影響熔噴料聚丙烯熔體流動速率測試精密度的因素

趙金月

（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714）

新冠疫情爆發(fā)已經(jīng)近一年，疫情現(xiàn)階段依然在全球范圍蔓延，口罩的消耗量持續(xù)增長。熔噴布俗稱醫(yī)用外科口罩和N95口罩的“心臟”[1]，是口罩中間的過濾層，直徑只有頭發(fā)絲的1/30，能過濾細(xì)菌，阻止病菌傳播。而這種熔噴布的原料就是高熔體流動速率的熔噴料聚丙烯（PP），采用熔噴工藝制造出布料。熔噴料PP熔體流動速率越高，熔噴出的纖維就越細(xì)，制成的熔噴布過濾性也越好[2]。因此準(zhǔn)確地測定熔噴料PP的熔體流動速率對判定熔噴料PP的產(chǎn)品質(zhì)量和實際用途具有十分重要的意義。

因為疫情未爆發(fā)之前，國內(nèi)口罩消耗量較少，總產(chǎn)量只有50億只/年，所以對口罩熔噴料聚丙烯的測試研究比較少，無“熔噴料聚丙烯熔體流動速率”影響因素的文獻(xiàn)。對于熔噴料PP熔體流動速率的檢測方法常用的是GB/T 30923-2014[3]提及的GB/T 3682[4-5]方法B，在實際的分析測試中發(fā)現(xiàn)熔噴料聚丙烯熔體流動速率測試結(jié)果的精密度低，在測試中由于操作上的一些細(xì)節(jié)不同使測試結(jié)果產(chǎn)生較大差異。本文針對熔噴料聚丙烯熔體流動速率測試操作中的一些問題，通過大量實驗數(shù)據(jù)的分析，明確了影響熔噴料聚丙烯熔體流動速率測試精密度的因素，并得出相關(guān)的實驗結(jié)論。

1 實驗

1.1 儀器

熔體流動速率儀，M-FLOW，德國Zwick/Roell。

1.2 材料

P1，PP-91500，金發(fā)，MFR 1 500 g/10 min；Z2，Z1500，道恩，MFR 1 500 g/10 min；C3，C6540L-BM15，普利特，MFR 1 500 g/10 min。

1.3 測試原理

熔體流動速率的測試原理：在規(guī)定的溫度和負(fù)荷下，由通過規(guī)定長度和直徑的口模擠出的熔融物質(zhì)，計算熔體質(zhì)量流動速率（MFR）和熔體體積流動速率（MVR）。熔噴料 PP因其超高的熔體流動速率，不適合直接測定MFR，需要先測得MVR，然后利用熔體密度值計算MFR，如式（1）所示。

式中，ρ為熔體在試驗溫度下的密度，取0.738 6 g/cm3。

1.4 實驗參數(shù)設(shè)置

選用三種不同廠家生產(chǎn)的熔噴料PP材料，分別改變儀器預(yù)熱恒溫時間、樣品加入量、氮氣吹掃時間、測試溫度、裝料時間以及活塞位移和取樣次數(shù)進(jìn)行實驗，考察不同的因素對熔噴料PP熔體流動速率測試精密度的影響。實驗參數(shù)見表1。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器預(yù)熱恒溫時間的影響

溫度會加速高分子材料內(nèi)部分子運動，對于熔體流動速率測試，溫度的影響尤為顯著[6]。溫度升高會使分子的熱運動能和分子的活動空間增加，使聚合物的流動性增強，因此熔噴布PP測試過程中保持溫度恒定是很重要的。需要熔體流動速率儀有足夠長的預(yù)熱時間，如果預(yù)熱時間不充分，指示的溫度雖然已經(jīng)達(dá)到設(shè)置的溫度，實際上熔體流動速率儀料筒壁各處的溫度仍然有可能是不均勻的，這會引起熔體流動速率的測試波動，從而造成測試結(jié)果的精密度降低。對三種不同的熔噴料PP，在不同的儀器預(yù)熱恒溫時間下測試樣品的MFR值，測試結(jié)果見表2，儀器預(yù)熱恒溫時間對MFR值和MFR值精密度的影響見圖1和圖2。

