一次性快餐盒專(zhuān)用 PP 樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)

黃啟望，陳 斌，宋之聰

（中國(guó)石油化工股份有限公司廣州分公司，廣東省廣州市 510726）

國(guó)內(nèi)一次性餐具年消費(fèi)量達(dá)上億只，發(fā)泡聚苯乙烯由于衛(wèi)生安全及環(huán)保問(wèn)題一度被禁止使用。PP 由于其良好的衛(wèi)生安全性、耐熱性并容易回收，故毫無(wú)疑問(wèn)地成為最安全、環(huán)保的一次性餐具專(zhuān)用材料。目前國(guó)內(nèi)用于一次性快餐盒生產(chǎn)的快速薄壁注塑級(jí) PP 樹(shù)脂缺口很大，大部分都是采用進(jìn)口料。中國(guó)石油化工股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)石化）廣州分公司開(kāi)發(fā)的高流動(dòng)性快速薄壁注塑級(jí) PP 樹(shù)脂一方面可以完善中國(guó)石化此類(lèi)專(zhuān)用樹(shù)脂的供給布局，搶占市場(chǎng)先機(jī)；另一方面有助于中國(guó)石化廣州分公司全面掌握高流動(dòng)性 PP 的生產(chǎn)技術(shù)和完善 PP 樹(shù)脂產(chǎn)品鏈，為企業(yè)創(chuàng)造更多的效益；此外還可為華南地區(qū)的廣大用戶(hù)在原料方面多提供一個(gè)選擇，降低采購(gòu)成本和物流費(fèi)用，為客戶(hù)創(chuàng)造價(jià)值。

1 一次性快餐盒專(zhuān)用樹(shù)脂的生產(chǎn)技術(shù)要求

對(duì)注塑樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，一是熔體必須有足夠的流動(dòng)性，能夠充滿(mǎn)模腔；二是樹(shù)脂收縮率的變化應(yīng)在模具設(shè)計(jì)范圍[1]。加工流動(dòng)性能是一次性快餐盒專(zhuān)用樹(shù)脂的重要指標(biāo)，流動(dòng)性能好的樹(shù)脂可以在較低的溫度和注塑壓力下加工，而流動(dòng)性不好的則需提供較高的加工溫度和注塑壓力，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)制品邊緣注不滿(mǎn)的缺陷。盡管熔體流動(dòng)速率（MFR）可以用來(lái)粗略評(píng)價(jià)樹(shù)脂的加工流動(dòng)性，但普通 PP 的 MFR 是在 230 ℃，2.16 kg 條件下用2.095 mm 內(nèi)徑口模測(cè)定的，該條件與薄壁注塑專(zhuān)用樹(shù)脂的實(shí)際使用條件差異較大。考慮到實(shí)際制品的壁厚多在 0.5 mm 以下且熔體在模具內(nèi)流動(dòng)的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)高于 MFR 測(cè)定時(shí)在口模內(nèi)的剪切應(yīng)力，通過(guò)測(cè)定 230 ℃，1.180 mm 內(nèi)徑口模條件下不同負(fù)荷的 MFR 來(lái)表征專(zhuān)用樹(shù)脂的加工流動(dòng)性，這與實(shí)際加工條件更接近，也更合理。

根據(jù) PP 產(chǎn)品的用途，結(jié)合一次性快餐盒的特點(diǎn)，制定出一次性快餐盒專(zhuān)用樹(shù)脂 S980 的產(chǎn)品性能指標(biāo)（見(jiàn)表 1）。

表 1 S980 產(chǎn)品性能指標(biāo)Tab.1 Specification of grade S980

2 專(zhuān)用樹(shù)脂的生產(chǎn)

中國(guó)石化廣州分公司在 PP Ⅱ裝置上采用一液一氣兩釜的本體法工藝技術(shù)，以鈦系為催化劑，并將裝置生產(chǎn)能力在原基礎(chǔ)上擴(kuò)大改造為70 kt/a，只生產(chǎn) PP 均聚物。2005 年，該公司在 PPⅡ裝置上以聚合生產(chǎn) CF501（MFR 為 3.50～5.00 g/10 min）粉料為基礎(chǔ)，采用在裝置造粒工段添加降解劑（液體過(guò)氧化物）的方法，降低樹(shù)脂的重均分子量、提高樹(shù)脂 MFR，批量生產(chǎn)了 MFR 為（25.00±2.00）g/10 min 的纖維料 CS820 產(chǎn)品，為生產(chǎn)更高的 MFR 產(chǎn)品積累了技術(shù)和操作經(jīng)驗(yàn)。

