一次性快餐盒专用 PP 树脂的开发

黄启望，陈 斌，宋之聪

（中国石油化工股份有限公司广州分公司，广东省广州市 510726）

国内一次性餐具年消费量达上亿只，发泡聚苯乙烯由于卫生安全及环保问题一度被禁止使用。PP 由于其良好的卫生安全性、耐热性并容易回收，故毫无疑问地成为最安全、环保的一次性餐具专用材料。目前国内用于一次性快餐盒生产的快速薄壁注塑级 PP 树脂缺口很大，大部分都是采用进口料。中国石油化工股份有限公司（简称中国石化）广州分公司开发的高流动性快速薄壁注塑级 PP 树脂一方面可以完善中国石化此类专用树脂的供给布局，抢占市场先机；另一方面有助于中国石化广州分公司全面掌握高流动性 PP 的生产技术和完善 PP 树脂产品链，为企业创造更多的效益；此外还可为华南地区的广大用户在原料方面多提供一个选择，降低采购成本和物流费用，为客户创造价值。

1 一次性快餐盒专用树脂的生产技术要求

对注塑树脂来说，一是熔体必须有足够的流动性，能够充满模腔；二是树脂收缩率的变化应在模具设计范围[1]。加工流动性能是一次性快餐盒专用树脂的重要指标，流动性能好的树脂可以在较低的温度和注塑压力下加工，而流动性不好的则需提供较高的加工温度和注塑压力，有时还会出现制品边缘注不满的缺陷。尽管熔体流动速率（MFR）可以用来粗略评价树脂的加工流动性，但普通 PP 的 MFR 是在 230 ℃，2.16 kg 条件下用2.095 mm 内径口模测定的，该条件与薄壁注塑专用树脂的实际使用条件差异较大。考虑到实际制品的壁厚多在 0.5 mm 以下且熔体在模具内流动的剪切应力远高于 MFR 测定时在口模内的剪切应力，通过测定 230 ℃，1.180 mm 内径口模条件下不同负荷的 MFR 来表征专用树脂的加工流动性，这与实际加工条件更接近，也更合理。

根据 PP 产品的用途，结合一次性快餐盒的特点，制定出一次性快餐盒专用树脂 S980 的产品性能指标（见表 1）。

表 1 S980 产品性能指标Tab.1 Specification of grade S980

2 专用树脂的生产

中国石化广州分公司在 PP Ⅱ装置上采用一液一气两釜的本体法工艺技术，以钛系为催化剂，并将装置生产能力在原基础上扩大改造为70 kt/a，只生产 PP 均聚物。2005 年，该公司在 PPⅡ装置上以聚合生产 CF501（MFR 为 3.50～5.00 g/10 min）粉料为基础，采用在装置造粒工段添加降解剂（液体过氧化物）的方法，降低树脂的重均分子量、提高树脂 MFR，批量生产了 MFR 为（25.00±2.00）g/10 min 的纤维料 CS820 产品，为生产更高的 MFR 产品积累了技术和操作经验。

2.1 一次性快餐盒专用树脂的首次生产

2011 年 9 月，在 PP Ⅱ装置上首次进行 S980（未添加成核剂）的试生产。11：00 从生产 MFR为 38.00～42.00 g/10 min 的 S960 牌号向 S980 切换，造粒机生产负荷为 9.2 t/h，切刀转速从 67% 提高到 69%，粒料冷却水设定值从 55 ℃ 下调至 53℃。缓慢提高降解剂泵的冲程，观察筛网后的压力和齿轮泵转速的变化，当压力从 4.5 MPa 下降至4.1 MPa 时采样分析粒料的 MFR，此时粒料继续进过渡仓；10 min 后产品 MFR 达到 50.00 g/10 min，切换料仓，开始转产 S980。本次牌号切换过程用了 20 min，11：40 转回生产 S960。共生产 S980 产品 6 t，送客户试用，同时做性能测试及评价。

首次生产 S980 产品过程中，主要存在的问题集中在造粒阶段，表现为：碎屑的产生量比生产S960 时增加约 20%，粒料带尾、黏料和微小颗粒增多，切刀的磨损速度偏快，齿轮泵转速出现大幅波动，树脂 MFR 波动大等。收集客户试用后的反馈意见：制品质感偏软，刚性不够，透明度稍差，直接注塑薄壁饭盒时熔体温度高 12 ℃ 左右，注塑压力也较高，注塑成型周期约 4 s，制品容易变形。

