摘要

本文针对聚合物发泡材料生产中AC发泡剂（偶氮二甲酰胺）的活化机理进行深入探讨，重点分析氧化锌作为活化剂在防撞板制造中的关键作用。通过研究氧化锌的添加量对发泡温度、泡孔结构和产品性能的影响机制，为工业生产提供科学依据。研究表明，氧化锌通过配位作用显著降低AC发泡剂分解温度，当添加量为0.1-0.2份时可将分解温度从195-220℃降低至150℃左右，且纳米氧化锌表现出更优异的活化性能。

一、引言

AC发泡剂（偶氮二甲酰胺）作为聚合物发泡领域广泛应用的发泡剂，其分解温度与聚合物加工温度的匹配程度直接影响发泡材料的质量。在实际应用中，需要通过活化剂调节其分解温度范围，其中氧化锌因其优异的活化性能而备受关注。特别是在防撞板等缓冲材料的生产中，氧化锌的添加量与分散状态对最终产品的性能具有决定性影响。AC发泡剂因具有发气量大（210-230 mL/g）、制品气泡均匀、无污染、对模具不腐蚀等特点，成为泡沫材料生产厂家的首选化学发泡剂。

二、AC发泡剂的分解机理与活化需求

2.1 AC发泡剂的热分解特性

AC发泡剂在加热条件下发生分解反应，产生氮气（N₂）、一氧化碳（CO）、少量的二氧化碳（CO₂）及氨气（NH₃）等气体，形成发泡动力。纯AC发泡剂的分解温度约为195-220℃（不同厂家的分解温度略有差异），这一温度范围与许多聚合物的加工温度存在不匹配情况。AC的热分解过程分为三个阶段：第一阶段的气相产物为N₂、CO、HNCO，固体残留物为联二脲等；第二阶段的气相产物为NH₃、HNCO；第三阶段的气相产物为NH₃、CO₂，固体残留物为尿唑等。

2.2 活化剂的必要性

为了降低AC发泡剂的分解温度并使其与基体树脂加工温度相匹配，必须使用活化剂。活化剂通过降低分解活化能，使发泡剂在较低温度下发生分解，同时保证气体释放速率与树脂熔体强度达到最佳匹配。AC发泡剂的热分解温度范围小，分解突发性强，使加工工艺条件很难控制，并且易于造成并泡。同时，由于它是强放热发泡剂，熔体在加工中因发泡剂分解产生的热量使熔体的粘度出现波动，使发泡过程的加工难以控制，因而现有的发泡制品性能不稳定。

三、氧化锌的活化机理深度分析

3.1 配位作用机理（路易斯酸-碱理论）

氧化锌的活化机理主要基于  路易斯酸-碱配位理论  。锌离子的外围电子排布具有空轨道，而AC发泡剂的分子结构上氮原子和氧原子皆有孤对电子，二者发生酸碱配位络合。这种配位作用使得AC分子中-N-C-键电子云浓度流向两侧，中间重叠程度减少，导致-N-C-键容易断裂，从而使AC活化分解。红外光谱分析表明，AC经氧化锌配位处理后，其C=O伸缩振动吸收峰、C-N伸缩振动吸收峰、N=N伸缩振动吸收峰均发生偏移，证实了配位作用的存在。

3.2 表面催化与粒径效应

氧化锌作为一种n型半导体材料，其表面存在大量氧空位和锌间隙原子，这些缺陷位点为AC发泡剂的吸附和分解提供了活性中心。研究表明，氧化锌的活化效率与其比表面积密切相关。  纳米级氧化锌  由于具有更大的比表面积和更多的表面活性位点，展现出更优异的活化性能。研究发现，在AC发泡剂中添加纳米氧化锌的样品，其初始分解温度明显低于未添加纳米氧化锌的AC发泡剂，且分解速度明显高于添加微米氧化锌的样品。

表1：不同粒径氧化锌对AC发泡剂分解性能的影响

3.3 与其他活化剂的协同机制

氧化锌与含铅化合物（如三盐基硫酸铅、二盐基亚磷酸铅）、硬脂酸盐等存在协同效应。这些金属盐类活化剂中的金属离子具有接受孤对电子的功能，属于路易斯酸类物质，而偶氮基中的氮原子和羧基中的羰基上有孤对电子，系路易斯碱性物质，路易斯酸碱的相互作用是活化发泡剂AC的实质。研究表明，三盐基硫酸铅、二盐基亚磷酸铅、硬脂酸铅对发泡剂AC都有较强的活化作用，属于加速型发泡助剂。

四、氧化锌添加量的优化研究

4.1 添加量与分解温度的关系

通过差示扫描量热法（DSC）研究发现，氧化锌添加量与AC发泡剂的分解温度呈现非线性关系。当添加量在0.1-0.5phr范围内，分解温度随添加量增加而显著降低；超过一定值后，温度变化趋于平缓。研究表明，氧化锌用量为0.1份时，活化作用较好，最大发气量及最终发气量都最大。在实际生产中，只需要0.2份的氧化锌就可以把AC分解温度降低到150℃左右。

