聚丙烯发泡复合材料的研究与分析

聚丙烯发泡复合材料的研究与分析

于晶洋

中石化天津分公司烯烃部天津市300200

摘要：聚丙烯具有良好的力学性能、热性能和耐候性能。文章首先分析了聚丙烯的定义，然后简要阐述了聚丙烯的生产方法，最后重点就聚丙烯发泡材料的研制进行了详细分析，仅供参考。

关键词：聚丙烯；发泡材料；成型工艺

一、聚丙烯的定义

聚丙烯（PP）是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂，是一种半结晶性材料，它比聚乙烯（PE）要更坚硬并且有更高的熔点。通常在均聚物PP中添加1%-4%乙烯可制得无规共聚PP，乙烯加入量继续提高可得嵌段共聚PP，两种PP在温度高于0℃以上时，韧性均高于均聚物PP，这几种类型PP的光泽度、热扭曲温度、刚性和透明度均较低，但是有较强的冲击强度，其冲击强度在一定范围内与乙烯的含量成正比。PP的结晶度较高，所以表面强度（如表面刚度、抗划痕特性）很好，其制品不存在环境应力开裂问题。PP的熔体流动速率MFR值范围浮动很大（1%-40%），MFR值较低的PP材料的延展性较差但冲击性能较好，对于相同MFR值的PP，共聚PP的强度高于均聚PP。由于结晶的存在，相比于其它材料，PP的收缩率较大，一般在1.8%-2.5%之间，但是收缩在方向上的均匀性比PE等材料要好得多。通常，采用加入玻璃纤维、无机粒子、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改性，加入30%的玻璃添加剂可以使收缩率降到0.7%。另外，PP材料的吸水率极低，材料具有良好的抗酸碱腐蚀性和抗溶解性，可在较恶劣的环境下长期使用。

二、聚丙烯的生产方法及加工工艺

丙烯聚合催化剂的使用是聚丙烯在合成过程中最关键的影响因素，丙烯聚合催化剂的发展促使聚丙烯的生产工艺不断优化，达到节能降耗，不但大大降低了生产成本，还提高了聚丙烯产品的性能和质量。PP的生产工艺经历了低活性、冗杂的第一代，高活性、可省脱灰工序的第二代，以及超高活性、无脱无规物脱灰的第三代三个阶段。聚丙烯的生产方法主要有溶剂料浆法（简称浆液法）、溶液法、本体法、气相法和Catalloy-Hivalloy法五种。

（一）溶液法

这是合成聚丙烯采用的最早期方法。利用丙烯在160-170℃和2.8-7.0MPa压力下进行聚合，将得到的聚丙烯产物在溶剂中溶解。溶液法的优点是能快速的测出产物的粘度，并在控制产物的分子量及分布上较有优势，但是由于工艺流程较长，生成的产物分子量较低，产物中的无规物高达30%左右，最终这些产物需继续进行脱催化剂和脱无规物，所以其生产成本极高。

（二）溶剂料浆法

料浆法经历了两个阶段的发展，第一阶段使用常规催化剂，通过稀释，将催化剂和丙烯引入反应器中（50-80℃、1-2MPa）进行聚合反应，最终得到的产物以颗粒状悬浮在溶剂中，这些产品还需进行脱除未反应单体、脱催化剂、脱无规物等过程；第二阶段采用高效催化剂（由MgCl2负载），省去了第一阶段中甲醇回收、脱催化剂、脱灰等工序，产物中的无规物含量也大大减少，相比第一阶段，生产工序大大简化，最终得到的聚合物在各方面性能上均优于前者。

（三）本体法

溶液法和料浆法均采用烃类稀释剂，而本体聚合工艺中丙烯既作为稀释溶剂又作为聚合单体，在反应器（50-80℃、2.5-3.5MPa）中进行聚合，在这个过程结束后，只需将反应器内压强减小，就可通过蒸发的形式脱去稀释剂和单体，得到的产物不仅在纯度还是在性能上均好于早期的工艺。按照本体法中采用的反应器的不同，本体聚合工艺可分为釜式聚合工艺和管式聚合工艺。

（四）气相法

气相聚合工艺首创于20世纪60年代，并在1969年由BASF实现工业化，这种工艺按照不同的反应器类型可分为气相流化床工艺和气相搅拌床工艺。气相流化床工艺主要包括UCC的Unipol工艺技术和住友的气相流化床工艺技术。这种工艺流程简单无需进行催化剂钝化，最终产物无需脱灰和脱无规物，污染小，易于操作，产品性能优越。气相搅拌床工艺反应器中通入液相丙烯，流动速度在硫化速度以下，通过吸热聚合后气化为气相。

