CN110183559B - 一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法，通过将催化剂体系、氢气及丙烯混合于聚合反应器中进行聚合反应，制得在230℃、载荷2.16kg条件下的熔融指数为10‑15g/10min的第一产物体系，再和添加剂混合，经挤压造粒在230℃、载荷2.16kg条件下的熔融指数为20‑45g/10min，分子量分布指数Mw/Mn＝4‑6的制得聚丙烯树脂。其具有高熔融指数，加工性能良好，气味低；生产过程中过渡料少，切换周期短，生产速率高，且分子量分布较窄，提高了纤维拉伸强度和伸长率；此树脂加工制成的纺粘非织造布，过氧化物残留量低，裂解率高，纺丝均一稳定性较高，具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯树脂，具体涉及一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法。

背景技术

聚丙烯通常在齐格勒-纳塔催化剂即含有卤化钛的催化剂的存在下由丙烯单体聚合而制造。这些催化剂通常还含有内给电子体，例如邻苯二甲酸酯、二醚等。现有的生产装置工艺多采用环管类工艺，这类工艺由于液相本体聚合的本质要求，催化剂都需要预接触和预聚合，而且一般需要两组串联的环管反应器。高、低压的闪蒸分离气体需要洗涤除细粉，汽蒸、干燥的尾气也需要水洗处理，而气相法生产均聚丙烯和无规共聚聚丙烯只需要一台均聚反应器，反应器后的聚合物粉料大多采用脱气仓一步法处理。因而气相法工艺流程短，设备台数少，流程配置比环管法简单。而且气相法因为聚合压力和温度等操作条件都比环管法缓和，生产工艺更为安全。

聚丙烯目前已经成为纺粘非织造布中使用最广泛的聚合物之一。由于它具有质地轻、强力高、弹性好、耐磨、耐腐蚀等优点，聚丙烯无纺布用于多种制品，例如包括尿布、卫生巾、训练裤、成人失禁产品、医院工作服、湿手巾、清洁工衣物等在内的一次性卫生物品。

为了在纺粘非织造布中产生良好的加工性能和无纺物性质，需要使分子量分布变窄，这可以通过降解以热或化学方式实现。尤其是随着聚丙烯纤维差别化、功能化的发展，对纺粘非织造布的专用树脂提出了更高的要求，如具有高熔体流动速率，窄分子量分布，高等规度，高断裂伸长率，低灰分等，以提高纤维纺丝速度，降低加工温度，而高拉伸性能则可以降低纤维纤度，制品薄，满足无纺布对手感、强度等性能要求。

目前，通常用于纺粘非织造布的聚丙烯的熔体流动指数为20g/10min-45g/10min，而工业生产中高流动性聚丙烯的方法主要有氢气调节法和直接化学降解调节法。

氢调法，是在聚丙烯的聚合反应过程中将氢气作为分子量调节剂，通入聚丙烯的聚合反应器，氢气与催化剂活性中心反应，终止聚丙烯链的进一步增长，从而使原料树脂具有较高的熔体流动性能，这种方法单独使用的缺点是生产过程中过渡料多，切换周期长，生产速率低，在纺粘非织造布的加工过程中，容易产生断丝等现象，影响加工生产效率，而且产品分子量分布较宽，不利于提高纤维的强度。

直接化学降解调节法，是在挤出造粒过程中，往聚丙烯基础树脂中直接添加大量的过氧化物进行降解，以提高其熔融指数。虽然此法制得的聚丙烯树脂的分子量分布较窄，具有较好的成纤性能，但大量过氧化物的使用一方面会增加产品的成本，另一方面残留的过氧化物可能会使聚丙烯无纺布进一步降解，并使最终得到的聚丙烯纺粘非织造布产生味道，使皮肤敏感人群产生不适而限制其在某些领域(如医疗卫生、食品等领域)的应用。

国内的高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂所制备的产品质量存在熔指波动大，分子量分布宽，杂质含量偏高，生产时断丝和并丝现象严重等问题，只能应用于低端产品中，而高档聚丙烯纤维(如细旦、超细旦和熔喷无纺布等)专用树脂绝大部分需进口，这些进口原料主要用于生产出口产品以及品质要求较高的卫生保护用品和医疗卫生用品等。

因此，急需要一种方法制备高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂，具有高熔融指数和窄分子量分布的加工性能的同时，还能保持优异的机械性能，确保树脂具有均一稳定的成纤性能。

