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        不同高壓聚乙烯工藝生產(chǎn)涂覆料性能差異探討

        2010-10-19 06:42:08
        化工進展 2010年4期
        關(guān)鍵詞:分子結(jié)構(gòu)管式涂覆

        周 兵

        (中國石油化工股份有限公司茂名分公司化工分部,廣東 茂名525000)

        ZHOU Bing

        應(yīng)用技術(shù)

        不同高壓聚乙烯工藝生產(chǎn)涂覆料性能差異探討

        周 兵

        (中國石油化工股份有限公司茂名分公司化工分部,廣東 茂名525000)

        就兩種不同工藝產(chǎn)品——茂名石化管式法生產(chǎn)的涂覆牌號2420M和燕山石化釜式法生產(chǎn)的1C7A涂覆牌號在物性、加工性能、相對分子質(zhì)量分布、結(jié)晶行為等差異進行探討。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),管式法產(chǎn)品的分子支化程度過低是造成其性能不佳的主要原因,釜式法生產(chǎn)產(chǎn)品具有相對分子質(zhì)量分布寬、長支鏈多、擠出收縮小,因此在生產(chǎn)涂覆料方面要優(yōu)于管式法。

        高壓聚乙烯;涂覆料;管式法;釜式法;性能差異

        ZHOU Bing

        隨著國內(nèi)包裝業(yè)的發(fā)展,對涂覆級聚烯烴樹脂(PE)的使用范圍及用量逐步擴大,使涂覆級聚烯烴樹脂的市場需求量日益增加,且價格昂貴,并有繼續(xù)上揚的趨勢。涂覆級聚乙烯樹脂具有強度高、韌性好、黏合力強、成膜均勻、熱封性好、防水及防潮等特點。涂覆級PE通常為高壓聚乙烯樹脂,應(yīng)用于包裝材料的內(nèi)襯或復(fù)合包裝材料的黏接層。主要應(yīng)用領(lǐng)域有:塑料編織袋表面的涂覆、管道涂覆、紙板涂覆、薄膜涂覆及共擠出膜、涂敷箔、淋膜等。本文就兩種不同工藝產(chǎn)品——茂名石化管式法生產(chǎn)的涂覆牌號2420M和燕山石化釜式法生產(chǎn)的涂覆牌號1C7A在物性、加工性能、相對分子質(zhì)量分布、結(jié)晶行為等差異進行探討。

        1 涂覆級聚乙烯樹脂的兩種不同生產(chǎn)工藝

        涂覆級聚乙烯通過乙烯在高壓下聚合得到,生產(chǎn)工藝有釜式法和管式法,生產(chǎn)涂覆級PE的工藝條件:壓力為122~303 MPa,溫度為130~350 ℃,聚合時間非常短,一般為15 s~2 min。高壓聚乙烯的聚合過程是遵循自由基的聚合機理,這種聚合過程的產(chǎn)品特點是產(chǎn)品的分子結(jié)構(gòu)是由長支鏈和短支鏈組成。隨著聚合壓力、溫度、調(diào)整劑、反應(yīng)溫峰、停留時間、轉(zhuǎn)化率的不同而生產(chǎn)出不同的產(chǎn)品。

        釜式法和管式法兩種工藝的生產(chǎn)流程大體相同,一個工業(yè)化的LDPE裝置通常由以下幾部分組成:乙烯壓縮、引發(fā)劑制備和注入系統(tǒng)、聚合反應(yīng)器、分離系統(tǒng)、擠出造粒。除聚合反應(yīng)器外,釜式法和管式法的工藝步驟相似。兩種技術(shù)各具特點。

        (1)管式反應(yīng)器長徑比大于12000∶1,壓力可高達(dá)400 MPa,高壓操作可提高樹脂的密度和透明度。

        (2)釜式反應(yīng)器一般用過氧化物做引發(fā)劑,管式反應(yīng)器可用氧或空氣做引發(fā)劑,但用得最多的仍是過氧化物。用氧做引發(fā)劑可以提高薄膜的韌性,但會降低薄膜的透明度。

        (3)釜式反應(yīng)器的長徑比一般為2∶1至20∶1,有較大返混。易生成較多的長支鏈,產(chǎn)品具有良好的擠出涂覆性。管式法有較小的返混,物料停留時間較短,聚合物具有較少的長支鏈結(jié)構(gòu),加工性能較好。

