一次性快餐盒專用 PP 樹脂的開發(fā)

黃啟望，陳 斌，宋之聰

（中國石油化工股份有限公司廣州分公司，廣東省廣州市 510726）

國內(nèi)一次性餐具年消費量達上億只，發(fā)泡聚苯乙烯由于衛(wèi)生安全及環(huán)保問題一度被禁止使用。PP 由于其良好的衛(wèi)生安全性、耐熱性并容易回收，故毫無疑問地成為最安全、環(huán)保的一次性餐具專用材料。目前國內(nèi)用于一次性快餐盒生產(chǎn)的快速薄壁注塑級 PP 樹脂缺口很大，大部分都是采用進口料。中國石油化工股份有限公司（簡稱中國石化）廣州分公司開發(fā)的高流動性快速薄壁注塑級 PP 樹脂一方面可以完善中國石化此類專用樹脂的供給布局，搶占市場先機；另一方面有助于中國石化廣州分公司全面掌握高流動性 PP 的生產(chǎn)技術和完善 PP 樹脂產(chǎn)品鏈，為企業(yè)創(chuàng)造更多的效益；此外還可為華南地區(qū)的廣大用戶在原料方面多提供一個選擇，降低采購成本和物流費用，為客戶創(chuàng)造價值。

1 一次性快餐盒專用樹脂的生產(chǎn)技術要求

對注塑樹脂來說，一是熔體必須有足夠的流動性，能夠充滿模腔；二是樹脂收縮率的變化應在模具設計范圍[1]。加工流動性能是一次性快餐盒專用樹脂的重要指標，流動性能好的樹脂可以在較低的溫度和注塑壓力下加工，而流動性不好的則需提供較高的加工溫度和注塑壓力，有時還會出現(xiàn)制品邊緣注不滿的缺陷。盡管熔體流動速率（MFR）可以用來粗略評價樹脂的加工流動性，但普通 PP 的 MFR 是在 230 ℃，2.16 kg 條件下用2.095 mm 內(nèi)徑口模測定的，該條件與薄壁注塑專用樹脂的實際使用條件差異較大?？紤]到實際制品的壁厚多在 0.5 mm 以下且熔體在模具內(nèi)流動的剪切應力遠高于 MFR 測定時在口模內(nèi)的剪切應力，通過測定 230 ℃，1.180 mm 內(nèi)徑口模條件下不同負荷的 MFR 來表征專用樹脂的加工流動性，這與實際加工條件更接近，也更合理。

根據(jù) PP 產(chǎn)品的用途，結(jié)合一次性快餐盒的特點，制定出一次性快餐盒專用樹脂 S980 的產(chǎn)品性能指標（見表 1）。

表 1 S980 產(chǎn)品性能指標Tab.1 Specification of grade S980

2 專用樹脂的生產(chǎn)

中國石化廣州分公司在 PP Ⅱ裝置上采用一液一氣兩釜的本體法工藝技術，以鈦系為催化劑，并將裝置生產(chǎn)能力在原基礎上擴大改造為70 kt/a，只生產(chǎn) PP 均聚物。2005 年，該公司在 PPⅡ裝置上以聚合生產(chǎn) CF501（MFR 為 3.50～5.00 g/10 min）粉料為基礎，采用在裝置造粒工段添加降解劑（液體過氧化物）的方法，降低樹脂的重均分子量、提高樹脂 MFR，批量生產(chǎn)了 MFR 為（25.00±2.00）g/10 min 的纖維料 CS820 產(chǎn)品，為生產(chǎn)更高的 MFR 產(chǎn)品積累了技術和操作經(jīng)驗。

2.1 一次性快餐盒專用樹脂的首次生產(chǎn)

2011 年 9 月，在 PP Ⅱ裝置上首次進行 S980（未添加成核劑）的試生產(chǎn)。11：00 從生產(chǎn) MFR為 38.00～42.00 g/10 min 的 S960 牌號向 S980 切換，造粒機生產(chǎn)負荷為 9.2 t/h，切刀轉(zhuǎn)速從 67% 提高到 69%，粒料冷卻水設定值從 55 ℃ 下調(diào)至 53℃。緩慢提高降解劑泵的沖程，觀察篩網(wǎng)后的壓力和齒輪泵轉(zhuǎn)速的變化，當壓力從 4.5 MPa 下降至4.1 MPa 時采樣分析粒料的 MFR，此時粒料繼續(xù)進過渡倉；10 min 后產(chǎn)品 MFR 達到 50.00 g/10 min，切換料倉，開始轉(zhuǎn)產(chǎn) S980。本次牌號切換過程用了 20 min，11：40 轉(zhuǎn)回生產(chǎn) S960。共生產(chǎn) S980 產(chǎn)品 6 t，送客戶試用，同時做性能測試及評價。

首次生產(chǎn) S980 產(chǎn)品過程中，主要存在的問題集中在造粒階段，表現(xiàn)為：碎屑的產(chǎn)生量比生產(chǎn)S960 時增加約 20%，粒料帶尾、黏料和微小顆粒增多，切刀的磨損速度偏快，齒輪泵轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅波動，樹脂 MFR 波動大等。收集客戶試用后的反饋意見：制品質(zhì)感偏軟，剛性不夠，透明度稍差，直接注塑薄壁飯盒時熔體溫度高 12 ℃ 左右，注塑壓力也較高，注塑成型周期約 4 s，制品容易變形。