CN103788259B专利公布了一种反应器聚合直接制备分子量窄分布丙烯聚合物的方法，该法在齐格勒-纳塔催化剂的存在下，在气相或者液相中，将丙烯在-10℃至50℃，0.1-10.0MPa下进行预聚合，得到丙烯预聚物；在得到的丙烯预聚物存在下，于91—110℃,在1.5-5.5MPa，在气相或者液相中，进行丙烯的均聚合反应；聚合反应时间0.5-4.0小时，得到的丙烯聚合物。此种方法为液相本体聚合的环管类生产工艺，生产流程较为复杂，生产条件要求较高。

CN105143528B专利公布了一种新的聚丙烯纤维及由此纤维制造的纺粘非织造织物的制备方法，该法使用特定种类的二醚和琥珀酸酯复合的内给电子体催化剂和液相工艺，先制备聚丙烯前体，然后进行过氧化物的化学降解。该法制得的聚丙烯纤维的相对分子质量分布Mw/Mn范围为3-12之间，范围较宽。

CN1072738C专利公布了一种制备聚丙烯纤维纺丝料的方法，其主要特点是将过氧化物和聚丙烯树脂经双螺杆熔融挤出，得到的过氧化物浓缩母粒与聚丙烯树脂再一次经双螺杆熔融挤出，制得聚丙烯纤维纺丝料。此法对过氧化物母粒的稳定性有较高要求，且成本较高，与聚丙烯树脂的兼容性也有待评估。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高熔融指数、较窄的分子量分布，气味低，且保持优良的力学性能，具有较高的拉伸强度和断裂伸长率、灰分低等良好的成纤性能的高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法，包括以下步骤：

S1、将催化剂体系、氢气及丙烯混合于聚合反应器中进行聚合反应，制得第一产物体系，其在温度230℃、载荷2.16kg条件下的熔融指数为10-15g/10min；

S2、将第一产物体系和添加剂混合挤压造粒后得到聚丙烯树脂，其在温度230℃、载荷2.16kg条件下的熔融指数为20-45g/10min，分子量分布指数Mw/Mn＝4-6。

上述聚合反应，包括以下步骤：

A1、向聚合反应器中进丙烯，建立丙烯分压至3.0-3.2MPa，

A2、向聚合反应器中进氢气至H₂/C₃的摩尔比为0.01-0.03；向聚合反应器注入催化剂体系；

A3、反应开始后，添加丙烯保持聚合反应器内丙烯分压为3.0-3.2MPa，确保H₂/C₃、Al/Ti、Al/Si的比值，即通过控制各物料进料量来维持组分比例，且流量平稳，调整催化剂和丙烯进料量，保证丙烯分压的前提下，提高聚合反应器负荷至52t/h；

A4、适当调整H₂/C₃，控制第一产物体系的熔融指数在10-15g/10min范围内。

上述S2中挤压机的筒体温度210-240℃，切粒水温度40-60℃。

上述步骤S2中的挤压造粒，第一产物体系和添加剂的组分含量，以重量份数来计：

第一产物体系100份，抗氧剂0.05-0.3份，降解剂0.01-0.04份，吸酸剂0.02-0.1份；

所述降解剂包括(2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基))己烷；

所述吸酸剂包括硬脂酸钙；

所述抗氧剂包括主抗氧剂和助抗氧剂；

所述主抗氧剂为酚类抗氧剂，包括1,3,5-三甲基-2,4,6-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)苯，β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯的至少一种，

所述助抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂，包括亚磷酸酯类抗氧剂为三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯。

上述催化剂体系，包括载体、外给电子体、助催化剂、内给电子体、含有钛-卤键的钛化合物，优选为SHAC系列催化剂；

所述外给电子体为烷氧基硅烷类化合物、二异丁基二甲氧基硅烷、二异丙基二甲氧基硅烷、异丁基甲基二甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、正丙基三乙氧基硅烷、环已基甲基二甲氧基硅烷中的一种；

所述内给电子体为邻苯二甲基酸酯、邻苯二甲酸二正丁基酯、邻苯二甲酸二异丁基酯、9,9-二甲氧甲基芴、2,2-二乙基丙二酸二正丁酯、2-异丁基马来酸二乙酯、3,3-二甲基戊二酸二乙酯、二正丁基酞酸酯中的一种；