表2 不同預(yù)熱恒溫時間下的MFR值

（續(xù)表2）

圖1 儀器預(yù)熱恒溫時間對MFR值的影響

圖2 儀器預(yù)熱恒溫時間對MFR值精密度的影響

從圖1可以看出，隨著儀器預(yù)熱恒溫時間的增加，MFR值增大，預(yù)熱時間大于40 min時，熔噴料PP的MFR測試結(jié)果趨于穩(wěn)定。從圖2可以看出，當(dāng)儀器恒溫時間少于30 min時，測試數(shù)據(jù)的精密度大于2.5%，當(dāng)恒溫時間大于30 min時，測試數(shù)據(jù)的精密度小于1.5%。

2.2 樣品加入量的影響

GB/ 3682標(biāo)準(zhǔn)要求測試的樣品的加入量為3～8 g。在實際操作中發(fā)現(xiàn)，樣品的加入量對MFR測試結(jié)果有很大影響。在其他測試條件相同的情況下，分別以不同樣品加入量測試三種樣品的MFR值，測試數(shù)據(jù)見表3，樣品加入量對熔噴料PP的MFR值和MFR值精密度的影響見圖3和圖4。

表3 不同樣品加入量下的MFR值

（續(xù)表3）

圖3 加樣量對MFR值的影響

圖4 加樣量對MFR值精密度的影響

圖3可以看出，隨著加樣量的增加，MFR值增大，加入8 g時比加入3 g時，MFR值增加了17%，由于熔噴料聚丙烯的MFR值很高，流動性好，加樣量較少時，活塞桿放入之后其下標(biāo)線已經(jīng)接近料筒頂部，開始測試后，打開口模塞，前邊的熔體流出時有一定阻力，導(dǎo)致計時延長，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)偏低。從圖4可以看出，隨著加樣量的增加，測試結(jié)果的精密度提高，樣品加入量為8 g時，精密度最好。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，樣品的最佳加入量建議選擇8 g。

受到樣品加樣量的影響，以及固定其他測試參數(shù)的共同影響，“加樣量”的MFR最大值測試時并沒有達(dá)到1 500，可以對照其他影響因素同條件下的測試數(shù)據(jù)。

2.3 氮氣吹掃時間的影響

熔噴料PP材料在料筒中，受熱容易發(fā)生降解，由于空氣中的氧氣會加速熱降解效應(yīng)，樣品的黏度降低，從而使流動速度加快，熔體流動速率增大。為了減少測試過程中熱降解的影響，除了在操作手法上將樣品在料筒中盡量壓實，減少操作過程帶入空氣之外，裝樣品之前還采用了使用惰性氣體吹掃料筒的方法。表4為三種樣品在不同氮氣吹掃時間下的MFR測試結(jié)果。氮氣吹掃時間對熔噴料PP的MFR值和MFR值精密度的影響見圖5和圖6。

表4 不同氮氣吹掃時間下的MFR值

圖5 氮氣吹掃時間對MFR值的影響

圖6 氮氣吹掃時間對MFR值精密度的影響

從圖5可以看出，隨著氮氣吹掃時間的增加，MFR值逐漸減小。從圖6可以看出，隨著氮氣吹掃時間增加，測試結(jié)果的精密度提高，如果裝樣品前用氮氣吹掃8 s以上，測試相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.5%。

2.4 測試溫度的影響

熔體流動速率受溫度影響比較大，研究發(fā)現(xiàn)ln(MFR)與溫度呈線性正相關(guān)。在測試中要求儀器溫度準(zhǔn)確，GB/T 3682 要求測試溫度允差為±1℃，為了驗證測試溫度對熔噴料PP熔體流動速率的影響，對三種樣品改變測試溫度進(jìn)行熔體流動速率測試，測試結(jié)果如表5所示。測試溫度對熔噴料PP的MFR值和MFR值精密度的影響見圖7和圖8。

