刍议聚丙烯塑料的改性应用问题及对策

2022-12-07

聚丙烯作为全球五大通用合成树脂中的重要品种, 是重要的通用塑料之一, 目前在全球的发展速度逐步提升, 据调查数据统计, 聚丙烯的产量约占全球塑料五大合成树脂的四分之一。在发展过程中, 不仅聚丙烯的生产数量得到迅速增长, 其性能也在不断优化, 因而应用的范围在不断扩大。近几年来, 技术人员一般都是利用化学手段, 借助聚合反应来对聚丙烯进行改性处理, 从而获得新品种, 例如透明聚丙烯及高熔体强度聚丙烯等。作为改性塑料行业, 提高聚丙烯的性价比、实现其多功能化、提高应用范围是目前需要研究的主要内容。下文主要对聚丙烯的结构与性能进行分析, 在此基础上研究当前聚丙烯的改性应用情况, 对其中存在的一些问题, 有针对性地提出对策, 以此来增强聚丙烯的性能, 提高其应用范围。

一、聚丙烯的结构与性能

聚丙烯又简称PP, 是丙烯单体的高聚物 (C3H6) n, 平均分子量的范围为20万-60万左右。在改性应用过程中, 所选择的催化剂及合成工艺都会对聚丙烯的结构造成影响, 其结构可以分为三种:等规聚丙烯, 其结构特征为取代基-CH3都排列在主链构成的平面一侧;间规聚丙烯, 其结构特征为取代基-CH3相互交叉有序地排列在主链构成平面的两侧;无规聚丙烯, 其结构特征为取代基-CH3无序地分布在主链构成的平面的两侧。目前, 我国市面上所售卖的聚合物大多是等规聚丙烯, 其结晶性较高。与一般的物质一样, 聚丙烯的性能与其结构存在着重要的关系, 其物理性能如表一所示。

二、透明改性

聚丙烯的结晶与其透明性密切相关, 在改性应用过程中, 技术人员一般采取急冷冻结聚丙烯的结晶趋向来增强透明性, 获得透明的薄膜。首先需要配备壁厚的制品, 由于在改性过程中, 热传导需要耗费一定的时间, 因此芯层短时间内难以被冷却冻结, 因此不能完全依靠急冷的办法来提高透明度, 必须要综合考虑聚丙烯的结晶规律及影响因素。

在经过技术手段改性后的聚丙烯, 透明性与光泽度得到较高提升, 能够与透明塑料相抗衡。透明聚丙烯的显著优点为:热变形温度极高, 在通常情况下可高于110℃, 甚至高达135℃。而PET、PVC、PS这三种透明塑料的热变形温度都低于90℃。鉴于透明聚丙烯具有显著的性能, 所以近年来其应用范围逐渐扩大, 应用领域囊括生活用品、医疗器械、包装用品及耐热器皿等等。要想提高聚丙烯的透明性, 可以采取三种方法:第一, 利用茂金属催化剂的聚合反应;第二, 利用无规共聚;第三, 将透明改性剂掺加到普通聚丙烯中。

三、提高透明度的改性原理

提高聚丙烯透明性的常见方法为, 将成核剂掺入到聚合后的聚丙烯中, 通过化学反应来改变其结晶, 进而提高透明性。熔融形态的聚丙烯在冷却成型的过程中, 主要有两种结晶行为, 即均相成核与异相成核。前者主要依靠聚丙烯的大分子链段自行运动, 当温度降到一定程度时, 部分大分子链段会先成为结晶核心, 之后逐步扩展成排列有序的结晶区。后者主要使聚丙烯的大分子链有序地依附残存的催化剂或杂质等物质上, 也可能是除聚丙烯之外的有机物及无机物。

在聚丙烯中掺入适量的成核剂, 能够使聚丙烯大分子在冷却时, 减弱均相成核, 增强异相成核, 增加晶核及微晶数量, 从而细化晶体尺寸, 增强透明性。成核剂根据可熔性可以分为两类, 即不熔物透明改性剂与可熔物透明改性剂。常见的不熔物透明改性剂有滑石粉与有机磷酸盐, 山梨醇缩合物则是最常见的可熔物透明改性剂。可以先融化成核剂, 然后将其与熔融的聚丙烯形成均相物, 在冷却的过程中, 透明改性剂会转变成纤维状的结晶体, 纤维的直径约十纳米。聚丙烯的大分子在结晶过程中, 以纤维为晶核, 进而形成微结晶。

