聚丙烯(PP)屬於熱塑性樹脂,是五大通用樹脂之一。外觀為白色粒料,無味、無毒,由於晶體結構規整,具備易加工、抗沖擊強度、抗撓曲性以及電絕緣性好等優點,在汽車工業、家用電器、電子、包裝及建材家具等方面具有廣泛的應用。

目錄
一、塑膠金字塔
二、聚丙烯
三、聚丙烯有哪些特性?
四、聚丙烯的結晶性對其性能有何影響? 射出成型加工過程中應如何控制?
五、PP在射出成型加工過程中應注意那些方面? 射出成型工藝應如何控制?
☆ 案例
☆ 其他參考資料及文章
☆ 附註說明

 

一、塑膠金字塔
塑膠按照使用途徑的不同能夠分為通用塑膠、工程塑料以及特種塑膠,工程塑料又包括通用工程塑料和特種工程塑料。通用塑膠即常見的聚乙烯、聚丙烯、ABS 等,技術相對成熟、使用十分廣泛。工程塑料具備相應的力學性能,主要在對塑膠要求更為苛刻的領域應用,用於替代金屬材料。特種塑膠是根據電子電工、航空航太、軍工等領域的要求而發展起來的一類綜合性能優異的結構型耐熱熱塑性工程塑料和耐熱聚合物。

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二、聚丙烯

  • PP的性能

聚丙烯(Polypropylene,簡稱PP)為結晶型高聚物,密度僅為0.91g/cm^3(比水小),在常用塑料中PP最輕。在通用塑料中,PP的耐熱性最好,其熱變形溫度為80~100°C,能在沸水中煮。PP具有良好的耐應力開裂性能,並具有很高的彎曲疲勞壽命。俗稱”百折膠”。
PP的綜合性能優於PE料,PP塑件質輕、韌性好、耐化學品性好。PP的缺點是尺寸精度低、鋼性不足、耐候性差,易產生”銅害” (註1),它具有後收縮現象,塑件易老化、變脆和變形。

  • PP的應用

用於各類家庭用品、透明鍋蓋、化學品輸送管道、化學品容器、醫療用品、文具、玩具、抽絲、水杯、管材等。

  • PP的工藝特點

PP在熔融溫度下有較好的流動性,成型性能好,PP還有以下兩個特點。

  1. PP的熔體黏度隨剪切速率的提高而明顯下降(受溫度影響較小)。
  2.  因分子取向程度高而呈現較大的收縮率。

PP的加工溫度以200~250°C為宜,它有良好的熱穩定性(降解溫度為310°C),但高溫下(280~300°C)長時間停留在料管中會有降解的可能。因為PP的黏度隨著剪切速率的提高有明顯的降低,所以提高射出壓力和射出速度會提高其流動性;若要改善收縮變形和凹陷,模溫宜控制在40~70°C範圍內,PP的結晶溫度為120~125°C。PP熔體能穿越很窄的模具縫隙而出現毛邊。PP在融化過程中,要吸收大量的融解熱(比熱容較大),塑件出模後比較燙。PP料加工不須乾燥,PP的收縮率和結晶度比PE低。

  • PP的成型工藝條件

PP的成型工藝條件見(圖2);PP的模具設計與製作見(圖3)。

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三、聚丙烯有哪些特性?

  • 1.物理性能

PP樹脂大多為乳白色粒狀物,無味、無臭、無毒,透明性好,其密度為0.89~0.91g/cm^3,是常用樹脂中最輕的一種。

  • 2.力學性能

PP具有良好的綜合力學性能,力學性能的高低與其分子量、等規度(圖4)和結晶度有密切關係,並且受環境溫度的影響。
PP特殊力學性能是具有優良的耐彎曲疲勞性。把PP薄片直接彎曲成鉸鏈狀或射出成型的鉸鍊,能經受幾十萬次的折疊彎曲而不損壞。PP的屈服強度與等規度有很大關係,等規度增加時,區族強度明顯增加,而等歸度相同時,融體流動速率較大,分子量較低,結晶度提高,屈服強度增大,拉身強度和拉伸率均降低;當融體流動速率較小時,由於拉伸過程中產生定向作用,伸長率可達900%,拉伸強度也較高,並且受溫度影響較小,即使在100°C時仍然保留常溫時拉伸強度的1/2。
PP在室溫以上有較好的抗衝擊性,但低溫衝擊強度較PE低,對缺口(圖5)較敏感。PP的剛性和硬度比較高,而且隨等規度和融體流動速率的增加而增大。在同一等規度時,融體流動速率大的PP剛性和硬度大。PP耐環境應力開裂性良好,當分子量越大,融體流動速率越小時,耐環境應力開裂性越好。

