熱降解法制備噴絲級(jí)高熔指聚丙烯及其流變性能研究

彭 威，江太君

(1.珠海市能動(dòng)科技光學(xué)產(chǎn)業(yè)有限公司，廣東 珠海 519050；2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 421007；3.東莞銘豐包裝股份有限公司，廣東 東莞 523049）

聚丙烯是一種應(yīng)用廣泛的通用型塑料，可通過(guò)擠出、注塑、吹塑、流延、紡絲等工藝來(lái)加工制品，還可以通過(guò)熔噴工藝制備通用的無(wú)紡布和熔噴布，應(yīng)用于過(guò)濾、防疫與防護(hù)領(lǐng)域[1-2]。與傳統(tǒng)的聚丙烯相比，噴絲級(jí)聚丙烯具有流動(dòng)性好、分子量分布窄等特點(diǎn)，且多由傳統(tǒng)的聚丙烯通過(guò)添加過(guò)氧化物而產(chǎn)生熱降解的方法制備[2-5]。在材料配方設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，引發(fā)劑與抗氧劑的含量，以及加工工藝參數(shù)，均會(huì)對(duì)噴絲級(jí)聚丙烯的熔融指數(shù)產(chǎn)生很大影響，并最終影響生產(chǎn)效率與穩(wěn)定性[6-7]。

本文針對(duì)熔噴布專用的噴絲級(jí)聚丙烯，采用引發(fā)劑引發(fā)熱裂解反應(yīng)，使傳統(tǒng)的低熔指聚丙烯轉(zhuǎn)化為熔融指數(shù)在1500g·(10min)-1左右的高流動(dòng)性聚丙烯，以應(yīng)用于熔噴布的生產(chǎn)。研究了配方中的引發(fā)劑、抗氧劑的用量和加工工藝參數(shù)對(duì)噴絲級(jí)聚丙烯的質(zhì)量和生產(chǎn)效率的影響，以優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚丙烯（牌號(hào)225），DTBP（牌號(hào)101），抗氧劑215。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

低速混料機(jī)（50L），平行雙螺桿擠出造粒機(jī)（螺桿直徑65mm，長(zhǎng)徑比52），熔融指數(shù)儀（體積法）、水份儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）將聚丙烯粉料、引發(fā)劑DTBP、抗氧劑放入低速混料機(jī)中混合15min。

2）將混合好的物料放入65 平行雙螺桿擠出造粒機(jī)料斗中造粒，擠出機(jī)各區(qū)的溫度分別為130、150、160、170、175、175、170、170、170、170、170、168、165℃，造粒方式為水冷拉條。

3）將平行雙螺桿擠出造粒機(jī)混煉造粒后的顆粒，在常溫下旋轉(zhuǎn)24h 后，用熔融指數(shù)儀測(cè)試其熔融指數(shù)。

4）混煉造粒后的顆粒，立即使用水分儀測(cè)試顆粒的水分。

2 結(jié)果與討論

2.1 引發(fā)劑對(duì)熔融指數(shù)的影響

引發(fā)劑DTBP 為二叔丁基過(guò)氧化物，在熱的條件下可以將聚丙烯分子鏈打斷，使其分子量降低，達(dá)到提升其熔融指數(shù)的目的。圖1 是不同引發(fā)劑含量對(duì)聚丙烯熔融指數(shù)的影響曲線，其中抗氧劑含量為0.2%。從圖中可以看出，引發(fā)劑DTBP 含量對(duì)聚丙烯熔融指數(shù)的影響是近線性關(guān)系的，DTBP含量達(dá)到0.5%時(shí)，聚丙烯的熔融指數(shù)可以穩(wěn)定在1500g·(10min)-1左右，符合熔噴布生產(chǎn)的要求。

圖1 引發(fā)劑含量對(duì)熔融指數(shù)的影響Fig.1 Variation of melt flow index as a function of DTBP concentration

