CAE DS – Injection Moulding Materials 

Polypropylene (PP) Technical University of Gabrovo – Milena Koleva

General  

Polypropylene ‐ 1 

Polypropylene or polypropene (PP)  is a thermoplastic polymer, made from the monomer propylene (propene):  

 Its molecular mass varies within the 80 000 ÷ 200 000 range. 

Polypropylene  is produced using  the  stereo  specific polymerization method, at  low pressure,  in  the presence of Ziegler‐Natta  catalysts. The proper  choice of  catalyst can  produce  isotactic,  syndiotactic  or  atactic  polypropylene,  or  a  combination  of these. Most commercially available polypropylene  is made with titanium chloride catalysts, which  produce mostly  isotactic  polypropylene. With  the methyl  group consistently  on  one  side,  such molecules  tend  to  coil  into  a  helical  shape;  these helices  then  line up next  to one another  to  form  the crystals  that give commercial polypropylene  its  strength.  More  precisely  metallocene  catalysts  offer  a  much greater level of control. These catalysts use organic groups to control the monomers being added.  In addition  to  this qualitative control,  they allow better quantitative control,  with  a  much  greater  ratio  of  the  desired  tacticity  than  Ziegler‐Natta techniques. They also produce higher molecular weights than traditional catalysts, which can further improve properties.  

A  rubbery  PP  can  also  be  made  by  a  specialized  synthesis  process.    To produce  it, a catalyst can be made, which yields  isotactic polypropylene, but with the organic groups that influence tacticity held in place by a relatively weak bond. After  the  catalyst  has  produced  a  short  length  of  polymer which  is  capable  of crystallization,  light of the proper frequency  is used to break this weak bond, and remove  the selectivity of  the catalyst, so  that  the  remaining  length of  the chain  is atactic. The result is a mostly amorphous material with small crystals embedded in it.  Since  each  chain  has  one  end  in  a  crystal  but most  of  its  length  in  the  soft, amorphous bulk,  the crystalline  regions serve  the same purpose as vulcanization. Unlike  traditional  rubber,  rubbery  PP  can  be melted  and  recycled, making  it  a thermoplastic elastomer. 

Polypropylene can have an  isotactic structure  (its methyl groups are  located on one side of  the chains), or a syndiotactic structure  (the methyl groups are  located alternatively  on  either  side  of  the  polymer  chain)  (Fig.  1).  Atactic  polymer  has disorderly located methyl groups. Stereoblock polymer has both isotactic and tactic segments. The commercial polymer is most often a mixture of polymers having  

 

General 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Production methods 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Structure  

 

 

CAE DS – Injection Moulding Materials 

 

 

different structures, the ratio of which depends on the conditions of the polymeri‐zation process. Isotactic polypropylene with a minimum content of atactic fraction (5‐20%) is the most valuable for practical purposes. 

 Fig.1. Segments of polypropylene with isotactic (above) and syndiotactic (below) tacticity. 

During processing (75‐80°C) isotactic polypropylene crystallizes, which adds a number of valuable properties to the product.  

Properties  

Polypropylene ‐ 2 

Polypropylene  has  an  intermediate  level  of  crystallinity  between  that  of  low density polyethylene (LDPE) and high density polyethylene (HDPE). Although it is less  tough  than HDPE  and  less  flexible  than LDPE,  it  is much more  brittle  than HDPE. Its tensile behaviour is more dependent on load speed and temperature than that of polyethylene – the lower the tensile speed, the higher the values of  its me‐chanical  characteristics.  Its Young’s modulus  is  intermediate between  that of  low density polyethylene and high density polyethylene. 

Polypropylene is rugged, often somewhat stiffer than some other plastics. It has very good resistance to fatigue.  Table 1. Physical properties of polypropylene.  

Physical Properties  Value 

Density  0.9 ‐ 1.44 g/cm3

Water Absorption  0.01 ‐ 0.1 % 

Moisture Absorption at Equilibrium  0.1 % 

Environmental Stress Crack Resistance  1000 hours 

Melt Flow  0.5 ‐ 136 g/10 min 

Linear Mould Shrinkage  >0.0025 cm/cm 

 

Polypropylene  has  considerably  better  physical  and mechanical  properties than polyethylene. Its tensile behavior depends to a great extent on the load speed and temperature. Its typical mechanical properties are given in Table 2.  

