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    流延茂金屬線性低密度聚乙烯加工性能研究

    發布時間:2020-12-08 16:46:30人氣:

    拉伸纏繞膜最早是歐美發達國家在20世紀70年代開始采用的一種包裝技術,多采用流延法生產。我國是從20世紀80年代末開始發展拉伸纏繞薄膜的,隨著經濟的快速發展,纏繞膜得到推廣應用,主要用于工業包裝、農業包裝、家用和超市用包裝等。茂金屬聚乙烯因其具有優異的光學性能、拉伸性能及耐穿性能,廣泛用于包裝領域,以降低薄膜厚度,提高透明性,節約生產成本。茂金屬由于本身是單一活性中心,其聚合出的產品分子鏈規整度高,相對分子質量分布窄,力學性能優異,但加工性能較差。下面針對中國石油獨山子石化公司研發的流延膜用線性茂金屬聚乙烯HPR3518CB進行了加工條件的研究,總結了加工參數對薄膜性能影響規律,為實際產品加工提供了技術支持。 


    1 試驗部分 


    1.1 主要原料



    茂金屬聚乙烯HPR3518CB,熔體流動速率(MFR)3.5g/10min(190 ℃,2.16kg),中國石油獨山子石化公司。 


    1.2 主要儀器及設備



    流延膜機,ME30/9100V3,德國 OCS公司;萬 能材料試驗機,4466,美國Instron公司;霧度儀, WGT-S,上海精密科學儀器有限公司;落鏢沖擊試驗機,6212,意大利 CEAST 公司;高壓毛細流變儀,RHEO-TESTER2000,德國 GOETTFERT 公司。 


    1.3 性能測試



    按照標準 GB/T1040.3—2006測試薄膜的拉伸性能;按照 GB/T2410—2008測試薄膜的霧度;按照 GB/T9639.1—2008 測試薄膜的落鏢沖擊性能。 


    2 結果與討論 


    2.1 流變性能分析



    ME30/9100V3流延膜機加工原理是樹脂在擠出機中被 熔化后,通過T字型機頭狹縫擠出,再經冷輥牽引、冷卻定型成為拉伸薄膜,最后經卷曲輥收卷的過程。通常,茂金屬聚乙烯相對分子質量分布較窄,幾乎沒有長支鏈,晶片厚度較薄,熔體強度較低,加工性能較差,因此先通過高壓毛細流變和哈克流變儀研究剪切速率和剪切溫度對加工性能的影響趨勢,然后圍繞影響塑化和流動冷卻過程的溫度、主機轉速和牽引速度等工藝條件來開展流延膜加工試驗,考察加工條件對產品性能的影響。高壓毛細流變曲線如圖1所示。 


    在同一剪切速率下,隨著溫度的升高,HPR3518CB產品的表觀剪切黏度均呈下降趨勢,這是由于隨著溫度升高,熔體的自由體積增加,鏈段的活動能力增加,分子間的相互作用力減弱,使高聚物的熔體黏度下降。針對 HPR3518CB 而言,溫度升高則會大幅降低剪切黏度,流動性變好,利于加工,從而提高生產效率。在同一溫度下提高剪切速率,尤其是較低剪切速率(10~ 100/s)范圍內,表觀剪切黏度隨剪切速率的下降并不很明顯(接近平臺期),表明 HPR3518CB對剪切速率并不敏感,分子量分布較窄,反映到加工方面,在臨界剪切速率范圍內適當提高剪切速率,有利于剪切黏度的下降。


    2.2 加工溫度的影響



    一般聚乙烯流延膜的加工溫度為190~240℃,且必須保證機頭溫度均勻,擠出溫度過高,樹脂容易老化分解,且薄膜發脆,引起性能下降;溫度過低,則樹脂塑化不良,且薄膜的透明性差,甚至出現像木材年輪般的花紋。機筒溫度決定了塑料的熔融狀態和塑料黏度,從而影響熔料在整個加工工程中的流動和冷卻。原則上設定溫度一般高于材料熔點的50~130℃,由于茂金屬聚乙烯 HPR3518CB耐熱氧老化性能優異,剪切黏度高,所以 選擇加工溫度在 210~250℃,確保良好的流動穩定性能。隨著加工溫度的上升,HPR3518CB橫向拉伸強度和斷裂標稱應變變化不明顯,縱向拉伸強度略有升高趨勢,霧度和落鏢沖擊強度均在210℃最高,220~250 ℃變化不明顯。分析認為,加工溫度升高,熔體流動性增強,分子間摩 擦力下降,分子鏈活動能力增加,有足夠能量進行有序排列,分子取向能力增強,因此縱向拉伸強度有上升趨勢;當溫度過高時,熔體與冷輥的溫差增大,冷卻速率增加,結晶程度不完善,綜合取向與結晶的影響結果是抗沖擊強度略有降低;溫度升高,熔體表面光澤度變好,有利于薄膜霧度降低。 


