第41卷第12期 塑料工业 2013年l2月 CHINA PLASTICS INDUSTRY 高熔体强度聚丙烯的制备及性能研究 汪晓鹏,李文磊,贺建梅 (甘肃省皮革塑料研究所,甘肃兰州730046) 摘要:使用同向双螺杆挤出机,采用普通聚丙烯和过氧化二异丙苯(DCP)以反应挤出交联法制得高熔体强度聚 丙烯(HMSPP),并通过正交试验设计进行了配方优化。进一步测试了HMSPP的熔体质量流动速率、凝胶含量、力 学性能及热性能,并与普通PP进行了比较。结果表明,制备的HMSPP的凝胶含量、熔体质量流动速率有较大幅度提 高,力学和耐热性能比普通PP显著提高,可满足生产可发性聚丙烯泡沫材料的要求。 关键词:高熔体强度聚丙烯;制备;性能;可发性聚丙烯泡沫 DOI:10.3969/j.issn.1005—5770.2013.12.003 中图分类号:TQ325.1 4 文献标识码:B 文章编号:1005—5770(2013)l2一o009—04 Preparation&Properties Study on High Melt Strength Polypropylene WANG Xiao—peng,LI Wen‘lei,HE Jian’mei (Gansu Province Leather Plastics Research Institute,Lanzhou 730046,China) Abstract:High melt strength polypropylene(HMSPP)was prepared with PP and dicumyl peroxide (DCP)by reaction method using twin‘screw extruder.The formula was optimized by orthogonal experimental design.The melt flow quality rate,gel content,mechanical properties and thermal properties of HMSPP were tested and compared with PP.The results showed that the gel content and the melt flow rate of HMSPP were much higher,the mechanical and thermal performances were signiifcantly improved which can meet the production requirements for polypropylene foam. Keywords:HMSPP;Preparation;Performance;Polypropylene Foam 聚丙烯(PP)是全球应用最广泛,产量增长最 且价格高昂(3.5万元/t)。少数公司和科研院所合 快的树脂之一。采用齐格勒一拉塔(Ziegler’Natta) 作进行了工业化项目的尝试性研发,取得了一些进 型催化剂聚合而成,目前所生产的聚丙烯中95%为 展。为此,我们开发制备HMSPP树脂,用于发泡聚 等规聚丙烯。其美中不足的是PP韧性差、低温易脆 丙烯(EPP)的生产应用 。 化、热变形温度低,不能产生次级活动中心,导致熔 1试验部分 体强度低和耐融垂性能差。故而,PP不能在较宽的 温度范围内进行热成型加工。再次,其软化点和熔点 1.1主要原料 相近,当温度高于熔点时,熔体强度和黏度急剧下 普通PP(CPP):KO,MFR为0.2~2.0 g/ 降,严重影响热成型的制品质量。最后,PP在熔融 10min,中石化兰州化学工业公司;PP:T30S,MFR 状态下,无应变硬化效应,因此大大限制了应用范围 为3.0 g/lOmin,天津联合化学有限公司;F401, 和领域。