4.2 最佳添加量范围

综合多项研究数据表明，在EVA、PVC等常见防撞板基材中，氧化锌的适宜添加量为0.1-0.5phr。这一范围既能保证充分的活化效果，又可避免过量添加导致的分散问题和成本增加。需要注意的是，氧化锌用量的多少对发泡剂AC热分解特性的影响不明显，但当氧化锌用量为0.1份时，最大发气量及最终发气量都最大，说明此时其对发泡剂AC的活化作用较强。

4.3 与其他活化剂的复配优化

氧化锌与硬脂酸锌、硬脂酸钙等助剂存在明显的协同效应。适当的复配比例能够进一步提高活化效率，同时改善泡孔结构的均匀性和稳定性。建议的复配比例为ZnO:ZnSt = 1:2到1:3之间。研究还表明，含锌化合物的加入使得ADC发泡剂的热分解温度不同程度降低，其中醋酸锌的效果最为显著。

表2：不同活化剂对AC发泡剂分解特性的影响

五、生产工艺的关键影响因素

5.1 分散均匀性的重要性

氧化锌在树脂中的分散状态直接影响活化效果的均匀性。采用高速混合和双螺杆挤出工艺可显著改善分散质量，确保发泡剂分解的均一性。研究表明，通过将AC及活化剂共同微细化制得的制剂，可使组分间充分接触，而这种接触如将AC及活化剂分别加入塑料是不能实现的。本公司根据客户需要研发生产EVA发泡专用氧化锌，加入包膜活性剂增加产品流动性易与分散到体系中，形成高度分散、均匀、稳定的分散体系增加产品强度和致密性、粘合性、光洁度。

5.2 加工温度曲线的优化

根据氧化锌添加量调整加工温度曲线至关重要。建议采用分段加热工艺，使发泡剂分解与树脂熔融过程达到最佳同步。在实际加工过程中，由于是静态加热的过程（恒定加工温度和温度分布），研究发泡剂AC在静态过程中的分解显得更为重要。

六、防撞板生产的综合配方考量

6.1 基础配方的平衡设计

除了氧化锌活化体系外，防撞板配方还需考虑以下要素：

l AC发泡剂用量：15-25phr

l 填充剂类型与用量：滑石粉15-20phr

l 交联剂添加量：根据硬度要求调整

l 润滑剂选择：保证脱模性和表面质量

6.2 泡孔结构的质量控制

优质防撞板应具备均匀的闭孔结构，平均孔径控制在100-300μm，泡孔密度达到10⁴-10⁶个/cm³。这些指标直接受到氧化锌活化效果的影响。在PVC糊和PP发泡中，添加纳米氧化锌的样品，发泡倍率明显高于未添加纳米氧化锌和添加微米氧化锌的样品。使用化学发泡剂制备的橡胶发泡材料按照泡孔是否连通分为闭孔发泡材料和开孔发泡材料，按照泡孔的大小又分为普通发泡材料和微孔发泡材料。

七、技术发展趋势与创新方向

7.1 环保型活化体系的开发

随着环保要求日益严格，开发低锌或无锌活化体系成为行业重要研究方向。一些新型有机活化剂已展现出应用潜力。虽然含铅活化剂如三盐基硫酸铅、二盐基亚磷酸铅对发泡剂AC有较强的活化作用，但由于环保限制，需要开发更环保的替代品。

7.2 纳米复合活化技术

采用纳米复合技术制备的锌基复合活化剂，不仅提高了活化效率，还减少了金属锌的使用量，符合绿色制造的发展方向。研究表明，纳米氧化锌/AC复合发泡剂在PVC糊和PP发泡中表现出优异的性能，其分解速度明显高于未添加纳米氧化锌和添加微米氧化锌的样品。

7.3 智能化工艺控制

通过在线监测和反馈控制系统，实时调整氧化锌添加量和加工参数，实现生产过程的精确控制，保证产品质量稳定性。发泡剂AC的热分解特性可以通过动力学和热力学相结合的方法进行研究，为智能化控制提供理论基础。

八、结论

氧化锌作为AC发泡剂的高效活化剂，在防撞板生产中发挥着不可替代的作用。通过深入理解其活化机理，优化添加量和加工工艺，可显著提高产品质量和生产效率。

主要结论如下：

1. 氧化锌通过路易斯酸-碱配位机制降低AC发泡剂分解温度，纳米氧化锌效果尤为显著

2. 氧化锌的最佳添加量为0.1-0.5phr，过量添加效果不明显且可能带来分散问题

3. 氧化锌与硬脂酸锌、含铅化合物等存在协同效应，适当复配可进一步提高活化效率

4. 纳米氧化锌/AC复合发泡剂表现出优异的分解特性，是未来重要发展方向

建议生产企业根据自身配方体系和设备条件，通过系统实验确定最佳的氧化锌添加量，同时关注行业技术发展动态，持续优化生产工艺。未来应加强环保型活化体系的开发，减少对重金属的依赖，推动行业绿色可持续发展。