膜用耐高温聚丙烯的制备及其性能

2022-04-08衣惠君赵志杰

合成树脂及塑料 2022年2期

衣惠君，赵志杰

（北京燕山石化高科技术有限责任公司，北京 102500）

关键字：聚丙烯成核剂负荷变形温度耐高温收缩率

离型膜，也称隔离膜、剥离膜、分离膜等［1］，可应用于电子包装、家用电器等保护膜领域。耐高温复合型膜材作为高温离型材料中的一种，应具有优良的离型稳定性、离型层不残留、高温尺寸稳定、可长期耐高温、外观无瑕、成本低的特点，还要求具有良好的成型加工稳定性。聚丙烯（PP）是一种综合性能良好的通用塑料，一般薄膜专用PP的负荷变形温度相对较低，仅为80～100℃，严重制约其在保护膜领域的应用。PP作为一种结晶度高且具有同质异晶特性的半结晶高分子，其结晶性能对材料最终性能有决定性影响。添加成核剂可以提高PP的结晶度，加之结晶组织的微细化［2］，导致密度提高，负荷变形温度提高，可提高树脂的耐热性能及其他性能。耐高温PP是一种高结晶性聚合物，添加定量成核剂后，材料具有耐热温度高、光泽度好、弯曲模量和硬度高等特点，因此，近年来，耐高温PP的研发与应用受到各科研院所以及企业的重视。本工作制备了一种可以应用在电子包装、家用电器等保护膜领域的耐高温PP，考察了成核剂种类及用量对PP负荷变形温度、断裂拉伸应变、冲击强度等的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

α成核剂，β成核剂：纯度均为95%，深圳会鑫塑胶化工有限公司；PP 1904Y，熔体流动速率为3～5 g/10 min，中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司；抗氧剂168，抗氧剂1010：石家庄佳拓化工科技有限公司。

1.2 主要仪器与设备

INSTRON 5566型万能试验机，美国英斯特朗公司；MP600型熔体流动指数仪，美国Tinius Olsen公司；CEAST6921型热变形维卡测试仪，意大利Ceast公司；TSE-35D型双螺杆挤出机，南京瑞亚高聚物装备有限公司；K-TEC85-265型注塑成型机，德国米拉克龙公司；ME-30/5200V3型流延膜机，德国OCS公司。

1.3 试样制备

1.3.1 耐高温PP的制备

将定量PP与成核剂、抗氧剂放入高速混合机中混合2 min，将混合物加入双螺杆挤出机中，经耦合挤出，得到耐高温PP粒料。双螺杆挤出机的工艺条件：挤出温度为180～230 ℃，转速为300 r/min，长径比为40∶1。将耐高温PP粒料加入注塑成型机，制备测试样条，注塑温度为180～230 ℃，注射压力为0.7 MPa，模具温度为80 ℃。

1.3.2 流延膜制备

将耐高温PP粒料采用流延方式制膜，加工温度为210～230 ℃，流延膜厚度为40 μm。

1.4 性能测试

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006测试；负荷变形温度按GB/T 1634.2—2019测试；维卡软化温度（A120）按GB/T 1633—2000测试；简支梁缺口冲击强度按GB/T 1043.1—2008测试；弯曲模量按GB/T 9341—2008测试；收缩率测试：将薄膜裁成10 mm×10 mm样片，在烘箱内高温加热一定时间，测量薄膜的横纵向收缩率。

2 结果与讨论

2.1 成核剂对耐高温PP力学性能的影响

耐高温PP配方见表1。

表1 试样配方Tab.1 Experimental formula

α晶型为单斜晶型，是最稳定也最易形成的一种晶型［3］，在通常加工情况下基本均为这种晶型。β晶型在热力学上是准稳定的晶型，只有在特定的结晶条件下或者β成核剂存在的情况下才能生成，且稳定性远不如α晶型。但是，β晶型PP通常具有更高的冲击强度。从图1可以看出：随着α成核剂用量的增加，体系的弯曲模量、拉伸断裂应力呈上升趋势，冲击强度呈下降趋势；PP复合材料的弯曲模量可达2 090 MPa。随着β成核剂用量的增加，体系的弯曲模量与拉伸断裂应力呈下降趋势，冲击强度呈先上升后下降再上升趋势，显然，成核剂改善了PP的力学性能。与传统的α晶型PP相比，β晶型PP冲击强度较好，在高速拉伸下表现出较高的韧性和延展性，不易脆裂。因此，添加β成核剂的PP冲击强度、拉伸断裂应力均优于添加α成核剂的PP。

图1 成核剂种类及用量对PP弯曲模量、拉伸断裂应力、冲击强度的影响Fig.1 Influence of nucleating agent types and amount on bending strength，tensile strain at break and impact strength of PP

2.2 成核剂种类及用量对PP耐热性能的影响

从图2看出：α成核剂的加入使PP的耐热性能提高效果更好。成核剂用量相同时，添加α成核剂的PP的负荷变形温度及维卡软化温度更高。因此，确定在耐高温PP中添加α成核剂。从图2还看出：随着α成核剂用量的增加，耐高温PP的负荷变形温度达到118 ℃后变化趋势不大，从而确定α成核剂添加量为0.10%（w），这既可以有效提高材料的耐热性能，又可以控制成本。

图2 成核剂种类及用量对PP耐热性能的影响Fig.2 Influence of nucleating agent types and amount on thermal properties of PP

2.3 加工评价

薄膜使用温度为120 ℃，成核剂的加入产生大量异相晶核，提高了结晶温度，加快了结晶速率，增加了结晶的完善程度，因此，成核剂对PP结晶过程的热力学特性和制品的热力学性能都有影响。

2.3.1 α成核剂对薄膜耐热性能的影响

成核剂的加入可提高PP的结晶温度，有利于缩短产品成型周期，提高生产效率。在较高的温度结晶，高分子链的活动能力强，结晶更完善，提高了结晶度，保证了产品稳定的使用性能，因而对产品的耐热性能也有影响。从表2看出：随着α成核剂用量的增加，薄膜的耐热性能有不同程度的改善，试样2-α在120 ℃条件下，薄膜无收缩。

表2 α成核剂用量对耐高温PP薄膜收缩率的影响Tab.2 Effect of amount of α nucleating agent on shrinkage of heat resistant films %

2.3.2 α成核剂用量对耐高温PP薄膜力学性能的影响

从表3看出：试样2-α为综合性能优异的耐高温PP。进一步验证了α成核剂适宜用量为0.10%（w）。

表3 α成核剂用量对耐高温PP薄膜力学性能的影响Tab.3 Effect of amount of α nucleating agent on mechanical properties of high temperature resistant PP films

2.3.3 α成核剂对三层复合PP膜性能的影响

模拟下游厂家的加工方式，采用流延膜设备制备三层复合膜，并考察薄膜的性能。空白样配方的内中外三层均以普通PP 1904Y为原料，1号配方内中外三层均采用耐高温PP为原料。从表4看出：加入α成核剂，可以提高薄膜的力学性能，同时提高复合膜的尺寸稳定性；采用耐高温PP制备的三层流延膜的纵向拉伸强度可达34.2 MPa，在120～130 ℃时薄膜收缩率为0。