聚丙烯的结构性能和应用分析.docx

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聚丙烯的结构性能和应用分析

聚丙烯的结构、性能和应用

一、聚丙烯（聚丙烯）的结构

聚丙烯是一种高分子化合物，是一种通用合成树脂（或通用合成塑料），由于它是烯烃的聚合产物，因而又是一种聚烯烃树脂。

聚丙烯的结构是指高聚物内部组织，它有两层意义：

一是指聚丙烯分子内部的组织和形态，称为分子结构，二是指这些大分子聚集在一起的形态，称为聚集态结构。

1.聚丙烯的分子结构

对一般的单烯烃聚合物可用通式（CH2-CH2）n表示。

当-R为CH3-时即为聚丙烯，按CH3-在分子中的排布（位置、配向、次序等）不同，可分为三种立构异构体，即等规聚丙烯、间规聚丙烯和无规聚丙烯，等规聚丙烯所有的甲基都排在平面的同一侧。

间规聚丙烯的甲基有规则的交互分布在平面的两侧。

无规聚丙烯的甲基无秩序地分布在平面的两侧。

在三种立体异构体中，等规和间规聚丙烯都属于有规聚丙烯，有规聚丙烯的结晶度高，根据X射线对结晶性聚丙烯的研究，测得其分子链的等同周期为6.5×10-10m，C-C键角为109°28′,C-C原子间键距为1.54×10-10m，据此设想出等规聚丙烯的三重螺旋结构。

以上所述均指聚丙烯的均聚物，聚丙烯聚合物中还有共聚物，如以丙烯为主要单体，以少量乙烯为第二单体（或称共聚单体）进行共聚而成的聚合物，共聚物按其立体结构的规整性又可分为无规共聚物和嵌段共聚物，制取共聚物的目的是为了改善均聚物的某些性能（如耐寒、耐温、抗冲性能等）以满足特殊用途的需要。

2.聚丙烯的聚集态结构

高分子的链结构是决定高聚物基本性质的主要因素，而高分子聚集态结构是决定高聚物本体性质的主要因素，也就是说，其使用性能直接取决于加工成型过程中高分子所形成的聚集态结构。

聚丙烯和其它高分子一样，是由很多大分子聚集在一起的，分子间存在着相互作用，通常之间的作用力包括范德华力和氢键，使聚丙烯的大分子聚集在一起，并赋予它特定的性能，大分子聚集态通常有下述两种情况：

（1）无定形态

当很多分子在一起时，如果分子间杂乱无章，没有一定次序地相互堆在一起，这种结构称为无定型形态，这种结构比较疏松，密度低，分子容易运动，强度也低。

（2）结晶态

很多分子有相互排列得很多整齐或一部分排列的很整齐，形成三维有序的结构，称为结晶态。

丙烯聚合过程中，由于采用立体定向聚合催化剂，能使丙烯进行配位定向聚合，得到立体构型很规整的等规立构聚丙烯（等规聚丙烯含量达到95%以上），因此能够很好地结晶，其结晶形态有α、β、γ、δ和拟六方晶形五种。

最普通的α晶态，属单斜晶系，晶格参数为：

α=6.50×10-10mb=20.96×10-10m

c=6.50×10-10mβ=99°20′

在138℃左右，聚丙烯结晶形成α晶态，是五种晶态中最稳定的一种结构，熔点为180℃，密度为0.936g/cm3。

在缓慢冷却的条件下等规聚丙烯还能从熔融状态形成球晶结构，结晶温度越高，球晶越大；结晶温度越低，球晶越小；球晶越大，性质越脆，因此球晶的大小直接影响到制品的冲击强度和拉伸性质。

一般来说分子越大，分子链扩散越难，结晶度越小，但由于成型条件的不同，结晶度会发生变化。

结晶度是以结晶部分重量占样品总重量的百分数来表示的，一般用X射线测定结晶度，等规聚丙烯的结晶度一般可达65%以上。

在聚丙烯中，可以采用添加成核剂的办法来增加和降低球晶的直径并控制其一定的形态，以改善其拉伸屈服强度和冲击强度，改善其透明性和光泽性，降低成型时的加工温度，还可以改进成型加工的其它性能。

结晶度可以用公式来计算

二、聚丙烯的性质

1.聚丙烯的物理性能

聚丙烯树脂具有可塑性，它是一种典型的热塑性塑料，受热时（达到熔点）熔化，冷却时固化成型，且这一过程可以多次重复进行，由于这一特性可以使聚丙烯加工成型十分方便，可以很容易用挤出，注塑，吹塑的方法直接加工成型，并可以使所加工的边角料及废旧料回收重复利用。

