聚丙烯降溫母粒生產工藝及優化

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。而降溫母粒的應用便可解決上述問題，DTBP 為當前常用的降溫母粒，應用難度較低，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節粒，此物質能夠有效調節PP 的分子量大小，也可調節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 的質量。部分聚丙烯生產廠家為降低成本，選擇使用氫分壓的方法對PP 進行生產，此種方法無法去除聚丙烯高分子量的末端，這是PP 存在質量差異的原因。在聚丙烯生產中，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，被廣泛應用于PP 生產中。

一是降低PP 生產所需溫度，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，所以通常在生產中會選擇提高溫度降低黏度，進而完成生產。但在特定條件下PP 的熔點甚至在300 ℃以上，實際生產中將加工環境加熱至300 ℃以上會消耗巨大能量，這便加大了PP 生產的能源消耗量。而降溫母粒的應用可有效降低PP 生產所需的溫度，當降溫母粒(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。而降溫母粒的應用，便可滿足高速紡絲的需求，在PP 生產中加入降溫母粒，能夠有效降低黏度。降溫母粒也被稱為分子量分布調節粒，此種物質會將PP 作為載體，利用其中的過氧化物提高MFR。根據相關試驗，降溫母粒的加入能夠將PP 熔體的流速增加到4～40 g/min，提高生產速度25%左右，如此便改善了PP 的成型條件[1]。

三是提高PP 質量。傳統PP 生產工藝中，會將加工溫度提升至300 ℃以上，但PP 生產中所使用的助劑卻無法經受住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 生產的加工溫度，技術人員可將溫度控制在助劑可承受的范圍內，通過對DTBP(降溫母粒)用量的調節，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量，減少成品瑕疵點。據相關試驗，可發現降溫母粒的應用能夠避免深度不勻以及強度不勻的現象，如此便增強了PP 纖維質量的穩定性。

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

根據上述分析，降溫母粒在PP 生產中的應用能夠降低生產所需溫度，減少能源消耗、提高熔體流動速率，滿足生產長絲的基本要求，提高PP 質量，降低勞動強度，減少污染。所以在PP 生產中應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 生產企業的生產效率。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量分數不穩定所造成的，因此，提升降溫母粒質量的核心點是控制過氧化物的質量分數。基于當前，PP 降溫母粒的實際生產情況，以DTBP 為例，對生產工藝進行優化[2]。

2 聚丙烯降溫母粒生產工藝的優化試驗

降溫母粒的優化重點為提高過氧化物的質量分數，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速對降溫母粒質量分數的影響程度進行分析，最終確定科學合理的生產工藝。

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，被廣泛應用于PP 生產中。

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

2.2 試驗方法與測試標準

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中過氧化物質量分數的影響，將過氧化物投入的質量分數以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。在生產過程中，將螺桿轉速、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，并按照相關標準，測定所生產降溫母粒的過氧化物質量分數。在確定最佳生產工藝后，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量分數的影響進行分析，最后得出結論。

對降溫母粒樣品中過氧化物質量分數的測定按照上海某企業標準Q/SHYSJ 380—2018 進行測定。

2.3 結果分析

結合擠出機的實際性能，本試驗設置了三水平四因素的正交試驗，具體參數如下：(1) 螺桿轉速為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 ℃。具體試驗結果與降溫母粒過氧化物質量分數情況如表1 所示。從表1 中數據可知，影響降溫母粒過氧化物質含量因素的重要程度排列為，輸料段溫度、模頭溫度、螺桿轉速、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 ℃，螺桿轉速控制在860 r/min，此工藝下所得過氧化物質的含量為0.6%～0.7%。

表1 正交試驗結果

根據表1 數據所確定的最優工藝下，調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%的范圍內進行分別調整。再按照表1 所使用的測定標準進行測定，可發現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%范圍內的增幅速度有所降低。所以，考慮到生產成本因素，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%。從上述數據可得知，不同混合時間下，所生產降溫母粒的過氧化物含量各不相同，其中5 min 為最佳。造成此現象的原因是DTBP 在常溫狀態下為液體，經過摩擦后溫度上升，加速了揮發速度，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 試驗結論

經過上述試驗，試驗結論如下：

(1)在正交試驗中，根據表1 中的數據，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，最后為螺桿轉速以及熔融段溫度。

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

(3) 除工藝參數外，過氧化物添加量與混合時間、速度存在一定聯系。將過氧化物添加量控制在1.75% 時，可平衡生產成本與降溫母粒質量兩者的關系，即可以以最小成本生產質量最佳的降溫母粒。使用低轉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 聚丙烯降溫母粒優化后生產工藝的驗證

為驗證按照上述工藝參數、流程所制作的降溫母粒是否具有降溫效果，采用實際生產的方式進行驗證。所采用原料為某石化公司所生產的聚丙烯樹脂(S701U)，設備采用直徑為20 mm 的擠壓機，壓縮比為1∶3。西德制卷繞機、牽伸機、絡筒機。將纖維規格控制在200 支左右、螺桿轉速控制在46 r/min，泵轉速為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的降溫母粒作為控制條件進行分別生產，并從溫度與纖維物性兩個角度進行分析。實驗結果共三組，具體如下：(1) 未添加降溫母粒的聚丙烯生產溫度為350 ℃，伸長率為18.4%，支數為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溫度為320 ℃，伸長率為22.6%，支數為126.7 個，相對強度為4.77；(3)添加本文最佳工藝條件下生產降溫母粒的聚丙烯生產溫度為290 ℃，伸長率為27.1%，支數為129.8 個，相對強度為5.32。

從上述數據可以發現，添加降溫母粒的聚丙烯生產過程，不論從溫度角度分析，還是從纖維物理性質的角度分析，添加降溫母粒均能夠降低加工溫度，提高聚丙烯產品的質量。而且經過正交試驗確定最優工藝參數生產的降溫母粒，更能進一步提高聚丙烯的加工溫度與生產質量[4]。

4 結語

綜上所述，降溫母粒是生產聚丙烯中常用的引入劑，能夠有效降低加工溫度、提高生產效率與聚丙烯質量。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，并經過實際生產驗證此工藝參數生產的降溫母粒具有一定應用價值，相關技術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。