2.2 造粒機操作條件的優(yōu)化

針對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，提出了造粒機操作條件優(yōu)化方案：將顆粒冷卻水的溫度從52 ℃ 降至 50 ℃，切刀轉(zhuǎn)速從 900 r/min 升至 960 r/min，同時做好月度保養(yǎng)工作，根據(jù)切刀磨損情況進行更換，降低槽隙設定值，使模板加熱蒸汽壓力從 1.7～1.8 MPa 下降至 1.3～1.5 MPa。造?？刂茀?shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)見表 2。

2011 年 10 月，按照造粒機操作條件優(yōu)化方案進行了 S980 的第二次試生產(chǎn)，本次共生產(chǎn)S980 約 15 t。由于此次加入了成核劑，粒料帶尾現(xiàn)象明顯減少，顆粒外觀顯著改善。產(chǎn)品經(jīng)汕頭偉達實業(yè)有限公司試用表明，制品的剛性及透明性都有所提高，剛韌平衡性較好，基本滿足一次性快餐盒的生產(chǎn)要求。

2.3 成核劑配方篩選

客戶反饋意見提到制品容易變形，一次性快餐盒專用樹脂需要改進的地方是提高產(chǎn)品剛性，改善流動性，縮短制品成型周期。為此采取添加微量成核劑的方法提高剛性。

PP 成核劑主要分為 α 成核劑和 β 成核劑，其中 α 成核劑的作用是提高 PP 材料的剛性和制品的透明性，本實驗的成核劑篩選綜合考慮成本及效果，盡可能篩選出性價比最佳的配方。試驗中采用裝置試生產(chǎn)的 MFR 為 48.00 g/10 min 的顆粒料為基料，成核劑的篩選結(jié)果見表 3。

表 3 成核劑篩選結(jié)果Tab.3 Selection of the nucleating agents

從表 3 可以看出：配方 3 具有較高的抗沖擊性能和結(jié)晶溫度，可保證制品的韌性和較短的加工成型周期；而且成核劑用量最少，成本最低，盡管彎曲性能稍差，但總體性價比最佳，可作為生產(chǎn)配方。

3 產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)改進

2012 年上半年，一次性快餐盒專用 S980 樹脂進入穩(wěn)定生產(chǎn)，部分批次產(chǎn)品分析結(jié)果見表 4。添加成核劑后的 S980 基本符合指標要求，質(zhì)量穩(wěn)定。

表 4 S980 產(chǎn)品質(zhì)量Tab.4 Product quality of grade S980

2012 年 10 月收到客戶反饋的意見：一次性快餐盒專用樹脂 S980 流動性稍差，注塑溫度需提高 20 ℃ 左右，成型周期也相對較長；因加工溫度提高，所以制品出現(xiàn)輕微發(fā)黃現(xiàn)象。

3.1 MFR 的調(diào)整

一次性快餐盒專用樹脂 S980 流動性稍差的原因是由于采用可控流變工藝，使樹脂在降解過程中相對分子質(zhì)量分布變窄，所以對樹脂的加工流動性產(chǎn)生不利影響。改善 S980 加工流動性能的方法：一是整體提升粉末樹脂的 MFR，降低基礎樹脂的降解程度，從而改善 S980 的相對分子質(zhì)量分布；二是將產(chǎn)品（粒料樹脂）的 MFR 進一步提高至 53.00～56.00 g/10 min。

2013 年 1 月生產(chǎn) S980 時，對第一反應釜和第二反應釜粉末樹脂的 MFR 進行調(diào)整，以此適應產(chǎn)品流動性的改變，造粒產(chǎn)品的 MFR 控制在51.00～56.00 g/10 min。將調(diào)整后生產(chǎn)的產(chǎn)品送指定客戶試用。調(diào)整前后 S980 流動性評價見表 5。

表 5 MFR 調(diào)整前后分析結(jié)果Tab.5 MFR analysis results before and after adjustment

3.2 助劑配方的優(yōu)化

過氧化物應不是制品變色的主要原因，即使過氧化物濃度很高的降溫母粒，提高加工溫度后樹脂和制品也不會有任何變色，白度甚至比普通PP 還好；即使 S980 中存在殘留過氧化物，但在加工制品的過程中，于 250 ℃ 左右條件下也基本完全分解。制品變色原因應是由助劑引起的。預混劑是指幾種添加劑按比例混合后切成粒狀物?；谇懊娴姆治?，初步擬定采用新配方（預混劑 B/成核劑）與舊配方（預混劑 A/成核劑）進行產(chǎn)品性能分析（見表 6）。

從表 6 看出：加工溫度的變化不會導致新配方制品出現(xiàn)顏色變化。

3.3 質(zhì)量改進效果

客戶試用采用新配方生產(chǎn)的產(chǎn)品后認為: 新配方 S980 產(chǎn)品加工過程正常，制品外觀大有改善，未出現(xiàn)顏色變化。用戶認可產(chǎn)品性能的改進。至此，S980 流動性和制品變色問題基本解決。

4 結(jié)語

a）以 CF501 粉料為基礎樹脂，通過調(diào)整造粒系統(tǒng)降解劑注入量、顆粒冷卻水溫度、造粒切刀轉(zhuǎn)速、槽隙設定值、模板加熱蒸汽壓力等參數(shù)，可穩(wěn)定生產(chǎn) MFR 達 53.00～56.00 g/10 min 的一次性快餐盒專用樹脂 S980。

表 6 不同注塑溫度下新、舊配方產(chǎn)品性能Tab.6 Properties of the product prepared with different formulae at different injection temperatures

b）通過調(diào)整助劑配方，可解決加工溫度變化引起的 S980 制品變色問題，使制品外觀明顯改善，產(chǎn)品性能得到用戶認可。

[1] 洪定一.聚丙烯—原理、工藝與技術[M].北京：中國石化出版社，2005：498.