从而使开发高熔体强度聚丙烯(HMSPP) MFR为2.5 g/10rain,北京燕山石油化工公司化工二 的专用料成为研究的热点。HMSPP最重要的性能参 厂;交联剂过氧化二异丙苯(DCP)、助交联剂异氰 数就是熔体强度,其熔体强度甚至可达到相同熔体质 尿酸三稀丙酯(TAIC):兰州助剂厂;抗氧剂1010、 量流动速率(MFR)的线型聚丙烯(LPP)的10倍。 辅助抗氧剂DLTDP:兰州化学工业公司有机厂;超 当前,国际上只有日本、美国、意大利、德国和 细滑石粉:1 250目,青海乐都县新兴分体材料厂。 英国、瑞士、加拿大等少数发达国家具备PP发泡制 1.2主要设备和仪器 品工业生产技术。国内,发泡PP的研究尚处于起步 双螺杆挤出机:SJ65,大连塑料机械厂;高速混 阶段,工业生产处于空白,所需材料仍然依赖进口, 炼机:GH。50DQ,北京塑料机械厂;熔体流动速率 作者简介:汪晓鹏,男,1965年生,高级工程师,主要从事高分子材料改性方面的工作。wxp6551@126.com ・l0・ 塑料工业 2013正 测定仪:承德市金建检测仪器有限公司;热变形、维 卡软化点温度测定仪:XRW。300,承德市金建检测仪 器有限公司;HIT复合式冲击试验机:承德市金建检 测仪器有限公司;微机控制电子万能试验机: CMT4304,深圳市新三思材料检测有限公司。 1.3试样制备 1.3.1设计配方 从分子结构的角度来看,HMSPP的熔体强度主 要来自高的摩尔质量、宽的摩尔质量分布和长支链化 结构(SLCB)的存在。HMSPP的制备方法亦根据分 子设计,即从提高摩尔质量、加宽摩尔质量分布和引 入长支链化结构人手。具体方法有共混法、后反应器 法(反应挤出法)、反应合成法和交联法 。本文采 用的制备HMSPP的基础配方如下所述 。 PP(T30S/F401质量比40/60):100 phr;交联剂: 0.1~0.5 phr;助交联剂:1~3 phr;复合抗氧剂:0.1~ 1.0 phr;滑石粉:0.5—1.0 phr;其他助剂适量。 1.3.2制备工艺流程 PP 其他助剂 图1 HMSPP制备工艺流程图 Fig 1 Scheme of preparation process flow for HMSPP 1.3.3工艺控制 通过单、双螺杆挤出机均可生产,但工艺温度和 螺杆转速对粒料的性能影响较大,在制备中应严格控 制。以双螺杆挤出机生产。首先将PP树脂与交联 剂、其他助剂及添加剂按配方比例称量准确,用高速 混合机混合后,加人挤出机料斗并且控制加料速度, 填充率以0.9为宜。按预定工艺条件(参数)进行 塑化、熔解、反应。然后挤出冷却切粒,即可制得粒 料。按测试标准进行性能测定,据测定结果调整优化 配方,确定最佳配方。依照最佳配方生产,可制备出 系列不同性能的HMSPP专用料(母料)。 1.3.4工艺条件(参数) 挤出机温度控制(从进料口开始):I区200~ 220℃;Ⅱ区215~230 oC;III区195~200 。模口 温度190~210 oC。主机电流2~3 A。主机转速应控 制树脂和助剂在料筒中的停留时间(3~5 min为 宜)。根据交联剂的半衰期的不同,严重影响交联的 凝胶化程度(交联度)。过长致使物料降解、分解达 不到交联目的。应以排气口不溢料,切粒均匀为准进 行适当调节。 注意:高熔体流动速率PP改性料不同于商用聚 丙烯树脂(CPP),加工造粒有其显著不同的工艺条 件。由于熔融的共混组分使得PP树脂发生化学降 解,MFR在短时间提高到几倍乃至几十倍不等。因 此料筒温度应严格控制,宜采用先高后低的工艺温 度,方可获得较好效果 J。 1.4配方正交试验设计与优化 采用正交设计优化配方。采用正交表L。(3 )。 取交联剂用量(A,phr)、抗氧剂用量(B,phr)、 反应挤出温度(C,cI=)为3个关键因子,分别取3 水平进行设计优化,各因素及各个水平值见表1。 