片材口模尺寸對(duì)聚丙烯擠出發(fā)泡影響的研究

侯雁婷，何亞?wèn)|，李慶春，閆寶瑞，2，信春玲，2＊

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.高分子材料加工裝備教育部工程研究中心，北京 100029）

0 前言

聚丙烯（PP）是僅次于聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）的第三大通用塑料［1］，其性?xún)r(jià)比決定了其有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，PP發(fā)泡材料與其他常見(jiàn)的發(fā)泡材料相比，在使用性能、生產(chǎn)成本及其環(huán)境的影響方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。PP發(fā)泡制品具有良好的熱穩(wěn)定性，優(yōu)異的抗震吸能性以及高的形變回復(fù)率，優(yōu)異的耐化學(xué)品、耐油性，較高的拉伸強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和韌性，適宜、柔順的表面，這些優(yōu)越性使PP發(fā)泡材料廣泛應(yīng)用在包裝、汽車(chē)緩沖和隔熱材料等各個(gè)領(lǐng)域［2］。

根據(jù)Colton和Suh［3-4］的經(jīng)典成核理論 ，無(wú)論是均相成核還是異相成核，壓力降和壓力降速率對(duì)于PP擠出發(fā)泡的影響都很大，壓力降速率越大，氣泡成核速率越高，氣泡數(shù)量越多，越有利于制備低密度泡沫塑料，因此能夠得到產(chǎn)品質(zhì)量較好的片材。

工程實(shí)踐表明，塑料熔體在機(jī)頭內(nèi)流動(dòng)所產(chǎn)生的壓力降不僅與原料的本身特性有關(guān)系還與流道的幾何形狀和尺寸有關(guān)系。窄縫機(jī)頭的高度與物料的壓力降速率有關(guān)，即窄縫的高度越大壓降速率就越??；窄縫的高度越小壓降速率就越大［5］。但是這些變化往往是相互矛盾的，例如加大流道的尺寸可以降低壓力損失，但是卻使熔體產(chǎn)生滯留引起熱降解。因此對(duì)每個(gè)尺寸的選擇都要進(jìn)行全面的、均衡的考慮。

本文選用具有不同口模尺寸的片機(jī)頭進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各項(xiàng)工藝參數(shù)，觀察測(cè)試實(shí)驗(yàn)得到的發(fā)泡樣品，并重點(diǎn)討論口模尺寸對(duì)PP發(fā)泡材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP，M02，中國(guó)揚(yáng)子石油化工有限公司；

高熔體強(qiáng)度PP，Daplay HMS130，北歐化工Borealis公司；

二氧化碳（CO2），純度99.5%，北京氧氣廠；

滑石粉，粒徑0.8μm，北京利國(guó)偉業(yè)超細(xì)粉體有限公司；

硬脂酸單甘油酯，化學(xué)純，沈陽(yáng)科瑞化工有限公司；

高密度聚乙烯（PE－HD），DGDA6098，齊魯石油化工公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

同向雙螺桿擠出機(jī)，ZSK25－WLE，螺桿長(zhǎng)徑比為40，直徑為25mm，德國(guó)科倍隆公司；

高速攪拌機(jī)，GRH－10，遼寧省阜新輕工機(jī)電設(shè)備廠；

熔體泵，Extrex?28，英國(guó)瑪格公司；

超臨界二氧化碳恒壓注氣系統(tǒng)，浙江嘉興信仁精密泵有限公司；

分析天平，精度0.1mg，上海精密儀器設(shè)備廠；

光學(xué)顯微鏡，SZX7，日本Olympus公司。

1.3 樣品制備

按照配方稱(chēng)料，配方如表1所示，將物料加入高速攪拌機(jī)，將攪拌好的物料加入同向雙螺桿擠出機(jī)－熔體泵擠出系統(tǒng)中，系統(tǒng)的預(yù)設(shè)溫度為200℃，同時(shí)向擠出機(jī)熔融段注入超臨界CO2后，逐步降低雙螺桿后3段以及熔體泵的溫度直到降至140℃，待穩(wěn)定后取樣，并記錄實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)配方Tab.1 Formula