             

           Physical and mechanical properties    

           

    

CAE DS – Injection Moulding Materials 

Polypropylene ‐ 3 

Table 2. Typical mechanical properties of polypropylene 

Mechanical Properties  Value 

Hardness, Rockwell M  70 ‐ 113 

Tensile Strength, Ultimate  17.9 ‐ 80 MPa 

Elongation at Break  2.5 ‐ 900 % 

Modulus of Elasticity  0.008 – 8.25 GPa 

Izod Impact, Notched  2.2 ‐ 21 kJ/m2

Charpy Impact Unnotched  8 ‐ 28 kJ/m2

Tensile Creep Modulus, 1 hour  550 ‐ 700 MPa 

Tensile Creep Modulus, 1000 hours  220 ‐ 440 MPa 

 

Polypropylene has higher melting and destruction points than polyethylene. It is also more heat‐resistant, which determines the wider temperature range in which it can be used – up  to 110  ‐ 130°C. However,  it  is  less cold  resistant  than polyethylene. Products made of polypropylene withstand heat treatment above the boiling point; therefore  they  can  be  sterilized without  any  effect  on  their  shape  or mechanical properties. 

The brittleness temperature of polypropylene (and its cold resistance, respec‐tively) is ‐5 ÷‐15°C. 

The main thermal properties of polypropylene are presented in Table 3.  

 

Table 3. Thermal properties of polypropylene 

Thermal Properties  Value 

CTE, linear 20°C  25 ‐ 185 μm/m.°C 

Specific Heat Capacity  2 J/g.°C 

Thermal Conductivity  0.1 ‐ 0.13 W/m.K 

Maximum Service Temperature,  Air  44 ‐ 148 °C 

Melting Point  130 ‐ 168 °C 

Vicat Softening Point  35 ‐ 148 °C 

Glass Temperature  100 ‐ 105 °C 

Oxygen Index  18 % 

 

The electrical characteristics of polypropylene are presented in Table 4.  

 

   

                  Thermal characteristics  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electrical Properties  

CAE DS – Injection Moulding Materials 

Polypropylene ‐ 4 

Table 4. Elecrtical characteristics of polypropylene 

Electrical Properties  Value 

Electrical Resistivity  1014 ‐ 1017 Ω.cm 

Surface Resistance  1010 ‐ 1014 Ω 

Dielectric Constant  2.2 – 2.3 

Dielectric Constant, Low Frequency  2.3 

Dielectric Strength  22 ‐ 140 kV/mm 

Dissipation Factor  0.0002 ‐ 0.002 

Dissipation Factor, Low Frequency  0.0007 ‐ 0.00081 

Arc Resistance  136 s 

Comparative Tracking Index  600 V 

 Polypropylene is a chemically resistant material. It is only strong oxidants, such as 

chlorosulphuric acid, concentrated nitric and sulphuric acids, which have a signifi‐cant effect on  its properties. Continued contact with  these at a  temperature above 60°C results in destruction of polypropylene.  

At  room  temperature polypropylene  swells  slightly  in organic  solvents. At temperatures above 100°C it dissolves in aromatic hydrocarbons (benzene, toluene). It  has  good water  resistance  –  even  after  a  continuous  contact with water  for  a period of 6 months at room temperature its water‐absorbing capacity is only 0.5%, and at а temperature of 60°C – not more than 2%. 

Due  to  the presence of  tertiary  carbon  atoms  in  its  chain, polypropylene  is sensitive  to  the action of oxygen, especially at higher  temperatures. As a  result  it has a far more marked tendency to ageing than polyethylene – the process develops rapidly, with sharp deterioration of  its mechanical properties. Therefore stabiliza‐tion of polypropylene is necessary before it is processed into finished products.  

Compared to polyethylene, polypropylene is less susceptible to cracking un‐der the combined action of external loads and corrosive environment. 

Polypropylene  offers  ease  of  processing with  excellent  chemical  resistance  and good mechanical properties. It is commonly processed using conventional methods, such  as  injection moulding,  extrusion,  blow moulding,  thermoforming,  vacuum moulding,  and  rotational moulding.  Polypropylene  can  be  subjected  to  drilling, turning and welding. It can also be used in the form of filled or reinforced composi‐tions.  Glass‐fiber  reinforced  polypropylene  has  improved  dimensional  stability, resistance to warpage, rigidity and strength. Heat deflection temperature at 264 psi is  increased  up  to  300°F  (149°C)  for  40%  glass‐fiber  reinforced  polypropylene. Polypropyleneʹs  coefficient  of  thermal  expansion  is  cut  in  half  with  40%  glass reinforcement.  Glass‐fiber  reinforced  polypropylene,  when  utilizing  a  chemical coupling  agent,  has  significantly  improved  tensile  and  flexural  strengths  over regular  glass  reinforced  polypropylene.  Polypropylene  with  30%  chemically‐coupled glass reinforcement has a 180%  improvement  in  tensile strength over  the non‐reinforced  polypropylene  and  a  50%  improvement  over  conventional  glass‐reinforced grades. 

