聚丙烯降溫母粒生產(chǎn)工藝及優(yōu)化

齊劍舸(天津渤海石化有限公司，天津 300452)

0 引言

聚丙烯(PP)，相對分子質(zhì)量較大，熔融后黏度較大，且在成型時溫度較高。即便是在低速紡制短纖維中，溫度仍然高達290 ℃，甚至在特定情況下溫度會超過300 ℃，不僅會產(chǎn)生較大能源消耗，還會影響到丙綸長絲的制作。而降溫母粒的應(yīng)用便可解決上述問題，DTBP 為當(dāng)前常用的降溫母粒，應(yīng)用難度較低，能夠有效改善PP 的流動性，能夠影響DTBP 效果的核心因素便是其中過氧化物的含量。因此，如何提高降溫母粒制造中的過氧化物含量是當(dāng)前亟待解決的問題。

1 聚丙烯降溫母粒的基本作用

聚丙烯降溫母粒也被稱為分子量分布調(diào)節(jié)粒，此物質(zhì)能夠有效調(diào)節(jié)PP 的分子量大小，也可調(diào)節(jié)PP 的分子量分布，提高PP 的熔體流動速度，降低PP 分子量分布的寬度。在生產(chǎn)PP 的過程中有針對性地加入降溫母粒，能極大程度上提高PP 的質(zhì)量。部分聚丙烯生產(chǎn)廠家為降低成本，選擇使用氫分壓的方法對PP 進行生產(chǎn)，此種方法無法去除聚丙烯高分子量的末端，這是PP 存在質(zhì)量差異的原因。在聚丙烯生產(chǎn)中，降溫母粒主要用于降低PP 紡絲以及塑料的加工所需要的溫度，并改善熔體的流動性能，被廣泛應(yīng)用于PP 生產(chǎn)中。

一是降低PP 生產(chǎn)所需溫度，減少能源消耗。由于PP 自身的相對分子量較大(20 萬～30 萬)，黏度較高，所以通常在生產(chǎn)中會選擇提高溫度降低黏度，進而完成生產(chǎn)。但在特定條件下PP 的熔點甚至在300 ℃以上，實際生產(chǎn)中將加工環(huán)境加熱至300 ℃以上會消耗巨大能量，這便加大了PP 生產(chǎn)的能源消耗量。而降溫母粒的應(yīng)用可有效降低PP 生產(chǎn)所需的溫度，當(dāng)降溫母粒(DTBP)的加入量在PP 總量的2%左右時，可降低PP 熔體溫度30 ℃左右，這便降低了PP 的成型條件，減少了PP 加工過程的能源消耗。

二是提高熔體流動速率，滿足生產(chǎn)長絲的基本要求。由于PP 自身的相對分子量達到20 萬～30 萬，黏度較高，這便意味著MFR(熔體流動速率)較低，通常在3 g/min 以下，所以并不會使用PP 制作高速丙綸長絲。而降溫母粒的應(yīng)用，便可滿足高速紡絲的需求，在PP 生產(chǎn)中加入降溫母粒，能夠有效降低黏度。降溫母粒也被稱為分子量分布調(diào)節(jié)粒，此種物質(zhì)會將PP 作為載體，利用其中的過氧化物提高MFR。根據(jù)相關(guān)試驗，降溫母粒的加入能夠?qū)P 熔體的流速增加到4～40 g/min，提高生產(chǎn)速度25%左右，如此便改善了PP 的成型條件[1]。

三是提高PP 質(zhì)量。傳統(tǒng)PP 生產(chǎn)工藝中，會將加工溫度提升至300 ℃以上，但PP 生產(chǎn)中所使用的助劑卻無法經(jīng)受住300 ℃的高溫，在高溫作用下，所使用的顏料或其他助劑會失去原有的性能。得知降溫母粒的加入能夠有效降低PP 生產(chǎn)的加工溫度，技術(shù)人員可將溫度控制在助劑可承受的范圍內(nèi)，通過對DTBP(降溫母粒)用量的調(diào)節(jié)，可控制PP 的分子量以及分子量分布，防止助劑分解，最大限度改善纖維質(zhì)量，減少成品瑕疵點。據(jù)相關(guān)試驗，可發(fā)現(xiàn)降溫母粒的應(yīng)用能夠避免深度不勻以及強度不勻的現(xiàn)象，如此便增強了PP 纖維質(zhì)量的穩(wěn)定性。