所述助催化剂包括三乙基铝；

所述载体包括氯化镁、乙氧基镁。

进一步的，上述外给电子体，优选为二异丁基二甲氧基硅烷，二异丙基二甲氧基硅烷，正丙基三乙氧基硅烷。

进一步的，上述助催化剂和外给电子体的摩尔比用元素Al和Si计，两者比例为6-10，优选为7-9；

进一步的，上述助催化剂和催化剂的摩尔比用元素Al和Ti计，两者比例应为40-60，优选为40-50。

上述聚合反应器为Unipol气相聚合反应器；反应温度为65-75℃，压力为2.8-3.3Mpa。

上述聚丙烯树脂的裂解率CE≥90％，CE由以下公式I限定：

上述聚丙烯树脂应用于纺粘非织造布的生产加工期间的改善，由最大箱体空气压力且在t≥168小时内保持最大压力偏差A_m≤5％来表示纤维纺丝的稳定性，其中改善由以下公式II和公式III限定：

A_m/B_m≥1.1 (II)

ΔA_m≤5％当t≥168h (III)

式中，A_m为制备的聚丙烯树脂最大可应用的箱体空气压力[MPa]，

B_m为其他方法制备的聚丙烯树脂最大可应用的箱体空气压力[MPa]。

本发明的有益之处在于：

本发明的一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂，具有以下优点：

1、该树脂具有高熔融指数，加工性能良好，且能保持优异的机械性能，具有均一稳定的成纤性能，气味低；生产该树脂的气相聚合的制备方法与液相本体法相比，生产稳定简单，转产灵活，没有预聚工序，而是采用一个大的Unipol气相流化床反应器生产均聚物，降低了在生产高熔融指数均聚聚丙烯树脂时，细粉在反应器内结块的风险。

2、本发明结合氢调法和降解法的优点，采用氢调法生产熔融指数(230℃，2.16kg)为10-15g/10min的基础树脂，再通过加入少量的过氧化物降解使树脂的熔融指数(230℃，2.16kg)达到18-45g/10min。与纯氢调法相比，生产过程中过渡料少，切换周期短，生产速率高，而且产品分子量分布较窄，提高了纤维拉伸强度和伸长率；与直接加入大量过氧化物的化学降解法相比，树脂产品的气味性较低，黄色指数也低，感观性好，尤其适用于医疗卫生、食品等领域方面。

3、此树脂加工制成的纺粘非织造布，过氧化物残留量低，裂解率高，纺丝均一稳定性较高，受纺丝过程的影响因素波动较少，通过提高最大纺丝速度来生产更小直径的纤维，改善加工性，但拉伸强度和伸长率等机械性能仍能不受影响，优于纯氢调法和直接降解法制备树脂加工生产的纺粘非织造布。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法，包括以下步骤：

S1、将催化剂体系、氢气及丙烯混合于Unipol气相聚合反应器中进行聚合反应，制得第一产物体系，其在温度230℃、载荷2.16kg条件下的熔融指数为10-15g/10min。

催化剂体系选用SHAC^TM201，包括四氯化钛、载体氯化镁、外给电子体正丙基三乙氧基硅烷、助催化剂三乙基铝、内给电子体邻苯二甲基酸酯；其中，助催化剂和外给电子体的摩尔比，即元素Al/Si＝6-10；助催化剂和催化剂的摩尔比，即元素Al/Ti＝40-60。

聚合反应的具体操作为：

A1、向Unipol气相聚合反应器中进丙烯，建立丙烯分压至3.0-3.2MPa，

A2、向反应器中进氢气至H₂/C₃的摩尔比为0.01-0.03，氢气加入量为4-7kg/h；向聚合反应器注入催化剂体系；

A3、反应开始后，添加丙烯保持聚合反应器内丙烯分压为3.0-3.2MPa，确保H₂/C₃、Al/Ti、Al/Si的比值，即通过控制各物料进料量来维持组分比例，且流量平稳，催化剂载体流量为80kg/h，丙烯进料量为57000-59000kg/h，保证丙烯分压的前提下，提高聚合反应器负荷至52t/h；

A4、适当调整H₂/C₃，控制第一产物体系的熔融指数在10-15g/10min范围内。

S2、比例以质量分数计，将100份第一产物体系和0.01-0.04份降解剂混合后，经挤压机挤压造粒后得到聚丙烯树脂，其在温度230℃、载荷2.16kg条件下的熔融指数为20-45g/10min，分子量分布指数Mw/Mn＝4-6。

降解剂为(2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基))己烷。

实施例1-2及对比例1-3在聚合反应中的相关工艺参数，见下表1：

实施例3-10为在下列添加剂的存在下，对实施例1-2及对比例1-3的第一产物体系进行步骤S2的挤压造粒，根据粒料分析结果，调整挤压机参数，控制挤压机筒体温度210-240℃，切粒水温度40-60℃；添加剂的各组分成分，分别为：