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  • 3.熱性能

PP是通用塑料中耐熱性最好的塑料品種。PP的融點為164~170°C,長期使用溫度可達100~120°C,無負載時使用溫度可高達150°C,是通用塑料中唯一能在水中煮沸並能經受135°C高溫消毒的品種。PP的耐熱性隨其等規度和融體流動速率的增大而提高。PP的Tg為-30~-10°C,在Tg以下易脆裂,因而低溫脆性大,而且隨融體流動速率的增大,脆化溫度顯著升高,因而高融體流動速率的PP在使用上受到限制。

  • 4.化學性能

由於PP分子鏈上交替出叔碳原子(三級碳原子),因而它比PE更容易發生熱氧老化。當受到光和熱的作用時,其性能會逐漸下降,特別是有二價和二價以上的金屬離子存在時(圖6),很容易引發或加速PP的熱養老化。PP的光穩定性較差,戶外使用必須加入穩定化助劑。一般為了提高PP的光穩定性和抗熱氧老化能力,成型加工或使用過程中必須添加抗氧劑和光穩定劑。
PP具有優良的化學穩定性,在100°C以下,大多數無機酸、鹼、鹽的溶液對PP無破壞作用,如PP對濃磷酸、鹽酸、40%硫酸以及它們的鹽溶液等在100°C時都是穩定的,但對於強氧化性的酸(如發烟硫酸、濃硝酸和次磺酸)在室溫下也不穩定,對次氯酸鹽、過氧化氫、鉻酸等,只有在濃度較小、溫度較低時才穩定。
PP有較好的耐溶劑性。能耐大多數極性有機溶劑,如醇類、酚類、醛類、銅類和大多數羧酸都不易使其溶帳,但芳香烃和氯代烃在80°C以上對它有溶解作用,酯類和醚類對它也有某些侵蝕作用。非極性有機溶劑(如烃類等)會使PP溶脹或溶解,而且隨著溫度升高,溶脹程度增加。聚丙烯的綜合性能如(圖7)所示。

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四、聚丙烯的結晶性對其性能有何影響? 射出成型加工過程中應如何控制?

  • 1.聚丙烯的結晶性對其性能的影響

PP具有很強的結晶能力,結晶速率極快。一般PP的等規度越高,結晶速率越大,結晶度越高;而分子量越大,大分子鏈擴散越困難,結晶速率減小,結晶度降低。在射出成型過程中,PP的結晶度通常為50%~70%。PP的結晶度高,使其拉身強度、剛度、硬度、熔點高,成行收縮率大,塑建的尺寸穩定性差,而且易出現翹曲變形。
由於PP的Tg低於室溫,塑件在室溫下往往可繼續結晶 ,這種現象稱為後期結晶,造成塑件後收縮,一般可在成型加工後的24h大部分完成。

  • 2.射出成型過程中PP結晶性的控制

PP在成型加工中,其結晶度和結晶型態主要取決於熔體的冷卻速率。冷卻速率慢,結晶溫度高,結晶速率大,結晶度高,並且易於行程較大尺寸的球晶;相反,則結晶度低,形成的球晶尺寸較小。
在射出成型過程中,熔體的冷卻速率主要取決模具的溫度。由於PP結晶速率最大時的溫度為120~142°C,因此,當模具溫度接近120°C時,可得到高結晶度的塑件,而且塑件的剛性、硬度提高,表面的光潔度高,但會使塑件成型週期長,生產效率低,並且塑件易出現毛邊、凹痕、收縮等缺陷。當模具溫度較低時,塑件的結晶度較低,其韌性增加,抗衝擊性提高,成型週期短,生產效率較高,但塑件表面的光潔度下降,而且後收縮性較大,易引起塑件翹曲變形等缺陷。因此PP射出成型過程中,模具溫度的高低應根據塑件的性能要求及生產效率等多方面加以考慮,一般控制在40~90°C。塑件硬度、剛度要求較高時,應採用較高的模具溫度,以提高PP的結晶度。而塑件的衝擊強度、透明性等要求較高時,應採用較低的模具溫度。
聚合過程中的異相成核會改變結晶的型態,添加成核劑,如苯甲酸鈉、鹼性二甲酸鋁等,可提高PP的結晶溫度,減小晶球尺寸,增加球晶數目。由於晶體尺寸減小並趨於均勻,可減小塑件的內應例,提高速件的韌性。
PP的結晶度大小生產中常在測定PP的密度後再通過計算得出,其結晶度計算式為(圖8)

 

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五、PP在射出成型加工過程中應注意那些方面?射出成型工藝應如何控制?