        (4)管式法生產(chǎn)的產(chǎn)品特點是具有相對分子質(zhì)量分布窄、較佳的光學(xué)性能和機械強度,適于生產(chǎn)各種薄膜;釜式法高壓裝置生產(chǎn)的LDPE具有較寬分子質(zhì)量分布和較高的長鏈支化度,在熔體強度、韌性、加工流動性優(yōu)于管式產(chǎn)品,在注塑、電纜和擠出涂層等領(lǐng)域更具優(yōu)勢。

        2 工藝條件對涂覆產(chǎn)品性能的影響

        生產(chǎn)涂覆級聚乙烯決定產(chǎn)品性能的主要因素是反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、鏈轉(zhuǎn)移劑品種、溫峰和停留時間。無論管式法還是釜式法生產(chǎn),各種因素對分子結(jié)構(gòu)的影響大體相同。

        2.1 溫度對分子結(jié)構(gòu)的影響

        在自由基聚合反應(yīng)中,反應(yīng)溫度越高,可加速聚合反應(yīng)的速度,提高單程轉(zhuǎn)化率。溫度升高,長支鏈指數(shù)降低,長支鏈增加,同時短支鏈數(shù)也增加,適當(dāng)增加產(chǎn)品的支化度,降低產(chǎn)品的密度,滿足產(chǎn)品的流動性能要求,降低產(chǎn)品的加工溫度。

        1.2 反應(yīng)壓力對分子結(jié)構(gòu)的影響

        乙烯高壓聚合屬于加聚反應(yīng),反應(yīng)速度隨壓力升高增加。反應(yīng)壓力提高時,聚合的轉(zhuǎn)化率提高,產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量增加,分布變窄,產(chǎn)品的熔融流動速率(MFR)降低,減少了支鏈的產(chǎn)生。壓力過低則發(fā)生不均勻相反應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)品的支化度下降。

        2.3 鏈轉(zhuǎn)移劑對分子結(jié)構(gòu)的影響

        除了溫度和壓力外,鏈轉(zhuǎn)移劑對分子結(jié)構(gòu)的影響非常大,管式法使用的鏈轉(zhuǎn)移劑有丙烷、丙烯、丙醛,其反應(yīng)活性丙醛最大、丙烷最小。雖然鏈轉(zhuǎn)移劑的作用是調(diào)整相對分子質(zhì)量大小,但對分子結(jié)構(gòu)也有較大的影響。如2420M使用丙醛做鏈轉(zhuǎn)移劑,丙醛有較高的活性,鏈轉(zhuǎn)移加快,短支鏈增加,長支鏈減少,在分子中會產(chǎn)生更多的叔碳原子或雙健,這都會導(dǎo)致涂覆熔體表面與氧發(fā)生氧化反應(yīng)而在分子鏈上引入氧原子,這也會使涂覆的黏合力增加。釜式法生產(chǎn)的1C7A調(diào)整劑為乙烷,可降低乙烯分壓的方式降低聚合物的密度,提高產(chǎn)品的MFR同時,不會降低產(chǎn)品的加工性能。

        2.4 反應(yīng)溫峰對分子結(jié)構(gòu)的影響

        總體來講溫度跨度越大,相對分子質(zhì)量分布越寬。低溫區(qū)越低,產(chǎn)生的長支鏈越少、越長。高溫區(qū)產(chǎn)生的短支鏈越多、越短。

        2.5 停留時間對分子結(jié)構(gòu)的影響

        對管式法來講,基本上每個質(zhì)點的停留時間都相同,都很短,轉(zhuǎn)化率都很高。因此會產(chǎn)生相對分子質(zhì)量分布窄、短支鏈多、長支鏈少的聚合物。在釜式法工藝中存在返混現(xiàn)象,每個分子的停留時間不同,在大分子上引發(fā)產(chǎn)生的長支鏈和短支鏈都較多。

        3 涂敷級LDPE產(chǎn)品性能對比及差異分析

        從分子結(jié)構(gòu)來看,長支鏈?zhǔn)菦Q定涂覆料的根本因素。由于長支鏈的存在,使聚合物在流動性、??谂蛎?、收縮方面有良好的平衡。因此下文對管式法生產(chǎn)的涂覆產(chǎn)品2420M和釜式法生產(chǎn)涂覆產(chǎn)品1C7A進行探討和對比研究,對比兩種不同方法生產(chǎn)涂覆料在相對分子質(zhì)量分布、結(jié)晶行為以及加工性能差異。

