聚烯烃表征新技术简述
聚烯烃是合成树脂中产量最大、用途最广的高分子材料、具有性价比高、力学性能好、加工性能优良、化学性能稳定、电绝...
聚烯烃是合成树脂中产量最大、用途最广的高分子材料、具有性价比高、力学性能好、加工性能优良、化学性能稳定、电绝缘性能好和可循环利用等特点,被广泛地用于工农业、医疗卫生、科学研究和日常生活的各个领域。在聚烯烃的研发和生产过程中,表征技术可以让研发人员了解聚烯烃微观结构,提供研发思路,是开发特种聚烯烃必不可少的手段。
传统上人们对聚烯烃常进行分子量、熔融指数和密度的表征,但这些表征有时已经不能够对树脂的研发提供正确的指导。某客户在开发新型LLDPE的过程中发现聚烯烃树脂A和树脂B具有相同分子量、熔融指数和密度,但树脂A的落镖冲击和撕裂强度却比树脂B高50%,利用聚烯烃化学组成分布表征仪器全自动升温淋洗分级分析仪TREF分析我们就可以很清晰地看到两种聚烯烃的不同。
图1. 两种树脂TREF分析结果对比
对于某些特殊的聚烯烃树脂,可溶物中化学组成分布信息对于研发人员全面地了解聚烯烃的性能非常重要,温度梯度交叉色谱TGIC就是在传统CCD分析不能满足该需求的情况下诞生的,TGIC的分离原理是利用聚烯烃结晶能力的不同、以及聚烯烃与柱子中石墨填料之间的吸附解吸作用来实现,独特的石墨柱也减少了树脂共结晶效应。比如乙烯和辛烯共聚:传统的CCD分析根据结晶能力不同无法了解橡胶相中各种不同共聚单体含量的共聚物的信息,而TGIC根据线性聚烯烃与石墨表面吸附解吸力可以实现这种要求,乙烯含量越多,吸附力就越大,因此要把它从石墨表面淋洗出来需要更高的能量,不同乙烯含量级分吸附力不同将在不同的温度下被淋洗出来,同时TGIC把样品最终淋洗温度推高到155℃左右,从而也能够把更多的空间留给橡胶相里面组分的分离和表征,因此能够得到用其它CCD分析手段无法得到的橡胶相组分的信息。
图2. 乙烯-辛烯共聚TGIC分析
图3. 嵌段聚烯烃TGIC分析结果
多检测器连用技术现在也非常地流行,3D-TREF和3D-GPC在文章中也早有报道。某客户在拉膜过程中总出现“鱼眼”,总找不到原因所在,这些鱼眼是胶体还是未溶物呢?研发人员精心地将膜料中的“鱼眼”挑出和正常的膜料做了3D-GPC分析,只能看到“鱼眼料”的分子量较大,仍分辨不出“鱼眼料”与膜料的其它区别。后来用3D-TREF(TREF、CEF、TGIC都可以配置3检测器:IR、Vis、LS,配置合适的话还可以得到支化度信息。)分析表征人员得出结论“鱼眼料”和膜料化学结构相似,只是分子量不同,断定“鱼眼料”是未溶物,提高拉膜温度就可解决“鱼眼”问题(请参见下图4)。
图4. 3D-TREF分析“鱼眼料”和膜料
图5. 低支化度PE的 GPC-IR分析
图6. 长支链测试实例
图7. 聚合工艺判断实例
图8. 长支链来源判断
图9.CFC外观示意图
图10.某牌号烯烃CFC分析结果
另外抗冲聚丙烯牌号研发成为一个热点,早期人们认为熔体流动速率(MFR)与乙烯含量对于抗冲聚丙烯产品性能影响较大,对于熔体流动速率接近的产品,通常以乙烯含量高低来评价其抗冲击性能,通常乙烯含量高的产品抗冲击能力更好。但有研究表明乙烯含量高的抗冲聚丙烯抗冲击性能不一定就比乙烯含量低的材料好,其抗冲性能还取决于乙烯在聚合物链的分布状态(见下图11)。
图11.两种树脂冲击强度对比
聚烯烃市场对产品的性能要求越来越高,有时要求研究人员对聚烯烃的每个级分进行详尽的表征,如何得到聚烯烃的不同级分成了一个很重要的前提。国内最早的聚合物级分制备系统是人工搭建的,占地面积很大,制备10g~20g样品需消耗溶剂50L左右,完全手动操作,对操作人员危害极大。西班牙PolymerChar公司的全自动聚合物大型级分制备系统PREP C20是手工法的自动化集成仪器,根据样品类型一次分析可以制备10g~20g样品,只需要48个小时左右,溶剂消耗量小(6L左右),可以满足不同用户级分制备的需求。有了这些手段,客户就可以将感兴趣的级分制备出来,采用其它手段继续表征(CEF、GPC-IR、DSC等),也可以采用复配混溶进行改性聚合物研究(制备出来的级分量足以用哈克微型双螺杆挤出机挤出造粒,制成样条,进行力学性能测试比较)。
开发特种高附加值聚烯烃是国内研发者的使命,而先进的表征技术是科研工作者进行研发的助力者,了解掌握和使用新的表征技术才能推动科研工作的进行。
参考文献
[1]Huang Honghong etc, DirectComparison of IR and DRI Detector for HT-GPC of Polyolefin.
[2]Benjamin Monrabal1 and Wallace W. Yau, EngineeringAdvance in High Temperature GPC Instrument.
[3] Benjamin Monrabal1,Improved detection in hightemperature GPC-IR analysis of polyethylene-polypropylene
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