正交法優(yōu)選CPP拉伸黏度測試條件

吳春霜 張貴棉 朱軍

(1.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司研究院，新疆 克拉瑪依，833699；2.新疆維吾爾自治區(qū)橡塑重點實驗室，新疆 克拉瑪依，833699)

分析測試

正交法優(yōu)選CPP拉伸黏度測試條件

吳春霜1,2張貴棉1,2朱軍1,2

(1.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司研究院，新疆 克拉瑪依，833699；2.新疆維吾爾自治區(qū)橡塑重點實驗室，新疆 克拉瑪依，833699)

用Rheotens拉伸流變儀測試聚丙烯流延膜(CPP)拉伸黏度的影響因素有溫度、測量輪對間的距離、擠出速率、拉伸加速度，通過正交試驗研究影響因素的顯著性。方差分析結(jié)果表明，溫度、測量輪對間的距離、拉伸加速度對拉伸黏度的影響顯著，擠出速率影響不明顯。確定了測試CPP拉伸黏度的合適條件，使測試結(jié)果相對平均偏差不大于20%。

聚丙烯流延膜 拉伸黏度 拉伸流變儀 正交試驗

拉伸流動在許多聚合物加工過程(如中空吹塑、擠出、紡絲等)中都是重要的流動形式，對工藝過程和制品性能會產(chǎn)生重要影響。深入了解各種聚合物材料體系的拉伸流變性能，能夠有效地優(yōu)化生產(chǎn)過程和提高產(chǎn)品質(zhì)量。拉伸黏度分為瞬態(tài)拉伸黏度和穩(wěn)態(tài)拉伸黏度[1]。在聚合物紡絲、吹膜

流場中，拉伸流動是個瞬態(tài)發(fā)展過程，與瞬態(tài)拉伸黏度密切相關(guān)。當(dāng)前測定瞬態(tài)拉伸黏度的聚合拉伸流變儀有Rheometric Scietific公司的RME型拉伸流變儀和Gottfert公司的Rheotens拉伸流變儀。有報道稱Rheotens拉伸流變儀測試?yán)祓ざ纫子诓僮?，?shù)據(jù)重現(xiàn)性好[2]，也有文獻說Rheotens拉伸流變儀主要用于聚烯烴熔體強度的測試，測試聚烯烴的拉伸黏度時重復(fù)性不好[3]。作者在使用 Rheotens拉伸流變儀測試聚丙烯流延膜(CPP)的拉伸黏度時發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)果偏差較大，下面通過優(yōu)化測試條件解決了這個問題。

1 試驗部分

1.1 原料

CPP，1#，熔體流動速率(2.16 kg)7.30 g/10min；2#，熔體流動速率(2.16 kg)7.90 g/10min，中國石油獨山子石化公司；3#，熔體流動速率(2.16 kg)8.40 g/10min，中國石化北京燕山石油化工有限公司；4#，熔體流動速率(2.16 kg)6.50 g/10min，新加坡Asahi Kasei Plastics Inc公司；5#，熔體流動速率(2.16 kg)，6.70 g/10min，韓國三星綜合化學(xué)公司。

1.2 儀器

毛細(xì)管流變儀，Rheo-Tester 2000，德國Gottffert公司。熔體拉伸流變儀，Rheotens 71.97型，德國Gottffert公司。

1.3 計算方法

在測量過程中，每一料筒原料測試10次，由計算機擬合得到10次數(shù)據(jù)的平均值，計算測量結(jié)果的相對平均偏差，相對平均偏差越小則表明結(jié)果的重復(fù)性越好，表示原料在此條件下的穩(wěn)定性也越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗設(shè)計

測試CPP拉伸黏度的外部影響因素有：溫度(A)、測量輪對間的距離(B)、擠出速率(C)和拉伸加速率(D)[4]。下面用正交試驗L9(34)來確定這4個因素對CPP拉伸黏度測試的影響效果。根據(jù)試驗經(jīng)驗，確定正交試驗的因素水平，見表1。

2.2 試驗結(jié)果與處理

根據(jù)表1中試驗條件，按正交表L9(34)對CPP1#進行拉伸流變試驗。考察指標(biāo)是拉伸黏度的相對平均偏差，每個試驗重復(fù)3次。

表1 CPP正交試驗L9(34)因素水平表

試驗安排及處理結(jié)果見表2。

表2 CPP 1#正交試驗L9(34)結(jié)果與分析

注：Tt為所有水平的相對平均偏差的和，Ti為水平i的相對平均偏差的和。

根據(jù)表2可計算因素的F值(將各因素的平均離差的平方和與誤差的平均離差平方和相比得出F值)，再與F分布表中查出的相應(yīng)的臨界值Fα比較，判斷各因素顯著性的大小。通常，若F>F0.01(F0.01=2.6681)，就稱該因素是高度顯著的；若FF0.05(F0.05=3.6337)，則稱該因素的影響是顯著的；若F

因素A(溫度)、因素B(測量輪對間的距離)、因素C(擠出速率)因素D(拉伸加速度)的F值分別為8.05，6.35，0.17，3.71。說明因素A、因素B、因素D對CPP拉伸黏度的相對平均偏差的影響非常顯著，因素C對測試結(jié)果的偏差影響不顯著。