聚丙烯塑料具有较好的耐热性能，它的熔点高达164～170℃（纯等规物的熔点可达176℃）软化点为150℃以上，即使在沸水中也不变形，不失去其结晶性，聚丙烯连续使用温度为120℃，在无负荷情况下最高使用温度为150℃，聚丙烯树脂是通用树脂中耐热性最好的一种。

聚丙烯树脂的密度小，相对密度为0.90～0.91，是各种树脂中密度最小的。

聚丙烯树脂的物理机械性能良好，它的拉伸屈服强度为30～38MPa，这也是通用合成树脂中最高的品种之一，它表面硬度大，弹性较好，耐磨性能、介电性能和吸水性能良好。

冲击强度低，这是聚丙烯的最大缺点，尤其是在低温下其冲击强度急剧下降，但是可以通过共聚或共混改性来改善它的耐低温冲击性能，聚丙烯均聚物的性质见表1-2。

2.聚丙烯的化学性质

聚丙烯具有优良的化学稳定性，并随着其结晶度的增加稳定性也增加，它与绝大多数化学品接触几乎不发生作用，但发烟硫酸，发因硝酸、氯、铬酸对聚丙烯有腐蚀作用。

聚丙烯的热化学稳定性好，在100℃下，大多数无机酸、碱、盐溶液除具有强氧化性者外，对聚丙烯几乎都无破坏作用。

聚丙烯是非极性有机化合物，因此它比较容易在非极性有机溶剂中溶胀或溶解，温度越高，溶胀或溶解越快，在一定温度下，它可溶解在十氢萘，四氢萘，1.2.4-三氯代苯中，用粘度法测定聚丙烯的分子量，就是利用它在十氢萘中的溶解性能制成溶液样品，但是聚丙烯对极性有机溶剂都很稳定，醇类、酚类、醛类、酮类和大多数羧酸都不易使聚丙烯发生溶胀，只有芳烃和氯代烃在80℃以上时对聚丙烯有溶解作用，聚丙烯对一些介质的化学稳定性如表1-3。

由于聚丙烯结构中存在叔碳原子，因此易被氧化性介质侵蚀，与其它合成材料一样，聚丙烯在光、紫外线、热氧存在的条件下会发生老化现象，使其变质，失去原有的性质，要使聚丙烯不老化是不可能的，只能添加抗氧剂、紫外线吸收剂、防老剂等来减缓聚丙烯的老化速度，改善其抗老化性能。