2.1 一次性快餐盒專(zhuān)用樹(shù)脂的首次生產(chǎn)

2011 年 9 月，在 PP Ⅱ裝置上首次進(jìn)行 S980（未添加成核劑）的試生產(chǎn)。11：00 從生產(chǎn) MFR為 38.00～42.00 g/10 min 的 S960 牌號(hào)向 S980 切換，造粒機(jī)生產(chǎn)負(fù)荷為 9.2 t/h，切刀轉(zhuǎn)速?gòu)?67% 提高到 69%，粒料冷卻水設(shè)定值從 55 ℃ 下調(diào)至 53℃。緩慢提高降解劑泵的沖程，觀(guān)察篩網(wǎng)后的壓力和齒輪泵轉(zhuǎn)速的變化，當(dāng)壓力從 4.5 MPa 下降至4.1 MPa 時(shí)采樣分析粒料的 MFR，此時(shí)粒料繼續(xù)進(jìn)過(guò)渡倉(cāng)；10 min 后產(chǎn)品 MFR 達(dá)到 50.00 g/10 min，切換料倉(cāng)，開(kāi)始轉(zhuǎn)產(chǎn) S980。本次牌號(hào)切換過(guò)程用了 20 min，11：40 轉(zhuǎn)回生產(chǎn) S960。共生產(chǎn) S980 產(chǎn)品 6 t，送客戶(hù)試用，同時(shí)做性能測(cè)試及評(píng)價(jià)。

首次生產(chǎn) S980 產(chǎn)品過(guò)程中，主要存在的問(wèn)題集中在造粒階段，表現(xiàn)為：碎屑的產(chǎn)生量比生產(chǎn)S960 時(shí)增加約 20%，粒料帶尾、黏料和微小顆粒增多，切刀的磨損速度偏快，齒輪泵轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅波動(dòng)，樹(shù)脂 MFR 波動(dòng)大等。收集客戶(hù)試用后的反饋意見(jiàn)：制品質(zhì)感偏軟，剛性不夠，透明度稍差，直接注塑薄壁飯盒時(shí)熔體溫度高 12 ℃ 左右，注塑壓力也較高，注塑成型周期約 4 s，制品容易變形。

2.2 造粒機(jī)操作條件的優(yōu)化

針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了造粒機(jī)操作條件優(yōu)化方案：將顆粒冷卻水的溫度從52 ℃ 降至 50 ℃，切刀轉(zhuǎn)速?gòu)?900 r/min 升至 960 r/min，同時(shí)做好月度保養(yǎng)工作，根據(jù)切刀磨損情況進(jìn)行更換，降低槽隙設(shè)定值，使模板加熱蒸汽壓力從 1.7～1.8 MPa 下降至 1.3～1.5 MPa。造粒控制參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2。

2011 年 10 月，按照造粒機(jī)操作條件優(yōu)化方案進(jìn)行了 S980 的第二次試生產(chǎn)，本次共生產(chǎn)S980 約 15 t。由于此次加入了成核劑，粒料帶尾現(xiàn)象明顯減少，顆粒外觀(guān)顯著改善。產(chǎn)品經(jīng)汕頭偉達(dá)實(shí)業(yè)有限公司試用表明，制品的剛性及透明性都有所提高，剛韌平衡性較好，基本滿(mǎn)足一次性快餐盒的生產(chǎn)要求。

2.3 成核劑配方篩選

客戶(hù)反饋意見(jiàn)提到制品容易變形，一次性快餐盒專(zhuān)用樹(shù)脂需要改進(jìn)的地方是提高產(chǎn)品剛性，改善流動(dòng)性，縮短制品成型周期。為此采取添加微量成核劑的方法提高剛性。

PP 成核劑主要分為 α 成核劑和 β 成核劑，其中 α 成核劑的作用是提高 PP 材料的剛性和制品的透明性，本實(shí)驗(yàn)的成核劑篩選綜合考慮成本及效果，盡可能篩選出性?xún)r(jià)比最佳的配方。試驗(yàn)中采用裝置試生產(chǎn)的 MFR 為 48.00 g/10 min 的顆粒料為基料，成核劑的篩選結(jié)果見(jiàn)表 3。

表 3 成核劑篩選結(jié)果Tab.3 Selection of the nucleating agents

從表 3 可以看出：配方 3 具有較高的抗沖擊性能和結(jié)晶溫度，可保證制品的韌性和較短的加工成型周期；而且成核劑用量最少，成本最低，盡管彎曲性能稍差，但總體性?xún)r(jià)比最佳，可作為生產(chǎn)配方。

