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      擠出溫度對單層流延聚丙烯膜結構與性能的影響

      發布時間:2021年9月6日 點擊數:1250

      單層流延聚丙烯(Monolayer Cast Polypropylene,MCPP)薄膜是聚丙烯樹脂顆粒在擠出機內熱熔塑化,流延借助冷卻輥完成熱拉伸[1],同時用壓縮空氣迅速冷卻成型,后經牽引卷繞成膜。流延聚丙烯薄膜具有透明性好、光澤度高、平整度好、耐熱性能優良、易于熱封合、生產迅速等諸多優點,被廣泛應用于食品、日用品的包裝,也被用作復合薄膜的內外層材料[2,3,4]。

      在MCPP薄膜的工業生產中,擠出溫度、冷輥溫度等因素是影響薄膜性能的重要工藝參數,其中擠出溫度對均聚聚丙烯制品的結構與性能的影響較為顯著[5,6,7,8]。本文采用控制變量法探討擠出溫度對MCPP薄膜光學性能和力學性能的影響,以期對MCPP薄膜生產過程中擠出溫度參數的優化設置提供數據支持。

      1 實驗

      1.1 實驗原料

      乙烯共聚聚丙烯T28FE(中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司)。

      1.2 實驗設備

      流延膜機(ME-30/9100V3 and CR-9/320,Optical Control Systems GmbH(Germany));

      霧度計(HGM-2DP,日本島津公司);

      電子拉力機(Instron 1121,英國Instron公司);

      裁樣機(上海中藝機械器廠);

      偏光顯微鏡(DM 2500P,Leica Microsystem);

      差示掃描量熱儀(TGA/DSC同步熱分析儀(瑞士))。

      1.3 實驗方法

      流延膜機擠出裝置為單螺桿擠出機,長徑比為25∶1,設有8個控溫區域。以乙烯共聚聚丙烯T28FE為原料,采用控制變量法,按表1和表2中的實驗條件設計了7組實驗,分別制備出不同擠出溫度下的MCPP薄膜試樣(厚度為35μm),并在48h內完成測試?疾鞌D出溫度對薄膜結構與性能的影響。

      表1 擠出溫度的設置方案     下載原表

      表1 擠出溫度的設置方案

      表2 實驗條件     下載原表

      表2 實驗條件

      1.4 結構表征

      (1)偏光顯微鏡(PLM)法。在偏光顯微鏡下觀察各MCPP薄膜試樣的取向程度。

      (2)DSC表征。采用DSC差示掃描量熱儀分析試樣的熱性能,可根據式(1)計算出各樣品的結晶度。

       


      式中:Xc為結晶度,%;ΔHf為樣品熔融熱焓值,J/g;ΔHf*為標準樣品熔融焓值,ΔHf*=209J/g[9]。

      1.5 性能測試

      MCPP薄膜的透光率和霧度按GB/T 2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測定》測試。

      MCPP薄膜的直角撕裂強度按QB/T 1130-1991《塑料直角撕裂性能試驗方法》測試。

      MCPP薄膜的拉伸性能按GB/T 1040.1-2018《塑料拉伸性能的測定第1部分:總則》測試。

      以上各性能測試均進行5次平行實驗,取其平均值。

      2 實驗結果與討論

      2.1 擠出溫度對MCPP薄膜取向結構的影響

      圖1所示為不同擠出溫度下MCPP薄膜的PLM照片?梢钥闯,隨著擠出溫度的升高,薄膜的取向結構減弱。因為擠出溫度較低時,樹脂塑化程度低,高分子鏈活動能力差,在流延過程中需克服聚合物內部較大的黏滯阻力,熔體流動不均勻,迅速降溫后即形成取向結構較明顯的薄膜;擠出溫度較高時,樹脂塑化程度高,高分子鏈活動能力增強,熔體流動較均勻,同時分子熱運動劇烈,解取向作用增強。

      圖1 不同擠出溫度下MCPP薄膜的PLM照片

      圖1 不同擠出溫度下MCPP薄膜的PLM照片   下載原圖


      2.2 擠出溫度對MCPP薄膜結晶度的影響

      不同擠出溫度下MCPP薄膜試樣的DSC測試結果如表3所示。

      表3 不同擠出溫度下MCPP薄膜試樣的DSC測試結果     下載原表

      表3 不同擠出溫度下MCPP薄膜試樣的DSC測試結果

      從表3可以看出,隨著擠出溫度的升高,樣品的熔融峰溫度[10]略有減小,結晶度的減小較為明顯。這說明,擠出溫度的增加可以降低聚丙烯的結晶度。擠出溫度的升高導致分子鏈運動能力增加,同時分子鏈解取向能力增大,取向誘導結晶作用減少,結晶成核能力降低,結晶度降低。

      2.3 擠出溫度對MCPP薄膜光學性能的影響

      圖2所示為擠出溫度對MCPP薄膜霧度和透光率的影響。

      從圖2可以看出,隨著擠出溫度的升高,薄膜霧度呈下降趨勢,而薄膜透光率則呈上升趨勢。聚丙烯是典型的結晶型高分子材料,材料內部結晶與非晶兩相的存在導致光在其界面上發生折射,從而引起薄膜透明性差異。另外,因熔體彈性造成薄膜表面粗糙,從而引起光在薄膜表面散射,這也是造成薄膜透明性差異的原因之一。當擠出溫度較低時,樹脂塑化不完全,聚合物分子黏彈性較強,熔體流動不均勻,分子鏈在膜口的彈性回復導致熔體破裂,所得薄膜平整度差。隨著熔體溫度升高,分子的內應力得到較好的釋放,熔體流動較均勻,薄膜表面光滑平整,薄膜的霧度降低,薄膜的透光率就會增大。

