG)=0.4∶1.6时，发泡PE比拉伸强度和比弯曲强度最高。原因是在该比例下，混合发泡剂热稳定性较好、表面能较低，不易形成大液滴、出现提前发泡现象，使发泡PE的泡孔稳定、均匀。而过多的H2O则将导致混合发泡剂可能出现提前发泡，使发泡PE内部泡孔出现并泡、缺陷和畸形，从而降低发泡PE强度。此外，过多的H2O也将导致发泡PE出现银纹，导致发泡PE容易出现应力集中现象，降低发泡PE的韧性，导致发泡PE断裂伸长率降低。因此，最佳发泡剂配方为m(H2O)∶m(PEG)=0.4∶1.6。2.5隔音性能表征图6为纯PE和不同配方的发泡PE样品隔音性能。从图6可以看出，样品穿透声压与频率呈正比，频率越低，能够穿透的声压越低，说明PE对低频声压有更好地吸收性能。但纯PE的隔音能力不好，不同频率声压穿透强度均在80 dB以上。而发泡PE的吸音能力优于纯PE，并随着H2O与PEG比例的提高，低频声压的穿透性能继续降低。当m(H2O)∶m(PEG)为0.6∶1.4和0.8∶1.2时，发泡PE对1 000、500和250 Hz的声音具有良好的吸收能力，穿透声压均不超过50 dB。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F006图6PE、不同配方的发泡PE样品隔音性能分析Fig.6Analysis of sound insulation performance of different foamed PE samples图7为样品隔音性能与纯PE的差异。从图7可以看出，当m(H2O)∶m(PEG)为0∶2和0.2∶1.8时，样品声压差均不超过-10 dB，而当m(H2O)∶m(PEG)为0.4∶1.6时，发泡PE对频率为4 000 Hz和2 000 Hz声压的吸收性能最好，声压差为-19 dB和-23 dB，而m(H2O)∶m(PEG)为0.6∶1.4和0.8∶1.2时，样品声压差进一步提高，并且对1 000 Hz以下低频声压吸收效果更好，声压差均在-35 dB以上。说明发泡PE能够起到较好的隔音性能，其原因是发泡PE孔洞中残留的H2O能够在声压下产生共振，吸收声波能量，降低声波强度，从而起到隔音作用。并且，更多的H2O在发泡PE中体积更大，共振频率更低，因此对低频声波的吸收作用更明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F007图7样品与纯PE的隔音性能差异Fig.7Difference of sound insulation performance between the sample and pure PE3结论（1）当m(H2O)∶m(PEG)为0.2∶1.8或0.4∶1.6时，发泡PE发泡形貌最优，继续提高H2O∶PEG比例，泡孔结构较差。当m(H2O)∶m(PEG)大于或等于0.6∶1.4时，发泡PE中可以残留大量H2O，会影响发泡PE的热稳定性。（2）随着H2O与PEG的比例增加，发泡PE的比拉伸强度、比弯曲强度和弯曲模量均呈先增加后降低的趋势，其中，当m(H2O)∶m(PEG)为0.4∶1.6，比拉伸强度和比弯曲强度最高，分别为19.0 (N·m)/kg和17.9 (N·m)/kg，m(H2O)∶m(PEG)为0.2∶1.8时，比弯曲模量均最高，为498 (N·m)/kg；发泡PE断裂伸长率随H2O与PEG的比例增加而降低，从0∶2增加到0.8∶1.2，断裂伸长率从102%降至44%。（3）以m(H2O)∶m(PEG)为0.4∶1.6作为发泡剂时，能够制备比强度较高、泡孔形貌较为优异的发泡PE材料，该发泡体系是绿色、廉价的发泡体系，具有一定的应用价值。