聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯有哪些适用滚塑工艺

日期：2017-11-29 02:30:45 编辑：科思德塑胶来源：科思德塑胶浏览：580

滚塑工艺是塑料成型加工中的重要分支，经过半个多世纪的发展，其设备与工艺日趋完善，在欧州发达国家得到广泛应用，从小巧的儿童玩具到汽车塑料件、直至庞大的工程塑料制品。特别是大型及异型中空的制品，由于传统工艺其本身特性的限制，现在只能依靠滚塑成型工艺才能完成。近年来滚塑行业成为高分子材料加工成型的研究热点，具体有哪些原料可以用于这个工艺？

市场上常见的滚塑原料包括以下几种：
聚乙烯（PE）
聚丙烯（PP）
尼龙（PA）
聚氯乙烯（PVC）
聚碳酸酯（PC）
其他问题来了，上面提到的塑料里面，不是所有的都能用于滚塑。滚塑需要专门设计的材料。最基本的要求包括：
易于磨粉（或易于保持液态）。利用高性能的常温磨粉机和低温磨粉机，我们已经可以处理聚乙烯和聚丙烯等常用的滚塑原料，而且成本也在不断的降低。
恰当的流动性。以最常用的聚乙烯原料为例，牌号的熔指（MI，或MFI）范围一般应该介于2到10（克/10分钟）之间，优化的熔指范围是3-6（克/10分钟）。熔指过低，产品难于成型；熔指过高，产品的物理性能会下降。

聚乙烯被广泛应用于滚塑工艺中，是有原因的：
第一，聚乙烯的加工窗口宽广，适用于长时间的高温环境，这也同时降低了对滚塑机械的要求；
第二，在室温下，聚乙烯不会与水、大部分油脂、酸和碱性物质发生反应，适用范围广；
第三，聚乙烯原料成本低廉，易于推广。
最初ICI在实验室意外发现了聚乙烯的结构，也就是我们现在说的低密度聚乙烯（LDPE）。这种聚乙烯完全是由乙烯单体聚合而成的。为了达到反应条件，需要高温和高压的环境。所以LDPE也叫高压聚乙烯。
这时候，齐格勒和纳塔两个大牛现身了，推出了齐格勒纳塔催化剂，简称ZN催化剂（钛系，Ti）。利用这个催化剂，人们可以在更轻松的环境下生产聚乙烯，降低了对高温、高压的苛刻要求。所以目前HDPE（高密度聚乙烯）也被称为“低压聚乙烯”（生产中只需要较低的压力）。在催化剂的作用下，聚乙烯生产出来具有高度的线性结构，因此我们可以统称LLDPE和HDPE为线性聚乙烯，不过后来逐渐被大家用于LLDPE了。

由于这种聚乙烯分子结构取向性太强，在垂直方向上性能相对太弱。为了改善这种情况，共聚单体被引进了聚乙烯生产之中，以改善聚乙烯的支化程度，常用的共聚单体包括丁烯（C4），己烯（C6）和辛烯（C8）。随着碳数的增加，聚乙烯分子中的支链长度增加，宏观下很多性能会有明显的改善，如冲击强度，韧性，ESCR（抗环境应力性能，这是指塑料产品在长期外力的作用下，会发生破坏的情况）等。另外，随着共聚单体比例的升高，聚乙烯整体的密度降低。
另一方面，聚乙烯分子量的分布也会影响其性能。聚乙烯是各种不同长短的分子链的混合物。一般来说，分子链长度越短，流动性越好，熔指越高；反之则熔指降低。其次，分子量分布越宽，原料越容易加工（因为低分子量的部分可以起到增塑剂的作用），但是产品的性能相对较弱。
分子量的分布，主要决定因素在于聚乙烯的聚合装置和使用的催化剂类型。
另外一个重要的因素是聚乙烯的结晶度。结晶是聚乙烯分子链折叠形成层晶进而结晶的过程。形状为球形，所以也叫球晶。在一定应力下，球晶是有弹性的，受力减小后，可以恢复原状；但是到了一定的强度，球晶会解体成为纤形，这个过程是不可逆，这个强度也就是屈服强度了。聚乙烯结晶度的不同，会表现为密度的区别：结晶度越高，聚乙烯的密度也越高。同时，熔点、拉伸强度等物理属性也会提高；同样，某些属性也就相应降低了，如ESCR等。
在上面因素的共同作用下，线形聚乙烯表现出两个关键的指标——熔指和密度。
熔指可以用来评估原料的流动性能。一般情况下，常常使用美国材料试验协会（ASTM）的 D-1238标准，或国际标准化组织（ISO）1133标准，来测定熔指。两个标准所规定的测试条件有细微的差别，但是一般情况下，可以简单比较。测试条件是：190度温度下，在2.16公斤的砝码压力下，10分钟时间内，从一个细管中挤出的原料的重量，单位是克/10分钟（g/10min）。
密度是通用的，在ASTM D1505或ISO1183条件下测得，单位是克/立方厘米（g/cm^3）。
同时，这些因素也决定了聚乙烯的其他物理性能，如熔点、拉伸强度、拉伸伸长率、弹性模量等。

茂金属聚乙烯
20世纪70年代，德国著名化学家Walter Kaminsky开发出来了茂金属催化剂（MAO）。茂金属其实是一系列具有类似结构的催化剂的统称。不同的石化公司，会根据自己装置的情况，开发独有的茂金属催化剂。
相比普通ZN催化剂生产的聚乙烯原料，茂金属聚乙烯有以下特点：