表l 正交试验因素和因素水平表 Tab 1 Factors and levels of orthogonal test 1.5测试与表征 (1)MFR测试:按照GB/T 3682--2000测试, 230 oC、2.16 kg。 (2)凝胶含量测定:称取待测试样0.2 g,经二 甲苯与抗氧剂1010溶液,回流抽提24 h,干燥至恒 重,凝胶含量按式(1)计算。 Xg l m1/m0×100% (1) 式中,X 。。、m。、m 分别表示试样的凝胶含量、抽提 前试样质量和抽提后试样质量。平行试验至少进行3 次,计算平均值。 (3)热变形温度钡4定:按GB/T 1633--2000测 试热变形温度,升温速率50 ̄C/h,负荷50 N。 (4)力学性能测试:拉伸性能测试按GB/T 1040--1996进行;弯曲性能测试按GB/T 9341--2000 进行;冲击性能测试按GB/T 1043--1993进行。 2结果与讨论 2.1配方优化结果 根据正交表L (3 )(见表2)所设计的实验方 案,得到相应的试验结果,以及各因素在各水平上的 平均值和极差,列于表2。由表2可知,极差大小顺 序R >R >R ,得到对综合评分影响顺序为:C> A>B。由表3给出的综合评分可知,9 实验结果最 佳,其组合为:A B c ,即交联剂0.5 phr,抗氧剂 0.5 phr,反应温度220 cC。 第41卷第12期 汪晓鹏,等:高熔体强度聚丙烯的制备及性能研究 表2 L。(3。)型正交试验设计和分析表 Tab 2 Lq(3 )orthogonal experimental design and results analysis 注:1)y 、l,:、y,、y4、l, 分别代表凝胶含量、MFR、拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度。 表3实验结果综合评价 ab 3 The syntThetic estimation of experimental resuhs 转变为网状长支链的分子构造,进而使分子的运动能 力减弱,熔体的流动性增强。 2.2耐热性能比较 表5 HMSPP与CPP的热性能比较 Tab 5 Thermal property of HMSPP in comparison with CPP HMSPP与CPP的热变形温度和熔点列于表5, 可见前者的热变形温度和熔点较后者明显提高。这是 由于HMSPP中形成了交联网络,网状大分子之间的 范德华力及分子链之间相互缠绕,使得分子运动更困 注:1)为了综合评价,以得出较佳配方比例,将实验 结果划分为3个等级,每个等级得分分别为2、4、6分。将 指标进行综合评定。 难,表现为熔体的热变形温度和熔点有所提高,在抗 氧剂的作用下,稳定性更好。 2.3力学性能 表6 HMSPP与cPP力学性能比较 Tab 6 HMSPP in comparison with PP on mechanical properties 2.1熔体流动性能 表4 HMSPP与CPP的熔体黏度和凝胶程度的比较” Tab 4 Melt viscosity rate and gel extent of HMSPP in comparison with CPP on 注:1)HNSPP为使用1.3.1节的基础配方所得。表5 和表6同。 由表6可见,与纯PP相比,HMSPP的力学性能 大为改善。这是由于交联和抗降解能力提高的双重作 用;聚合物接枝交联、聚烯烃主链 断键、过氧化物 产生自由基形成聚合物自由基反应、支链化的分子结 构等系列叠加因素,使得PP分子不易运动,力学性 能得到明显提高。尤其是冲击强度提高较多,这是由 试样的熔体质量流动速率和凝胶含量见表4。