      圖2 擠出溫度對MCPP薄膜霧度和透光率的影響

      圖2 擠出溫度對MCPP薄膜霧度和透光率的影響   下載原圖


      2.4 擠出溫度對MCPP薄膜力學性能的影響

      圖3所示為擠出溫度對MCPP薄膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響。

      從圖3可以看出,隨著擠出溫度的升高,MCPP薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率均呈先增大后減小趨勢。

      圖3 擠出溫度對MCPP薄膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響

      圖3 擠出溫度對MCPP薄膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響   下載原圖


      薄膜的橫向力學性能主要取決于晶區與非晶區的結合強度,即晶粒尺寸、結晶度以及取向作用。擠出溫度較低時,高分子鏈活動能力弱,薄膜存在缺陷,導致橫向力學性能較差。隨著擠出溫度的升高,高分子鏈活動能力增強,晶區與非晶區的結合強度增強,大大增強了薄膜的橫向力學性能,230℃時薄膜的橫向力學性能達到最大值。擠出溫度繼續升高,分子的熱運動過于劇烈,薄膜的結晶度下降,導致薄膜的橫向力學性能下降,但下降幅度較小。

      薄膜的縱向力學性能主要由分子取向程度決定。晶粒的取向一般完成較早,拉伸性能的增強主要和非晶區鏈段取向的提高相關。隨著溫度的升高,高分子鏈活動能力增強,除沿流延方向擇優取向外,高分子鏈橫向交織并貫穿到晶粒之間。另外,高溫下分子運動能力增加,導致分子鏈的解取向速度增加,分子鏈取向度降低,這是薄膜斷裂伸長率增大的主要原因之一。但同時,由于溫度的升高,高聚物解取向趨勢增強,使薄膜縱向拉伸強度逐漸減弱。

      縱向比較可得,薄膜的橫向拉伸強度小于其縱向拉伸強度,橫向斷裂伸長率大于其縱向斷裂伸長率[11]。這是因為,熔體流延成膜時為縱向拉伸,而橫向無拉伸作用。故測量薄膜拉伸強度和斷裂伸長率時,高分子鏈在流延方向上已處于張緊狀態,而在垂直拉伸方向上仍然處于松弛狀態,因而,薄膜的縱向拉伸強度大于橫向拉伸強度。相同長度的試樣,其縱向斷裂伸長率小于橫向斷裂伸長率。

      圖4所示為擠出溫度對MCPP薄膜撕裂強度的影響。

      圖4 擠出溫度對MCPP薄膜撕裂強度的影響

      圖4 擠出溫度對MCPP薄膜撕裂強度的影響   下載原圖


      從圖4可以看出,隨著擠出溫度的升高,薄膜的橫向撕裂強度和縱向撕裂強度均呈先增大后減小趨勢。實驗中橫向試樣的撕裂為縱向撕裂,縱向試樣的撕裂為橫向撕裂。薄膜的縱向撕裂強度在220℃時達到最大值,而薄膜的橫向撕裂強度則在230℃時達到最大值。這是因為,隨著溫度的升高,高分子鏈活動能力逐漸增強,樹脂熱熔程度更加均勻,并能很好地穿插于晶區之中;除了沿拉伸方向擇優取向外,高分子鏈之間相互勾連交織,并貫穿到晶粒之間,導致薄膜的撕裂性能增強。隨著溫度的繼續升高,分子的熱運動過于劇烈,晶核不易形成,或形成的晶核不穩定,容易被分子熱運動破壞,導致薄膜的結晶度下降,晶粒數量減少。高聚物分子鏈的解取向作用增強,使薄膜取向作用減弱,導致撕裂性能下降。

      薄膜的撕裂性能取決于其凝聚態結構中的結晶度、取向程度和結晶形態[12]。冷卻降溫初期形成晶粒,在冷卻輥的拉伸作用下,高分子鏈和晶粒均隨著拉伸作用擇優取向,而后迅速降到玻璃化溫度以下,晶粒和鏈段的位置關系隨之固定,形成取向材料。高分子鏈沿拉伸方向擇優取向,垂直于取向方向上的強度很小,同時隨著擠出溫度的升高,其解取向作用增強,故縱向撕裂強度下降較快,而橫向撕裂為撕斷高分子鏈段與鏈段、鏈段與晶粒之間的作用,其下降幅度較小。

      3 結論

      MCPP薄膜的結構與性能受擠出溫度的影響較明顯。隨著擠出溫度的升高,霧度減小,透光率增大,橫向拉伸性能、縱向拉伸性能和撕裂性能均隨著擠出溫度的升高先增強后減弱,且均在220~230℃時性能表現優異。隨著擠出溫度的升高,MCPP薄膜的取向度和結晶度均減弱。由于高分子聚合物內部結構較復雜,除上述基礎結論外,還應結合聚合物凝聚態結構綜合判斷產品性能。

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