從表2的Ti數(shù)據(jù)可看到，因素A的水平1相對平均偏差最小(均小于10%)，但從正交試驗1～9的試驗過程中來看，如果試驗條件合適，因素A的水平2及水平3拉伸黏度的相對平均偏差小于20%。因素B的最佳條件是水平2；因素C的水平3相對平均偏差最小；因素D的最佳條件是水平3。正交試驗L9(34)確定的測試CPP拉伸黏度的最佳試驗條件為熔體溫度160 ℃；測量輪對間的距離0.25 mm；拉伸加速度36 mm/s2；擠出速率0.3 mm/s。

將CPP拉伸黏度的測試條件及相對平均偏差(不大于20%)進行標(biāo)準(zhǔn)化，通過標(biāo)準(zhǔn)化后得到的CPP拉伸流變數(shù)據(jù)詳實可靠，可為實際生產(chǎn)提供更為有力的支持。

2.3 應(yīng)用

按確認(rèn)的最佳試驗條件對1#，2#，3#，4#，5#進行拉伸試驗，拉伸黏度的相對平均偏差均小于15%。該條件下1#，2#，3#，4#，5#拉伸黏度的對比見圖1。

聚合物的拉伸黏度隨拉伸速率變化的規(guī)律與成形穩(wěn)定性有關(guān)，若拉伸黏度隨拉伸速率的增大而增大，稱為拉伸硬化行為，拉伸速率的增大有助于提高型穩(wěn)定性；而拉伸黏度隨拉伸速率的增大而減小時稱為拉伸軟化行為[5]。從圖1中可看到，試驗條件下1#，2#的拉伸黏度隨著拉伸速率的增大先下降再呈上升趨勢，既不符合拉伸硬化行為，也不符合拉伸軟化行為，這可能是由于拉伸速率低時大分子鏈解纏作用大于拉伸流動取向，那么其拉伸黏度呈下降趨勢。當(dāng)二者的作用達到平衡時，其拉伸黏度呈直線。拉伸速率進一步增大時，大分子鏈的拉伸取向大于解纏，因而其拉伸黏度呈上升趨勢。3#,4#,5#，呈拉伸軟化行為。

圖1 160 ℃時CPP的拉伸黏度曲線

1#的拉伸黏度略大于2#，且遠(yuǎn)大于3#，4#，5#，而3#，4#，5#的拉伸黏度相近。在對1#，2#，3#，4#，5#用流延方式生產(chǎn)薄膜時，1#，2#的加工條件相似，但與3#，4#，5#不能在相同的加工溫度下進行生產(chǎn)，其加工溫度要較3#，4#，5#高。

3 結(jié)論

a) 通過正交試驗發(fā)現(xiàn)，用Rheotens拉伸流變儀測試CPP拉伸黏度時，溫度、測量輪對間的距離、拉伸加速度對結(jié)果影響顯著，并確定了最佳試驗條件：溫度為160 ℃；測量輪對間的距離為0.25 mm；拉伸加速率為0.3 mm/s2；擠出速率為0.3 mm/s。確保CPP拉伸黏度的相對平均偏差不大于20%。

b) 將上述測試條件標(biāo)準(zhǔn)化后，能夠提高測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，可為CPP產(chǎn)品后加工提供可靠的建議。

[1] 林祥,任冬云,宋維寧.聚合物熔體或溶液拉伸黏度的研究狀況[J].中國塑料,2009，23(4)：1-6.

[2] 王紅英，胡徐騰，李振字，等.高熔體強度聚丙烯的制備與表征[J].化學(xué)進展，2007，19(6)：932-958.

[3] MEISSNER J, HOSTETTLER J. A new elongational rheometer for polymer melts and other highly viscoelastic liquids[J]. Rheol Acta,1994,33(1):1-21.

[4] 吳春霜，張貴棉，關(guān)莉.正交法研究PE100管材料熔體強度影響因素[J].理化檢驗(物理分冊)，2014，50(1)：37.

[5] 陳克權(quán)，張飚，張偉.聚對苯二甲酸丙二酯熔體拉伸流變性能研究[J].合成纖維，2004，33(2)，4-6.

Research on Test Condition of Elongational Viscosity of CPP Using Orthogonal Method

Wu Chunshuang1,2Zhang Guimian1,2Zhu Jun1,2

(1. Research Institute of Dushanzi Petrochemical Company,Kelamayi, Xinjiang 833699;2.Xinjiang Uygur Autonomous Region Key Laboratory of Rubber and Plastic Materials, Kelamayi Xinjiang, 833699)

Temperature, distance of take-off-wheel pair, extrusion rate and tensile acceleration influence the elongational viscosity of polypropylene cast film (CPP) tested by Rheotens. The factors influencing the elongational viscosity were analyzed by orthogonal experiment. The analysis of variance shows temperature, distance of take-off-wheel pair and tensile acceleration are important,and extrusion rate is insignificant. The optimum test conditions of CPP elongational viscosity with Rheotens were confirmed. The relative average deviation of CPP elongational viscosity is less than or eqution to 20% under this test condition.

polypropylene cast film; elongational viscosity; extensional rheometer; orthogonal design

2015-12-03;修改稿收到日期:2016-09-28。

吳春霜，女，副高級工程師，主要從事合成樹脂的流變分析研究。E-mail:yjy_wcs@petrochina.com.cn。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.06.011