高抗冲透明聚丙烯的性能及应用研究

Performance and Application Research of High Impact Strength Transparent Polypropylene

摘要

透明聚丙烯产品通常低温抗冲击性能较差，应用范围受到极大限制。高抗冲透明聚丙烯RC-20M同时结合无规共聚聚丙烯和抗冲共聚聚丙烯的优点，具有优良的低温抗冲性能、透明度高、密封性强等特点。采用多种分析测试手段，对高抗冲透明聚丙烯RC-20M产品的基础性能及微观结构进行评价研究。通过优化注塑工艺，探究了注塑工艺对产品力学性能及光学性能的影响。结果表明：RC-20M产品结晶度较高，结晶速率较快，具有较好的结晶能力，有利于缩短成型周期，提高制品尺寸稳定性。产品橡胶相粒径较小且均一度高，是产品具有优异的抗冲击性能和光学性能的主要原因。RC-20M在熔体温度低、保压时间短、射胶速度小、射胶压力低、注射速度低等注塑工艺下，产品的光学性能与抗冲击性能均有所提升。

关键词

高抗冲透明聚丙烯 / 微观结构 / 注塑工艺 / 抗冲击性能 / 光学性能

Key words

High impact strength transparent polypropylene / Micro structure / Injection molding process / Impact resistance performance / Optical properties

透明聚丙烯因其透明度和光泽度可与聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯等传统透明树脂相媲美，在成本上也具有优势，已成为聚丙烯产品中增长速度较快的品种之一^[1-3]。透明聚丙烯产品多为无规共聚聚丙烯，因产品自身特性，其抗冲击性能较差，特别是低温抗冲击性能，应用范围受到极大限制^[4]。目前，我国透明聚丙烯主要应用于医疗器械和日用家居等方面，对产品的抗冲击性能提出了更高的要求^[5-6]。

透明聚丙烯增韧改性主要包括化学改性和物理改性两种方法^[7]。化学改性主要通过共聚、接枝、交联或降解等方法，改变聚丙烯的分子结构以达到改性的目的^[8-10]。这几种方法可以从根本上提高聚丙烯的韧性，但操作难度大，成本高，不适用于批量小、产品性能要求多变的市场^[11]。物理改性主要包括橡胶或弹性体增韧、刚性粒子增韧和成核剂增韧三种^[12]。应用厂家多采用将无规共聚聚丙烯与聚烯烃弹性体(POE)共混，来弥补普通透明聚丙烯抗冲击性能应用不足的问题^[13]。该方法虽然简单直接，但由于弹性体价格较高，会增加应用厂家的生产成本。由于POE与透明聚丙烯间相容性和弹性体在聚丙烯内分散性等原因，不仅影响透明制品的透明性，也会在制品内出现白色微小胶体现象。其次，由于弹性体的加入影响了制品的刚性，从而限制了制品的应用范围^[14]。此外，弹性体的加入还影响了制品材料的卫生安全性能，使材料在医疗、食品包装等领域的应用受到限制。基于此，本实验利用扫描电子显微镜、差示扫描量热仪、凝胶色谱仪等分析仪器对北方华锦化学工业股份有限公司生产的高抗冲透明聚丙烯RC-20M产品的结构及性能进行了分析，同时对注塑工艺对制品的光学性能的影响进行了探究。

1 实验部分

1.1 主要原料

高抗冲透明聚丙烯，RC-20M，北方华锦化学工业股份有限公司。

1.2 仪器与设备

注射机，CJ90M5，广东震雄机械有限公司；注射机，KM80/30，克劳斯玛菲股份有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，IS5，美国赛默飞世尔科技公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，IRPrestige-21，岛津仪器(苏州)有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，sigma360，卡尔蔡司光学(中国)有限公司；差示扫描量热仪(DSC)，DSC3，瑞士梅特勒托利多科技(中国)有限公司；凝胶色谱仪(GPC)，PL-220，北京普立泰科仪器有限公司；多功能色度仪，Ci7600，爱色丽(上海)色彩科技有限公司；悬臂冲击实验机，SMT-3002I，意大利CEAST公司；熔体流动速率仪(MFR)，ZRZ1452，美特斯工业系统(中国)有限公司；热变形、维卡软化温度测定仪，RBWK-300C，北京精凯达科技有限公司；万能实验机，AGS-H，岛津仪器(苏州)有限公司。

1.3 性能测试与表征

MFR测试：按GB/T 3682.1—2018进行测试。

乙烯含量测试：按GB/T 7715—2014进行测试。

二甲苯可溶物含量测试：按GB/T 24282—2021进行测试。

结晶温度、结晶度及熔融温度测试：按GB/T 19466.3—2004进行测试。

悬臂梁冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试，样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，并制V型缺口。

拉伸性能测试：按GB/T 1040.2—2022进行测试，样条为哑铃形，尺寸为165 mm×10 mm×4 mm。

弯曲性能测试：按GB/T 9341—2008进行测试，样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

