膜用耐高溫聚丙烯的制備及其性能

衣惠君，趙志杰

（北京燕山石化高科技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102500）

關(guān)鍵字： 聚丙烯 成核劑 負(fù)荷變形溫度 耐高溫 收縮率

離型膜，也稱(chēng)隔離膜、剝離膜、分離膜等［1］，可應(yīng)用于電子包裝、家用電器等保護(hù)膜領(lǐng)域。耐高溫復(fù)合型膜材作為高溫離型材料中的一種，應(yīng)具有優(yōu)良的離型穩(wěn)定性、離型層不殘留、高溫尺寸穩(wěn)定、可長(zhǎng)期耐高溫、外觀無(wú)瑕、成本低的特點(diǎn)，還要求具有良好的成型加工穩(wěn)定性。聚丙烯（PP）是一種綜合性能良好的通用塑料，一般薄膜專(zhuān)用PP的負(fù)荷變形溫度相對(duì)較低，僅為80～100℃，嚴(yán)重制約其在保護(hù)膜領(lǐng)域的應(yīng)用。PP作為一種結(jié)晶度高且具有同質(zhì)異晶特性的半結(jié)晶高分子，其結(jié)晶性能對(duì)材料最終性能有決定性影響。添加成核劑可以提高PP的結(jié)晶度，加之結(jié)晶組織的微細(xì)化［2］，導(dǎo)致密度提高，負(fù)荷變形溫度提高，可提高樹(shù)脂的耐熱性能及其他性能。耐高溫PP是一種高結(jié)晶性聚合物，添加定量成核劑后，材料具有耐熱溫度高、光澤度好、彎曲模量和硬度高等特點(diǎn)，因此，近年來(lái)，耐高溫PP的研發(fā)與應(yīng)用受到各科研院所以及企業(yè)的重視。本工作制備了一種可以應(yīng)用在電子包裝、家用電器等保護(hù)膜領(lǐng)域的耐高溫PP，考察了成核劑種類(lèi)及用量對(duì)PP負(fù)荷變形溫度、斷裂拉伸應(yīng)變、沖擊強(qiáng)度等的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

α成核劑，β成核劑：純度均為95%，深圳會(huì)鑫塑膠化工有限公司；PP 1904Y，熔體流動(dòng)速率為3～5 g/10 min，中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司；抗氧劑168，抗氧劑1010：石家莊佳拓化工科技有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

INSTRON 5566型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司；MP600型熔體流動(dòng)指數(shù)儀，美國(guó)Tinius Olsen公司；CEAST6921型熱變形維卡測(cè)試儀，意大利Ceast公司；TSE-35D型雙螺桿擠出機(jī)，南京瑞亞高聚物裝備有限公司；K-TEC85-265型注塑成型機(jī)，德國(guó)米拉克龍公司；ME-30/5200V3型流延膜機(jī)，德國(guó)OCS公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 耐高溫PP的制備

將定量PP與成核劑、抗氧劑放入高速混合機(jī)中混合2 min，將混合物加入雙螺桿擠出機(jī)中，經(jīng)耦合擠出，得到耐高溫PP粒料。雙螺桿擠出機(jī)的工藝條件：擠出溫度為180～230 ℃，轉(zhuǎn)速為300 r/min，長(zhǎng)徑比為40∶1。將耐高溫PP粒料加入注塑成型機(jī)，制備測(cè)試樣條，注塑溫度為180～230 ℃，注射壓力為0.7 MPa，模具溫度為80 ℃。

1.3.2 流延膜制備

將耐高溫PP粒料采用流延方式制膜，加工溫度為210～230 ℃，流延膜厚度為40 μm。

1.4 性能測(cè)試

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測(cè)試；負(fù)荷變形溫度按GB/T 1634.2—2019測(cè)試；維卡軟化溫度（A120）按GB/T 1633—2000測(cè)試；簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1043.1—2008測(cè)試；彎曲模量按GB/T 9341—2008測(cè)試；收縮率測(cè)試：將薄膜裁成10 mm×10 mm樣片，在烘箱內(nèi)高溫加熱一定時(shí)間，測(cè)量薄膜的橫縱向收縮率。

