高熔體強(qiáng)度聚丙烯材料研制的試驗(yàn)分析

王 清, 曹存軍, 譚晶瑩

(湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng)414006)

高熔體強(qiáng)度聚丙烯材料研制的試驗(yàn)分析

王 清, 曹存軍, 譚晶瑩

(湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng)414006)

研究分析了高熔體強(qiáng)度聚丙烯的研制方法, 并著重討論了過(guò)氧化物含量對(duì)熔體強(qiáng)度、凝膠、流動(dòng)性、沖擊強(qiáng)度和彎曲模量的影響.

聚丙烯; 高熔體強(qiáng)度; 過(guò)氧化物; 發(fā)泡

Abstract:Research and development of PP with high bath strength is analyzed in detail. Especially, different peroxide content addition influence on bath strength, gel, liquidity, impact strength and flexural modulus in PP with high bath strength are studied.

Key words:polypropylene; high bath strength; peroxide; foaming

聚丙烯(PP)的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定其降解性能優(yōu)于PE和PS, 和其它聚烯烴材料相比, 聚丙烯(PP)具有較高的拉伸強(qiáng)度、剛性及較強(qiáng)的耐化學(xué)藥品腐蝕性和較高的使用溫度. 因此成為繼聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯泡沫材料之后更具應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力的新型泡沫材料. 但聚丙烯的結(jié)晶化特性決定了其適宜的發(fā)泡溫度范圍非常狹窄. 無(wú)定型聚合物的熔體粘度在溫度高于軟化溫度以后隨著溫度的升高緩慢降低, 而聚丙烯樹(shù)脂則隨著熔體溫度的升高, 熔體粘度急劇下降, 發(fā)泡劑分解出的氣體難以保持在樹(shù)脂中而逸散, 導(dǎo)致發(fā)泡成型困難, 此外, 結(jié)晶時(shí)由于放出較多的熱量, 使熔體強(qiáng)度降低, 發(fā)泡后氣泡容易破壞, 不易得到獨(dú)立氣泡率高的發(fā)泡體, 因此需設(shè)法提高聚丙烯樹(shù)脂的熔體強(qiáng)度, 降低溫度對(duì)聚丙烯樹(shù)脂熔體粘度的影響程度, 從而在較寬的溫度范圍內(nèi)具有適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡粘度. 本文在大量探索實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 利用PP的加工特性,成功探索出一條改善PP熔體強(qiáng)度的方法. 改性的PP既保持PP剛性和熔點(diǎn), 又具有良好擠出加工特性, 擠出發(fā)泡性能得到極大的提高.

1 技術(shù)路線分析

提高PP的熔體強(qiáng)度的辦法很多, 但大致可以分為兩類: (1)與其他非晶或低結(jié)晶樹(shù)脂、彈性體等共混, 以提高熔程與熔體強(qiáng)度, 相當(dāng)于物理改性稱共混改性; (2)提高PP分子量及其分布或引入支鏈結(jié)構(gòu), 屬化學(xué)改性, 比前者性能更加優(yōu)越. 具體改性方法也研究較多, 大致分為聚合改性、輻照處理、反應(yīng)擠出等幾種. 反應(yīng)擠出法, 也叫熔融接枝的方法, 由于其操作簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì), 適合工業(yè)化生產(chǎn)而成為目前采用的主要方法. 它采用化學(xué)自由基引發(fā)劑在丙烯聚合物骨架上自由基位置接上第二單體, 從而獲得一定支化度的丙烯聚合物.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本研究采用XD045粉料聚丙烯為基礎(chǔ)原料, 過(guò)氧化物不同添加量, 采用直徑35mm平行同向雙螺桿擠出機(jī)共混造粒得到的聚丙烯產(chǎn)品的熔融指數(shù)、沖擊強(qiáng)度、彎曲模量、熔體強(qiáng)度、凝膠含量等指標(biāo)的影響.

基礎(chǔ)配方: XD045(余量)、二碳酸酯過(guò)氧化物(0.1%、0.5%、2%、4%、5%)、抗氧劑(AT215, 0.15%)、硬脂酸鈣(0.06%).

擠出工藝: 溫度(150, 180, 180, 180, 180, 180, 180, 180, 180℃)、螺桿轉(zhuǎn)速(280rpm)、擠出量(25kg/h).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 過(guò)氧化物含量對(duì)熔體強(qiáng)度的影響

如圖1所示, 隨著過(guò)氧化物含量的增加, 產(chǎn)品的熔體強(qiáng)度基本是增加, 并均高于未添加過(guò)氧化物產(chǎn)品的熔體強(qiáng)度. 但是過(guò)氧化物添加量高于0.5%后, 熔體強(qiáng)度的增加趨勢(shì)趨緩, 而且在高于4%時(shí)產(chǎn)品熔體強(qiáng)度還會(huì)降低.

這說(shuō)明: 通過(guò)添加過(guò)氧化物, 產(chǎn)品聚丙烯的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化, 可能產(chǎn)生了類似低密度聚乙烯的分子結(jié)構(gòu), 從而使其熔體強(qiáng)度增加, 而更加適合用于發(fā)泡聚丙烯的工藝要求.