1、共聚单体：普遍使用C6或C8作为共聚单体，并且共聚单体在分子中的分布非常均匀，类似于定制产品！
2、分子量分布：更窄，即分子链的长短很均匀，这样生产出来的塑料制品均匀性、光泽度、物理性能（如上面表格里面提到的）都有相当明显的改善，如此可以提高产品的强度，或者把产品做的更薄，更节约原料，更环保。
3、结晶度：茂金属聚乙烯的球晶的大小和分布更加均匀，这使得茂金属聚乙烯能表现出更好的光学性能（如光泽度，透明度等）。
目前，茂金属聚乙烯已经在包装和薄膜领域得到广泛的使用，仅中国地区，年消费量就已经达到了100万吨。
在滚塑应用上，北美市场的茂金属滚塑原料目前占比较低，但是增长迅速；在欧洲，茂金属滚塑原料已经成为主流。而在中国，茂金属聚乙烯在滚塑方面的应用才刚刚起步。但是随着滚塑行业的快速发展，我们有理由相信，茂金属聚乙烯将成为高端应用的主流原料选择。
目前，PE占领了滚塑原料90%左右的市场。
国内市场上主要的滚塑用PE-LLD

聚丙烯（PP）原料
全球合成树脂的消费结构中，聚丙烯是仅次于聚乙烯的通用原料。与聚乙烯相比，聚丙烯有以下特点：
密度低：PP的密度大致在0.85-0.93之间，而普通
聚乙烯在0.91-0.98之间。其中的一个原因是PP的结晶度低于PE；
力学性能好：PP的拉伸强度，弹性模量普遍高于 PE。目前，经过改性的PP甚至可以媲美PS（聚苯乙烯）的力学性能，广泛地应用于电子电器和汽车领域；
光学性能好：相比PE，PP的透明度高出很多；
耐高温：PP的熔点在160-170度左右，相比PE的100-130度，高出许多。因此可以用于更高温度环境下使用；
耐低温差：在零度以下，PP的冲击强度低，不适合在低温冷冻环境下使用；
耐受性好：PP比PE的耐水性，耐化学腐蚀性，耐酸、碱性都有提高，更适合用于生产化工容器；
老化性能差：PP在阳光照射（紫外线，热）的环境下，容易氧化降解。因此不适合做长期在室外使用的产品。
PP的生产也需要催化剂的参与，而且最流行的催化剂仍然是前面提到的ZN催化剂。不过，目前市场上也已经出现了利用茂金属催化剂生产的PP产品。
与PE一样，完全基于丙烯单体聚合反应而得到的PP叫做均聚聚丙烯；而与其他单体（常用的是乙烯）聚合而得到的聚丙烯叫做共聚聚丙烯，共聚又分为嵌段共聚和无规共聚。
而根据丙烯中甲基排布的情况，可以把PP分为等规、间规和无规三种。无规聚丙烯不能结晶，因此它的透明度在PP中是最高的。

在滚塑上，PP的应用还没有完全拓展开来，主要有以下几个原因：
低温脆化温度很低，限制了很多应用；
PP磨粉很难，需要在低温环境下进行，这也不利于PP滚塑原料的开发；
为了改善PP对于高温、紫外线的耐受性，需要在PP中添加一些特殊的添加剂以改善其性能；
合适的PP加工温度范围非常窄，对工艺控制提出了很高的要求。
虽然有这些不利的条件，考虑到PP在弹性模量，耐化学腐蚀性、透明度上的优势，很多供应商也在努力开发相应的PP滚塑专用料，且已经商用，如道达尔推出的 TPS-D-0023（高透明型）和TPS-D-0026（冲击强度改善型）等。

聚碳酸酯（PC）
PC是一种非结晶的高聚物，有着极高的弹性模量，并且热变性温度在135度以上，适合在高温环境下使用。由于没有结晶，PC的透明度非常高，几乎接近玻璃的水平。
但是PC亲水，在进行滚塑加工前，需要进行烘干操作，一般要求在150度环境下烘干4小时左右。
PC在某些环境下，如阳光照射，高温等，长时间以后会发黄，而且其耐化学腐蚀性性能比较弱，而且价格不菲，所以其适用范围相对较小。
一般来说，PC的滚塑加工温度在360-370 度之间。所以需要更高性能的滚塑机器才能处理PC材料。
尼龙（NYLON，PA-聚酰胺）
尼龙是一类高聚物的统称。因为其优越的阻隔性能，尼龙在包装和滚塑上也得到了广泛的应用。尼龙的熔点范围大致在170-270度之间，部分尼龙是液态，部分是粉状。
尼龙同样亲水，在滚塑加工前需要烘干。
相比聚乙烯，尼龙的力学性能更优越，弹性模量更高，硬度也更大；抗化学腐蚀性也更好；而且能起到阻隔性能。
尼龙滚塑过程中，需要注入气体，以保证更好的光学效果。尼龙的滚塑温度在280-380度之间。
PLA（聚乳酸）
PLA由葡萄糖发酵制成的乳酸聚合而成，而葡萄糖可以从农作物中提取。因此PLA是一种纯绿色聚合物。
PLA的弹性模量非常高，达到3500MPa，而且有非常好的透明度！
PLA是绿色聚合物，可以在微生物侵蚀下，或者是外自然环境下降解，不会产生污染物。因此，用纯PLA制成的产品不宜长期间在室外使用。