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

表觀密度分析：根據(jù)ISO 1183—1987標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試所得樣品的表觀密度；

泡孔平均直徑及泡孔均勻性分析：使用光學(xué)顯微鏡對(duì)發(fā)泡樣品的泡孔直徑進(jìn)行測(cè)定，統(tǒng)計(jì)選定的每個(gè)樣品的全部泡孔直徑，再取其平均值，得泡孔平均直徑；

泡孔的均勻性用泡孔直徑的標(biāo)準(zhǔn)方差進(jìn)行表征，標(biāo)準(zhǔn)方差定義為：

式中 s——標(biāo)準(zhǔn)方差

n——泡孔個(gè)數(shù)，個(gè)

m——泡孔直徑的平均值，mm

xt—第t個(gè)泡孔的直徑，mm

2 結(jié)果與討論

2.1 口模尺寸的確定

如圖1所示，為本文所用口模結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 口模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the die

為了得到較好的PP發(fā)泡樣品，最主要的是選擇合適的機(jī)頭壓力降和壓力降速率。聚合物熔體流經(jīng)狹縫口模的壓力降［6-7］為：

a——流動(dòng)常數(shù)，a＝1／Kk

q——聚合物熔體體積流率（流量），m3／s

Δp——壓力降，Pa

PP熔體的熱物理參數(shù)［8］為：ρ＝735kg／m3，k＝0.15W／（m·K）。根據(jù)在線流變實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的數(shù)據(jù)，取160℃、注氣量5%的PP流變數(shù)據(jù)［9］作為計(jì)算依據(jù)，K＝23717Pa·s。

由式（2）可知，當(dāng)口模的寬度（W），流量（Q）一定時(shí)，壓力降主要是由流道的高度（H）和長(zhǎng)度（L）所決定。本文取產(chǎn)量為6.5kg／h，口模寬度取20mm，流道高度取0.6mm和1.0mm，高度0.6mm的口模對(duì)應(yīng)流道長(zhǎng)度取3、5、8mm，高度1.0mm的口模對(duì)應(yīng)流道長(zhǎng)度取7、13、19mm，設(shè)計(jì)兩組共6個(gè)口模，口模流道尺寸及計(jì)算得相應(yīng)壓力降如表2所示。

2.2 機(jī)頭的建壓能力及其對(duì)發(fā)泡樣品性能的影響

（1）機(jī)頭實(shí)測(cè)建壓能力

由安裝在機(jī)頭的壓力傳感器測(cè)定擠出發(fā)泡過(guò)程中的機(jī)頭壓力，繪制口模結(jié)構(gòu)參數(shù)與機(jī)頭壓力的關(guān)系圖，如圖2所示。由圖2可知，對(duì)于流道高度為0.6mm的一組口模（A、B、C），隨著流道平直段長(zhǎng)度的增加，能夠得到的機(jī)頭壓力（6.5～9.0MPa）增大，最大壓力達(dá)9.0MPa；而對(duì)于流道高度為1.0mm的一組口模（D、E、F），能夠建立的最大機(jī)頭壓力為8.0MPa左右。發(fā)泡實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察第二組口模，特別是E、F，出口物料收縮嚴(yán)重，這是由于這2個(gè)口模的平直段長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，造成嚴(yán)重的剪切生熱，聚合物體系黏度降低，因此不能如理論計(jì)算那樣獲得高的機(jī)頭壓力；第一組口模（A、B、C）能夠得到的機(jī)頭壓力（6.5～9.0MPa）大于第二組口模（D、E、F）能夠獲得的機(jī)頭壓力（5.8～8.0MPa）。一方面，由于第一組口模流道高度較小，對(duì)于建立機(jī)頭壓力有利，另一方面，過(guò)大的流道平直段長(zhǎng)度造成剪切生熱嚴(yán)重，不利于機(jī)頭建壓。