    從試樣的加工表現分析,低于220℃ 時熔體黏度較大,口模出料不穩定,薄膜的透明性較差;當溫度達到250℃,薄膜有花紋產生,分析認為是冷卻不足導致的,因此合適的加工溫度在230~ 240 ℃。 


    2.3 冷卻溫度的影響



    冷卻溫度對薄膜制品的外觀及性能的影響也較大,通常冷卻溫度越低結晶越快,晶片厚度較大,產品挺度好,透明性能高,反之亦然。茂金屬聚乙烯擠出溫度比線性低密度聚乙烯(LLDPE)高,但結晶溫度比 LLDPE低4~7 ℃,及時帶走熔體熱量尤其重要。隨著冷卻溫度上升, HPR3518CB制品縱、橫方向上的拉伸強度、斷裂標稱應變呈現相反走勢,總體來說冷卻溫度為20℃時縱向拉伸性能和落鏢沖擊強度均處于波峰 位置,而橫向則基本在波谷處。這種趨勢與LLDPE有所不同,LLDPE 冷卻速率越低,力學性能相對也有所提高。分析認為,茂金屬聚乙烯晶片較薄,幾乎沒有長支鏈,本身結晶速度較快,當溫差過大時,反而容易形成大球晶,對力學性能起到負面影響。所以當冷卻輥溫度升高,冷卻速度降低,分子鏈更容易進行縱向取向,抗拉能力增強,同時沖擊強度也有上升趨勢。但當冷卻溫度超過25℃時,熔體穩定性差,薄膜表面出現了花紋,有明顯缺陷,薄膜厚度不均。 


    冷卻溫度越高,霧度會有微弱升高。結合制品外觀,HPR3518CB流延膜冷卻溫度范圍相對較窄,設為20~25℃較為合適。 


    2.4 主機轉速的影響



    對于固定膜厚來說,牽引速度和擠出速度是相匹配的。雖然流延制品理論上無任何取向,但實際生產過程中擠出速率在一定程度上使制品產生取向性,從而影響產品的性能。隨著主機轉速的增加,HPR3518CB薄膜的縱、橫向拉伸強度呈增大趨勢,當主機轉速超過30r/min時,拉伸強度急速下降,而落鏢沖擊強度在20r/min時達到高點,霧度呈先降后升走勢。分析認為主機轉速增加,分子鏈段取向增強,分子鏈段排列緊密,因而拉伸強度和沖擊強度都增加;同時由于茂金屬聚乙烯沒有長支鏈拖尾,剪切速率在一定范圍內增加,會加速分子鏈段重排,形成微晶和無定型結構,霧度有所下降;但當主機轉速繼續增加,剪切速率加快,熔體產生大量熱,冷卻速率不足,就會因熔體振蕩破裂導致熔體不穩定,薄 膜厚度不均勻,力學性能下降。 


    結合制品的力學性能和霧度考慮,HPR3518CB 薄膜加工的擠出速度控制在20~30r/min為宜。 


    3 結論


    (a)加工溫度過低,熔體黏度大,出料困難,薄膜有缺陷,加工速率降低;加工溫度過高,力學性能會下降;薄膜的霧度隨溫度升高而下降。 
    (b)冷卻溫度升高,薄膜的霧度增加,但冷卻溫度過低,力學性能會降低。 
    (c)主機轉速增加,薄膜力學性能升高,霧度略有降低,但主機轉速過高,膜厚均勻性下降,力學性能下降。 
    (d)綜合加工溫度、冷卻速率和主機轉速加工參數對薄膜制品性能分析,茂金屬聚乙烯 HPR3518CB加工窗口較窄,在 ME30/9100V3流 延膜機加工時,工藝參數控制在機筒溫度230~ 240℃,冷輥溫度為20~25℃,擠出速率為20~30r/min。


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