        3.1 涂覆級聚乙烯技術(shù)要求

        對于涂覆級PE樹脂而言,MFR、密度和SR反映了聚合物的分子結(jié)構(gòu)[1]。MFR反映材料的加工性能,同時也表征平均相對分子質(zhì)量。對于涂層加工,要求MFR穩(wěn)定性好,薄膜、編織物、紙的涂層選擇MFR為7~8 g/10 min較適宜。密度則是分子支化的表現(xiàn),密度越低,則韌性越好,熱封溫度低,制品形變小。SR則反映材料的MW/MN、長鏈支化度。SR越大,MW/MN越寬,長鏈支化度越大[2]。對涂覆級產(chǎn)品,長支鏈和相對相對分子質(zhì)量質(zhì)量分布對加工性能有重要影響。長支鏈含量低和相對分子質(zhì)量分布窄,樹脂具有高的加工速率和較大的縮幅。

        3.2 加工性能評價

        評價涂覆級PE擠出復(fù)合性能指標(biāo)主要有:最高加工速率、最小涂層質(zhì)量、最小涂層厚度和縮幅,其中高速加工性能和縮幅是評價樹脂的最重要參數(shù)。高速加工性能是指樹脂在擠出量一定時能復(fù)合加工的最高線速度。超過此值后擠出的膜就不穩(wěn)定,甚至斷膜。這個臨界線速度越大,高速加工性能就越好??s幅則是指樹脂由T型機頭擠出后,膜變窄的一種現(xiàn)象。

        加工性能評價采取擠出復(fù)合膜機組同一工藝條件下獲得:加工工藝溫度,機筒、連接體分別為240 ℃/280 ℃/300 ℃/331 ℃/331 ℃/331 ℃;口模溫度分別為325 ℃/325 ℃/325 ℃/325 ℃/325 ℃;螺桿轉(zhuǎn)速50r/min。

        擠出復(fù)合試驗結(jié)果見表1。

        表1 2420M和C7A的擠出復(fù)合實驗數(shù)據(jù)

        從涂層料的加工性能評價結(jié)果來看, 釜式法生產(chǎn)的1C7A在擠出復(fù)合縮幅上優(yōu)于管式法2420M,2420M的縮幅較大,會造成涂層邊緣很厚,造成成品切邊損耗嚴(yán)重,且收卷不齊。在最小涂層厚度、最小涂層重量等方面1C7A也優(yōu)于2420M,在最高加工速率方面2420M高于1C7A。

        3.3 相對分子質(zhì)量及相對分子質(zhì)量分布

        對 1C7A、2420M 分別進行了GPC的測試。其分子和相對分子質(zhì)量分布數(shù)據(jù)如表2。

        表2 2420M和1C7A的相對分子質(zhì)量及其分布

        從表2可以看出:兩種產(chǎn)品的數(shù)均相對分子質(zhì)量相差并不大,1C7A 的重均相對分子質(zhì)量比2420M 高一個數(shù)量級,相對分子質(zhì)量分布指數(shù)高一倍以上,而熔融指數(shù)相差并不大,因此可以推斷,1C7A非常高的重均相對分子質(zhì)量并沒有使其熔融指數(shù)降低,說明在1C7A的分子結(jié)構(gòu)中高相對分子質(zhì)量部分是由較多的長支鏈構(gòu)成。因為如果在相同相對分子質(zhì)量下,支鏈較少,那么支鏈的長度一定會更長,熔融指數(shù)會顯著降低,這樣就不能使熔融指數(shù)和收縮達(dá)到良好的平衡,也就達(dá)不到涂覆料的要求。因此 2420M 與1C7A 在分子結(jié)構(gòu)上存在較大的差異,導(dǎo)致了產(chǎn)品性能的不同。

        圖1 表明2420M相對分子質(zhì)量分布較對比料1C7A顯著偏窄,釜式法與管式法相比,溫度和壓力都低一些,最大的不同是停留時間的不同。在釜式法工藝中,由于攪拌器的攪拌軸產(chǎn)生返混現(xiàn)象,每個分子的停留時間不同。某些分子隨著不斷返混,在反應(yīng)釜中停留時間較長,與引發(fā)劑接觸的次數(shù)較多,則在大分子上引發(fā)產(chǎn)生的長支鏈和短支鏈都較多??梢哉f釜式法工藝的產(chǎn)品的分子結(jié)構(gòu)中既有較多的短支鏈,也有較多的非常長的長支鏈。這些長支鏈?zhǔn)怪鼐鄬Ψ肿淤|(zhì)量顯著提高,相對分子質(zhì)量分布加寬。由于較多的長支鏈,增加了熔體的強度,減少了涂覆收縮,這是釜式法產(chǎn)品最顯著的特點。對1C7A 來講,其生產(chǎn)工藝采用了雙釜串聯(lián)的釜式法生產(chǎn)工藝,調(diào)整兩個反應(yīng)釜的壓差,生產(chǎn)出相對分子質(zhì)量分布較寬的雙峰產(chǎn)品。