表2 口模尺寸參數(shù)Tab.2 Structural parameters of the die

圖2 口模尺寸與機(jī)頭壓力關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between die size and pressure

（2）機(jī)頭壓力對(duì)發(fā)泡樣品表觀密度的影響

機(jī)頭壓力與所得發(fā)泡樣品表觀密度的關(guān)系如圖3所示，可以看出，隨著機(jī)頭壓力的升高，樣品的表觀密度減小，且第一組口模（A、B、C）對(duì)樣品表觀密度的影響更大，這是由于該組口模的壓力變化范圍較大；由流道高度為0.6mm的第一組口模（A、B、C）所生產(chǎn)的樣品的表觀密度（0.03～0.15g／cm3）較小，而由流道高度為1.0mm的第二組口模（D、E、F）所生產(chǎn)的樣品的表觀密度（0.17～0.23g／cm3左右）較大。這是由于第二組口模流道的平直段長(zhǎng)度（分別為7、13、19mm）較長(zhǎng)，剪切生熱較大，造成熔體黏度降低，對(duì)泡孔生長(zhǎng)不利。

2.3 口模尺寸對(duì)壓降速率及樣品泡孔尺寸的影響

（1）機(jī)頭的壓降速率

本文中，根據(jù)定義推導(dǎo)壓降速率（MPa／s）計(jì)算公式為：

圖3 表觀密度與機(jī)頭壓力關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between apparent density and pressure

式中 Q——產(chǎn)量，kg／h

ρ──密度，kg／m3

從圖4可以看出，口模流道高度H不變時(shí)（如A、B、C），隨著流道平直段長(zhǎng)度L的減小，機(jī)頭壓降速率增大；流道高度H 為0.6mm的一組口模（A、B、C）的壓降速率大于流道高度為1.0mm的口模（D、E、F）壓降速率。

（2）機(jī)頭壓降速率對(duì)發(fā)泡樣品泡孔尺寸的影響

從圖5、圖6可以看出，流道高度為0.6mm的一組口模（A、B、C）得到的發(fā)泡樣品泡孔平均直徑為140～200μm、平均直徑的標(biāo)準(zhǔn)差為60～100，流道高度為1.0mm的一組口模（D、E、F）得到的發(fā)泡樣品泡孔平均直徑為200～230μm、平均直徑的標(biāo)準(zhǔn)差為180～200。因此，由口模A、B、C所制得的發(fā)泡樣品的泡孔平均直徑及其標(biāo)準(zhǔn)差較小，即泡孔結(jié)構(gòu)較好。這與該組口模的壓降速率較大有關(guān)，即壓力降速率越大，氣泡成核速率越高，泡孔結(jié)構(gòu)越優(yōu)。

圖4 口模流道長(zhǎng)度與壓降速率關(guān)系Fig.4 Relationship of the die length and pressure drop rate

圖5 平均泡孔直徑與壓降速率關(guān)系Fig.5 Relationship between average diameter and pressure drop rate

3 結(jié)論

（1）對(duì)于口模流道高度一定的口模，隨著流道平直段長(zhǎng)度的增加，機(jī)頭壓力增大，機(jī)頭壓降速率減小；第一組口模（A、B、C）能夠得到的機(jī)頭壓力及壓降速率均大于第二組口模（D、E、F）能夠獲得的機(jī)頭壓力及壓降速率；

（2）由流道高度為0.6mm的第一組口模（A、B、C）所生產(chǎn)的發(fā)泡樣品的表觀密度較小、泡孔尺寸較小、泡孔均勻性較好；而由流道高度為1.0mm的第二組口模（D、E、F）所生產(chǎn)的樣品的表觀密度普遍較大、泡孔尺寸較大，即機(jī)頭壓力大、壓降速率大，可以得到泡孔結(jié)構(gòu)較好的發(fā)泡樣品。

圖6 平均直徑標(biāo)準(zhǔn)差與壓降速率關(guān)系Fig.6 Relationship between standard deviation and pressure drop rate

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