徐健維 / 工研院材化所
聚烯烴材料因其實用與便利性，已然成為全球產業重要材料，分布於食/衣/住/行/育/樂等各個領域。隨著茂金屬觸媒技術發展，有效調節材料共單體組成與結構，產出更多樣化符合下游產業所需物性與機械性質的聚烯烴產品也日增月益，因此對其微結構精確分析成為新產品開發的關鍵。本文介紹聚烯烴材料分析重要工具—凝膠滲透層析(GPC)的分離原理與常用檢測器種類，包括RI、UV、IR、黏度及光散射檢測器；並透過案例分析，展示如何藉由微結構分析掌握聚烯烴產品差異，輔助新材料設計與製程規劃。
【內文精選】
實際案例分析
工研院目前已建置聚烯烴材料的分子量檢測分析儀器(Polymer Char GPC-IR6)，具有IR檢測器與黏度檢測器，可分析聚烯烴高分子的分子量、黏度、短支鏈(SCB)與長支鏈(LCB)等多項資訊；同時IR檢測器除了檢測亞甲基(Methylene, –CH2–)與甲基(Methyl, –CH3)官能基外，還具備檢測羰基(Carbonyl, C=O)官能基之功能，因此可用於EVA或EVB中VA或VB的定量。以下為實際聚烯烴樣品的分析，從中我們可以瞭解到產品的分子量數據外，也可從微結構分析來細看產品差異性，以及分析未知物之產品特性。
1. 已知物分析比較
(1) Dow ENGAGE™乙烯–辛烯共聚物(POE)
表三與圖七列舉Dow ENGAGE™四種POE產品物性與GPC分析數據，從物性數據可以看到8401、8402與8407都有相同的熔融指數(MI)，差異性在於密度、結晶度與熔點。而從GPC分析則可以看出這三個樣品的分子量相似但仍有些微差異，主要差別在於辛烯的含量，從而影響產品的物性，辛烯含量越高，會使得密度、結晶度與熔點隨之下降。而8150與8407的密度很相似，但8150熔融指數低很多，從GPC分析數據可發現，8150的分子量明顯高於8407，使得黏度增加與熔融指數下降，而辛烯含量較8407高出1.3%，使得密度、結晶度與熔點也較8407低。此外，這四個樣品的分子量分布(PDI)皆小於3，辛烯含量分布不隨分子量增加而變動，可以判斷是由茂金屬(Metallocene)系列觸媒合成，而長支鏈含量約每1,000個碳有0.012~0.013個長支鏈，幾乎是沒有LCB。
▼表三、POE物性數據
(2) 熔噴用聚丙烯
常見的醫用口罩與空氣清淨機濾網中，過濾材組成為聚丙烯，其材料特色在於高流動性、高等規度、無小分子析出。內文圖表列舉四種國內外廠商的熔噴用聚丙烯之物性與GPC數據。其中可發現各家廠商的聚丙烯等規度皆>95%、熔體流動速率(MFR)皆>1,500 g/10 min；然而從GPC分析數據可觀察到仍有些差異，國外廠商使用茂金屬觸媒，因此聚丙烯分子量分布窄(<3)，而國內廠商則是使用齊格納觸媒(Ziegler-Natta Catalyst)製備的聚丙烯；再進一步透過過氧化物降解成高流動性的熔噴用聚丙烯，台廠1樣品分子量分布明顯較寬(5.8)，由於分子量分布寬，小分子聚丙烯易阻塞紡口，導致加工時產生異味，其產品規格仍有別於國外廠商技術，而台廠2樣品的分子量與分子量分布則較接近於國外大廠水準。因此，GPC分析可作為加工製程前的品質把關控制與篩選---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、POE之GPC圖譜
★本文節錄自《工業材料雜誌》467期，更多資料請見下方附檔。