表1-2聚丙烯均聚物的典型性能

性能

测试方法

级别

管材、板材

薄膜

注塑

流延薄膜、管型薄膜

熔体流动速率g/10min

D1238L

0.25～0.35

1.5～20

5～7

7～10

特性粘度，230℃,dl/g

ME15071

2.6～3.0

2.0～2.4

1.8～2.1

1.5～1.9

密度，g/cm3

D-1505

0.900～0.905

结晶度X射线,%

ME149/67

58～59

59～60

61～62

62.5～64.0

结晶熔点dsc法，℃

ME15702

161～163

162～164

163～165

结晶温度dsc法，℃

ME15702

104～105

104～106

104～107

等规指数

IS01873

＞96.0

＞95.0

＞94.0

Mw/Mn，gpc法

ME15627

8～10

7～9

6～8

5～7

螺旋流动度，230℃

ME17544

390～450

525～550

700～750

800～850

60kg/cm.mm熔体张力试验

溶胀/24h

ME17115

1.57～1.60

1.60～1.63

1.63～1.64

拉伸比

ME17115

500～700

1100～1300

1500～1700

≥2800

线性模压收缩，%

≤1.9

拉伸屈服强度

D638

29～31

32～34

33～35

艾估德冲击强度，23℃，J/m

D256

1.5～2.0

0.5～0.7

0.3～0.5

0.2～0.3

洛氏硬度，C标度

D-7858

55～60

60～65

畸度温度1.8MPa，℃

D648

50～55

55～60

维卡特温度9.8MPa，℃

D-1525

≥150

黄变指度，粒料，%

D-1925

8～15

4～8

3～6

光泽，板%

D523

48～50

49～51

线性热膨胀系数×105

D696

从-30～0℃

6.5

从0～30℃

10.5

从30～60℃

14.0

发光度，板%

D1635

68～70

≥70

吸水性，24h浸泡

D570

0.03

环境应力开裂,h

D1693

不裂

介电常数

D1531

10KHz

2.2～2.6

1MHz

2.2～2.6

1GHz

2.2～2.6

损耗因数

10KHz

＜0.0005

1MHz

＜0.0005

1GHz

＜0.0005

-0.0018

抗电弧性

D495

136～185

表1-3聚丙烯的化学稳定性

介质

浓度%

温度

20℃

60℃

100℃

H2SO4

○

H2SO4

○

H2SO4

○

HNO4

○

HCl

○

HCl

○

HCl

○

38～40

○

H3PO4

○

甲酸

○

甲酸

○

水醋酸

○

△

醋酸

○

醋酸

○

氯磺酸

铝酸

100

○

铬酸

○

NaOH

○

NaOH

○

NaOH

○

NaOH

○

NH3.H2O

○

过氧化氢

饱和

○

次氯酸钠

○

丙酮

○

苯

100

□

△

二硫化碳

100

□

△

乙醚

100

□

甘油

100

○

变压器油

100

○

硫酸铵

饱和

○

NaCl

饱和

○

乙醇

○

NH3

气体（100%）

○

H2S

○

氯气

干

△

碘酊

○

△

表中○：

稳定□：

尚稳定△：

不稳定×：

破坏

三、聚丙烯树脂的用途

1.工程用聚丙烯纤维

分为聚丙烯单丝纤维和聚丙烯网状纤维。

聚丙烯网状纤维以改性聚丙烯为原料，经挤出、拉伸、成网、表面改性处理、短切等工序加工而成的高强度束状单丝或者网状有机纤维，其固有的耐强酸，耐强碱，弱导热性，具有极其稳定的化学性能。

加入混凝土或砂浆中可有效的控制混凝土（砂浆）固塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂缝，防止及抑止裂缝的形成及发展，大大改善混凝土的阻裂抗渗性能，抗冲击及抗震能力，可以广泛的使用于地下工程防水，工业民用建筑工程的屋面、墙体、地坪、水池、地下室等，以及道路和桥梁工程中。

是砂浆/混凝土工程抗裂、防渗、耐磨、保温的新型理想材料。

2.双向拉伸聚丙烯薄膜

在塑料制品中包装材料占有极其重要的位置，据统计，世界用于包装领域的塑料约占塑料总消费量的35%。

我国包装用塑料发展迅速，产量从1980年的19万吨迅速增至2005年的550万吨，2010年将超过700万吨，2015年超过900万吨，约占全国包装总产量的13%以上。

从产品上看，包装用薄膜约占包装用塑料总量的50%以上。

我国双向拉伸聚丙烯（BO聚丙烯）薄膜是聚丙烯树脂消费量最大的领域之一，2003年我国有BO聚丙烯生产企业86家（123条生产线），总生产能力约140万t/a，2004年达到200万t/a（138条生产线），近年来，国内企业注重提升产品竞争力，先后引进了一批先进的BO聚丙烯生产设备，生产的薄膜宽度可达8.3m，线速度高达400～500m/min，如浙江大东南集团引进德国布鲁克纳6万t/a生产线；国风集团投资2亿元引进3.5万t/a生产线（目前亚洲第1条、世界第4条10m宽的BO聚丙烯设备）；常州武进金氏集团引进德国2万t/a五层共挤高强超薄BO聚丙烯生产线；福建现代集团引进2.5万t/a生产线；宝硕集团计划引进10万t/a生产线等。

按我国现有的BO聚丙烯薄膜生产能力换算，每年对聚丙烯树脂的需求量近200万吨，因此应重视开发BO聚丙烯薄膜用高线速、延伸性、透明性好的聚丙烯专用料，包括配套用的乙、丙共聚物，以适应新引进的BO聚丙烯薄膜设备。

3.汽车用改性聚丙烯

2003年，我国汽车产量为440多万辆，已位居世界第四，同比增长36.6%。

据美国权威报道：

“2009年中国汽车产量将超过600万辆，2015将超过日本，跃居世界第二位”。

汽车工业的发展离不开汽车塑料化的进程，目前我国工程塑料的自给率不足16%。

据中国工程塑料协会预测，2010年我国工程塑料需求增长率为10%，需求量将从2000年的44万吨增长到2010年的140万吨。

我国汽车制造业对工程塑料需求量增长迅速，到2010年总用量将达到94万吨（以塑料用量占汽车重量的5%～10%计）。

聚丙烯用于汽车工业具有较强的竞争力，但因其模量和耐热性较低，冲击强度较差，因此不能直接用作汽车配件，轿车中使用的均为改性聚丙烯产品，其耐热性可由80℃提高到145℃～150℃，并能承受高温750～1000h后不老化，不龟裂。

据报道，日本丰田公司推出的新一代具有高取向结晶性的聚丙烯HEHC聚丙烯产品，可以作为汽车仪表板、保险杠，比以TPO为原料生产的同类产品成本降低30%，改性聚丙烯用作汽车配件具有十分广阔的开发前景。