        3.4 結(jié)晶行為

        圖1 相對分子質(zhì)量分布曲線

        表3 2420M和1C7A熔點和結(jié)晶溫度對比

        從表3 DSC數(shù)據(jù)可以看出:2420M 的熔點、結(jié)晶度都高于1C7A,說明 2420M 的支鏈少。一般來說,熔點和結(jié)晶點低,密度也低。通過試驗證明:降低密度會使熔融指數(shù)和縮幅有良好的平衡,這就要求在大分子結(jié)構(gòu)上不僅有較多的長支鏈,還要有較多的短支鏈。通過對 1C7A 的熱分析也證明了這一點,即1C7A的熔點和結(jié)晶度都低于2420M。

        3.5 短支鏈和長支鏈

        短支鏈含量是影響LDPE結(jié)晶行為的一個主要因素,從表4核磁共振數(shù)據(jù)可以看出,2420M 4個碳和5個碳等短支鏈總量較對比樣1C7A偏低一些,這和結(jié)晶行為的表現(xiàn)是一致的。目前NMR表征技術(shù)無法將6個以上碳的長支鏈分辨開,因此僅能用此數(shù)據(jù)估計LDPE中的長支鏈數(shù)目,1C7A的長支鏈含量明顯偏高。

        3.6 物理性能比較

        2420M、1C7A物理性能對比見表5。

        熔脹比在一定程度上反應(yīng)聚乙烯的長支鏈支化程度,即熔脹比越大其長支鏈支化程度越高[3]。由表5可看出,1C7A的熔脹比較2420M大,說明其長支鏈支化程度較高。2420M熔脹比偏低較多,這是大相對分子質(zhì)量組分偏少造成的,與前述的相對分子質(zhì)量分布數(shù)據(jù)也是一致的。

        表4 2420M和1C7A短支鏈和長支鏈數(shù)據(jù)

        表5 2420M、1C7A物理性能比較

        當(dāng)MFR增加時,擠出復(fù)合的最大加工速率增加,縮幅也會相應(yīng)增大;密度增大則擠出復(fù)合加工速率和產(chǎn)品縮幅會相應(yīng)增大[4],2420M的MFR和密度均比1C7A高,所以擠出復(fù)合的最大加工速率較高,而縮幅就較大。

        4 結(jié) 論

        (1)通過對管式法和釜式法生產(chǎn)工藝分析可知,釜式法產(chǎn)生的長支鏈對融熔指數(shù)和擠出帶寬度的平衡起到重要的作用。長支鏈可以使重均相對分子質(zhì)量提高,擠出黏度下降,但熔體強度不會因此而降低,所以擠出時不會產(chǎn)生收縮。

        (2)管式法生產(chǎn)的產(chǎn)品特點是具有相對分子質(zhì)量分布窄、短支鏈多。與管式法相比,釜式法生產(chǎn)涂覆產(chǎn)品具有相對分子質(zhì)量分布寬、長支鏈多、擠出收縮小,因此在生產(chǎn)涂覆料方面要優(yōu)于管式法。

        [1] 黃成,楊愛武,脹希蜂. 共聚級涂覆聚丙烯的研究[J]. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2003,15(3):10-15.

        [2] 桂祖桐.聚乙烯樹脂及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:23-26.

        [3] 孟令凱,婁影.PP涂覆料產(chǎn)品質(zhì)量問題分析[J].合成樹脂及塑料,2004,21(1):35-36.

        [4] 張寶善.包裝管用聚乙烯專用料的應(yīng)用[J].合成樹脂及塑料,2003,20(4):59-60.

        Properties of special LDPE for extrusion coating by tubular process and Kettle-type precess

        (Maoming Branch Chemical Division,SINOPEC,Maoming 525000,Guangdong,China)

        Two different low density polyethylene(LDPE)resins produced by tublar process(2420M)and kettle-type process(1C7A)were studied and compared in properties,molecular weight,molecular distubtion and crystallization.It was found the lower long chain branch degree is the main reason causing poor performances of tubular LDPE.The kettle-type LDPE has a wide molecular distubtion,more content of long branch chain and less neck-in,it is superior to tubular LDPE for extrution coating.

        LDPE; coatng; tubular; kettle-type; property

        TQ 325.12

        A

        1000–6613(2010)04–0778–04

        2009-10-13。

        周兵(1970—),男,質(zhì)量技術(shù)處處長,高級工程師。E-mail z-bing@21cn.com。

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