高熔体强度聚丙烯材料研制的试验分析

王 清, 曹存军, 谭晶莹

(湖南理工学院 机械工程学院, 湖南 岳阳414006)

高熔体强度聚丙烯材料研制的试验分析

王 清, 曹存军, 谭晶莹

(湖南理工学院 机械工程学院, 湖南 岳阳414006)

研究分析了高熔体强度聚丙烯的研制方法, 并着重讨论了过氧化物含量对熔体强度、凝胶、流动性、冲击强度和弯曲模量的影响.

聚丙烯; 高熔体强度; 过氧化物; 发泡

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)的化学结构决定其降解性能优于PE和PS, 和其它聚烯烃材料相比, 聚丙烯(PP)具有较高的拉伸强度、刚性及较强的耐化学药品腐蚀性和较高的使用温度. 因此成为继聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯泡沫材料之后更具应用价值和市场潜力的新型泡沫材料. 但聚丙烯的结晶化特性决定了其适宜的发泡温度范围非常狭窄. 无定型聚合物的熔体粘度在温度高于软化温度以后随着温度的升高缓慢降低, 而聚丙烯树脂则随着熔体温度的升高, 熔体粘度急剧下降, 发泡剂分解出的气体难以保持在树脂中而逸散, 导致发泡成型困难, 此外, 结晶时由于放出较多的热量, 使熔体强度降低, 发泡后气泡容易破坏, 不易得到独立气泡率高的发泡体, 因此需设法提高聚丙烯树脂的熔体强度, 降低温度对聚丙烯树脂熔体粘度的影响程度, 从而在较宽的温度范围内具有适当的发泡粘度. 本文在大量探索实验的基础上, 利用PP的加工特性,成功探索出一条改善PP熔体强度的方法. 改性的PP既保持PP刚性和熔点, 又具有良好挤出加工特性, 挤出发泡性能得到极大的提高.

1 技术路线分析

提高PP的熔体强度的办法很多, 但大致可以分为两类: (1)与其他非晶或低结晶树脂、弹性体等共混, 以提高熔程与熔体强度, 相当于物理改性称共混改性; (2)提高PP分子量及其分布或引入支链结构, 属化学改性, 比前者性能更加优越. 具体改性方法也研究较多, 大致分为聚合改性、辐照处理、反应挤出等几种. 反应挤出法, 也叫熔融接枝的方法, 由于其操作简便经济, 适合工业化生产而成为目前采用的主要方法. 它采用化学自由基引发剂在丙烯聚合物骨架上自由基位置接上第二单体, 从而获得一定支化度的丙烯聚合物.

2 实验内容

本研究采用XD045粉料聚丙烯为基础原料, 过氧化物不同添加量, 采用直径35mm平行同向双螺杆挤出机共混造粒得到的聚丙烯产品的熔融指数、冲击强度、弯曲模量、熔体强度、凝胶含量等指标的影响.

基础配方: XD045(余量)、二碳酸酯过氧化物(0.1%、0.5%、2%、4%、5%)、抗氧剂(AT215, 0.15%)、硬脂酸钙(0.06%).

挤出工艺: 温度(150, 180, 180, 180, 180, 180, 180, 180, 180℃)、螺杆转速(280rpm)、挤出量(25kg/h).

3 实验结果及分析

3.1 过氧化物含量对熔体强度的影响

如图1所示, 随着过氧化物含量的增加, 产品的熔体强度基本是增加, 并均高于未添加过氧化物产品的熔体强度. 但是过氧化物添加量高于0.5%后, 熔体强度的增加趋势趋缓, 而且在高于4%时产品熔体强度还会降低.

这说明: 通过添加过氧化物, 产品聚丙烯的分子结构发生了较大的变化, 可能产生了类似低密度聚乙烯的分子结构, 从而使其熔体强度增加, 而更加适合用于发泡聚丙烯的工艺要求.