2.2 造粒机操作条件的优化

针对生产过程中出现的问题，提出了造粒机操作条件优化方案：将颗粒冷却水的温度从52 ℃ 降至 50 ℃，切刀转速从 900 r/min 升至 960 r/min，同时做好月度保养工作，根据切刀磨损情况进行更换，降低槽隙设定值，使模板加热蒸汽压力从 1.7～1.8 MPa 下降至 1.3～1.5 MPa。造粒控制参数优化数据见表 2。

2011 年 10 月，按照造粒机操作条件优化方案进行了 S980 的第二次试生产，本次共生产S980 约 15 t。由于此次加入了成核剂，粒料带尾现象明显减少，颗粒外观显著改善。产品经汕头伟达实业有限公司试用表明，制品的刚性及透明性都有所提高，刚韧平衡性较好，基本满足一次性快餐盒的生产要求。

2.3 成核剂配方筛选

客户反馈意见提到制品容易变形，一次性快餐盒专用树脂需要改进的地方是提高产品刚性，改善流动性，缩短制品成型周期。为此采取添加微量成核剂的方法提高刚性。

PP 成核剂主要分为 α 成核剂和 β 成核剂，其中 α 成核剂的作用是提高 PP 材料的刚性和制品的透明性，本实验的成核剂筛选综合考虑成本及效果，尽可能筛选出性价比最佳的配方。试验中采用装置试生产的 MFR 为 48.00 g/10 min 的颗粒料为基料，成核剂的筛选结果见表 3。

表 3 成核剂筛选结果Tab.3 Selection of the nucleating agents

从表 3 可以看出：配方 3 具有较高的抗冲击性能和结晶温度，可保证制品的韧性和较短的加工成型周期；而且成核剂用量最少，成本最低，尽管弯曲性能稍差，但总体性价比最佳，可作为生产配方。

3 产品质量的持续改进

2012 年上半年，一次性快餐盒专用 S980 树脂进入稳定生产，部分批次产品分析结果见表 4。添加成核剂后的 S980 基本符合指标要求，质量稳定。

表 4 S980 产品质量Tab.4 Product quality of grade S980

2012 年 10 月收到客户反馈的意见：一次性快餐盒专用树脂 S980 流动性稍差，注塑温度需提高 20 ℃ 左右，成型周期也相对较长；因加工温度提高，所以制品出现轻微发黄现象。

3.1 MFR 的调整

一次性快餐盒专用树脂 S980 流动性稍差的原因是由于采用可控流变工艺，使树脂在降解过程中相对分子质量分布变窄，所以对树脂的加工流动性产生不利影响。改善 S980 加工流动性能的方法：一是整体提升粉末树脂的 MFR，降低基础树脂的降解程度，从而改善 S980 的相对分子质量分布；二是将产品（粒料树脂）的 MFR 进一步提高至 53.00～56.00 g/10 min。

2013 年 1 月生产 S980 时，对第一反应釜和第二反应釜粉末树脂的 MFR 进行调整，以此适应产品流动性的改变，造粒产品的 MFR 控制在51.00～56.00 g/10 min。将调整后生产的产品送指定客户试用。调整前后 S980 流动性评价见表 5。

表 5 MFR 调整前后分析结果Tab.5 MFR analysis results before and after adjustment

3.2 助剂配方的优化

过氧化物应不是制品变色的主要原因，即使过氧化物浓度很高的降温母粒，提高加工温度后树脂和制品也不会有任何变色，白度甚至比普通PP 还好；即使 S980 中存在残留过氧化物，但在加工制品的过程中，于 250 ℃ 左右条件下也基本完全分解。制品变色原因应是由助剂引起的。预混剂是指几种添加剂按比例混合后切成粒状物。基于前面的分析，初步拟定采用新配方（预混剂 B/成核剂）与旧配方（预混剂 A/成核剂）进行产品性能分析（见表 6）。

从表 6 看出：加工温度的变化不会导致新配方制品出现颜色变化。

3.3 质量改进效果

客户试用采用新配方生产的产品后认为: 新配方 S980 产品加工过程正常，制品外观大有改善，未出现颜色变化。用户认可产品性能的改进。至此，S980 流动性和制品变色问题基本解决。

4 结语

a）以 CF501 粉料为基础树脂，通过调整造粒系统降解剂注入量、颗粒冷却水温度、造粒切刀转速、槽隙设定值、模板加热蒸汽压力等参数，可稳定生产 MFR 达 53.00～56.00 g/10 min 的一次性快餐盒专用树脂 S980。

表 6 不同注塑温度下新、旧配方产品性能Tab.6 Properties of the product prepared with different formulae at different injection temperatures

b）通过调整助剂配方，可解决加工温度变化引起的 S980 制品变色问题，使制品外观明显改善，产品性能得到用户认可。

[1] 洪定一.聚丙烯—原理、工艺与技术[M].北京：中国石化出版社，2005：498.