  • 1.射出成型加工過程中應注意的幾方面

PP的熔體黏度低,具有較好的流動性,因而有良好的成型加工性能。但在射出成型加工過程中應注意以下幾方面。
a. PP在高溫下對氧的作用十分敏感,在成型加工中有高溫氧化傾向,因此,應盡量避免其熔體與空氣接觸或盡量減少與空氣接觸的時間,否則,發生高溫氧化現象會降低塑件的機械強度。同時還應注意避免PP熔體與銅接觸,以免銅的存在加快PP的氧化降解速率。
如果加工或使用中需要與銅接觸可加入銅抑制劑,如芳香胺、草酰胺等化合物。
b. 成型加工中提高剪切率和溫度均能增加PP熔體的流動性,尤以提高剪切速率最為顯著。PP熔點為165~170°C,分解溫度Td在315°C左右。成型加工溫度不宜超過其分解溫度。
c. 成型加工條件對PP的結晶度和結晶型態有較大影響,而結晶也影響塑件的最終性能。模具溫度低,熔體冷卻速率快,結晶度低,塑件具有良好的韌性、透明性等,但塑件往往易產生內應力。緩慢冷卻可獲得較高的結晶度,生成的晶體較穩定,內應力較小,但塑件的成型收縮率較大,透明性和韌性降低。
d. PP樹脂吸水率很低(<0.04%),射出成型時一般不需進行乾燥,如果顆粒中水分含量過高,可在80~100°C下乾燥1~2h。
e. 熔體彈性大,冷卻凝固速率快,塑件易產生內應力。同時成型收縮率較大,為1%~2.5%,並且具有各向異性。
f. 由於PP的相對密度小,在選擇射出機時,射出額定射出量一定要大於塑件質量的1.8~2倍,以防止塑件產生短射現象。
g. PP塑件壁厚一般應為1.0~4.0mm,壁厚應盡量均勻,如果塑件厚度有差異,則在厚薄交接處應設計有過渡區(圖9);對於薄而平直的塑件,為防止變形,要考慮設置加強筋;PP塑件低溫下表現出脆性,對缺口(圖5)很敏感,產品設計時應注意避免出現銳角。
h. 由於PP收縮率較大,模具應有一定的脫模斜度,一般為0.5~1.5度,形狀較複雜的塑件取大值;模具還應設置適當的排氣孔槽,以防出現排氣不良的現象。

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  • 2.射出成型工藝控制

a. 射出溫度
料管溫度控制在210~280°C,射嘴溫度可比料管溫度低10~30°C。
當塑件壁薄、形狀複雜時,料管溫度可提高至280~300°C;而當塑件壁厚或樹脂的熔體流動速率高時,料管溫度可降低至200~230°C。
b. 模具溫度
PP成型時的模具溫度為40~90°C。提高模溫,PP的結晶度提高,塑件的剛性、硬度增加,表面光潔度較好。但易產生毛邊、凹痕、收縮等缺陷;而模溫過低,結晶度下降,塑件的 韌性增加,收縮率減小,但塑件表面光潔度差,面積較大、壁厚較厚的塑件還容易產生翹曲。
c. 射出壓力
PP熔體的黏度對剪切速率的依賴性大於對溫度的依賴性,因此在射出時,通過提高射出壓力來增大熔體流動性(射出壓力通常為70~120MPa)。此外,射出壓力的提高還有利於提高塑件的拉伸強度和斷裂伸長率,對塑件的衝擊強度無不利影響,特別是大大降低了收縮率。但過高的射出壓力容易造成毛邊,並且增加塑件的內應力。
d. 成型週期
在PP的成型週期中,保壓時間的選擇比較重要。一般來說,保壓時間長,塑件的收縮率低,但由於凝封壓力增加,塑件會產生內應力,故保壓時間不能太長。與其他塑料不同,PP塑件在較高的溫度下脫模不產生變形或變形很小,並且又採用了較低的模溫,因此,PP的成型週期是較短的。
e. 後處理
PP的玻璃化溫度較低,脫模後,塑件會發生後收縮,後收縮量隨塑件厚度的增加而增大。成形時,提高射出壓力、延長射出時間和保壓時間及降低模溫等,都可以減少後收縮。對於尺寸穩定性要求較高的塑件,應進行熱處理。處理溫度為80~100°C,時間為1~2h。


☆ 案例
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☆ 其他參考資料及文章


☆ 附註說明

  • (註1)==>銅害,是指純的聚丙烯與銅在一起時極易發生反應致使聚丙降解。由於PP材料對銅離子極為敏感,在銅離子存在下會加連PP的降解老化,因而在相關國際國家標準中對PP管件中的銅嵌件及與PP相連的銅件都要求鍍鎳或鍍鉻處理。

 

 

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