影响熔喷料聚丙烯熔体流动速率测试精密度的因素

2021-05-10赵金月

广州化学 2021年2期

赵金月

（上海金发科技发展有限公司，上海 201714）

新冠疫情爆发已经近一年，疫情现阶段依然在全球范围蔓延，口罩的消耗量持续增长。熔喷布俗称医用外科口罩和N95口罩的“心脏”[1]，是口罩中间的过滤层，直径只有头发丝的1/30，能过滤细菌，阻止病菌传播。而这种熔喷布的原料就是高熔体流动速率的熔喷料聚丙烯（PP），采用熔喷工艺制造出布料。熔喷料PP熔体流动速率越高，熔喷出的纤维就越细，制成的熔喷布过滤性也越好[2]。因此准确地测定熔喷料PP的熔体流动速率对判定熔喷料PP的产品质量和实际用途具有十分重要的意义。

因为疫情未爆发之前，国内口罩消耗量较少，总产量只有50亿只/年，所以对口罩熔喷料聚丙烯的测试研究比较少，无“熔喷料聚丙烯熔体流动速率”影响因素的文献。对于熔喷料PP熔体流动速率的检测方法常用的是GB/T 30923-2014[3]提及的GB/T 3682[4-5]方法B，在实际的分析测试中发现熔喷料聚丙烯熔体流动速率测试结果的精密度低，在测试中由于操作上的一些细节不同使测试结果产生较大差异。本文针对熔喷料聚丙烯熔体流动速率测试操作中的一些问题，通过大量实验数据的分析，明确了影响熔喷料聚丙烯熔体流动速率测试精密度的因素，并得出相关的实验结论。

1 实验

1.1 仪器

熔体流动速率仪，M-FLOW，德国Zwick/Roell。

1.2 材料

P1，PP-91500，金发，MFR 1 500 g/10 min；Z2，Z1500，道恩，MFR 1 500 g/10 min；C3，C6540L-BM15，普利特，MFR 1 500 g/10 min。

1.3 测试原理

熔体流动速率的测试原理：在规定的温度和负荷下，由通过规定长度和直径的口模挤出的熔融物质，计算熔体质量流动速率（MFR）和熔体体积流动速率（MVR）。熔喷料 PP因其超高的熔体流动速率，不适合直接测定MFR，需要先测得MVR，然后利用熔体密度值计算MFR，如式（1）所示。

式中，ρ为熔体在试验温度下的密度，取0.738 6 g/cm3。

1.4 实验参数设置

选用三种不同厂家生产的熔喷料PP材料，分别改变仪器预热恒温时间、样品加入量、氮气吹扫时间、测试温度、装料时间以及活塞位移和取样次数进行实验，考察不同的因素对熔喷料PP熔体流动速率测试精密度的影响。实验参数见表1。

表1 实验参数设置

2 结果与讨论

2.1 仪器预热恒温时间的影响

温度会加速高分子材料内部分子运动，对于熔体流动速率测试，温度的影响尤为显著[6]。温度升高会使分子的热运动能和分子的活动空间增加，使聚合物的流动性增强，因此熔喷布PP测试过程中保持温度恒定是很重要的。需要熔体流动速率仪有足够长的预热时间，如果预热时间不充分，指示的温度虽然已经达到设置的温度，实际上熔体流动速率仪料筒壁各处的温度仍然有可能是不均匀的，这会引起熔体流动速率的测试波动，从而造成测试结果的精密度降低。对三种不同的熔喷料PP，在不同的仪器预热恒温时间下测试样品的MFR值，测试结果见表2，仪器预热恒温时间对MFR值和MFR值精密度的影响见图1和图2。

表2 不同预热恒温时间下的MFR值

（续表2）

图1 仪器预热恒温时间对MFR值的影响

图2 仪器预热恒温时间对MFR值精密度的影响

从图1可以看出，随着仪器预热恒温时间的增加，MFR值增大，预热时间大于40 min时，熔喷料PP的MFR测试结果趋于稳定。从图2可以看出，当仪器恒温时间少于30 min时，测试数据的精密度大于2.5%，当恒温时间大于30 min时，测试数据的精密度小于1.5%。