 

              

 

 

Chemical Resistance 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Processing properties 

CAE DS – Injection Moulding Materials 

Polypropylene ‐ 5 

Overall,  chemically‐bonded  polypropylene  has  improved  strength characteristics without altering the moduli, heat resistance, electrical properties, or hardness.  Talc‐filled  polypropylenes  have  improved  rigidity,  hardness,  and  heat resistance compared to the base resin. 

The major processing properties are presented in Table 4. 

Table 4. Processing characteristics of polypropylene 

Processing Properties  Value 

Processing Temperature  202 ‐ 252 °C 

Rear Barrel Temperature  220 °C 

Middle Barrel Temperature  220 °C 

Front Barrel Temperature  220 °C 

Nozzle Temperature  220 °C 

Mould Temperature  35 ‐ 49 °C 

Drying Temperature  82 °C 

 

Typical  injection moulding  conditions  for glass  fibers  filled PP  compounds are listed in Table 5. 

 

Table 5. Typical injection moulding conditions for polypropylene.  

Typical  Injection Moulding Conditions 

Value 

Temperatures  

Rear zone  193 ‐ 216 °C 

Centre zone  199 ‐ 221°C  

Front zone  204 ‐ 227°C  

Melt   191 ‐ 232°C 

Mould Temperature  32 ‐ 66 °C 

Pressures 

Injection  69 ‐ 103 MPa 

    Hold  34 ‐ 69 MPa 

    Back  0.34 ‐ 0.69 MPa 

Fill  25 ‐ 51 mm/s 

Screw  60 ‐ 90 rpm 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CAE DS – Injection Moulding Materials 

Polypropylene ‐ 6 

Application  

The  recommended minimum draft  angle  is  0.7°.  If  smaller draft  angles  are used,  it  is  necessary  to  use wide  ejection  surfaces.  The  gas  removing  channels should be low, depending on polypropylene type from 0.01 to 0.02 mm.  

The  low density, good strength characteristics,  lack of physiological risks and possibility of sterilization make polypropylene suitable  for production of medical items,  for  packages  of  food,  cosmetic  and  pharmaceutical  products,  household articles, toys, etc.  

Many  plastic  items  for  medical  or  laboratory  use  can  be  made  from polypropylene which is autoclavable. Food containers made from it will not melt in the dishwasher,  and do not melt during  industrial hot  filling processes.  For  this reason, most plastic tubs for dairy products are polypropylene sealed with alumi‐num  foil  (both  heat‐resistant materials).  Plastic  pails,  car  batteries, wastebaskets, cooler containers, dishes and pitchers are often made of polypropylene or HDPE, both  of which  commonly  have  rather  similar  appearance,  feel,  and properties  at ambient  temperature. Polypropylene  is also used  for production of  tubes,  fittings, parts for the chemical and electrical engineering sectors, fibres. It can be metallized. 

* The  ranges  given  in  the  tables  indicate  the minimum  and  the maximum  value  of  the  respective property, found experimentally and published for the different brands and types of the polymer. 

Trade names 

− Hostalen PP (Basell, NL) − Marlex ( Chevron Phillips  Chemicals, USA) − Moplen (Basell, NL) − Ultralen ( Lonza‐Werke, DE) 

References 

1. Harper, Charles A., Edward M. Petrie. Plastics Materials and Processes, John Wiley & Sons, 2003. 

2. Stevens, M.P. Polymer Chemistry: An Introduction. Oxford University Press, 1998 

3. White, J. L., D. D. Ghoi. Polyolefins: Processing, Structure Development and Properties, Hanser Gardner Publications, 2004. 4. Chabot, J. F., The Development of Plastics Processing Machinery and Methods, John Wiley & Sons, 1992.  

5. Järvelä P. et al., Ruiskuvalu, Plastdata 2000.