主抗氧剂1,3,5-三甲基-2,4,6-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)苯，助抗氧剂(三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯168)，降解剂(2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基))己烷，吸酸剂硬脂酸钙，上述添加剂的量见下表2：

各项性能测试按以下标准进行：

样品熔体流动速率(MFR值)，按GBT 3682-2000标准进行，测试条件为230℃，2.16kg的荷重。

拉伸性能测试，按ISO 527-1-2012标准进行。

分子质量分布指数Mw/Mn，使用凝胶渗透色谱法(GPC)测量样品的分子量，将样品溶解在1,2,4-三氯苯中，其中三氯苯为流动相，温度为150℃，将所得溶液注射到凝胶渗透色谱中并且在聚合物工业中公知的条件下进行分析。

气味测试，按PV3900(2000)汽车内部的部件气味检验(大众汽车标准)的标准进行。

裂解率测试，按样品熔体流动速率的测试标准进行，在制备加入0.5％BHT抗氧剂的样品时，先将聚丙烯粒料在液氮中冷却粉碎，之后与BHT抗氧剂充分混合均匀再进行MFR值测试。

按上述方法，测试分析实施例3-6及对比例4-7中制备的聚丙烯树脂的熔融指数、拉伸断裂应力、拉伸断裂标称应变和分子质量分布Mw/Mn，测试结果见下表3。

备注：气味等级，1不能感受到的；2可感受到的，无妨碍的；3可明显感受到的、但没有太大妨碍的；4有妨碍的；5受较大妨碍的；6难以忍受的。

从上表3及以上描述可见，本发明提供的生产方法制备的高流动性纺粘非织造布专用聚丙烯树脂达到了以下效果：

实施例3-6具有高熔融指数、窄分子量分布，保持优良的力学性能，具有较高的拉伸强度和断裂伸长率、良好的成纤性能。

实施例3-6和对比例7-8的聚合反应丙烯进料量可以发现，随着氢气浓度的上升,聚合装置需要更多的丙烯来稳定反应，不仅带来生产安全的隐患，使得生产时通过丙烯带走的换热量也存在一定的风险性。

而且，对比例7-8的分子质量分布指数也明显高于实施例3-6，拉伸性能都比实施例3-6有所下降，说明通过氢调加降解的平衡法制得产品的纺丝性能将优于纯氢调法。

实例3-6的裂解率明显远高于对比例9-10且对比例的裂解率都低于90％，间接说明对比例中过氧化物的残留较多且气味性相对较大，与气味测试结果也互相印证符合。

聚丙烯纤维纺粘非制造布的制备：

在1米宽的Reicofilt 4生产线上使用上述实施例3，7和9原料聚丙烯制造纺粘非织造布，其中该生产线具有单模头，其每米的长度具冇约7000个孔，各孔的直径为0.6mm。设定每个孔的产量为0.41g/孔/分钟。生产线速度保持为250m/min。加工生产的无纺布的织物重量为12g/m²，使用压花辊将该无纺布热粘合。

下表4为关于以实施例3，对比例4(实施例7)和对比例6(实施例9)为原料加工制造的无纺布的丝纤度、加工性能和机械性能有关等数据。

其中，织物中的平均纤维直径是通过使用光学显微镜测量20个被随机选择的纤维直径d来测定的。丝纤度是通过以下公式关系从平均纤维直径来计算的：D＝πd²/4×L×ρ×10^-6；网的机械性能是根据ISO 9073-3:1989标准来测量纺粘非织造布的拉伸强度和伸长率。

从上表4可见，本发明提供的生产方法制备的聚丙烯树脂所纺粘的非织造布达到了以下效果：

实施例3能够在最大箱体压力9900MPa下运转，在该条件下丝纤度仅为1.24旦，而对比例4(纯氢调法)仅能够在最大箱体压力8100MPa下运转，在该条件下丝纤度为1.45旦，也观察到最大压力的偏差也在16％内(t≤300h)，远高于实施例3，纺丝的稳定性明显更差，可拉伸性也更好，纺丝速度得到提高。

此外，实施例3的丝纤度虽与对比例6的丝纤度1.26旦接近，但对比例6仅(直接降解法)能够在最大箱体压力8500Pa下运转，且对比例6最大压力的偏差保持性远低于实施例3(氢调加降解法)，过氧化物的残留物过高使其纺丝稳定性较差，最大拉伸强度也略低于实施例3。