2 結(jié)果與討論

2.1 成核劑對(duì)耐高溫PP力學(xué)性能的影響

耐高溫PP配方見(jiàn)表1。

表1 試樣配方Tab.1 Experimental formula

α晶型為單斜晶型，是最穩(wěn)定也最易形成的一種晶型［3］，在通常加工情況下基本均為這種晶型。β晶型在熱力學(xué)上是準(zhǔn)穩(wěn)定的晶型，只有在特定的結(jié)晶條件下或者β成核劑存在的情況下才能生成，且穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如α晶型。但是，β晶型PP通常具有更高的沖擊強(qiáng)度。從圖1可以看出：隨著α成核劑用量的增加，體系的彎曲模量、拉伸斷裂應(yīng)力呈上升趨勢(shì)，沖擊強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；PP復(fù)合材料的彎曲模量可達(dá)2 090 MPa。隨著β成核劑用量的增加，體系的彎曲模量與拉伸斷裂應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，沖擊強(qiáng)度呈先上升后下降再上升趨勢(shì)，顯然，成核劑改善了PP的力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的α晶型PP相比，β晶型PP沖擊強(qiáng)度較好，在高速拉伸下表現(xiàn)出較高的韌性和延展性，不易脆裂。因此，添加β成核劑的PP沖擊強(qiáng)度、拉伸斷裂應(yīng)力均優(yōu)于添加α成核劑的PP。

圖1 成核劑種類(lèi)及用量對(duì)PP彎曲模量、拉伸斷裂應(yīng)力、沖擊強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of nucleating agent types and amount on bending strength，tensile strain at break and impact strength of PP

2.2 成核劑種類(lèi)及用量對(duì)PP耐熱性能的影響

從圖2看出：α成核劑的加入使PP的耐熱性能提高效果更好。成核劑用量相同時(shí)，添加α成核劑的PP的負(fù)荷變形溫度及維卡軟化溫度更高。因此，確定在耐高溫PP中添加α成核劑。從圖2還看出：隨著α成核劑用量的增加，耐高溫PP的負(fù)荷變形溫度達(dá)到118 ℃后變化趨勢(shì)不大，從而確定α成核劑添加量為0.10%（w），這既可以有效提高材料的耐熱性能，又可以控制成本。

圖2 成核劑種類(lèi)及用量對(duì)PP耐熱性能的影響Fig.2 Influence of nucleating agent types and amount on thermal properties of PP

2.3 加工評(píng)價(jià)

薄膜使用溫度為120 ℃，成核劑的加入產(chǎn)生大量異相晶核，提高了結(jié)晶溫度，加快了結(jié)晶速率，增加了結(jié)晶的完善程度，因此，成核劑對(duì)PP結(jié)晶過(guò)程的熱力學(xué)特性和制品的熱力學(xué)性能都有影響。

2.3.1 α成核劑對(duì)薄膜耐熱性能的影響

成核劑的加入可提高PP的結(jié)晶溫度，有利于縮短產(chǎn)品成型周期，提高生產(chǎn)效率。在較高的溫度結(jié)晶，高分子鏈的活動(dòng)能力強(qiáng)，結(jié)晶更完善，提高了結(jié)晶度，保證了產(chǎn)品穩(wěn)定的使用性能，因而對(duì)產(chǎn)品的耐熱性能也有影響。從表2看出：隨著α成核劑用量的增加，薄膜的耐熱性能有不同程度的改善，試樣2-α在120 ℃條件下，薄膜無(wú)收縮。

表2 α成核劑用量對(duì)耐高溫PP薄膜收縮率的影響Tab.2 Effect of amount of α nucleating agent on shrinkage of heat resistant films %

2.3.2 α成核劑用量對(duì)耐高溫PP薄膜力學(xué)性能的影響

從表3看出：試樣2-α為綜合性能優(yōu)異的耐高溫PP。進(jìn)一步驗(yàn)證了α成核劑適宜用量為0.10%（w）。

表3 α成核劑用量對(duì)耐高溫PP薄膜力學(xué)性能的影響Tab.3 Effect of amount of α nucleating agent on mechanical properties of high temperature resistant PP films

2.3.3 α成核劑對(duì)三層復(fù)合PP膜性能的影響

模擬下游廠家的加工方式，采用流延膜設(shè)備制備三層復(fù)合膜，并考察薄膜的性能。空白樣配方的內(nèi)中外三層均以普通PP 1904Y為原料，1號(hào)配方內(nèi)中外三層均采用耐高溫PP為原料。從表4看出：加入α成核劑，可以提高薄膜的力學(xué)性能，同時(shí)提高復(fù)合膜的尺寸穩(wěn)定性；采用耐高溫PP制備的三層流延膜的縱向拉伸強(qiáng)度可達(dá)34.2 MPa，在120～130 ℃時(shí)薄膜收縮率為0。

表4 三層耐熱復(fù)合膜的性能Tab.4 Properties of three-layer heat-resistant composite films

3 結(jié)論

a）通過(guò)對(duì)比不同成核劑對(duì)PP耐熱性能的影響，篩選出耐高溫PP使用α成核劑。在PP中添加定量α成核劑，可將PP復(fù)合材料的負(fù)荷變形溫度提高到118 ℃，彎曲模量可達(dá)2 090 MPa。

b）采用膜用耐高溫PP制備的三層流延膜的縱向拉伸強(qiáng)度為34.2 MPa，120～130 ℃時(shí)薄膜收縮率為0。