單層流延聚丙烯（Monolayer Cast Polypropylene,MCPP）薄膜是聚丙烯樹脂顆粒在擠出機(jī)內(nèi)熱熔塑化，流延借助冷卻輥完成熱拉伸[1]，同時(shí)用壓縮空氣迅速冷卻成型，后經(jīng)牽引卷繞成膜。流延聚丙烯薄膜具有透明性好、光澤度高、平整度好、耐熱性能優(yōu)良、易于熱封合、生產(chǎn)迅速等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品、日用品的包裝，也被用作復(fù)合薄膜的內(nèi)外層材料[2,3,4]。

在MCPP薄膜的工業(yè)生產(chǎn)中，擠出溫度、冷輥溫度等因素是影響薄膜性能的重要工藝參數(shù)，其中擠出溫度對(duì)均聚聚丙烯制品的結(jié)構(gòu)與性能的影響較為顯著[5,6,7,8]。本文采用控制變量法探討擠出溫度對(duì)MCPP薄膜光學(xué)性能和力學(xué)性能的影響，以期對(duì)MCPP薄膜生產(chǎn)過程中擠出溫度參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置提供數(shù)據(jù)支持。

乙烯共聚聚丙烯T28FE（中國(guó)石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司）。

流延膜機(jī)（ME-30/9100V3 and CR-9/320,Optical Control Systems GmbH(Germany));

霧度計(jì)（HGM-2DP，日本島津公司）；

電子拉力機(jī)（Instron 1121，英國(guó)Instron公司）；

裁樣機(jī)（上海中藝機(jī)械器廠）；

偏光顯微鏡（DM 2500P,Leica Microsystem);

差示掃描量熱儀（TGA/DSC同步熱分析儀（瑞士））。

流延膜機(jī)擠出裝置為單螺桿擠出機(jī)，長(zhǎng)徑比為25∶1，設(shè)有8個(gè)控溫區(qū)域。以乙烯共聚聚丙烯T28FE為原料，采用控制變量法，按表1和表2中的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)了7組實(shí)驗(yàn)，分別制備出不同擠出溫度下的MCPP薄膜試樣（厚度為35μm），并在48h內(nèi)完成測(cè)試�？疾鞌D出溫度對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響。

(1）偏光顯微鏡（PLM）法。在偏光顯微鏡下觀察各MCPP薄膜試樣的取向程度。

(2)DSC表征。采用DSC差示掃描量熱儀分析試樣的熱性能，可根據(jù)式（1）計(jì)算出各樣品的結(jié)晶度。

式中：Xc為結(jié)晶度，%；ΔHf為樣品熔融熱焓值，J/g；ΔHf*為標(biāo)準(zhǔn)樣品熔融焓值，ΔHf*=209J/g[9]。

MCPP薄膜的透光率和霧度按GB/T 2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測(cè)定》測(cè)試。

MCPP薄膜的直角撕裂強(qiáng)度按QB/T 1130-1991《塑料直角撕裂性能試驗(yàn)方法》測(cè)試。

MCPP薄膜的拉伸性能按GB/T 1040.1-2018《塑料拉伸性能的測(cè)定第1部分：總則》測(cè)試。

以上各性能測(cè)試均進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，取其平均值。

圖1所示為不同擠出溫度下MCPP薄膜的PLM照片�？梢钥闯�，隨著擠出溫度的升高，薄膜的取向結(jié)構(gòu)減弱。因?yàn)閿D出溫度較低時(shí)，樹脂塑化程度低，高分子鏈活動(dòng)能力差，在流延過程中需克服聚合物內(nèi)部較大的黏滯阻力，熔體流動(dòng)不均勻，迅速降溫后即形成取向結(jié)構(gòu)較明顯的薄膜；擠出溫度較高時(shí)，樹脂塑化程度高，高分子鏈活動(dòng)能力增強(qiáng)，熔體流動(dòng)較均勻，同時(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈，解取向作用增強(qiáng)。

不同擠出溫度下MCPP薄膜試樣的DSC測(cè)試結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，隨著擠出溫度的升高，樣品的熔融峰溫度[10]略有減小，結(jié)晶度的減小較為明顯。這說明，擠出溫度的增加可以降低聚丙烯的結(jié)晶度。擠出溫度的升高導(dǎo)致分子鏈運(yùn)動(dòng)能力增加，同時(shí)分子鏈解取向能力增大，取向誘導(dǎo)結(jié)晶作用減少，結(jié)晶成核能力降低，結(jié)晶度降低。

圖2所示為擠出溫度對(duì)MCPP薄膜霧度和透光率的影響。

從圖2可以看出，隨著擠出溫度的升高，薄膜霧度呈下降趨勢(shì)，而薄膜透光率則呈上升趨勢(shì)。聚丙烯是典型的結(jié)晶型高分子材料，材料內(nèi)部結(jié)晶與非晶兩相的存在導(dǎo)致光在其界面上發(fā)生折射，從而引起薄膜透明性差異。另外，因熔體彈性造成薄膜表面粗糙，從而引起光在薄膜表面散射，這也是造成薄膜透明性差異的原因之一。當(dāng)擠出溫度較低時(shí)，樹脂塑化不完全，聚合物分子黏彈性較強(qiáng)，熔體流動(dòng)不均勻，分子鏈在膜口的彈性回復(fù)導(dǎo)致熔體破裂，所得薄膜平整度差。隨著熔體溫度升高，分子的內(nèi)應(yīng)力得到較好的釋放，熔體流動(dòng)較均勻，薄膜表面光滑平整，薄膜的霧度降低，薄膜的透光率就會(huì)增大。