4.家用电器用聚丙烯

近几年我国家用电器产业发展迅速，品种多，产量大。

2003年我国电冰箱产量为1850万台，空调器4200万台，洗衣机1700万台，微波炉3500万台。

据“2004-2006年中国城市家庭影院市场研究咨询报告”显示，预计未来3年内我国家庭影院系统市场规模将达到690万台。

另外，各种小家电也拥有巨大的潜在市场，这对改性聚丙烯来说，是一个极好的商机。

目前，我国一些塑料原料厂商已经开发出洗衣机专用料如聚丙烯1947系列、K7726系列等，受到了洗衣机制造厂商的欢迎。

因此，在未来几年内应加大开发家用电器聚丙烯专用料的力度，以适应市场变化的需求。

5.管材用聚丙烯。

2004年全国塑料管材总产量突破200万吨。

早期，聚丙烯管材主要用作农用输水管，但是由于早期产品性能还存在一些问题（抗冲击强度、耐老化性能较差），市场未能打开。

随着上海塑料建材厂首家引进国外先进技术，采用进口聚丙烯-R料生产的输送冷、热水用的管材得到市场认可后，目前已有不少厂家建设聚丙烯-R管材生产线，价格也由投产初期的2万～3万元/t不断回落，但聚丙烯-R管材在塑料管材市场上的占有率仍然很低。

据反映，目前国产聚丙烯-R料与进口料相比较还有一定差距，质量有待改进和提高。

据报道，目前韩国开发出一种耐高压给水管用无规共聚聚丙烯聚丙烯-R112新牌号，使用该牌号生产的管材可在20℃和11.2MPa的超高压状态下使用50年。

塑料管材是我国化学建材推广应用的重点产品之一，建设部曾于2001年发出“关于加强共聚聚丙烯（聚丙烯-R、聚丙烯-B）管材生产管理和推广应用工作的通知”，要求有关部门共同做好从原料、加工、质量以至管材使用、安装等工作，要严格把好聚丙烯管材质量关，以利更好地做好我国聚丙烯管材的生产、应用、推广工作。

6.高透明聚丙烯

随着人们生活水平不断提高，必然带来在文化、娱乐、食品、医疗、材料、居室装饰等各个方面不同变化的要求与提高，市场中很多物品越来越多地使用透明材料。

因此，开发透明聚丙烯专用料是一个很好的发展趋势，尤其需要透明性高、流动性好，成型快的聚丙烯专用料，以便设计加工成人们喜爱的聚丙烯制品。

透明聚丙烯比普通聚丙烯、PVC、PET、PS更具特色，有更多优点和开发前景。

近几年，国外透明聚丙烯市场增长很快，如韩国LG将透明聚丙烯作为PET替代品推向市场；德国某些公司用透明聚丙烯替代PVC；美国透明聚丙烯制品的增长速度高出普通聚丙烯制品7%～9%；日本近几年聚丙烯成核透明剂的年用量约为2000吨，若以添加量0.25%推算，日本透明聚丙烯料的年产量可达80万吨以上。

据日本理化株式会社介绍，日本透明聚丙烯专用料用于微波炊具及家具两方面的消费量最大。

2005年国外市场对透明聚丙烯专用料需求量达到550万吨以上。

目前国内透明聚丙烯专用料与国外差距较大，透明聚丙烯树脂及其制品的生产、应用仍有待加强。

7.聚乙烯聚氯乙烯聚苯乙烯聚丙烯有什么区别

聚乙烯PE：

未着色时呈乳白色半透明，蜡状；用手摸制品有滑腻的感觉，柔而韧；稍能伸长。

一般低密度聚乙烯较软，透明度较好；高密度聚乙烯较硬。

常见制品：

手提袋、水管、油桶、饮料瓶（钙奶瓶）、日常用品等。

聚丙烯：

未着色时呈白色半透明，蜡状；比聚乙烯轻。

透明度也较聚乙烯好，比聚乙烯刚硬。

常见制品：

盆、桶、家具、薄膜、编织袋、瓶盖、汽车保险杠等。

聚苯乙烯PS：

在未着色时透明。

制品落地或敲打，有金属似的清脆声，光泽和透明很好，类似于玻璃，性脆易断裂，用手指甲可以在制品表面划出痕迹。

改性聚苯乙烯为不透明。

常见制品：

文具、杯子、食品容器、家电外壳、电气配件等

聚氯乙烯PVC：

本色为微黄色半透明状，有光泽。

透明度胜于聚乙烯、聚苯烯，差于聚苯乙烯，随助剂用量不同，分为软、硬聚氯乙烯，软制品柔而韧，手感粘，硬制品的硬度高于低密度聚乙烯，而低于聚丙烯，在屈折处会出现白化现象。

常见制品：

板材、管材、鞋底、玩具、门窗、电线外皮、文具等

聚对苯二甲酸乙二醇酯PET：

透明度很好，强度和韧性优于聚苯乙烯和聚氯乙烯，不易破碎。

常见制品：

常为瓶类制品如可乐、矿泉水瓶等。

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