王葉，劉義
（國(guó)能新疆化工有限公司，烏魯木齊831404）
摘要：采用不同注塑成型方式對(duì)聚丙烯透明料霧度測(cè)試試樣進(jìn)行了制備，針對(duì)聚丙烯透明料霧度有影響的關(guān)鍵因素注塑壓力、注塑速度、熔體溫度、保壓壓力等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，確定了霧度試樣制備最佳工藝參數(shù)為：注塑壓力55.52MPa、注射速率40mm/s、熔體溫度200℃、模具溫度40℃、保壓壓力48.58MPa。
關(guān)鍵詞：聚丙烯透明料；注塑；工藝參數(shù)；霧度
前言
聚丙烯屬于部分結(jié)晶樹(shù)脂，在通常的加工條件下由于其結(jié)晶性使得制品的透明性和光澤性較差，外觀缺少美感，因而其在許多應(yīng)用領(lǐng)域具有一定局限性。而聚丙烯經(jīng)過(guò)增透改性后會(huì)大大提高透明性和光澤度，不僅可以保持其原有的優(yōu)異性能，更兼具如聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等透明材料的特性，因而廣泛應(yīng)用于對(duì)透明性要求高的醫(yī)用注射器、食品容器、文具、薄膜、盒、瓶、杯、家用儲(chǔ)藏罐、包裝等［1-3］。
注塑級(jí)透明聚丙烯因其具有優(yōu)異的透明度、光澤度和耐熱性，同時(shí)具備良好的加工性，在國(guó)內(nèi)外得到迅速的發(fā)展。目前隨著國(guó)內(nèi)消費(fèi)升級(jí)，透明聚丙烯下游加工企業(yè)對(duì)原材料的需求日益多樣化。為進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要，加工企業(yè)對(duì)聚丙烯產(chǎn)品的應(yīng)用定位要求也越來(lái)越高。生產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)良的注塑級(jí)透明聚丙烯成為原料生產(chǎn)企業(yè)爭(zhēng)先研發(fā)的重點(diǎn)。
聚丙烯制品透明性的優(yōu)劣除受樹(shù)脂本身分子結(jié)構(gòu)及透明成核劑的影響外，還受注塑成型工藝條件的影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用不同的注塑工藝參數(shù)制備的測(cè)試試樣，其霧度測(cè)試結(jié)果有明顯的差異。因此，研究并優(yōu)化霧度試樣的制備工藝參數(shù)對(duì)聚丙烯透明料霧度測(cè)試具有重要意義。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1主要原料
聚丙烯無(wú)規(guī)透明專(zhuān)用料，K4826，新疆某公司生產(chǎn)。
1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器
注塑成型機(jī)，victory200，奧地利恩格爾公司；
霧度測(cè)試儀，EEL570，英國(guó)DIFFUSION公司；厚度規(guī)，C112XBS，日本Mitutoyo公司；
X射線衍射儀（XRD），D8Advance，德國(guó)Bruker公司；
偏光顯微鏡（PLM），BX-53，日本Olympus公司。
1.3樣品制備
按照GB/T2546.2—2022《塑料聚丙烯（PP）模塑和擠出材料第2部分：試樣制備和性能測(cè)定》［4］和GB/T17037.3—2003《塑料熱塑性塑料材料注塑試樣的制備第3部分小方試片》［5］的要求制備D1型試試樣，尺寸為60mm×60mm×1mm。試樣制備前利用待制備專(zhuān)用料對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行充分置換，置換合格后舍棄前10個(gè)樣條，然后收集符合標(biāo)準(zhǔn)要求的試樣。試樣要求無(wú)毛邊、氣泡、波浪紋、熔接線等，注塑樣片實(shí)物圖見(jiàn)圖1。
1.4霧度測(cè)試方法