四是降低勞動強度，減少污染。降溫母粒的應(yīng)用可降低PP 生產(chǎn)時的加工溫度，所以，生產(chǎn)車間的溫度勢必會有所下降。從生產(chǎn)勞動的角度分析，工作環(huán)境溫度的下降，能夠有效降低生產(chǎn)工人的勞動強度，如此便可進一步提高生產(chǎn)效率，為PP 生產(chǎn)廠家提供更大的利潤空間。此外，由于將溫度控制在PP 生產(chǎn)助劑可承受范圍內(nèi)，所以可以有效降低助劑的揮發(fā)，從環(huán)境保護的角度出發(fā)，從而降低化學(xué)物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境的污染。降溫母粒的應(yīng)用能夠有效降低勞動強度，減少PP 生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境的污染。

根據(jù)上述分析，降溫母粒在PP 生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠降低生產(chǎn)所需溫度，減少能源消耗、提高熔體流動速率，滿足生產(chǎn)長絲的基本要求，提高PP 質(zhì)量，降低勞動強度，減少污染。所以在PP 生產(chǎn)中應(yīng)用降溫母粒是極為必要的，但降溫母粒存在著母粒濃度波動較大、均勻性較差的問題，如此便影響到了PP 生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率。而造成母粒波動較大、均勻性較差的根本因素是過氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定所造成的，因此，提升降溫母粒質(zhì)量的核心點是控制過氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。基于當(dāng)前，PP 降溫母粒的實際生產(chǎn)情況，以DTBP 為例，對生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化[2]。

2 聚丙烯降溫母粒生產(chǎn)工藝的優(yōu)化試驗

降溫母粒的優(yōu)化重點為提高過氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以DTBP 為例，通過正交試驗，對輸料段、模頭、熔融段溫度以及螺桿轉(zhuǎn)速對降溫母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響程度進行分析，最終確定科學(xué)合理的生產(chǎn)工藝。

2.1 試驗原料

試驗所采用的原料二叔丁基過氧化物，又稱過氧化二叔丁基，是一種有機化合物，化學(xué)式為C8H18O2，分子量為146.227，密度為0.794 g/cm3，熔點為-30 ℃，沸點為109～110 ℃，外觀為無色液體，被廣泛應(yīng)用于PP 生產(chǎn)中。

試驗所采用的主要儀器設(shè)備有某機械廠生產(chǎn)的單螺桿擠出機，長徑為28。某塑料機械廠生產(chǎn)的型號為CH-10DQ 的高速混合機，以及某精密儀器公司出產(chǎn)的氣相色譜儀。

2.2 試驗方法與測試標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 配比及投料量

為探究過氧化物加入量對于降溫母粒生產(chǎn)中過氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，將過氧化物投入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以0.05%為跨度，從1.60%至1.90%分別進行試驗，每次投料量控制在400 kg。在生產(chǎn)過程中，將螺桿轉(zhuǎn)速、輸料段、熔融段以及模頭溫度作為4 項控制變量，進行三水平四因素的正交試驗，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測定所生產(chǎn)降溫母粒的過氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在確定最佳生產(chǎn)工藝后，分別對過氧化物添加量與混合時間對降溫母粒過氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響進行分析，最后得出結(jié)論。

對降溫母粒樣品中過氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定按照上海某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SHYSJ 380—2018 進行測定。

2.3 結(jié)果分析

結(jié)合擠出機的實際性能，本試驗設(shè)置了三水平四因素的正交試驗，具體參數(shù)如下：(1) 螺桿轉(zhuǎn)速為860 r/min，輸料段溫度為160 ℃，熔融段溫度為150 ℃，模頭溫度為155 ℃；(2)螺桿轉(zhuǎn)速為710 r/min，輸料段溫度為145 ℃，熔融段溫度為145 ℃，模頭溫度為150 ℃；(3) 螺桿轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，輸料段溫度為140 ℃，熔融段溫度為140 ℃，模頭溫度為145 ℃。具體試驗結(jié)果與降溫母粒過氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況如表1 所示。從表1 中數(shù)據(jù)可知，影響降溫母粒過氧化物質(zhì)含量因素的重要程度排列為，輸料段溫度、模頭溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、熔融段溫度。綜合考量后，將最佳工藝確定為輸料段溫度控制在145 ℃，模頭溫度控制在155 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速控制在860 r/min，此工藝下所得過氧化物質(zhì)的含量為0.6%～0.7%。

表1 正交試驗結(jié)果

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)所確定的最優(yōu)工藝下，調(diào)整過氧化物的添加量，探討過氧化物加入量及對降溫母粒過氧化物含量的影響。按照0.05%的跨度，將過氧化物添加量從1.6%～1.9%的范圍內(nèi)進行分別調(diào)整。再按照表1 所使用的測定標(biāo)準(zhǔn)進行測定，可發(fā)現(xiàn)隨著過氧化物添加量的提高，降溫母粒中過氧化物的含量會隨之提高。當(dāng)過氧化物添加量達到1.75%時，為降溫母粒中過氧化物增幅速度的最高點，1.75%～1.9%之間，降溫母粒中過氧化物含量增幅速度相較于過氧化物添加量1.06%～1.75%范圍內(nèi)的增幅速度有所降低。所以，考慮到生產(chǎn)成本因素，可以將過氧化物添加量控制在1.75%。