（五）Catalloy和Hivalloy技术

该技术由Montell在20世纪90年代开发。Catalloy技术的特点是采用特殊的催化剂，丙烯与其他不同的共聚单体基和第三单体在三个气相反应器中共聚。Hivalloy工艺通过在PP主链上接枝丙烯睛、甲基丙烯酸甲酷、苯乙烯等聚合物共聚单体，运用三步合金技术，最终制得的产品与其他树脂相容性更好，故其产品得到高性能工程塑料行业的青睐。

三、聚丙烯发泡材料的开发和研制

发泡聚丙烯材料的开发一直是行业内研究的热点，这是由于发泡聚丙烯材料具有耐高温、优良的挠曲性、热传导率低和优异的环境适应性，这些特性一直吸引着人们的研究。但是由于PP的加工性能和结晶化特性，发泡聚丙烯材料的成型加工一直是行业内的难题。目前能够工业化生产聚丙烯发泡材料的只有日本、美国、意大利和德国，目前我国聚丙烯泡沫塑料的研究尚处于起步阶段，发泡聚丙烯的工业化生产基本上处于空白，如何将聚丙烯发泡工艺提升到工业化生产在国内将是一个很重要的研究。

（一）加压（模压）发泡法

模压发泡法主要是通过控制发泡剂的分解速率和交联度并增加塑料熔体中气体的溶解度，从而能得到高发泡且气泡微细均匀的聚丙烯泡沫塑料。一步法与两步法加压发泡：按照聚丙烯加压发泡成型的流程，该工艺可以分为一步法和两步法。一步法是指塑料的发泡过程独立一次性完成，配方经过配料混合后，通过直接模具加压发泡制得聚丙烯泡沫塑料。两步法其实与一步法大致相似，只是在一次发泡过程中使发泡剂在物料中部分发泡，在冷却过程中趁热在常压下进行第二次发泡过程。两步法发泡由于第二步在常压下进行，气体膨胀速率大大提高，可以制得高倍率发泡的制品。

（二）常压交联发泡法

常压发泡法工艺要求在聚丙烯熔融温度以上、发泡剂分解温度以下的温度范围内，将聚丙烯、交联剂、发泡剂等其它助剂通过混炼或密炼制成适当的形状，而后将这些材料加热到发泡剂分解温度以上，使材料在常压下进行发泡。通常常压交联发泡聚丙烯具有较高的弯曲强度和较好的耐热性，这是因为交联的引入很好的提高了聚丙烯熔体的强度和粘度，从而增加了气泡膨胀的压力，提高基体的发泡工艺性能。在工业生产中，常压交联发泡分为辐射交联发泡法和化学交联发泡法。

（三）挤出发泡法

挤出发泡法是现有研究生产泡沫聚丙烯材料的最主要加工方法之一，一般工业生产中的产品都是采用挤出发泡法成型。挤出发泡法将各种配料共同在挤出机中熔融，从而含有发泡剂的树脂熔融物在挤出机中完成了混合、熔融、塑化、成型的每一个环节，发泡过程中的压力、温度等工艺参数可直接设定在挤出机中，方便且可无人操作。对于不同的发泡配方，必须经过大量实验优选发泡的工艺参数，一般来说，挤出压力增大，泡孔尺寸减小且泡孔数量增加，熔体温度升高，熔体的强度则降低，泡孔就容易破裂逸出并集结在表面与挤出机内表面，影响产品的性能。对于聚丙烯发泡体系，要想获得高质量的发泡材料，必须在较窄温度和压力范围内进行。

总之，聚丙烯材料不管是在工业还是在生活中都应用广泛，因此如何研制出优异的聚丙烯基复合材料是当前的研究重点。文章仅分析了聚丙烯发泡材料的研制工艺，期望能够起到一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]洪定一.聚丙烯[M].北京：中国石化出版社，2011：13-15

[2]周吓星，陈礼辉.抗老化剂改善竹粉/聚丙烯发泡复合材料的自然老化性能[J].农业工程学报，2015，v.31；No.26312

[3]王锡军，陈晓东，徐群杰，沈叶龙，周军杰，付杰辉.增强聚丙烯复合材料机械性能与热氧老化性能研究[J].塑料工业，2015，v.43；No.33504