圖3所示為擠出溫度對(duì)MCPP薄膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響。

從圖3可以看出，隨著擠出溫度的升高，MCPP薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均呈先增大后減小趨勢(shì)。

薄膜的橫向力學(xué)性能主要取決于晶區(qū)與非晶區(qū)的結(jié)合強(qiáng)度，即晶粒尺寸、結(jié)晶度以及取向作用。擠出溫度較低時(shí)，高分子鏈活動(dòng)能力弱，薄膜存在缺陷，導(dǎo)致橫向力學(xué)性能較差。隨著擠出溫度的升高，高分子鏈活動(dòng)能力增強(qiáng)，晶區(qū)與非晶區(qū)的結(jié)合強(qiáng)度增強(qiáng)，大大增強(qiáng)了薄膜的橫向力學(xué)性能，230℃時(shí)薄膜的橫向力學(xué)性能達(dá)到最大值。擠出溫度繼續(xù)升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)過于劇烈，薄膜的結(jié)晶度下降，導(dǎo)致薄膜的橫向力學(xué)性能下降，但下降幅度較小。

薄膜的縱向力學(xué)性能主要由分子取向程度決定。晶粒的取向一般完成較早，拉伸性能的增強(qiáng)主要和非晶區(qū)鏈段取向的提高相關(guān)。隨著溫度的升高，高分子鏈活動(dòng)能力增強(qiáng)，除沿流延方向擇優(yōu)取向外，高分子鏈橫向交織并貫穿到晶粒之間。另外，高溫下分子運(yùn)動(dòng)能力增加，導(dǎo)致分子鏈的解取向速度增加，分子鏈取向度降低，這是薄膜斷裂伸長(zhǎng)率增大的主要原因之一。但同時(shí)，由于溫度的升高，高聚物解取向趨勢(shì)增強(qiáng)，使薄膜縱向拉伸強(qiáng)度逐漸減弱。

縱向比較可得，薄膜的橫向拉伸強(qiáng)度小于其縱向拉伸強(qiáng)度，橫向斷裂伸長(zhǎng)率大于其縱向斷裂伸長(zhǎng)率[11]。這是因?yàn)椋�熔體流延成膜時(shí)為縱向拉伸，而橫向無拉伸作用。故測(cè)量薄膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率時(shí)，高分子鏈在流延方向上已處于張緊狀態(tài)，而在垂直拉伸方向上仍然處于松弛狀態(tài)，因而，薄膜的縱向拉伸強(qiáng)度大于橫向拉伸強(qiáng)度。相同長(zhǎng)度的試樣，其縱向斷裂伸長(zhǎng)率小于橫向斷裂伸長(zhǎng)率。

圖4所示為擠出溫度對(duì)MCPP薄膜撕裂強(qiáng)度的影響。

從圖4可以看出，隨著擠出溫度的升高，薄膜的橫向撕裂強(qiáng)度和縱向撕裂強(qiáng)度均呈先增大后減小趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中橫向試樣的撕裂為縱向撕裂，縱向試樣的撕裂為橫向撕裂。薄膜的縱向撕裂強(qiáng)度在220℃時(shí)達(dá)到最大值，而薄膜的橫向撕裂強(qiáng)度則在230℃時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)椋�隨著溫度的升高，高分子鏈活動(dòng)能力逐漸增強(qiáng)，樹脂熱熔程度更加均勻，并能很好地穿插于晶區(qū)之中；除了沿拉伸方向擇優(yōu)取向外，高分子鏈之間相互勾連交織，并貫穿到晶粒之間，導(dǎo)致薄膜的撕裂性能增強(qiáng)。隨著溫度的繼續(xù)升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)過于劇烈，晶核不易形成，或形成的晶核不穩(wěn)定，容易被分子熱運(yùn)動(dòng)破壞，導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶度下降，晶粒數(shù)量減少。高聚物分子鏈的解取向作用增強(qiáng)，使薄膜取向作用減弱，導(dǎo)致撕裂性能下降。

薄膜的撕裂性能取決于其凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶度、取向程度和結(jié)晶形態(tài)[12]。冷卻降溫初期形成晶粒，在冷卻輥的拉伸作用下，高分子鏈和晶粒均隨著拉伸作用擇優(yōu)取向，而后迅速降到玻璃化溫度以下，晶粒和鏈段的位置關(guān)系隨之固定，形成取向材料。高分子鏈沿拉伸方向擇優(yōu)取向，垂直于取向方向上的強(qiáng)度很小，同時(shí)隨著擠出溫度的升高，其解取向作用增強(qiáng)，故縱向撕裂強(qiáng)度下降較快，而橫向撕裂為撕斷高分子鏈段與鏈段、鏈段與晶粒之間的作用，其下降幅度較小。

MCPP薄膜的結(jié)構(gòu)與性能受擠出溫度的影響較明顯。隨著擠出溫度的升高，霧度減小，透光率增大，橫向拉伸性能、縱向拉伸性能和撕裂性能均隨著擠出溫度的升高先增強(qiáng)后減弱，且均在220～230℃時(shí)性能表現(xiàn)優(yōu)異。隨著擠出溫度的升高，MCPP薄膜的取向度和結(jié)晶度均減弱。由于高分子聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，除上述基礎(chǔ)結(jié)論外，還應(yīng)結(jié)合聚合物凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)綜合判斷產(chǎn)品性能。