由 表4可知,HMSPP中存在大量凝胶,这是DCP和 TAlC的协同作用,不仅使得HMSPP的凝胶含量显著 提高,而且有效地促进LPP由线型结构经交联反应 于PP经交联后,形成立体网状结构,当受到冲击时 塑料工业 20l3年 可吸收更多的能量,使得冲击性能显著提高,即冲击 表8交联剂用量对HMSPP综合评价的影响 Tab 8 The effect of cross—linker content on the comprehensive value of HMSPP 强度由纯PP的7.76 kJ/m 提高到12.86 kJ/m ,即 增长65.3%。同时,材料的拉伸强度和弯曲强度均 有所提高,可用于生产发泡制品_6 J。 2.4螺杆转速和加料速度的影响 就挤出反应工艺而言,螺杆转速和加料速度对交 联物料和交联程度有较大的影响。即螺杆转速高,或 者加料速度快,则交联物的交联程度越大。螺杆的长 2.7验证配方放大重复试验结果 径比越大单体的交联接枝率越高。因此物料在料筒中 停留时间越长,在该时间内物料与交联剂、抗氧剂反 应充分;螺杆转速宜控制在50~200 r/min,见图2。 _口 ‘百 二 商 辩 骥 l 2 3 4 5 6 7 熔体质量流动速率/g・(10rain) 图2螺杆转速对熔体流动速率的影响 Fig 2 The effect of seerw on the MFR 2.5 反应温度与反应时间对交联度的影响 表7反应温度和反应时间对交联度的影响 Tab 7 The effect of 0n the reactor temperature and times 对于化学交联法制备高熔体强度聚丙烯,温度和 反应时间至关重要。根据表7,就本实验采用的交联 剂、抗氧剂,根据过氧化物的半衰期为1 h,及分解 温度范围为135~155℃的特点,反应加工温度选择 在180~240 氛围内较好;平均反应时间1.5~3 min适宜。 2.6交联剂用量对HMSPP综合评价的影响 由表8可知,随着交联剂份数的增加,PP的线型 结构变为立体网状结构,使得HMSPP的力学性能有较 大幅度的提高。经对试验结果综合评定,与之一致。 为验证正交试验设计所确定的A。B C,是否最 佳,将该配方放大3倍,进行平行试验3次,结果见 表9。由实验结果可证明该配方稳定可靠,可按该配 方进行批量生产。 表9放大3次平行重复试验结果 Tal 9 Recover orthogonal experimental test results 3 结论 1)通过基础配方的正交试验设计和优化,采用 反应挤出交联法试样制备成HMSPP,其熔体强度、 凝胶化质量、力学性能、耐热性能均有不同程度的 提高。 2)普通PP发泡温度范围极窄,从熔点到微子 壁开始破裂的温度区间约4℃,黏度低、熔体强度 差,极大地限制了在低发泡材料方面的应用。HM— SPP在熔融加工时,张力和应变硬化性较高,在气泡 成长期不会破裂,生产可发泡聚丙烯(EPP)具有闭 孔结构、较高绝热性和刚性制品 。 3)开发的HMSPP具有较高的熔体强度和拉伸 黏度,而拉伸黏度、剪切应力和时间成正比关系,应 变硬化行为促使泡孔稳定增长,抑制了对微孔壁的破 坏,从而使PP基础发泡成型成为可能。在后续开发 中将逐步扩大其用途和范围,提高其性能和功能。 参考文献 [1]耿伟,杨育农,王浩江.高熔体强度聚丙烯的研究应用 进展,[JI.中国塑料,2009(4):36—40 (下转第16页) ・16・ 塑料工业 2013拄 本装置可以生产均聚物、无规共聚物和抗冲共聚 物三种类型的产品,总共93个牌号,其中均聚牌号 为46个,无规共聚牌号为17个,抗冲共聚牌号为 30个。主要产品的物理性能及用途列于表1~表3。 共聚聚丙烯(PPR)管材、注塑产品、双向拉伸聚丙 烯(BOPP)膜等制品,产品具有防热、防老化、防 静电、高透明、防结块等特点,产品用途覆盖面广, 具有较强的市场竞争力 。 5 结束语 本装置采用NTH公司的Novolen气相法聚合工艺 技术,设计生产能力大(50万t/a),连续操作时间 长(8 000 h/a),操作弹性大(60%~110%)。