正交法优选CPP拉伸黏度测试条件
2016-02-15吴春霜张贵棉朱军
吴春霜 张贵棉 朱军
(1.中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司研究院，新疆 克拉玛依，833699；2.新疆维吾尔自治区橡塑重点实验室，新疆 克拉玛依，833699)
分析测试
正交法优选CPP拉伸黏度测试条件
吴春霜1,2张贵棉1,2朱军1,2
(1.中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司研究院，新疆 克拉玛依，833699；2.新疆维吾尔自治区橡塑重点实验室，新疆 克拉玛依，833699)
用Rheotens拉伸流变仪测试聚丙烯流延膜(CPP)拉伸黏度的影响因素有温度、测量轮对间的距离、挤出速率、拉伸加速度，通过正交试验研究影响因素的显著性。方差分析结果表明，温度、测量轮对间的距离、拉伸加速度对拉伸黏度的影响显著，挤出速率影响不明显。确定了测试CPP拉伸黏度的合适条件，使测试结果相对平均偏差不大于20%。
聚丙烯流延膜 拉伸黏度 拉伸流变仪 正交试验
拉伸流动在许多聚合物加工过程(如中空吹塑、挤出、纺丝等)中都是重要的流动形式，对工艺过程和制品性能会产生重要影响。深入了解各种聚合物材料体系的拉伸流变性能，能够有效地优化生产过程和提高产品质量。拉伸黏度分为瞬态拉伸黏度和稳态拉伸黏度[1]。在聚合物纺丝、吹膜
流场中，拉伸流动是个瞬态发展过程，与瞬态拉伸黏度密切相关。当前测定瞬态拉伸黏度的聚合拉伸流变仪有Rheometric Scietific公司的RME型拉伸流变仪和Gottfert公司的Rheotens拉伸流变仪。有报道称Rheotens拉伸流变仪测试拉伸黏度易于操作，数据重现性好[2]，也有文献说Rheotens拉伸流变仪主要用于聚烯烃熔体强度的测试，测试聚烯烃的拉伸黏度时重复性不好[3]。作者在使用 Rheotens拉伸流变仪测试聚丙烯流延膜(CPP)的拉伸黏度时发现，测试结果偏差较大，下面通过优化测试条件解决了这个问题。
1 试验部分
1.1 原料
CPP，1#，熔体流动速率(2.16 kg)7.30 g/10min；2#，熔体流动速率(2.16 kg)7.90 g/10min，中国石油独山子石化公司；3#，熔体流动速率(2.16 kg)8.40 g/10min，中国石化北京燕山石油化工有限公司；4#，熔体流动速率(2.16 kg)6.50 g/10min，新加坡Asahi Kasei Plastics Inc公司；5#，熔体流动速率(2.16 kg)，6.70 g/10min，韩国三星综合化学公司。
1.2 仪器
毛细管流变仪，Rheo-Tester 2000，德国Gottffert公司。熔体拉伸流变仪，Rheotens 71.97型，德国Gottffert公司。
1.3 计算方法
在测量过程中，每一料筒原料测试10次，由计算机拟合得到10次数据的平均值，计算测量结果的相对平均偏差，相对平均偏差越小则表明结果的重复性越好，表示原料在此条件下的稳定性也越好。
2 结果与讨论
2.1 正交试验设计
测试CPP拉伸黏度的外部影响因素有：温度(A)、测量轮对间的距离(B)、挤出速率(C)和拉伸加速率(D)[4]。下面用正交试验L9(34)来确定这4个因素对CPP拉伸黏度测试的影响效果。根据试验经验，确定正交试验的因素水平，见表1。
2.2 试验结果与处理
根据表1中试验条件，按正交表L9(34)对CPP1#进行拉伸流变试验。考察指标是拉伸黏度的相对平均偏差，每个试验重复3次。
表1 CPP正交试验L9(34)因素水平表
试验安排及处理结果见表2。
表2 CPP 1#正交试验L9(34)结果与分析
注：Tt为所有水平的相对平均偏差的和，Ti为水平i的相对平均偏差的和。
根据表2可计算因素的F值(将各因素的平均离差的平方和与误差的平均离差平方和相比得出F值)，再与F分布表中查出的相应的临界值Fα比较，判断各因素显著性的大小。通常，若F>F0.01(F0.01=2.6681)，就称该因素是高度显著的；若F 因素A(温度)、因素B(测量轮对间的距离)、因素C(挤出速率)因素D(拉伸加速度)的F值分别为8.05，6.35，0.17，3.71。说明因素A、因素B、因素D对CPP拉伸黏度的相对平均偏差的影响非常显著，因素C对测试结果的偏差影响不显著。 从表2的Ti数据可看到，因素A的水平1相对平均偏差最小(均小于10%)，但从正交试验1～9的试验过程中来看，如果试验条件合适，因素A的水平2及水平3拉伸黏度的相对平均偏差小于20%。因素B的最佳条件是水平2；因素C的水平3相对平均偏差最小；因素D的最佳条件是水平3。正交试验L9(34)确定的测试CPP拉伸黏度的最佳试验条件为熔体温度160 ℃；测量轮对间的距离0.25 mm；拉伸加速度36 mm/s2；挤出速率0.3 mm/s。 将CPP拉伸黏度的测试条件及相对平均偏差(不大于20%)进行标准化，通过标准化后得到的CPP拉伸流变数据详实可靠，可为实际生产提供更为有力的支持。 2.3 应用 按确认的最佳试验条件对1#，2#，3#，4#，5#进行拉伸试验，拉伸黏度的相对平均偏差均小于15%。