热降解法制备喷丝级高熔指聚丙烯及其流变性能研究

彭 威，江太君

(1.珠海市能动科技光学产业有限公司，广东 珠海 519050；2.湖南工业大学，湖南 株洲 421007；3.东莞铭丰包装股份有限公司，广东 东莞 523049）

聚丙烯是一种应用广泛的通用型塑料，可通过挤出、注塑、吹塑、流延、纺丝等工艺来加工制品，还可以通过熔喷工艺制备通用的无纺布和熔喷布，应用于过滤、防疫与防护领域[1-2]。与传统的聚丙烯相比，喷丝级聚丙烯具有流动性好、分子量分布窄等特点，且多由传统的聚丙烯通过添加过氧化物而产生热降解的方法制备[2-5]。在材料配方设计与产品的生产过程中，引发剂与抗氧剂的含量，以及加工工艺参数，均会对喷丝级聚丙烯的熔融指数产生很大影响，并最终影响生产效率与稳定性[6-7]。

本文针对熔喷布专用的喷丝级聚丙烯，采用引发剂引发热裂解反应，使传统的低熔指聚丙烯转化为熔融指数在1500g·(10min)-1左右的高流动性聚丙烯，以应用于熔喷布的生产。研究了配方中的引发剂、抗氧剂的用量和加工工艺参数对喷丝级聚丙烯的质量和生产效率的影响，以优化生产工艺。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚丙烯（牌号225），DTBP（牌号101），抗氧剂215。

1.2 实验设备与仪器

低速混料机（50L），平行双螺杆挤出造粒机（螺杆直径65mm，长径比52），熔融指数仪（体积法）、水份仪。

1.3 实验步骤

1）将聚丙烯粉料、引发剂DTBP、抗氧剂放入低速混料机中混合15min。

2）将混合好的物料放入65 平行双螺杆挤出造粒机料斗中造粒，挤出机各区的温度分别为130、150、160、170、175、175、170、170、170、170、170、168、165℃，造粒方式为水冷拉条。

3）将平行双螺杆挤出造粒机混炼造粒后的颗粒，在常温下旋转24h 后，用熔融指数仪测试其熔融指数。

4）混炼造粒后的颗粒，立即使用水分仪测试颗粒的水分。

2 结果与讨论

2.1 引发剂对熔融指数的影响

引发剂DTBP 为二叔丁基过氧化物，在热的条件下可以将聚丙烯分子链打断，使其分子量降低，达到提升其熔融指数的目的。图1 是不同引发剂含量对聚丙烯熔融指数的影响曲线，其中抗氧剂含量为0.2%。从图中可以看出，引发剂DTBP 含量对聚丙烯熔融指数的影响是近线性关系的，DTBP含量达到0.5%时，聚丙烯的熔融指数可以稳定在1500g·(10min)-1左右，符合熔喷布生产的要求。

图1 引发剂含量对熔融指数的影响Fig.1 Variation of melt flow index as a function of DTBP concentration

2.2 螺杆温度对熔融指数的影响

引发剂的激活需要一定的能量，同时引发剂的作用半衰期与加工温度直接相关，即高温条件下引发剂的有效作用时间会缩短。图2 给出了螺杆的最高温度与聚丙烯熔融指数的关系。从图中可以看出，螺杆的温度在190℃以内，随着DTBP 含量增加，聚丙烯材料的熔融指数呈上升趋势，温度越高上升速度越快。

图2 螺杆最高温度对熔融指数的影响Fig.2 Effect of maximum temperature on melt flow index

2.3 抗氧剂对熔指数稳定性的影响

抗氧剂可以有效抑制引发剂对聚丙烯分子链的作用，起到稳定聚丙烯熔融指数的作用[6]。图3 显示了抗氧剂对聚丙烯的熔融指数及熔融指数衰减的影响。可以看出，引发剂DTBP 含量相同时，随着抗氧剂含量的增加，聚丙烯的熔融指数迅速下降，而聚丙烯的熔融指数误差也迅速下降，达到0.2%以后逐渐趋于稳定。引发剂DTBP 促进聚丙烯材料降解，导致熔融指数下降，而抗氧剂则是抑制聚丙烯材料的降解，因此可以通过添加抗氧剂来稳定聚丙烯的熔融指数，保持熔融指数的变化在可以接受的范围内。

图3 抗氧剂含量对熔融指数的影响Fig.3 Effect of antioxidant on melt flow index

图4 产量与下线含水率的关系Fig.4 Moisture content as a function of production capacity

2.4 生产效率与含水率

熔喷专用聚丙烯在使用过程中对原材料的含水率有一定的要求，过高的含水率会导致熔喷布表面的晶点增多，影响熔喷布的品质。聚丙烯的生产采用水冷拉条造粒方式，因其熔融指数较高，若料条的拉动速度过高，冷却水会随料条进入切粒后的聚丙烯颗粒中，增加颗粒的含水率。图4 给出了聚丙烯颗粒料下线含水率与产量的关系。从图中可以看出，对于65 平行双螺杆挤出造粒机，产量控制在150～170kg·h-1时，颗粒料下线含水率维持在2%左右，符合熔喷工艺对材料的要求。生产线产量超过150kg·h-1后，颗粒下线含水率迅速增加，产量突破190kg·h-1后，颗粒下线含水率增速减缓。当挤出造粒的产量较低时，料条从冷却水槽内带出的水，在料条自身的高温作用下挥发，使得颗粒下线含水率较低；产量继续增加，料条的运动速度加快，带出的水无法在短时间内蒸发掉，导致颗粒下线含水率快速上升。

3 结论

本文以DTBP 为引发剂，在抗氧剂的保护下，生产了适合于熔喷布生产的喷丝级聚丙烯，并对生产工艺参数和材料的熔融指数进行了优化。结果发现，引发剂DTBP 对聚丙烯的降解作用，随其含量增加呈线性关系；抗氧剂可以有效抑制引发剂的作用；随着挤出温度的升高，熔融指数上升；颗粒下线含水率在低产量时比较稳定，随着产量的增加，含水率快速上升，最终趋于稳定值。