表5 不同測試溫度下的MFR值

圖7 測試溫度對MFR值的影響

圖8 測試溫度對MFR值精密度的影響

從圖7可以看出，測試溫度對測試結(jié)果的影響符合理論規(guī)律，隨著測試溫度增加，MFR值升高，因此測試時需要保證測試溫度的準(zhǔn)確性，儀器溫度允差最好控制在0.5℃以內(nèi)。從圖8可以看出，MFR測試結(jié)果的精密度受溫度變化影響比較小。

2.5 裝料時間的影響

裝料時間長短對熔噴料PP熔體流動速率測試的精密度也有影響。對三種熔噴料PP樣品分別以不同裝料時間測試熔體流動速率，結(jié)果如表6所示。裝料時間對熔噴料PP的MFR值和MFR值精密度的影響見圖9和圖10。

表6 不同裝料時間下的MFR值

圖9 裝料時間對MFR值的影響

圖10 裝料時間對MFR值精密度的影響

從圖9可以看出，隨著裝樣時間的增加，MFR值先增加后降低，裝料時間為60 s時，MFR值最大。由圖10可以看出，隨著加樣時間的增加，測試結(jié)果的精密度先提高后降低，這主要是由于裝料時間太短，沒有對樣品充分壓實，熔體里邊氣泡比較多，降低了測試結(jié)果的精密度。而裝料時間過長又會導(dǎo)致料筒空氣增多，樣品更易發(fā)生熱降解，使測試結(jié)果的精密度降低。所以，裝料時間以控制在50～60 s范圍為宜。

2.6 活塞位移和取樣次數(shù)的影響

按照GB/T 3682標(biāo)準(zhǔn)要求，測試采用測量活塞移動規(guī)定距離所需的時間的方法。所用的儀器配有位移傳感器，可以精確測試規(guī)定活塞位移所需的時間，并可以在一次加樣測試時多次取樣。將三種熔噴料 PP樣品按照不同的活塞位移、不同的取樣次數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表7?；钊灰坪腿哟螖?shù)對熔噴料PP的MFR值和MFR值精密度的影響見圖11和圖12。

表7 不同活塞位移和取樣次數(shù)下的MFR值

圖11 活塞位移/取樣次數(shù)對MFR值的影響

圖12 活塞位移/取樣次數(shù)對MFR值精密度的影響

從圖11可以看出，活塞位移和取樣次數(shù)的變化對熔噴料PP的MFR值影響較小，對測試結(jié)果的影響規(guī)律性不明顯。從圖12可以看出，活塞位移的設(shè)置值變大，熔噴料PP的MFR測試結(jié)果的精密度會變差。在活塞位移設(shè)置相同的情況下，取樣次數(shù)越多，測試結(jié)果的精密度越好。

3 結(jié)論

熔噴料PP的MFR測試的檢測影響因素比較多，應(yīng)該從多方面進(jìn)行分析考慮。實驗結(jié)果表明，要提高熔噴料PP熔體流動速率測試準(zhǔn)確性和精密度，建議按以下測試條件規(guī)范操作：

1）開始測試之前儀器溫度至少預(yù)熱30 min；

2）樣品最佳加樣量為8 g；

3）裝樣前最好對料筒用氮氣吹掃8 s以上；

4）測試結(jié)果的精密度受溫度變化影響比較小，測試時需要保證測試溫度的準(zhǔn)確性即可；

5）裝料時間最好控制在50～60 s以內(nèi)，太長或太短都會影響測試結(jié)果的精密度；

6）在測試有效位移區(qū)間內(nèi)，采用較小活塞位移距離且增加取樣次數(shù)，會得到精密度更好的測試結(jié)果。