装置 采用气相工艺,聚合反应器体积小,聚合反应器中只 有粉料和气相单体存在,开停车周期短,开停车过程 中物料排放量少,有利于节能、环保及安全生产。 该工艺可生产包括均聚物、无规共聚物及高抗冲 参考文献 [1]洪定一.聚丙烯——原理、工艺与技术[M].北京:中 国石化出版社,2007. [2]杨国建.聚丙烯技术现状[J].广东化工,2010,37 (9):226—227. [3]石伟.氢气精制技术在聚丙烯装置的应用[J].石油化 工设计,2011,28(3):27—28. [4]金栋.世界聚丙烯工业生产现状及技术进展[J].化工 科技市场,2007,30(5):1—7. [5]中国石油化工集团公司人事部.聚丙烯装置操作工 [M].北京:中国石化出版社,2007. [6]张德生.兰州石化分公司新建3O万t/a聚丙烯装置概况及 特点[J].石化技术与应用,20O7,25(4):358—365. (修改稿于2013—09—26收到) 共聚物在内的挤出、热成型、膜片、纤维、吹模、注 塑等全范围的各种聚丙烯产品,产品熔体质量流动速 率范围为0.1~100 g/10min,产品的等规指数为 90%~99%,拉伸模量可以达到2 000 MPa以上。可 以用于生产无纺布、地毯、包装带、高弹性膜、无规 (上接第12页) 京:化学工业出版社,2013:371—379. [2]吕坤.高熔体强度PP专用料现状及发展前景简析[J]. 化学工程与装备,2013(1):147—150. [3]王红英,胡徐腾,李振字,等.高熔体强度聚丙烯的制 备与表征[J].化学进展,2007(6):934—954. [4]王文广,严一丰.塑料配方大全[M].第二版.北京: 化学工业出版社,2008:74—76. [6] 刘卉,韩雪山,牛淑梅,等.发泡用高强度聚丙烯的研 究[J].现代化工,2011,31(1):201—206. [7] 赵敏.改性聚丙烯新材料[M].第二版.北京:化学工 业出版社。2010:227—245. (本文于2013—10—11收到) [5]杨明山.塑料改性工艺配方与应用[M].第二版.北 奥美凯与生命材料技术联袂推出化纤及塑料制品用抗菌产品系列 美国奥美凯公司(Americhem)及生命材料技术有限公司(LIFE) 联袂推出适用于化纤及塑料应用的抗菌产品系列。结合 双方目前能为市场提供更具竞争力的抗菌产品,且对多数 奥美凯优越的nShield 抗菌母粒分散技术及LIFE大量的抗菌剂选择, 微生物有优秀的抗菌性能。 “奥美凯与LIFE是理想的合作伙伴,我们有共同的经营理念为客户提供最好的定制解决方案。”奥美凯亚太区总经理Stanley Teoh表示,“我们将为纺织及塑料制品提供更合适有效的有机及无机类抗菌、防霉及防藻类产品。同时,我们所采用的有效活性 成份经已在美国环境保护局(EPA)注册过,并符合欧盟生物灭活剂法规BPR 528/2012的要求。我们也提供良好色彩稳定性和 透明度的产品。” uFE为塑料、纺织品、涂料、陶瓷、水泥及其他固体材料提供全面的解决方案。uFE所提供的有效抗菌剂材料可通过产品 制造过程中直接加入,以实现长效抗菌、防霉、防藻类以及其他微生物的滋长。nShield 系列抗菌母粒适用于化纤及塑料制品, 包括:纺织品、无纺布、人造草纱及应用领域广泛的注塑成型产品和包装材料。nshield ”母粒熔融嵌人化纤或塑料制品中以起 到御制细菌繁殖,除臭、防污,并保持产品的清新感。 “很高兴与奥美凯缔结伙伴关系,我们期待在此技术合作上能为业界提供更优越的解决方案。”LIFE首席执行官Tom Ellefs— ell表示,“奥美凯的分散技术在全球化纤及塑料领域独一无二,所以我们有理由相信,我们的客户将从这一强强合作而受益并为 市场开发出更多差别化产品。” 除此之外,源于奥美凯的分散技术,nShield删能协助客户在制造过程中降低组件压力,提高纺丝性能及实现更高良品率。 可通过www.americhem.com/nshield了解更为全面的nShield 抗菌母粒信息。