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淺談 聚丙烯 α 及 β 結晶型態及其性能表現

聚丙烯,為一種半結晶高分子聚合物,一般結晶度約落在40%~70%之間,在不同的條件之下,目前發現其有5種晶型結構,分別為α、β、γ、δ、以及擬六方晶態。從聚丙烯產製品的物理性質乃至於光學性質均會受到結晶程度以及結晶型態的影響。其中 α 晶型聚丙烯的控制技巧及相關添加劑在合成廠聚合端及後端加工業界應用相當成熟及廣泛,而此文將針對 β晶型聚丙烯與 α晶型聚丙烯做一比較描述。

α晶型聚丙烯 概述

       早在1960年代,聚丙烯肇始之初,聚丙烯α型態的晶體特徵就已被具體描述出來:「單斜晶系,每個晶胞有4個 1/3 螺旋,較緻密且完整的結構,為熱力學穩定的結晶型態」。而在一般純聚丙烯加熱及冷卻的加工製程當中,聚丙烯的結晶型態多均為 α晶型,因此後續的聚丙烯相關製程及發展,有很大的區塊圍繞在 α晶型的控制技巧,比如說控制 α晶的結晶大小以及結晶密度,用以改善產品的特性如透明度以及剛性等等。

β晶型聚丙烯 概述

      在1959年,即已發現聚丙烯中有 β晶型的存在。但相較於α晶型的研究,有很長的一段時間,因加工製程中β晶型不穩定,所以一直無法製成純的 β晶型聚丙烯,故無法對其結構進行清楚地描述,自然也無法對其應用有更深一步的闡述。現在則可透過一些β晶核劑較輕易誘導出製成β晶型聚丙烯。β晶態屬六方晶系,聚丙烯中的大分子鏈以同方向呈螺旋狀排列到晶格之中。β晶態的片晶會平行或由球晶中心集結成束,然後支化,或者先呈向外螺旋生長再支化。
(如圖 (b))。

不同晶型球晶的型態

α晶核劑的種類及功能

α晶核劑,顧名思義即為一種除了用加工製程條件之外,可以添加使用改變聚丙烯α晶的結晶度或結晶密度的產品,此類產品種類相當廣泛,包含了無機的礦物如滑石粉( Talc)、碳酸鈣、奈米黏土等等,在微量添加及有效的加工分散下,均可以改善一定程度結晶作用,用以增加聚丙烯的剛性;此外,也有許多形式的有機金屬鹽類產品的晶核劑,與無機晶核劑最大的不同為分散性更好,更易於加工以及對聚丙烯的比重幾無影響。在功能上以敝司自製晶核劑母粒 NCM-20E05 (HPN-20E母粒)為例,對聚丙烯或聚乙烯均能產生改質,較其他類型的晶核劑,擁有較佳的收縮等規度,能降低翹曲變形率,提升剛性的同時也能兼顧部分的韌性,並可增加產品的透明度以及熱變形溫度,更特殊的與他類同型的晶核劑相比,還可提升聚乙烯產品的阻水以及阻氣性。在敝司某客戶三層PE共擠膜的實施數據例中,添加本產品1~2%下,該公司終端產品之WVTR實測數據由 3g/m².day 下降至 0.65g/ m².day,效果不可不謂顯著。

β晶核劑的種類及功能

β晶型聚丙烯可透過加工條件抑或加工方式製得,但其效果均不如β晶核劑來的穩定有效。其種類約略有四:具平面結構的稠環類化合物、某些鹼土金屬鹽類及二元羧酸複合物、芳香胺類以及稀土類化合物。在功能面上,如同上圖(b)所示,β晶多孔結晶區域中存在大量的連續分子鏈連接形成的擴展型鏈段,使得遭遇外力破壞時可吸收較多的能量,賦與聚丙烯較好的延展性及韌性、並提高熱變形溫度。其功用以敝司自製 β晶核劑母粒NCM-8205為例,能賦予終端產品良好的常溫及低溫韌性,較高的熱變形溫度,在押出成型過程中也可提供較高的熔體強度,如製品須增加多孔率亦有幫助。終端產品應用例諸如PP-R管材、車用保險桿、蓄電池槽、微孔聚丙烯纖維及透氣薄膜、鋰電池隔離膜等。在敝司的實施例中,某公司建材模板在其他物性未明顯變化下,IZOD 強度 由 17.9提升至 44.7 kg-cm/cm (標準: ASTM D256 @23°C, notched )。(相關數據見下表)

物性 檢驗方法(ASTM) 單位 PP複材 PP複材+NCM8205
1.熔融流率D1238g/10 min--
2.比 重D792-0.9330.9252
3.抗張強度D638Kg/cm²269236
4.斷點延伸率D638%335.3401.52
5.降伏點延伸率D638%6.837.72
6.彎曲彈性系數D790Kg/cm²111809889
7.彎曲彈性強度D790Kg/cm²299271
8.艾氏衝擊強度
(23°C, notched)
D256Kg-cm/cm17.944.7(提升近250%)
以上內文及圖片除 敝公司產品實施例外,其餘摘錄整理自 中國塑料 Vol. 20, No. 3, Mar., 2006 文章編號:1001-9278(2006) 03-0007-07

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1.過氧化物母粒 
CR PP 10X   (10%過氧化物) 
CR PP 20X   (20%過氧化物)
可控制 PP 的流動變數、GMT & LFT、玻璃纖維墊&玻璃長纖與聚丙烯複合加強製程、PP 纖維(非織造)、紡黏型與融噴、水與氣體濾心、尿布與衛生棉、油脂吸附、PP 回收、增容劑、以自由基做為起始劑提高馬來酸酐及聚丙烯接枝率。

2.抗刮母粒(非移動性)   使用量 1~5%
ASC PP 50S  抗刮且附加滑溜性質於射出及壓出零件
ASC PE 50S  例:PP膜(OPP,CPP) & PE膜

AS PP T19    射出和壓出零件 eg.汽車零件

3.助劑   使用量 < 1%
PPA PP F5   射出及壓出PP
PPA PE F5   射出及壓出PE

α - form MB for PP

1. PP(聚丙烯)透明增韌改善 MB
請來電/來信洽詢

2. PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)透明尺寸安定改善
請來電/來信洽詢

3. PP 成核劑 MB
NCM-A305 

4. PE、PP 通用 成核劑 MB
NCM-20E05
NCM-90E05

β - form MB for PP

 β 成核劑  能加快聚丙烯結晶速度,縮短成型時間,
提高聚丙烯製品的室溫和低溫抗衝擊強度和耐熱性,
廣泛應用於聚丙烯管材、板材和注塑製品。

PP 成核劑 MB - NCM-8205 





Other MB

1. PE抗氧化劑MB - AOM-A330DP 

2. PA抗UV MB - AUM-234015 

3. PLA 專用白色母 - NWM-F804T35 

4. PA 成核劑 MB - NCM-CHB310

5. PET 成核劑 - NCM-NAT05 

6. PP/PET 接著膠粒 - Z-PAM72M20 

7. PP(聚丙烯)流動增韌劑 - 請來電/來信洽詢


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