圖1 過(guò)氧化物含量與熔體強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 過(guò)氧化物量與凝膠含量關(guān)系

3.2 過(guò)氧化物含量對(duì)凝膠含量的影響

如圖2所示, 隨著過(guò)氧化物含量的增加, 產(chǎn)品的凝膠含量一直增加, 并均高于未添加過(guò)氧化物產(chǎn)品的凝膠含量. 對(duì)應(yīng)于3.1所述熔體強(qiáng)度與過(guò)氧化物添加量的關(guān)系, 可以判斷產(chǎn)品中產(chǎn)生了類似低密度聚乙烯的分子結(jié)構(gòu), 從而使其熔體強(qiáng)度增加. 但是由于凝膠化反應(yīng)與支化反應(yīng)途徑相同, 所以在產(chǎn)生支化聚丙烯的同時(shí), 也相應(yīng)生成了一定量的凝膠聚丙烯. 而且隨著支化反應(yīng)的增加, 即隨著過(guò)氧化物添加量的增加,凝膠反應(yīng)越來(lái)越占據(jù)主要地位. 所以, 隨著過(guò)氧化物添加量的增加, 凝膠含量一直增加, 熔體強(qiáng)度先急劇增加然后下降.

3.3 過(guò)氧化物含量對(duì)產(chǎn)品流動(dòng)性的影響

如圖3所示, 隨著過(guò)氧化物含量的增加,產(chǎn)品的熔體流動(dòng)指數(shù)一直下降, 而且其下降與熔體強(qiáng)度的增加基本一致, 但是二者的程度并不一樣.

熔體強(qiáng)度在0.5%以下急劇上升, 而產(chǎn)品的熔體流動(dòng)指數(shù)是在1%以前均大幅度下降.也就是說(shuō), 在0.5～1%之間, 過(guò)氧化物含量的增加對(duì)熔體強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小. 這一范圍內(nèi), 凝膠的生成逐漸占據(jù)主要地位, 它使產(chǎn)品凝膠含量增加, 流動(dòng)性減低, 而熔體強(qiáng)度變化不大.所以合適的過(guò)氧化物的添加量為約5%左右.

圖3 過(guò)氧化物量與熔融指數(shù)關(guān)系

3.4 過(guò)氧化物含量對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響

如圖4所示, 隨著過(guò)氧化物含量的增加, 產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度一直增加, 而且其下降與熔體強(qiáng)度的增加基本一致, 二者的程度也基本一致.

我們認(rèn)為, 通過(guò)添加過(guò)氧化物導(dǎo)致聚丙烯的支化反應(yīng), 使得聚丙烯分子相互之間的作用力得到了較大地提高, 從而使得產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度增加. 至于其增加趨勢(shì)和程度與熔體強(qiáng)度很大程度上一致的原因需要進(jìn)一步研究.

3.5 過(guò)氧化物含量對(duì)彎曲模量的影響

如圖5所示, 隨著過(guò)氧化物含量的增加, 產(chǎn)品的彎曲模量先增加后下降, 而且下降的幅度較大.

我們認(rèn)為, 通過(guò)添加過(guò)氧化物導(dǎo)致聚丙烯的支化反應(yīng), 使得聚丙烯分子相互之間的作用力得到了較大地提高, 從而使得產(chǎn)品的彎曲模量增加. 至于其在較大過(guò)氧化物添加量時(shí)有較大幅度的下降的原因可能與聚丙烯分子的結(jié)晶程度有一定的關(guān)系.

圖4 過(guò)氧化物量與沖擊強(qiáng)度關(guān)系

圖5 過(guò)氧化物量與彎曲模量關(guān)系

4 結(jié)論

1) 隨著過(guò)氧化物添加量的上升, 產(chǎn)品的熔體強(qiáng)度上升, 凝膠含量上升, 熔體流動(dòng)指數(shù)下降, 沖擊強(qiáng)度增加, 彎曲模量變大.

2) 過(guò)氧化物添加量在0～0.5%范圍內(nèi)時(shí), 產(chǎn)品性能改善較大, 性價(jià)比高. 這時(shí), 聚丙烯分子的支化反應(yīng)占主要地位, 凝膠含量較低, 有利于發(fā)泡聚丙烯的生產(chǎn).

3) 過(guò)氧化物添加量在0.5～5%范圍內(nèi)時(shí), 產(chǎn)品性能逐漸惡化, 性價(jià)比逐漸降低. 這時(shí), 聚丙烯分子的凝膠化反應(yīng)占主要地位, 凝膠含量急劇上升, 不利于發(fā)泡聚丙烯的生產(chǎn).

4) 采用添加過(guò)氧化物化學(xué)改性生成高熔體強(qiáng)度聚丙烯可行, 過(guò)氧化物的合適添加量為0.5%左右.

[1] 李玉芳. 高熔體強(qiáng)度聚丙烯的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 塑料包裝, 1999, 18(1): 6～11

[2] 吳舜英, 徐敬一. 泡沫塑料成型[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1992

[3] 高建明, 張曉紅, 劉軼群, 等. 高熔體強(qiáng)度聚丙烯的制備研究[J]. 合成樹(shù)脂及塑料, 2002, 19(5): 27～31

[4] 信春玲, 洪 粲, 何亞?wèn)|. 聚丙烯的流變性能及發(fā)泡性能研究[J]. 塑料, 2007, (1)

[5] Tsutsui Mototake.Machara Hiroyuki. Hatada Kouichi Polypropylene Base Resin Composition, Production Process for the Same Foamed Article and Foam-molded product Using the Foamed Article [P]. US 6515037. 2003

[6] Ramesh N S. Foam Composite Structure Comprising a Blend of Polypropylene and Homogeneous Ethylene/alpha-olefin Copolymer [P]. US 6492013. 2002

Experiment on Research and Development of PP with High Bath Strength

WANG Qing, CAO Cun-jun, TAN Jing-ying
(College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

O632.12

A

1672-5298(2010)01-0059-03

2009-12-16

湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008FJ3041)

王 清(1965- ), 女, 湖南湘陰人, 湖南理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院副教授. 主要研究方向: 新材料研制及機(jī)械設(shè)計(jì)