雾度测试：按GB/T 2410—2008进行测试，样片经注射机KM80/30制备，厚度1 mm。

2 结果与讨论

2.1 产品基本性能

对RC-20M的基础性能进行测试分析，表1为产品性能数据。从表1可以看出，RC-20M在拥有较高冲击强度的同时，还有较好的弯曲模量和拉伸屈服应力，即具有较好的刚韧平衡性。对透明聚丙烯来说，较低的雾度和较高的冲击强度的实用价值更高，即RC-20M兼具优异的韧性和透明性。

2.2 分子量及其分布

聚丙烯的分子量及其分布是表征微观结构的一个重要参数，对聚丙烯的聚集态和结晶相的形成有重要影响，进而影响其力学性能和加工性能。利用凝胶色谱仪对RC-20M样品的分子量及其分布进行测试，图1为RC-20M的GPC曲线。从图1可以看出，该产品的分子量分布较宽，具有优异的加工性能。

在工业生产中，通常用熔体流动速率反应聚丙烯的黏均分子量(M _v)。在一定范围内，聚丙烯的分子量越大，其分子体积越大，具有较大的流动阻力，熔体流动黏度增加，流动性变差。表2为RC-20M的分子量及其分布数据。

断裂机理认为，随着聚丙烯分子量的增大，其冲击强度有增大趋势^[15]。较高的分子量以及均匀分布的粒径尺寸，对产品冲击性能具有一定的提升效果。

2.3 FTIR分析

利用IS5傅里叶红外光谱仪对RC-20M样品进行FTIR测试，图2为RC-20M的FTIR谱图。从图2可以看出，2 850~3 000 cm^-1区域的峰主要来自C—H伸缩振动，峰的强度主要与聚丙烯中—CH₃和—CH₂—的相对含量有关。1 378 cm^-1处的峰为聚丙烯的特征峰，来自—CH₃的弯曲振动，1 460 cm^-1处的峰来自—CH₂—的弯曲振动，800~1 300 cm^-1范围内出现等规聚丙烯3₁螺旋构象规整谱带。

图3为RC-20M的指纹区FTIR谱图。从图3可以看出，将样品的指纹区红外峰提取出来发现，RC-20M样品在733 cm^-1及721 cm^-1处出现了不同强度的峰，分别为单个乙烯单元和多个乙烯单元插入聚丙烯的特征吸收峰，说明聚丙烯与乙烯共聚的方式兼具嵌段共聚和无规共聚^[16-17]。因此，RC-20M兼具嵌段共聚聚丙烯和无规共聚聚丙烯的结构特点，不仅具有良好的抗冲击性能，还具有优异的透明性能。

2.4 结晶热力学

利用DSC3差示扫描量热仪对RC-20M样品的结晶及熔融性能进行测试，图4为RC-20M样品的结晶及熔融曲线，表3为非等温结晶特性参数。从表3可以看出，RC-20M的结晶温度和熔融温度较高，更有利于产品加工^[18]。同时，从图4可以看出，结晶峰与熔融峰形状尖锐，峰面积小，即结晶速率更快，结晶周期短，表明RC-20M具有优良的结晶能力，产品结晶度较高^[19-20]。就聚丙烯而言，一般结晶度高，成型周期短，产品的具有更高的弯曲模量，刚性更好，制品尺寸稳定性好^[21]。

2.5 产品结构分析

由于橡胶相分散在聚丙烯基体中，起到了吸收内外应力的作用，使聚丙烯的抗冲击性能有了较大提高^[22]。对聚丙烯来说，要提高冲击强度，需控制聚合过程中生成橡胶相的含量及分散情况。在分子结构中增加共聚单体乙烯，能够破坏分子结构的规整性，抑制聚丙烯的结晶，避免大球晶的生成，从而使其透明性得到提高^[23]。同时，乙烯的加入使得聚丙烯的抗冲击强度进一步提高^[24]。然而，乙烯含量超出一定值后，会增加产品中可溶物含量，影响产品在食品卫生领域的使用^[25]。

利用IRPrestige-21傅里叶红外光谱仪对RC-20M样品的乙烯含量进行测试，其中，二甲苯可溶物含量为18.8%，乙烯含量为4.4%。表明适宜的乙烯含量及橡胶相含量能够提高聚丙烯的抗冲击性能。

2.6 SEM分析

扫描电子显微镜(SEM)用于观测样品的低温脆断面形貌，可研究分散相的尺寸与分布以及界面结构对样品最终力学性能的影响。在弹性体增韧的聚合物共混物中，破坏模式通常从韧性较差的脆性断裂向韧性较好的韧性断裂急剧转变，主要发生在脆性破坏向韧性破坏的过渡区。在工业应用中，该过程用于描述材料的变形类型和研究材料的力学性能。对于抗冲击共聚聚丙烯材料而言，从脆性破坏到韧性破坏的转变与乙丙橡胶的临界含量和分散相颗粒之间的临界距离有关^[26]。随着乙烯含量的增加，橡胶相的含量增加。图5为RC-20M断面的SEM照片。从图5可以看出，RC-20M的断面的不平整程度明显较高，证明在受到冲击力时，RC-20M由脆性断裂向韧性断裂转变的完整度较高，可起到耗散更多能量的作用，进而显著改善材料的韧性，这是RC-20M抗冲击强度高的最主要原因之一^[19]。