该条件下1#，2#，3#，4#，5#拉伸黏度的对比见图1。 聚合物的拉伸黏度随拉伸速率变化的规律与成形稳定性有关，若拉伸黏度随拉伸速率的增大而增大，称为拉伸硬化行为，拉伸速率的增大有助于提高型稳定性；而拉伸黏度随拉伸速率的增大而减小时称为拉伸软化行为[5]。从图1中可看到，试验条件下1#，2#的拉伸黏度随着拉伸速率的增大先下降再呈上升趋势，既不符合拉伸硬化行为，也不符合拉伸软化行为，这可能是由于拉伸速率低时大分子链解缠作用大于拉伸流动取向，那么其拉伸黏度呈下降趋势。当二者的作用达到平衡时，其拉伸黏度呈直线。拉伸速率进一步增大时，大分子链的拉伸取向大于解缠，因而其拉伸黏度呈上升趋势。3#,4#,5#，呈拉伸软化行为。 图1 160 ℃时CPP的拉伸黏度曲线 1#的拉伸黏度略大于2#，且远大于3#，4#，5#，而3#，4#，5#的拉伸黏度相近。在对1#，2#，3#，4#，5#用流延方式生产薄膜时，1#，2#的加工条件相似，但与3#，4#，5#不能在相同的加工温度下进行生产，其加工温度要较3#，4#，5#高。 a) 通过正交试验发现，用Rheotens拉伸流变仪测试CPP拉伸黏度时，温度、测量轮对间的距离、拉伸加速度对结果影响显著，并确定了最佳试验条件：温度为160 ℃；测量轮对间的距离为0.25 mm；拉伸加速率为0.3 mm/s2；挤出速率为0.3 mm/s。确保CPP拉伸黏度的相对平均偏差不大于20%。 b) 将上述测试条件标准化后，能够提高测量数据准确性，可为CPP产品后加工提供可靠的建议。 [1] 林祥,任冬云,宋维宁.聚合物熔体或溶液拉伸黏度的研究状况[J].中国塑料,2009，23(4)：1-6. [2] 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，2007，19(6)：932-958. [3] MEISSNER J, HOSTETTLER J. A new elongational rheometer for polymer melts and other highly viscoelastic liquids[J]. Rheol Acta,1994,33(1):1-21. [4] 吴春霜，张贵棉，关莉.正交法研究PE100管材料熔体强度影响因素[J].理化检验(物理分册)，2014，50(1)：37. [5] 陈克权，张飚，张伟.聚对苯二甲酸丙二酯熔体拉伸流变性能研究[J].合成纤维，2004，33(2)，4-6. Research on Test Condition of Elongational Viscosity of CPP Using Orthogonal Method Wu Chunshuang1,2Zhang Guimian1,2Zhu Jun1,2 (1. Research Institute of Dushanzi Petrochemical Company,Kelamayi, Xinjiang 833699;2.Xinjiang Uygur Autonomous Region Key Laboratory of Rubber and Plastic Materials, Kelamayi Xinjiang, 833699) Temperature, distance of take-off-wheel pair, extrusion rate and tensile acceleration influence the elongational viscosity of polypropylene cast film (CPP) tested by Rheotens. The factors influencing the elongational viscosity were analyzed by orthogonal experiment. The analysis of variance shows temperature, distance of take-off-wheel pair and tensile acceleration are important,and extrusion rate is insignificant. The optimum test conditions of CPP elongational viscosity with Rheotens were confirmed. The relative average deviation of CPP elongational viscosity is less than or eqution to 20% under this test condition. polypropylene cast film; elongational viscosity; extensional rheometer; orthogonal design 2015-12-03;修改稿收到日期:2016-09-28。 吴春霜，女，副高级工程师，主要从事合成树脂的流变分析研究。E-mail:yjy_wcs@petrochina.com.cn。 10.3969/j.issn.1004-3055.2016.06.011
3 结论
