聚丙烯結構

聚丙烯為丙烯的聚合物，其化學分子結構如圖1.2所示，其特性如下所列：

       〈1〉低比重，為主要塑膠中比重最輕的一種。
       〈2〉良好的機器物性，特別是衝擊強度與剛性的比值。
       〈3〉高耐溫效果。
       〈4〉優秀的加工特性。
       〈5〉廣泛性的複合材料用途。
       〈6〉適當環保材料。
       〈7〉其它：耐化學性、耐折繞、電器阻隔效果。

影響聚丙烯物性的因素除了本身丙烯單體的性質外，有以下，愈後者愈重要：平均分子量、分子量分布、立體結構。

1. 分子量

聚合物聚合時會因聚合度不同造成不同的分子量，故在高分子領域中聚合物的分子量是指其平均分子量。一般很難準確評估其分子量大小，較簡單的是以美國材料試驗協會ASTM測試方法測定熔融流動速率(Melt Flow Rate，MFR，PE用Melt Index，MI)。若分子量較高則其分子鏈較長且黏度較高，透過測試將得到MFR較低的結果，故可由MFR回推平均分子量。

分子量高低直接影響加工成型的各方面，尤其是與模具的配合收縮率上的問題、加工條件以及生產週期。另外，分子量也影響了同基材的物理特性，分子量高MFR低成型不易，材質剛性則稍差但衝擊強度會好很多。

2. 分子量分佈

分子量的分佈基本上是常態分配，正如同自然界中的大數法則。分子量分佈寬窄會影響加工的穩定性，尤其是在雙向延伸膜及高速複絲纖維生產行業，會影響加工效率及品質。新一代的茂金屬觸媒Metallocene下原料品質除了分子量分佈較窄，加工性會好很多。

原料廠商會以PI值（分子量分布指數，Polydidpersity Index）及XI值（二甲苯溶解度，Xylene Soluble）二種方式來比較分子量分佈的情形。XI值也是錯位結構PP的含量測試，一般而言錯位結構含量越高越柔軟，衝擊強度也稍好較透明。PI值越高分子量分佈越寬，以抽絲而言，耐溫較差、生產效率較差、熔融強度較高、較差的熔融延伸、斷點抗張較差、斷點延伸率較好、成絲後紡紗時耐溫性較好效率較高。所以生產必須在加工及後加工中取得平衡，如BOPP級分子量分布寬，其熔融強度高、產出量較大。另外一現象是PI值越高剛性越好，熱變形溫度越高，比重越高，以高結晶PP而言，彎曲彈性可達24,000顯然較一般17,000挺性較好；比重0.91較所有PP都在0.9左右顯然較重。不過新觸媒的研發都有這種原料物性趨勢：比重漸趨增加、PI值提高、剛性增加、XI值減少。但文具行業大概不願看到此種改變，這與他們的需求剛好相反。另一方面複絲級規格常以斷鍵（Visbroken）方式去提高熔融流率，這方面的技術可能也會影響原料物性。

	密度		分子量		分子量分布
	Increase	Decrease	Increase	Decrease	Increase	Decrease
Environmental Stress	▼	▲	▲	▼	▲	▼
Impact Strength	▼	▲	▲	▼	▼	▲
Stiffness	▲	▼	▼	▲	▲	▼
Hardness	▲	▼	▼	▲	▲	▼
Tensile Strength	▲	▼	▲	▼	▲	▼
Warpage	▲	▼	▼	▲	▲	▼
Abrasion Resistance	▲	▼	▲	▼	▲	▼
Flow Processability	-----	-----	▼	▲	▲	▼
Melt Strength	-----	-----	▲	▼	▲	▼
Melt Viscosity	-----	-----	▲	▼	▼	▲
Copolymer Content	▼	▲	-----	-----	-----	-----
Permeation	▼	▲	-----	-----	-----	-----

3. 立體結構

聚乙烯可以依照高壓與低壓聚合，生產出直鏈的HDPE和高度支鏈的LDPE；但聚丙烯在聚合時，多一個甲基，空間不足，是以直鏈為主，依甲基的排列方向的不同，會有三種立體結構：