此外，由于聚丙烯导电性差，在电子束的照射下产生了放电现象，使测试过程中产生了大量的噪音。从图5可以看出，由于噪声的作用产生了大量白色团状物质，这也间接证明了RC-20M是韧性断裂。

RC-20M产品的晶体粒子半径明显较小且粒径均一度较高，保证了在可见光通过制品时，具有较高的透过率，并能有效减少光通过时的光散射，使制品在具有较高透明度的前提下，同时具有较低的雾度^[27]。提高橡胶相在均聚相中的分散程度，可以有效减少大球晶之间存在的缺陷，使其更好地分散和吸收冲击能量，使产品在具有较高透明度的前提下，抗冲击性能得到明显提升。

2.7 注塑工艺

2.7.1 熔体温度与保压压力对RC-20M性能的影响

利用CJ90M5注射机对样品进行注塑，在保持其他注塑工艺不变的前提下，通过调整熔体温度与保压压力探究其对RC-20M产品力学性能的影响，表4为测试结果。从表4可以看出，熔体温度对RC-20M产品的拉伸屈服应力影响不大，对产品的冲击强度和弯曲模量影响较大。随着熔体温度的升高，产品的冲击强度呈下降趋势。而保压压力的大小对三种力学性能的影响并不显著。

2.7.2 射胶速度与射胶压力对RC-20M性能的影响

利用CJ90M5注射机对样品进行注塑，在保持其他注塑工艺不变的前提下，通过调整射胶速度与射胶压力探究其对RC-20M产品力学性能的影响，表5为不同射胶速度与射胶压力对RC-20M力学性能的影响。从表5可以看出，射胶速度对RC-20M产品的拉伸屈服应力影响不大，随着射胶速度的升高，产品的冲击强度有下降趋势，弯曲模量有较明显的上升趋势。射胶压力的大小对产品的拉伸屈服应力及弯曲模量的影响并不显著，但对产品的冲击强度有所影响，射胶压力应处于适当值。

2.7.3 熔胶速度与熔胶压力对RC-20M性能的影响

利用CJ90M5注射机对样品进行注塑，在保持其他注塑工艺不变的前提下，通过调整熔胶速度与熔胶压力探究其对RC-20M产品力学性能的影响，表6为不同熔胶速度与熔胶压力对RC-20M力学性能的影响。从表6可以看出，熔胶速度对RC-20M产品的拉伸屈服应力及弯曲模量影响不大，随着熔胶速度的升高，产品的冲击强度有上升趋势，但影响并不明显。熔胶压力的大小对产品的拉伸屈服应力及弯曲模量的影响并不显著，随着熔胶压力的升高，产品的冲击强度有上升趋势。

2.7.4 背压对RC-20M性能的影响

利用CJ90M5注射机对样品进行注塑，在保持其他注塑工艺不变的前提下，通过调整背压探究其对RC-20M产品力学性能的影响，表7为测试结果。从表7可以看出，背压对RC-20M产品的三种力学性能影响不大，但较高的背压可使RC-20M具有更高的冲击强度。

2.7.5 保压时间、注射速度与注射压力对RC-20M光学性能的影响

利用KM80/30注射机对样品进行注塑，在保持其他注塑工艺不变的前提下，通过调整保压时间、注射速度与注射压力探究其对RC-20M产品光学性能的影响，表8为测试结果。从表8可以看出，RC-20M在保压时间较短、注射速度较小与注射压力较高的注塑工艺下，制品的光学性能更好。

经过一系列实验，探索出了RC-20M最适宜的注塑工艺，因此，可以在实际生产过程中通过调节注塑工艺来提高制品的力学性能与光学性能。

3 结论

RC-20M的高分子量对产品冲击性能的提升效果并不明显，分子量及其分布并不是影响其冲击强度的主要因素，该产品的冲击强度受橡胶含量、粒径尺寸及均一度等其他因素的影响更大。

RC-20M兼具嵌段共聚聚丙烯和无规共聚聚丙烯的结构特点，不仅具有良好的抗冲击性能，还具有优异的透明性能。

RC-20M的结晶度较高，结晶速率较快，具有较好的结晶能力，有利于缩短成形周期，提高制品尺寸稳定性。

RC-20M产品的乙烯含量及橡胶相含量并不是影响RC-20M抗冲击性能的主要因素。产品橡胶相粒径较小且均一度高，产品的抗冲击性能、雾度和透光率等光学性能良好，同时具有较好的刚韧平衡性。

RC-20M在熔体温度低、保压时间短、射胶速度小、射胶压力低、注射速度低等注塑工艺下，产品的光学性能与抗冲击性能均有所提升。

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