2.2 螺桿溫度對(duì)熔融指數(shù)的影響

引發(fā)劑的激活需要一定的能量，同時(shí)引發(fā)劑的作用半衰期與加工溫度直接相關(guān)，即高溫條件下引發(fā)劑的有效作用時(shí)間會(huì)縮短。圖2 給出了螺桿的最高溫度與聚丙烯熔融指數(shù)的關(guān)系。從圖中可以看出，螺桿的溫度在190℃以內(nèi)，隨著DTBP 含量增加，聚丙烯材料的熔融指數(shù)呈上升趨勢(shì)，溫度越高上升速度越快。

圖2 螺桿最高溫度對(duì)熔融指數(shù)的影響Fig.2 Effect of maximum temperature on melt flow index

2.3 抗氧劑對(duì)熔指數(shù)穩(wěn)定性的影響

抗氧劑可以有效抑制引發(fā)劑對(duì)聚丙烯分子鏈的作用，起到穩(wěn)定聚丙烯熔融指數(shù)的作用[6]。圖3 顯示了抗氧劑對(duì)聚丙烯的熔融指數(shù)及熔融指數(shù)衰減的影響?？梢钥闯?，引發(fā)劑DTBP 含量相同時(shí)，隨著抗氧劑含量的增加，聚丙烯的熔融指數(shù)迅速下降，而聚丙烯的熔融指數(shù)誤差也迅速下降，達(dá)到0.2%以后逐漸趨于穩(wěn)定。引發(fā)劑DTBP 促進(jìn)聚丙烯材料降解，導(dǎo)致熔融指數(shù)下降，而抗氧劑則是抑制聚丙烯材料的降解，因此可以通過(guò)添加抗氧劑來(lái)穩(wěn)定聚丙烯的熔融指數(shù)，保持熔融指數(shù)的變化在可以接受的范圍內(nèi)。

圖3 抗氧劑含量對(duì)熔融指數(shù)的影響Fig.3 Effect of antioxidant on melt flow index

圖4 產(chǎn)量與下線含水率的關(guān)系Fig.4 Moisture content as a function of production capacity

2.4 生產(chǎn)效率與含水率

熔噴專用聚丙烯在使用過(guò)程中對(duì)原材料的含水率有一定的要求，過(guò)高的含水率會(huì)導(dǎo)致熔噴布表面的晶點(diǎn)增多，影響熔噴布的品質(zhì)。聚丙烯的生產(chǎn)采用水冷拉條造粒方式，因其熔融指數(shù)較高，若料條的拉動(dòng)速度過(guò)高，冷卻水會(huì)隨料條進(jìn)入切粒后的聚丙烯顆粒中，增加顆粒的含水率。圖4 給出了聚丙烯顆粒料下線含水率與產(chǎn)量的關(guān)系。從圖中可以看出，對(duì)于65 平行雙螺桿擠出造粒機(jī)，產(chǎn)量控制在150～170kg·h-1時(shí)，顆粒料下線含水率維持在2%左右，符合熔噴工藝對(duì)材料的要求。生產(chǎn)線產(chǎn)量超過(guò)150kg·h-1后，顆粒下線含水率迅速增加，產(chǎn)量突破190kg·h-1后，顆粒下線含水率增速減緩。當(dāng)擠出造粒的產(chǎn)量較低時(shí)，料條從冷卻水槽內(nèi)帶出的水，在料條自身的高溫作用下?lián)]發(fā)，使得顆粒下線含水率較低；產(chǎn)量繼續(xù)增加，料條的運(yùn)動(dòng)速度加快，帶出的水無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)掉，導(dǎo)致顆粒下線含水率快速上升。

3 結(jié)論

本文以DTBP 為引發(fā)劑，在抗氧劑的保護(hù)下，生產(chǎn)了適合于熔噴布生產(chǎn)的噴絲級(jí)聚丙烯，并對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)和材料的熔融指數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，引發(fā)劑DTBP 對(duì)聚丙烯的降解作用，隨其含量增加呈線性關(guān)系；抗氧劑可以有效抑制引發(fā)劑的作用；隨著擠出溫度的升高，熔融指數(shù)上升；顆粒下線含水率在低產(chǎn)量時(shí)比較穩(wěn)定，隨著產(chǎn)量的增加，含水率快速上升，最終趨于穩(wěn)定值。