聚丙烯拉絲料的結(jié)構(gòu)與性能分析

蘇江偉，張珍一，于方波

(1.神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719300；2.山東省臨沂市三豐化工有限公司，山東 臨沂 276034)

聚丙烯(PP)是五大通用塑料之一，具有相對(duì)密度小、無(wú)毒、無(wú)味、生產(chǎn)成本低、易成型加工、化學(xué)穩(wěn)定性好和電絕緣性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車工業(yè)、管材、薄膜制品、包裝工業(yè)、編織制品、纖維制品等行業(yè)。其中，PP拉絲料主要用于生產(chǎn)編織袋、地毯背襯、土工布、繩索等塑料編織制品，制品具有不吸水、耐腐蝕、不霉變、耐磨擦、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，PP拉絲料目前占據(jù)PP消費(fèi)的最大市場(chǎng)。目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的PP拉絲料牌號(hào)有S1003、T30S、L5E89、1102K等，其生產(chǎn)工藝主要有液相本體法、氣相法、液相本體-氣相組合法。其中，Ineos 公司的 Innovene 氣相法工藝技術(shù)是一種常見(jiàn)的PP生產(chǎn)工藝，主要特點(diǎn)是采用獨(dú)特的接近活塞流的臥式攪拌床反應(yīng)器和高效CD催化劑。本文以Innovene 氣相法工藝不同參數(shù)生產(chǎn)得到的4個(gè)PP拉絲料樣品為原料，對(duì)其力學(xué)性能、結(jié)晶度、等規(guī)度、相對(duì)分子質(zhì)量大小及分布等性能進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了PP拉絲料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，為不同市場(chǎng)需求的PP拉絲料生產(chǎn)與應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP拉絲料樣品：1#、2#、3#、4#，Innovene氣相法工藝，神華榆林能源化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

全自動(dòng)塑膠熔融指數(shù)測(cè)定儀，GT-7200-MIA，高鐵檢測(cè)儀器公司；差示掃描量熱儀，DSC 214 Polyma，耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)(上海)有限公司；分光測(cè)色計(jì)，CM-5，柯尼卡美能達(dá)；六柱式材料試驗(yàn)機(jī)，UN-7001-LAS，高鐵檢測(cè)儀器公司；數(shù)碼沖擊試驗(yàn)機(jī)，GT-7045-HM，高鐵檢測(cè)儀器公司；索氏提取器，500 mL，三愛(ài)思；高溫凝膠滲透色譜儀，PL-GPC220，安捷倫科技有限公司。

1.3 性能測(cè)試

熔體質(zhì)量流動(dòng)速率(MFR)按照GB/T 3682-2018測(cè)試；氧化誘導(dǎo)期(OIT)按照GB/T 19466.6-2009測(cè)試；黃色指數(shù)(YI)按照HG/T 3862-2006測(cè)試；拉伸強(qiáng)度和拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變按照GB/T 1040-2006測(cè)試；彎曲強(qiáng)度按照GB/T 9341-2008測(cè)試；簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1043.1-2008測(cè)試；熔點(diǎn)(Tm)和結(jié)晶度均采用DSC法測(cè)試；等規(guī)度按照GB/T 2412-2008測(cè)試；相對(duì)分子質(zhì)量大小及其分布采用HT-GPC法測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本性能

圖1 PP拉絲料樣品的熔體質(zhì)量流動(dòng)速率對(duì)比圖

圖2 PP拉絲料樣品的氧化誘導(dǎo)期對(duì)比圖

圖3 PP拉絲料樣品的熔點(diǎn)對(duì)比圖

圖4 PP拉絲料樣品的黃色指數(shù)對(duì)比圖

圖1～4分別為4個(gè)PP拉絲料樣品的MFR、OIT、Tm和YI的測(cè)試結(jié)果。PP拉絲料的MFR一般控制在2.1～3.9 g/10min，為了更好地保證產(chǎn)品質(zhì)量以及滿足客戶需求，實(shí)際生產(chǎn)中MFR一般控制在2.8～3.2 g/10min，由圖1可以看出，4個(gè)PP拉絲料樣品的MFR基本一致，均滿足指標(biāo)要求[1]。由圖2可以看出，4個(gè)PP拉絲料樣品的OIT(190℃)處于相同水平，均大于25 min，滿足聚丙烯拉絲料抗老化要求。由圖3可以看出，4個(gè)PP拉絲料樣品的Tm區(qū)別不明顯。由圖4可以看出，4個(gè)PP拉絲料樣品顆粒的顏色基本一致，均較好，YI在-3.5～-2.5范圍內(nèi)。