試樣測(cè)試前利用霧度值為0.9%、4.5%、9.1%、15.5%、24.8%標(biāo)準(zhǔn)板對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，儀器標(biāo)定合格后，依據(jù)GB/T2410—2008《透明塑料透光率和霧度的測(cè)定》［6］對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行霧度測(cè)試。
1.5性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征
XRD測(cè)試：電壓40kV，電流40mA，Cu靶kal，波長(zhǎng)1.5408埃，步長(zhǎng)0.02度，每步停留時(shí)間0.4s。
偏光顯微鏡測(cè)試：采用反射模式，50倍放大倍率，拍攝結(jié)晶形態(tài)照片。
2結(jié)果與討論
2.1熔體溫度對(duì)試樣霧度的影響
由表1的測(cè)試結(jié)果可知，熔體溫度對(duì)試樣霧度測(cè)試結(jié)果有一定的影響。在其他注塑條件都一致的前提下，隨著熔體溫度的升高，透明聚丙烯制品的霧度隨之增大，透明度也隨之變差。其原因在于當(dāng)熔體充模流動(dòng)時(shí)，靠近模具壁的熔體冷卻速度較內(nèi)層熔體冷卻更快。隨著熔體溫度的升高，熔體黏度減小，剪切作用減弱，取向結(jié)晶減小，表層厚度減小。同時(shí)內(nèi)層熔體厚度增加，冷卻到模溫的過(guò)程需要的時(shí)間更長(zhǎng)，冷卻時(shí)在結(jié)晶溫度附近停留的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，使得分子鏈有足夠的時(shí)間重新排列從而進(jìn)入晶格，排列也更加規(guī)整，結(jié)晶也更為充分，生成的球晶尺寸也更大，210、200、190℃下制備的試樣片在偏光顯微鏡下的測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖2）表明溫度越高球晶尺寸越大，制品結(jié)晶度增加，霧度增大。因透明聚丙烯往往加入了透明成核劑以增加其透明性，透明成核劑種類(lèi)不同其熔點(diǎn)差異也很大，在較低的熔體溫度下成核劑未發(fā)生熔融，會(huì)導(dǎo)致其分散不好，從導(dǎo)致制品的霧度增加［7-8］，隨著熔體溫度的增加，成核劑的分散變得更好，球晶更小更分散，制品霧度隨之減小，透明度增加。綜合考量下選用200℃作為最佳熔體溫度。
2.2注射壓力對(duì)試樣霧度的影響
在注射速度不變的情況下，注射壓力通常通過(guò)改變塑化行程和切換點(diǎn)來(lái)控制，由表2的測(cè)試結(jié)果可知，注射壓力對(duì)試樣霧度具有顯著的影響。在其他注塑條件都一致的前提下，隨著注射壓力的增加，試樣霧度隨之升高。隨著注射壓力的增加，使熔體受到的剪切應(yīng)力增加，在流動(dòng)方向的分子鏈取向增加，形成更多的有序區(qū)域。另一方面注射壓力的增加，模腔內(nèi)的熔體密度增加，自由體積減小，有利于提高分子鏈段有序性，鏈段的有序排列有利于制品的結(jié)晶，制品結(jié)晶度的增加最終導(dǎo)致試樣霧度變大。提高注射壓力在一定程度能提高制品的質(zhì)量，但超過(guò)一定限度就會(huì)導(dǎo)致制品產(chǎn)生飛邊和過(guò)多的內(nèi)應(yīng)力，甚至?xí)a(chǎn)生燒焦現(xiàn)象；注射壓力過(guò)低會(huì)導(dǎo)致試樣表面產(chǎn)生波浪紋和熔接線，影響測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性。因此將注射壓力控制在合理范圍對(duì)霧度試樣的制備尤其重要，綜合考慮選用55.52MPa作為最佳注射壓力。
2.3注射速度對(duì)試樣霧度的影響