3 產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)

2012 年上半年，一次性快餐盒專(zhuān)用 S980 樹(shù)脂進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)，部分批次產(chǎn)品分析結(jié)果見(jiàn)表 4。添加成核劑后的 S980 基本符合指標(biāo)要求，質(zhì)量穩(wěn)定。

表 4 S980 產(chǎn)品質(zhì)量Tab.4 Product quality of grade S980

2012 年 10 月收到客戶(hù)反饋的意見(jiàn)：一次性快餐盒專(zhuān)用樹(shù)脂 S980 流動(dòng)性稍差，注塑溫度需提高 20 ℃ 左右，成型周期也相對(duì)較長(zhǎng)；因加工溫度提高，所以制品出現(xiàn)輕微發(fā)黃現(xiàn)象。

3.1 MFR 的調(diào)整

一次性快餐盒專(zhuān)用樹(shù)脂 S980 流動(dòng)性稍差的原因是由于采用可控流變工藝，使樹(shù)脂在降解過(guò)程中相對(duì)分子質(zhì)量分布變窄，所以對(duì)樹(shù)脂的加工流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響。改善 S980 加工流動(dòng)性能的方法：一是整體提升粉末樹(shù)脂的 MFR，降低基礎(chǔ)樹(shù)脂的降解程度，從而改善 S980 的相對(duì)分子質(zhì)量分布；二是將產(chǎn)品（粒料樹(shù)脂）的 MFR 進(jìn)一步提高至 53.00～56.00 g/10 min。

2013 年 1 月生產(chǎn) S980 時(shí)，對(duì)第一反應(yīng)釜和第二反應(yīng)釜粉末樹(shù)脂的 MFR 進(jìn)行調(diào)整，以此適應(yīng)產(chǎn)品流動(dòng)性的改變，造粒產(chǎn)品的 MFR 控制在51.00～56.00 g/10 min。將調(diào)整后生產(chǎn)的產(chǎn)品送指定客戶(hù)試用。調(diào)整前后 S980 流動(dòng)性評(píng)價(jià)見(jiàn)表 5。

表 5 MFR 調(diào)整前后分析結(jié)果Tab.5 MFR analysis results before and after adjustment

3.2 助劑配方的優(yōu)化

過(guò)氧化物應(yīng)不是制品變色的主要原因，即使過(guò)氧化物濃度很高的降溫母粒，提高加工溫度后樹(shù)脂和制品也不會(huì)有任何變色，白度甚至比普通PP 還好；即使 S980 中存在殘留過(guò)氧化物，但在加工制品的過(guò)程中，于 250 ℃ 左右條件下也基本完全分解。制品變色原因應(yīng)是由助劑引起的。預(yù)混劑是指幾種添加劑按比例混合后切成粒狀物。基于前面的分析，初步擬定采用新配方（預(yù)混劑 B/成核劑）與舊配方（預(yù)混劑 A/成核劑）進(jìn)行產(chǎn)品性能分析（見(jiàn)表 6）。

從表 6 看出：加工溫度的變化不會(huì)導(dǎo)致新配方制品出現(xiàn)顏色變化。

3.3 質(zhì)量改進(jìn)效果

客戶(hù)試用采用新配方生產(chǎn)的產(chǎn)品后認(rèn)為: 新配方 S980 產(chǎn)品加工過(guò)程正常，制品外觀(guān)大有改善，未出現(xiàn)顏色變化。用戶(hù)認(rèn)可產(chǎn)品性能的改進(jìn)。至此，S980 流動(dòng)性和制品變色問(wèn)題基本解決。

4 結(jié)語(yǔ)

a）以 CF501 粉料為基礎(chǔ)樹(shù)脂，通過(guò)調(diào)整造粒系統(tǒng)降解劑注入量、顆粒冷卻水溫度、造粒切刀轉(zhuǎn)速、槽隙設(shè)定值、模板加熱蒸汽壓力等參數(shù)，可穩(wěn)定生產(chǎn) MFR 達(dá) 53.00～56.00 g/10 min 的一次性快餐盒專(zhuān)用樹(shù)脂 S980。

表 6 不同注塑溫度下新、舊配方產(chǎn)品性能Tab.6 Properties of the product prepared with different formulae at different injection temperatures

b）通過(guò)調(diào)整助劑配方，可解決加工溫度變化引起的 S980 制品變色問(wèn)題，使制品外觀(guān)明顯改善，產(chǎn)品性能得到用戶(hù)認(rèn)可。

[1] 洪定一.聚丙烯—原理、工藝與技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005：498.