綜上分析可知，不同工藝參數(shù)生產(chǎn)得到的樣品的基本性能比較接近，均符合PP拉絲料技術(shù)指標(biāo)。

2.2 力學(xué)性能

圖5 PP拉絲料樣品的拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖

圖6 PP拉絲料樣品的拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變對(duì)比圖

圖7 PP拉絲料樣品的彎曲強(qiáng)度對(duì)比圖

圖8 PP拉絲料樣品的簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度對(duì)比圖

圖5～8分別為4個(gè)PP拉絲料樣品的拉伸強(qiáng)度、拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變、彎曲強(qiáng)度和簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果。由圖5～8可以看出，不同工藝參數(shù)下生產(chǎn)得到的樣品力學(xué)性能區(qū)別較大。其中，PP 1#樣品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度最高，拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變最低、沖擊強(qiáng)度較低，即剛性好、韌性差；PP 2#樣品的拉伸強(qiáng)度、拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變適中，彎曲強(qiáng)度低，沖擊強(qiáng)度高，即剛性適中且韌性好；PP 3#樣品的拉伸強(qiáng)度、拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變、彎曲強(qiáng)度適中，沖擊強(qiáng)度較低，即剛性、韌性適中；PP 4#樣品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度低，拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變最高，即軟而韌、剛性偏低。對(duì)于塑料編織袋用PP拉絲料，要求有較高的強(qiáng)度、易牽引，需要有良好的剛韌平衡性能，保證絲帶強(qiáng)度不斷絲。通常PP拉絲料優(yōu)等品要求拉伸強(qiáng)度≥32MPa，拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變≥150%。結(jié)合圖5～8中的數(shù)據(jù)，可以看出，PP 2#、3#樣品符合PP拉絲料要求。

2.3 相對(duì)分子質(zhì)量大小及其分布

表1 PP拉絲料樣品的相對(duì)分子質(zhì)量大小及其分布結(jié)果對(duì)比

由表1可以看出，PP 2#樣品的相對(duì)分子質(zhì)量分布最窄，PP 1#樣品的相對(duì)分子質(zhì)量分布最寬。在PP拉絲料中，當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量較小的部分含量高時(shí)，拉絲過(guò)程中容易斷絲，材料的斷裂標(biāo)稱應(yīng)變會(huì)降低，影響生產(chǎn)過(guò)程及產(chǎn)品的后續(xù)使用；當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量較大的部分含量高時(shí)，PP熔體粘度會(huì)明顯升高，拉絲過(guò)程中伴隨凝膠顆粒，難以進(jìn)行拉伸取向，影響材料的加工成型[2]。因此，PP拉絲料的相對(duì)分子質(zhì)量分布越窄，越有利于拉絲的進(jìn)行，能夠保證絲帶強(qiáng)度的均勻，且不斷絲[3-4]。通過(guò)對(duì)比分析可以看出，PP 2#樣品有利于拉絲的進(jìn)行，PP 1#樣品易斷絲。

2.4 結(jié)晶度

圖9 PP拉絲料樣品的結(jié)晶度對(duì)比圖

圖9為4個(gè)PP拉絲料樣品的結(jié)晶度測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯琍P 1#樣品的結(jié)晶度較高；PP 2#、3#樣品的結(jié)晶度適中；PP 4#樣品的結(jié)晶度較低。PP結(jié)晶度高，則PP的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度上升；同時(shí)，由于PP分子結(jié)晶度較高，分子的運(yùn)動(dòng)受限制，在外力作用下移動(dòng)困難，因此其斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)下降。結(jié)合圖5～8的力學(xué)性能結(jié)果分析，PP 1#樣品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度最大，拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變最??；PP 4#樣品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度最小，拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變最大；與結(jié)晶度變化規(guī)律基本一致。綜上分析可知，PP 2#、3#樣品符合PP拉絲料要求。

2.5 等規(guī)度

圖10 PP拉絲料樣品的等規(guī)度對(duì)比圖

等規(guī)度是影響PP拉絲料性能的重要參數(shù)。等規(guī)度過(guò)高，PP的規(guī)整程度、結(jié)晶度也相應(yīng)較高，產(chǎn)品的熔點(diǎn)、剛性、模量和屈服強(qiáng)度等指標(biāo)均增大，但韌性、斷裂伸長(zhǎng)率等指標(biāo)有所下降，不利于PP拉絲料的應(yīng)用，因此需要嚴(yán)格控制等規(guī)度[5-6]。通常情況下，PP拉絲料的等規(guī)度要求≥95.0%，實(shí)際生產(chǎn)中基本控制在96.0%～97.0%[1]。由圖10可以看出，PP 1#樣品的等規(guī)度不符合技術(shù)要求，明顯高于控制指標(biāo)以及其他樣品的等規(guī)度，不利于拉絲的順利進(jìn)行；PP 2#、3#樣品的等規(guī)度正常，適合進(jìn)行拉絲；PP 4#樣品的等規(guī)度略高。

3 結(jié)論

(1)聚丙烯拉絲料的結(jié)晶度、等規(guī)度、相對(duì)分子質(zhì)量分布對(duì)其力學(xué)性能、拉絲過(guò)程影響明顯，需要嚴(yán)格控制指標(biāo)。

(2) PP 1#樣品的等規(guī)度和結(jié)晶度最高，相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬，剛性最強(qiáng)，韌性不足，不利于拉絲；PP 2#樣品的結(jié)晶度、等規(guī)度指標(biāo)控制較合理，力學(xué)性能方面剛韌平衡性較好，且相對(duì)分子質(zhì)量分布窄，最適合用于拉絲。