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，具有相對密度小、無毒、無味、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，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、使用壽命長等特點，PP拉絲料目前占據(jù)PP消費的最大市場。目前，國內(nèi)常見的PP拉絲料牌號有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)是一種常見的PP生產(chǎn)工藝，主要特點是采用獨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PP拉絲料樣品為原料，對其力學(xué)性能、結(jié)晶度、等規(guī)度、相對分子質(zhì)量大小及分布等性能進行了對比分析，探討了PP拉絲料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，為不同市場需求的PP拉絲料生產(chǎn)與應(yīng)用提供參考。

1 實驗部分

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

全自動塑膠熔融指數(shù)測定儀，GT-7200-MIA，高鐵檢測儀器公司；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；分光測色計，CM-5，柯尼卡美能達；六柱式材料試驗機，UN-7001-LAS，高鐵檢測儀器公司；數(shù)碼沖擊試驗機，GT-7045-HM，高鐵檢測儀器公司；索氏提取器，500 mL，三愛思；高溫凝膠滲透色譜儀，PL-GPC220，安捷倫科技有限公司。

1.3 性能測試

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

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)量流動速率對比圖

圖2 PP拉絲料樣品的氧化誘導(dǎo)期對比圖

圖3 PP拉絲料樣品的熔點對比圖

圖4 PP拉絲料樣品的黃色指數(shù)對比圖

圖1～4分別為4個PP拉絲料樣品的MFR、OIT、Tm和YI的測試結(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PP拉絲料樣品的MFR基本一致，均滿足指標要求[1]。由圖2可以看出，4個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PP拉絲料樣品的Tm區(qū)別不明顯。由圖4可以看出，4個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。

2.2 力學(xué)性能

圖5 PP拉絲料樣品的拉伸強度對比圖

圖6 PP拉絲料樣品的拉伸斷裂標稱應(yīng)變對比圖

圖7 PP拉絲料樣品的彎曲強度對比圖

圖8 PP拉絲料樣品的簡支梁缺口沖擊強度對比圖

圖5～8分別為4個PP拉絲料樣品的拉伸強度、拉伸斷裂標稱應(yīng)變、彎曲強度和簡支梁缺口沖擊強度的測試結(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#樣品的拉伸強度、彎曲強度最高，拉伸斷裂標稱應(yīng)變最低、沖擊強度較低，即剛性好、韌性差；PP 2#樣品的拉伸強度、拉伸斷裂標稱應(yīng)變適中，彎曲強度低，沖擊強度高，即剛性適中且韌性好；PP 3#樣品的拉伸強度、拉伸斷裂標稱應(yīng)變、彎曲強度適中，沖擊強度較低，即剛性、韌性適中；PP 4#樣品的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度低，拉伸斷裂標稱應(yīng)變最高，即軟而韌、剛性偏低。對于塑料編織袋用PP拉絲料，要求有較高的強度、易牽引，需要有良好的剛韌平衡性能，保證絲帶強度不斷絲。通常PP拉絲料優(yōu)等品要求拉伸強度≥32MPa，拉伸斷裂標稱應(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 相對分子質(zhì)量大小及其分布

表1 PP拉絲料樣品的相對分子質(zhì)量大小及其分布結(jié)果對比

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

2.4 結(jié)晶度

圖9 PP拉絲料樣品的結(jié)晶度對比圖

圖9為4個PP拉絲料樣品的結(jié)晶度測試結(jié)果。可以看出，PP 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的拉伸強度和彎曲強度上升；同時，由于PP分子結(jié)晶度較高，分子的運動受限制，在外力作用下移動困難，因此其斷裂伸長率會下降。結(jié)合圖5～8的力學(xué)性能結(jié)果分析，PP 1#樣品的拉伸強度、彎曲強度最大，拉伸斷裂標稱應(yīng)變最小；PP 4#樣品的拉伸強度、彎曲強度最小，拉伸斷裂標稱應(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)度過高，PP的規(guī)整程度、結(jié)晶度也相應(yīng)較高，產(chǎn)品的熔點、剛性、模量和屈服強度等指標均增大，但韌性、斷裂伸長率等指標有所下降，不利于PP拉絲料的應(yīng)用，因此需要嚴格控制等規(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，明顯高于控制指標以及其他樣品的等規(guī)度，不利于拉絲的順利進行；PP 2#、3#樣品的等規(guī)度正常，適合進行拉絲；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、相對分子質(zhì)量分布對其力學(xué)性能、拉絲過程影響明顯，需要嚴格控制指標。

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