試樣的注塑過(guò)程在切換點(diǎn)以前以注射速度控制為主，切換點(diǎn)以后以壓力控制為主。當(dāng)注射壓力較低時(shí)，注射速度隨注射壓力變化而變化，當(dāng)注射壓力達(dá)到一定程度后，注射壓力隨注射速度變化而變化［9-10］。從表3測(cè)試結(jié)果可知，注射速度對(duì)試樣霧度具有顯著的影響。在其他注塑條件都一致的前提下，隨著注射速度的增加，試樣霧度也隨著增大。隨著注射速度的增加，熔體的剪切作用會(huì)增加，剪切作用使得熔體中分子鏈沿著剪切作用的方向取向，分子鏈形成具有規(guī)則排列結(jié)構(gòu)的區(qū)域，從圖3（其中樣品2、3、4注射速率分別為40、50、60mm/s）可以看出（110）ɑ處，注射速度越大，峰面積越大，晶格面越長(zhǎng)，結(jié)晶越充分，霧度隨之變大。另一方面在充模過(guò)程中隨著注射速度的增加，制品會(huì)出現(xiàn)充模留痕，導(dǎo)致制品霧度變大［11］。因此，選用40mm/s作為最佳注射速度。
2.4模具溫度的對(duì)試樣霧度的影響
從表4測(cè)試結(jié)果可知，模具溫度對(duì)試樣霧度具有一定的影響。在其他注塑條件都一致的前提下，隨著模具溫度的增加，試樣霧度也隨著升高。這是因?yàn)槟＞邷囟仍降?，熔體充模過(guò)程中冷卻速率越快，制品快速冷卻，越不利聚丙烯球晶的生長(zhǎng)，結(jié)晶度低，霧度越低。當(dāng)模具溫度升高時(shí)，制品緩慢冷卻，有利于聚丙烯的球晶緩慢生長(zhǎng)，結(jié)晶度高，霧度越高。另外模具溫度低會(huì)導(dǎo)致熔體快速冷卻，導(dǎo)致保壓階段無(wú)法對(duì)試樣進(jìn)行更好的填充，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生外觀缺陷，從而導(dǎo)致霧度測(cè)試的重復(fù)性差［12］。綜合考慮后，選用40℃作為最佳模具溫度。
2.5保壓壓力對(duì)試樣霧度的影響
保壓階段的主要作用是在試樣成型完成后進(jìn)行補(bǔ)縮，以減少由于溫度降低引起的體積效應(yīng)產(chǎn)生收縮孔等瑕疵。從表5的測(cè)試結(jié)果可知，保壓壓力對(duì)試樣霧度具有一定的影響。在其他注塑條件都一致的前提下，隨著保壓壓力的增加，試樣霧度也先降低后升高。當(dāng)保壓壓力增大時(shí)，熔體會(huì)被壓得比較實(shí)，分子鏈段的運(yùn)動(dòng)會(huì)比較困難，生成的球晶尺寸下降，導(dǎo)致霧度下降。但隨著保壓壓力的繼續(xù)增加，制品內(nèi)應(yīng)力增加，成核劑的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞，同時(shí)試樣厚度增加，因試樣厚度與霧度呈正比關(guān)系，從而導(dǎo)致試樣霧度增高。因此，選用48.58MPa作為最佳保壓壓力。
3試樣霧度驗(yàn)證試驗(yàn)
在最佳制樣參數(shù)下，熔體溫度為200℃、模具溫度為40℃、注射速度為40mm/s、注射壓力55.52MPa、保壓壓力為48.58MPa、保壓時(shí)間為40s、冷卻時(shí)間為15s的條件下，對(duì)透明料K4826進(jìn)行霧度試樣制備和測(cè)試，結(jié)果如下表6。
4結(jié)論
（1）通過(guò)研究表明熔體溫度、注射壓力、注射速度、保壓壓力、模具溫度對(duì)制品霧度有不同程度的影響。注射壓力調(diào)整產(chǎn)生的霧度變化最大，其次是注塑速率、熔體溫度和保壓壓力，而模具溫度的對(duì)制品霧度的影響并不顯著。
（2）通過(guò)注塑工藝優(yōu)化獲得了K4826專(zhuān)用料霧度樣片制備的最佳工藝條件為注塑壓力55.52MPa、注射速度40mm/s、熔體溫度為200℃、模具溫度40℃、保壓壓力48.58MPa。
（2）優(yōu)化注塑工藝參數(shù)可以達(dá)到降低聚丙烯霧度的目的，但只能有限范圍內(nèi)降低霧度，要真正降低透明料的霧度還得從透明料生產(chǎn)的催化劑和成核劑配方優(yōu)選等方面著手。另外，注塑工藝參數(shù)優(yōu)化應(yīng)在基于國(guó)標(biāo)給定的條件下進(jìn)行，這樣做更加有利于貿(mào)易雙手?jǐn)?shù)據(jù)的比對(duì)。
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