四、高熔体强度聚丙烯

聚丙烯的熔体强度较低, 耐熔性较差。与非晶态聚合物不同, 在一定的温度范围内, 聚丙烯不具备一定的弹性, 因为它属于半结晶, 因而不具备这类特征, 所以在应用过程中, 聚丙烯难以在一定温度范围内遇热成型。另外, 由于聚丙烯的软化点与熔点十分接近, 当温度达到熔点时, 其粘度与熔体的强度会迅速下降, 造成制品的壁厚不匀称, 容易产生孔泡等质量问题, 这类问题的存在就使得聚丙烯的应用范围受到限制。针对这一问题, 对聚丙烯进行改性之后得到高熔体强度聚丙烯, 这种聚丙烯的熔体强度受温度及熔体流动速度的影响较小, 能够克服上述的质量问题, 因而应用前景也相对广泛。

高熔体强度聚丙烯的重要特征是含有长支链, 这就使得它比普通的聚丙烯具有一定的优势。例如, 在流动速率相似的情况下, 高熔体强度聚丙烯的熔体强度比普通聚丙烯均聚物高出八倍;当密度及熔体流动速率相似的时候, 与普通的聚丙烯相比, 改进后的高熔体强度聚丙烯性能更佳, 熔点较高、缺口冲击强度较低。

目前, 制备高熔体强度聚丙烯的方法通常有两种:第一种是将聚丙烯与其他化合物混合在一起, 通过化学反应来完成改性;第二种是将聚丙烯与其他聚合物混合在一起, 从而达到改性效果, 具体的制备方法有射线辐射法、反应挤出法、引发接枝法等。在制备高熔体强度聚丙烯的过程中, 也存在两个主要的问题:降解与凝胶问题。高聚物的分子结构决定了高聚物熔体强度, 以聚丙烯举例来说, 其相对分子质量、分布情况及支链结构都是影响其熔体强度的因素。在一般情况下, 相对分子质量与分子质量分布呈正比关系, 即相对分子质量越大, 分布范围越广泛, 其熔体强度也就越大, 如果分子结构中存在长支链, 那么接枝聚丙烯的熔体强度将能够得到明显的提高。

五、聚丙烯微孔膜

经过改性之后, 不仅聚丙烯的性能得到了提高, 其功能也得到了进一步提升。例如通过创新加工工艺, 可以将聚丙烯制做成微孔膜, 微孔膜表面分布着直径约为0.5μm的圆孔。在这个加工工艺中, 主要使用了微孔形成机理:即在拉伸聚向过程中, 结晶高聚物会产生冷拉伸现象, 其分子结构的规整性程度较高, 全部的微晶都会沿着应力方向有序排列, 这又可以称为再结晶。在熔点温度下, 对结晶制品进行热处理, 制品中的一些不完整的、小体积的微晶将会逐渐熔化, 然后在较短的时间内又会重新结晶, 在这个过程中, 可以通过调整链段的排列顺序来保持结晶结构的均匀性。

从结晶到取向、然后到再结晶这个流程中, 技术人员可以通过有效措施, 来控制材料的非晶区及晶区的分布状况, 合理调整其拉伸温度、强度, 选择科学的拉伸方法, 改善加工工艺条件, 以此来获得微孔膜。微孔膜属于高科技、高附加值的产品, 其应用范围较广。因其无毒、透气性强且能够阻隔细菌, 通常用于医院的人工肺膜及杀菌包装物等, 此外, 还可以用作电池的隔膜、制造无菌水、用于过滤废水、分离烟尘、制造卫生用品、栽培花草等, 总之, 在改性之后其应用范围更为广阔。

结束语

综上所述, 聚丙烯作为重要的塑料品种之一, 其应用范围较为广泛。为了更好地提升其性能, 深入拓宽其应用广度与深度, 改性方法层出不穷。物理手段、化学手段及机械手段等等都可以用于聚丙烯的改性, 随着科技的进步与发展, 相信后期会出现更新、更好的改性方法。如何有效发挥聚丙烯的优势, 改进应用过程中存在的问题, 拓宽应用领域将是今后需要研究的重要课题。

摘要：聚丙烯塑料是重要的合成树脂之一, 其应用范围极为广泛。本文主要论述了聚丙烯塑料的改性应用问题, 重点介绍了聚丙烯的新品种, 并针对改性应用问题提出相应的对策, 从而为以后聚丙烯塑料的改性发展提供一定的帮助。

关键词：聚丙烯,改性应用,问题,对策