2.2 样品加入量的影响

GB/ 3682标准要求测试的样品的加入量为3～8 g。在实际操作中发现，样品的加入量对MFR测试结果有很大影响。在其他测试条件相同的情况下，分别以不同样品加入量测试三种样品的MFR值，测试数据见表3，样品加入量对熔喷料PP的MFR值和MFR值精密度的影响见图3和图4。

表3 不同样品加入量下的MFR值

（续表3）

图3 加样量对MFR值的影响

图4 加样量对MFR值精密度的影响

图3可以看出，随着加样量的增加，MFR值增大，加入8 g时比加入3 g时，MFR值增加了17%，由于熔喷料聚丙烯的MFR值很高，流动性好，加样量较少时，活塞杆放入之后其下标线已经接近料筒顶部，开始测试后，打开口模塞，前边的熔体流出时有一定阻力，导致计时延长，导致测试数据偏低。从图4可以看出，随着加样量的增加，测试结果的精密度提高，样品加入量为8 g时，精密度最好。结合标准要求，样品的最佳加入量建议选择8 g。

受到样品加样量的影响，以及固定其他测试参数的共同影响，“加样量”的MFR最大值测试时并没有达到1 500，可以对照其他影响因素同条件下的测试数据。

2.3 氮气吹扫时间的影响

熔喷料PP材料在料筒中，受热容易发生降解，由于空气中的氧气会加速热降解效应，样品的黏度降低，从而使流动速度加快，熔体流动速率增大。为了减少测试过程中热降解的影响，除了在操作手法上将样品在料筒中尽量压实，减少操作过程带入空气之外，装样品之前还采用了使用惰性气体吹扫料筒的方法。表4为三种样品在不同氮气吹扫时间下的MFR测试结果。氮气吹扫时间对熔喷料PP的MFR值和MFR值精密度的影响见图5和图6。

表4 不同氮气吹扫时间下的MFR值

图5 氮气吹扫时间对MFR值的影响

图6 氮气吹扫时间对MFR值精密度的影响

从图5可以看出，随着氮气吹扫时间的增加，MFR值逐渐减小。从图6可以看出，随着氮气吹扫时间增加，测试结果的精密度提高，如果装样品前用氮气吹扫8 s以上，测试相对标准偏差小于1.5%。

2.4 测试温度的影响

熔体流动速率受温度影响比较大，研究发现ln(MFR)与温度呈线性正相关。在测试中要求仪器温度准确，GB/T 3682 要求测试温度允差为±1℃，为了验证测试温度对熔喷料PP熔体流动速率的影响，对三种样品改变测试温度进行熔体流动速率测试，测试结果如表5所示。测试温度对熔喷料PP的MFR值和MFR值精密度的影响见图7和图8。

表5 不同测试温度下的MFR值

图7 测试温度对MFR值的影响

图8 测试温度对MFR值精密度的影响

从图7可以看出，测试温度对测试结果的影响符合理论规律，随着测试温度增加，MFR值升高，因此测试时需要保证测试温度的准确性，仪器温度允差最好控制在0.5℃以内。从图8可以看出，MFR测试结果的精密度受温度变化影响比较小。

2.5 装料时间的影响

装料时间长短对熔喷料PP熔体流动速率测试的精密度也有影响。对三种熔喷料PP样品分别以不同装料时间测试熔体流动速率，结果如表6所示。装料时间对熔喷料PP的MFR值和MFR值精密度的影响见图9和图10。

表6 不同装料时间下的MFR值

图9 装料时间对MFR值的影响

图10 装料时间对MFR值精密度的影响

从图9可以看出，随着装样时间的增加，MFR值先增加后降低，装料时间为60 s时，MFR值最大。由图10可以看出，随着加样时间的增加，测试结果的精密度先提高后降低，这主要是由于装料时间太短，没有对样品充分压实，熔体里边气泡比较多，降低了测试结果的精密度。而装料时间过长又会导致料筒空气增多，样品更易发生热降解，使测试结果的精密度降低。所以，装料时间以控制在50～60 s范围为宜。

2.6 活塞位移和取样次数的影响

按照GB/T 3682标准要求，测试采用测量活塞移动规定距离所需的时间的方法。所用的仪器配有位移传感器，可以精确测试规定活塞位移所需的时间，并可以在一次加样测试时多次取样。将三种熔喷料 PP样品按照不同的活塞位移、不同的取样次数进行测试，测试结果见表7。活塞位移和取样次数对熔喷料PP的MFR值和MFR值精密度的影响见图11和图12。