图1 过氧化物含量与熔体强度的关系

图2 过氧化物量与凝胶含量关系

3.2 过氧化物含量对凝胶含量的影响

如图2所示, 随着过氧化物含量的增加, 产品的凝胶含量一直增加, 并均高于未添加过氧化物产品的凝胶含量. 对应于3.1所述熔体强度与过氧化物添加量的关系, 可以判断产品中产生了类似低密度聚乙烯的分子结构, 从而使其熔体强度增加. 但是由于凝胶化反应与支化反应途径相同, 所以在产生支化聚丙烯的同时, 也相应生成了一定量的凝胶聚丙烯. 而且随着支化反应的增加, 即随着过氧化物添加量的增加,凝胶反应越来越占据主要地位. 所以, 随着过氧化物添加量的增加, 凝胶含量一直增加, 熔体强度先急剧增加然后下降.

3.3 过氧化物含量对产品流动性的影响

如图3所示, 随着过氧化物含量的增加,产品的熔体流动指数一直下降, 而且其下降与熔体强度的增加基本一致, 但是二者的程度并不一样.

熔体强度在0.5%以下急剧上升, 而产品的熔体流动指数是在1%以前均大幅度下降.也就是说, 在0.5～1%之间, 过氧化物含量的增加对熔体强度贡献很小. 这一范围内, 凝胶的生成逐渐占据主要地位, 它使产品凝胶含量增加, 流动性减低, 而熔体强度变化不大.所以合适的过氧化物的添加量为约5%左右.

图3 过氧化物量与熔融指数关系

3.4 过氧化物含量对冲击强度的影响

如图4所示, 随着过氧化物含量的增加, 产品的冲击强度一直增加, 而且其下降与熔体强度的增加基本一致, 二者的程度也基本一致.

我们认为, 通过添加过氧化物导致聚丙烯的支化反应, 使得聚丙烯分子相互之间的作用力得到了较大地提高, 从而使得产品的冲击强度增加. 至于其增加趋势和程度与熔体强度很大程度上一致的原因需要进一步研究.

3.5 过氧化物含量对弯曲模量的影响

如图5所示, 随着过氧化物含量的增加, 产品的弯曲模量先增加后下降, 而且下降的幅度较大.

我们认为, 通过添加过氧化物导致聚丙烯的支化反应, 使得聚丙烯分子相互之间的作用力得到了较大地提高, 从而使得产品的弯曲模量增加. 至于其在较大过氧化物添加量时有较大幅度的下降的原因可能与聚丙烯分子的结晶程度有一定的关系.

图4 过氧化物量与冲击强度关系

图5 过氧化物量与弯曲模量关系

4 结论

1) 随着过氧化物添加量的上升, 产品的熔体强度上升, 凝胶含量上升, 熔体流动指数下降, 冲击强度增加, 弯曲模量变大.

2) 过氧化物添加量在0～0.5%范围内时, 产品性能改善较大, 性价比高. 这时, 聚丙烯分子的支化反应占主要地位, 凝胶含量较低, 有利于发泡聚丙烯的生产.

3) 过氧化物添加量在0.5～5%范围内时, 产品性能逐渐恶化, 性价比逐渐降低. 这时, 聚丙烯分子的凝胶化反应占主要地位, 凝胶含量急剧上升, 不利于发泡聚丙烯的生产.

4) 采用添加过氧化物化学改性生成高熔体强度聚丙烯可行, 过氧化物的合适添加量为0.5%左右.

[1] 李玉芳. 高熔体强度聚丙烯的开发及应用进展[J]. 塑料包装, 1999, 18(1): 6～11

[2] 吴舜英, 徐敬一. 泡沫塑料成型[M]. 北京: 化学工业出版社, 1992

[3] 高建明, 张晓红, 刘轶群, 等. 高熔体强度聚丙烯的制备研究[J]. 合成树脂及塑料, 2002, 19(5): 27～31

[4] 信春玲, 洪 粲, 何亚东. 聚丙烯的流变性能及发泡性能研究[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

湖南省科技计划资助项目(2008FJ3041)

王 清(1965- ), 女, 湖南湘阴人, 湖南理工学院机械工程学院副教授. 主要研究方向: 新材料研制及机械设计