总之，该结果表明本发明制备的聚丙烯树脂所纺粘的非织造布(即特征在于与氢调法用于纺粘聚丙烯相比具有更窄化的分子量分布的聚丙烯，与直接降解法用于纺粘聚丙烯相比具有更高裂解效率，更少过氧化物残留的聚丙烯)在加工性及机械性能方面具有优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将催化剂体系、氢气及丙烯混合于聚合反应器中进行聚合反应，制得第一产物体系，其在温度230℃、载荷2.16kg条件下的熔融指数为10-15g/10min；

S2、将第一产物体系和添加剂混合，由挤压机挤压造粒制得聚丙烯树脂，其在温度230℃、载荷2.16kg条件下的熔融指数为20-45g/10min，分子量分布指数Mw/Mn=4-6；

所述步骤S1中的聚合反应，包括以下操作步骤：

A1、向聚合反应器中进丙烯，建立丙烯分压至3.0-3.2MPa，

A2、向聚合反应器中进氢气至H₂/C₃的摩尔比为0.01-0.03后，向聚合反应器注入催化剂体系；

A3、反应开始后，添加丙烯保持聚合反应器内丙烯分压为3.0-3.2MPa，通过控制各物料进料量维持组分比例；保证丙烯分压的前提下，提高聚合反应器负荷至52t/h；

A4、调整H₂/C₃，产出熔融指数在10-15g/10min的第一产物体系；

所述步骤S2中的第一产物体系和添加剂的组分含量，以重量份数来计：

第一产物体系100份，抗氧剂0.05-0.3份，降解剂0.01-0.04份，吸酸剂0.02-0.1份；

所述降解剂包括(2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基))己烷；

所述吸酸剂包括硬脂酸钙；

所述抗氧剂包括主抗氧剂和助抗氧剂；

所述主抗氧剂为酚类抗氧剂，包括1 ,3 ,5-三甲基-2 ,4 ,6-三(3 ,5-二叔丁基-4-羟基苄基)苯，β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯的至少一种，

所述助抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂，包括亚磷酸酯类抗氧剂为三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯；

所述聚合反应器为Unipol气相聚合反应器；反应温度为65-75℃，压力为2.8-3.3Mpa。

2.根据权利要求1所述的一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法, 其特征在于，所述催化剂体系包括载体、外给电子体、助催化剂、内给电子体、含有钛-卤键的钛化合物；

所述外给电子体为二异丁基二甲氧基硅烷、二异丙基二甲氧基硅烷、异丁基甲基二甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、正丙基三乙氧基硅烷、环已基甲基二甲氧基硅烷中的一种；

所述内给电子体为邻苯二甲酸二正丁基酯、邻苯二甲酸二异丁基酯、9,9-二甲氧甲基芴、2,2-二乙基丙二酸二正丁酯、2-异丁基马来酸二乙酯、3,3-二甲基戊二酸二乙酯、二正丁基酞酸酯中的一种；

所述助催化剂包括三乙基铝；

所述载体包括氯化镁、乙氧基镁。

3.根据权利要求2所述的一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法, 其特征在于，所述助催化剂和外给电子体的摩尔比用元素Al和Si计，两者比例为6-10。

4.根据权利要求2所述的一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法, 其特征在于，所述助催化剂和催化剂的摩尔比用元素Al和Ti计，两者比例应为40-600。

5.根据权利要求1所述的一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法，其特征在于，所述S2中挤压机的筒体温度210-240℃，切粒水温度40-60℃。

6.根据权利要求1所述的一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法, 其特征在于，所述聚丙烯树脂的裂解率CE≥90%，CE由以下公式I限定：

(I)，

无残留过氧化物影响的聚丙烯粒料为加入0.5%的BHT抗氧剂的聚丙烯粒料。

7.根据权利要求1所述的一种高流动性纺粘非织造布用聚丙烯树脂的生产方法, 其特征在于，所述聚丙烯树脂应用于纺粘非织造布的生产加工期间的改善，由最大箱体空气压力且在t≥168小时内保持最大压力偏差ΔA_m≤5%来表示纺丝加工的稳定性，其中改善由以下公式II和公式III限定：

A_m/B_m≥1.1 (II)

ΔA_m≤5%当t≥168h (III)

式中，A_m为制备的聚丙烯树脂最大可应用的箱体空气压力[MPa]，

B_m为其他方法制备的聚丙烯树脂最大可应用的箱体空气压力[MPa]。