除過氧化物添加量外，混合時間對降溫母粒過氧化物含量也可能會有一定影響。將混合時間控制在3 min、5 min、7 min 時，降溫母粒中的過氧化物含量分別為0.54%、0.63%、0.55%。將混合時間控制在1 min、3 min、5 min時，降溫母粒中的過氧化物含量分別為0.51%、0.48%、0.44%。從上述數(shù)據(jù)可得知，不同混合時間下，所生產(chǎn)降溫母粒的過氧化物含量各不相同，其中5 min 為最佳。造成此現(xiàn)象的原因是DTBP 在常溫狀態(tài)下為液體，經(jīng)過摩擦后溫度上升，加速了揮發(fā)速度，使得實際融入降溫母粒中的過氧化物反而減少。因此，為盡可能提高降溫母粒中過氧化物的含量，可將混合速度降低，將時間控制在5 min 左右。

2.4 試驗結(jié)論

經(jīng)過上述試驗，試驗結(jié)論如下：

(1)在正交試驗中，根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，可將影響降溫母粒過氧化物含量的主要工藝因素確定為輸料段溫度，次主要影響因素為模頭溫度，最后為螺桿轉(zhuǎn)速以及熔融段溫度。

(2)通過正交試驗確定的工藝參數(shù)，可較為穩(wěn)定地制作降溫母粒。將過氧化物添加量可控制在1.6%時，所生產(chǎn)降溫母粒自身的過氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達到0.6%～0.7%之間。

(3) 除工藝參數(shù)外，過氧化物添加量與混合時間、速度存在一定聯(lián)系。將過氧化物添加量控制在1.75% 時，可平衡生產(chǎn)成本與降溫母粒質(zhì)量兩者的關(guān)系，即可以以最小成本生產(chǎn)質(zhì)量最佳的降溫母粒。使用低轉(zhuǎn)速并將混合時間控制在5 min 可有效提高過氧化物與降溫母粒的混合效果[3]。

3 聚丙烯降溫母粒優(yōu)化后生產(chǎn)工藝的驗證

為驗證按照上述工藝參數(shù)、流程所制作的降溫母粒是否具有降溫效果，采用實際生產(chǎn)的方式進行驗證。所采用原料為某石化公司所生產(chǎn)的聚丙烯樹脂(S701U)，設(shè)備采用直徑為20 mm 的擠壓機，壓縮比為1∶3。西德制卷繞機、牽伸機、絡(luò)筒機。將纖維規(guī)格控制在200 支左右、螺桿轉(zhuǎn)速控制在46 r/min，泵轉(zhuǎn)速為16.5 r/min，泵供量為13.5 g/min，卷繞速度控制在300 m/min，牽伸倍數(shù)為3.71 倍。

采用對比試驗，將未添加降溫母粒與添加降溫母粒、添加本文最佳工藝下生產(chǎn)的降溫母粒作為控制條件進行分別生產(chǎn)，并從溫度與纖維物性兩個角度進行分析。實驗結(jié)果共三組，具體如下：(1) 未添加降溫母粒的聚丙烯生產(chǎn)溫度為350 ℃，伸長率為18.4%，支數(shù)為123.8 個，相對強度為4.32；(2)添加普通降溫母粒的聚丙烯生產(chǎn)溫度為320 ℃，伸長率為22.6%，支數(shù)為126.7 個，相對強度為4.77；(3)添加本文最佳工藝條件下生產(chǎn)降溫母粒的聚丙烯生產(chǎn)溫度為290 ℃，伸長率為27.1%，支數(shù)為129.8 個，相對強度為5.32。

從上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，添加降溫母粒的聚丙烯生產(chǎn)過程，不論從溫度角度分析，還是從纖維物理性質(zhì)的角度分析，添加降溫母粒均能夠降低加工溫度，提高聚丙烯產(chǎn)品的質(zhì)量。而且經(jīng)過正交試驗確定最優(yōu)工藝參數(shù)生產(chǎn)的降溫母粒，更能進一步提高聚丙烯的加工溫度與生產(chǎn)質(zhì)量[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，降溫母粒是生產(chǎn)聚丙烯中常用的引入劑，能夠有效降低加工溫度、提高生產(chǎn)效率與聚丙烯質(zhì)量。降溫母粒中能夠起到作用的元素為過氧化物，本文以DTBP 為原料，利用正交試驗探索了提高降溫母粒過氧化物含量的方法，并經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證此工藝參數(shù)生產(chǎn)的降溫母粒具有一定應(yīng)用價值，相關(guān)技術(shù)人員可從上述方法入手，進一步提高降溫母粒的過氧化物含量。