楊國興，王文燕，韓 雯，孟令輝

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，黑龍江省哈爾濱市 150001；2. 中國石油天然氣股份有限公司大慶化工研究中心，黑龍江省大慶市 163714；3. 中國石油天然氣股份有限公司華東化工銷售公司，上海市浦東區(qū) 200120）

旋轉(zhuǎn)模塑是一種獨特的加工成型技術(shù)，通常用于生產(chǎn)尺寸較大的空心或雙壁部件。采用旋轉(zhuǎn)模塑成型方法，將樹脂粉末填充到加熱爐中，模具旋轉(zhuǎn)并加熱，使樹脂達到熔化溫度，在熔融狀態(tài)下燒結(jié)，實現(xiàn)粉末聚結(jié)和氣泡去除，促進熔融狀態(tài)樹脂致密化，形成完全致密的樹脂層后冷卻模具至室溫，提取成型制品［1-3］。

本工作針對旋轉(zhuǎn)成型加工工藝，采用核磁共振碳譜（13C-NMR）、凝膠滲透色譜（GPC）及差示掃描量熱法（DSC）分析了3種專用樹脂的支化結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量及其分布、結(jié)晶性能，揭示線型低密度聚乙烯（LLDPE）產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與加工性能的關(guān)系。

1 實驗部分

1.1 主要原料

LLDPE：MPER3505，中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院生產(chǎn)；試樣A，進口；試樣B，國產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備

PL-220型凝膠滲透色譜儀，英國PL公司生產(chǎn)；AVANCE Ⅲ型高溫核磁共振碳譜儀，德國布魯克公司生產(chǎn)；DS-2000型差示掃描量熱儀，美國TA儀器公司生產(chǎn)。

1.3 測試與表征

相對分子質(zhì)量及其分布：采用凝膠滲透色譜儀測試，聚乙烯在分離柱上按分子流體力學(xué)體積大小被分離開，兩根PLgel 10 μm MIXED-B柱子，以1,2,4-三氯代苯為流動相，溫度為150 ℃，流量為1.0 mL/min，試樣質(zhì)量濃度為2 mg/mL。

DSC分析：氮氣氣氛，流量50 mL/min，試樣質(zhì)量5～10 mg。以20 ℃/min將試樣加熱到高于熔融溫度約30 ℃，恒溫5 min。從DSC曲線上讀出聚合物的熔融溫度和熔融焓（H），用H計算結(jié)晶度，聚乙烯結(jié)晶度=H/H0（H0為完全結(jié)晶聚乙烯熱焓理論值，H0=278 J/g）。

支化度：采用高溫核磁共振碳譜儀測試，稱取50～100 mg聚乙烯放入直徑為5 mm的核磁管中，加入0.5 mL氘代鄰二氯苯，加熱溶解并排除氣泡，測試溫度120 ℃。譜寬22 123.895 Hz，脈沖寬度45°，采樣時間0.741 s，組合脈沖去耦，脈沖間隔為3 s，化學(xué)位移定標(biāo)采用試樣中孤立的亞甲基峰位移（30.00）。

熔體流動速率（MFR）按GB/T 3682.2—2018測試；密度按GB/T 1033—2008測試；拉伸性能按GB/T 1040.1—2006測試；彎曲模量按GB/T 9341—2008測試；懸臂梁缺口沖擊強度按GB/T 1043—2008測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 MPER3505的基礎(chǔ)物性

旋轉(zhuǎn)模塑成型工藝存在復(fù)雜的流-固耦合和熱力耦合現(xiàn)象，物料的MFR、密度以及力學(xué)性能會直接影響旋轉(zhuǎn)模塑成型制品的精度和強度［4］。從表1可以看出：3個試樣的基本物性無較大差別，試樣B的力學(xué)性能略差；MPER3505的力學(xué)性能與試樣A相當(dāng)，懸臂梁缺口沖擊強度略高于試樣A。

2.2 支鏈結(jié)構(gòu)表征

目前，13C-NMR在聚乙烯支鏈表征中主要用于共聚聚乙烯中共聚單體含量及序列的表征。采用13C-NMR測試LLDPE的支化結(jié)構(gòu)，按照文獻［5］中的方法計算支化度。3個試樣的密度一致（見表1），但MPER3505、試樣A、試樣B的支化度分別為6.08，6.05，6.23個/1 000 C，支化結(jié)構(gòu)存在差異，說明MPER3505和試樣A的支鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)于試樣B。這是因為支化度低，大分子的支鏈結(jié)構(gòu)排列更整齊，支化分布更合理。

表1 旋轉(zhuǎn)模塑專用LLDPE的基礎(chǔ)物性Tab.1 Physical properties of LLDPE for rotary molding

2.3 相對分子質(zhì)量及其分布

對于旋轉(zhuǎn)模塑成型工藝而言，相對分子質(zhì)量分布越窄，聚乙烯的加工窗口越寬。從表2可以看出：與試樣B相比，MPER3505和試樣A的相對分子質(zhì)量分布較窄，說明MPER3505和試樣A的加工性能優(yōu)于試樣B。

表2 試樣的GPC數(shù)據(jù)Tab.2 GPC data of samples

2.4 結(jié)晶行為表征

旋轉(zhuǎn)模塑的冷卻過程是在模具外表面施加空氣流、水霧等方法強制冷卻。因此，加熱和冷卻過程中熔融溫度曲線是不對稱的，在聚乙烯凝固過程中，由于溫度梯度和結(jié)晶度梯度而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致部件自外向內(nèi)的差異收縮［6］。這些內(nèi)應(yīng)力持續(xù)存在將導(dǎo)致模塑部件變形和翹曲。聚乙烯的結(jié)晶度越高，越有利于降低溫度梯度差異，減少內(nèi)應(yīng)力，提高制品性能。從表3可以看出：MPER3505、試樣A、試樣B的結(jié)晶度均高于50%，滿足旋轉(zhuǎn)成型加工要求。從表3還可以看出：MPER3505的結(jié)晶溫度與試樣A和試樣B接近；而MPER3505的熔融溫度介于試樣A和試樣B之間。旋轉(zhuǎn)模塑加工過程中，熔融結(jié)晶的周期較長，所以MPER3505的熔融溫度更適應(yīng)加工要求。

表3 旋轉(zhuǎn)模塑專用LLDPE的結(jié)晶性能Tab.3 Crystallization performance of LLDPE for rotary molding

3 結(jié)論

a）MPER3505、試樣A、試樣B的MFR和密度差別不大，但試樣B的力學(xué)性能略差，MPER3505與試樣A相當(dāng)。

b）MPER3505與試樣A的支化度低于試樣B，支鏈結(jié)構(gòu)更合理。

c）MPER3505與試樣A的相對分子質(zhì)量分布窄，加工性能優(yōu)于試樣B。

d）MPER3505、試樣A、試樣B的結(jié)晶度均高于50%，滿足旋轉(zhuǎn)成型加工要求。