等規立構 Isotatic
間規立構 Syndiotatic
無規立構 Atactic

前兩種可形成具規則性（結晶化）的架構，是目前商業化PP的主成份。而無規立構為聚合時副產品，將之分離出來後為蠟狀軟性物質，可做為熱熔膠材料或摻合其他材料的便宜偶合劑。PP之結晶度高低取決於聚合時分子間的立體規則性，規則性越高則結晶度越高，相對剛性與熱變形溫度會提高。而結晶度越大其光線折射率越大越不透明，加入適當增核劑(透明劑)可在成形冷卻時提早定型減少結晶化，結晶核較小折射率較小產品較透明。PP結晶的存在，使其無法像PS等非結晶型塑膠或玻璃般透明，但可以透過降低規格本身形成結晶的容易程度，加工時快速冷卻使其來不及結晶、或是後加工時強制延伸破壞結晶等方法降低結晶度，以犧牲結晶帶來的剛性來達透明需求。

單聚合物的立體規則性一般大於90%，若高於98%可將之歸類於高結晶PP。一般PP的結晶度介於40% ~ 70%之間，而高結晶PP則可高於70%。高結晶PP比重約0.91，剛性可達24,000，熱變形溫度可提高至140℃。市面上高結晶PP都是儘可能減少錯位結構比例再添加增核劑來達到物性目標要求，但結晶度不同的差異仍是會表現在物性上，因此需要仔細的評估。結晶度一般透過XI值量測。

PP共聚合物

如同聚乙烯可以引入單體，生產出LLDPE與其他共聚物，聚丙烯也可以引入其他單體，最常引用的是乙烯。

除了PP立體結構的無規則性會影響到結晶程度外，PP共聚合物內乙烯與丙烯的排列與比例也會影響到結晶程度。如前所述，聚丙烯的結晶有剛性與耐熱等好處，但卻易脆裂，也干擾光線穿透。因此，化工廠在分子鏈中引入一部份的乙烯，聚合成乙烯丙烯的共聚合物。乙烯的插入，破壞了聚丙烯分子鏈的規則性，使其難以形成結晶。結晶度的下降，不定型段的比例增加，分子鏈便有彈性，可吸收一部份的衝擊，耐衝耐摔性能獲得提升，少了結晶干擾，透明度也有所提升；但剛性與耐熱則因為結晶的比例降低而下降。共聚合物內不同單體的排列至少有下列三種：

〈1〉隨機共聚合物(Random Copolymer)

〈2〉嵌段共聚合物(Block Copolymer)

〈3〉接枝共聚合物(Graft Copolymer)

隨機共聚合物是最單純的排列組合。不規則性較高，對於結晶度的下降最明顯，密度下降，透明度上升，熔點下降，商業化後除了需要透明的應用，也適合需要熔接處理的應用。若是隨機的比例增高、引入各種不規則排列，還可進一步降低硬度，成為擁有類似橡膠性能的彈性體。除了乙烯，還可以添加正丁烯，成為三共聚合物，可以再降低溫度。

嵌段共聚跟隨機共聚相比，可以添加更多乙烯成分，同時保持了丙烯的連續排列，使結晶度下降的沒那麼多，讓產品可以獲得耐衝的同時剛性不要下降太快。但嵌入的段落之前，因為PP結晶與非結晶、甚至PE結晶之間不相容，會產生介面，光線在介面的折散射導致其不透明。化工廠在後續發展出鏈續式兩段式聚合，先聚合懸浮的乙烯丙烯橡膠（EPR），在周邊聚合單聚聚丙烯，最終形成橡膠分散在單聚聚丙烯大海的海島結構，達到類似嵌段物性，聚合效率更高，大幅降低生產成本，已經取代早期的嵌段工藝。

接枝共聚合物一般是用於需要額外功能的官能基的狀況下，例如接枝馬林酸酐以增加對極性材料的相容性，一樣接枝丙烯，使聚丙烯能獲得類似LDPE的熔融強度。

下圖說明乙烯含量對結晶度、熔點與物性的影響。

聚丙烯結構

1. 分子量

2. 分子量分佈

3. 立體結構

PP共聚合物

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